四川盆地上三疊統(tǒng)黑色泥頁巖時空分布規(guī)律及其構(gòu)造意義

顏照坤, 李 勇, 聶 舟, 董順利, 任 聰, 邵崇建，張代柱，葉婷婷, 胡文超

(1. 東華理工大學(xué) 核資源與環(huán)境國家重點實驗室，江西 南昌 330013; 2. 東華理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，江西 南昌 330013;3.成都理工大學(xué) 地球勘探與信息技術(shù)教育部重點實驗室,四川 成都 610059; 4. 中國石油西南油氣田公司, 四川 成都 610041)

由于前陸盆地與毗鄰造山帶可以在空間上形成相對封閉的“源-匯”系統(tǒng)，因此前陸盆地中的沉積物可以記錄毗鄰造山帶的構(gòu)造演化，進(jìn)而揭示前陸盆地系統(tǒng)的演化規(guī)律。前人針對四川盆地上三疊統(tǒng)粗碎屑沉積物(砂巖)的物源開展了大量研究，并以此為證據(jù)重建沉積物路徑系統(tǒng)，探討龍門山前陸盆地系統(tǒng)的盆山耦合過程(鄧飛等, 2008; 陳楊等, 2011; Luo et al.,2014; Zhang et al.,2015; Yan et al.,2019)。但是，目前尚未有人利用上三疊統(tǒng)細(xì)粒沉積物(泥巖、頁巖)的時空分布特征，開展相關(guān)盆山關(guān)系研究。國外學(xué)者對晚奧陶世阿巴拉契亞盆地黑色頁巖的研究表明，前陸盆地黑色頁巖的時空分布特征可以很好地反映前陸盆地的演化過程及區(qū)域構(gòu)造演化過程(Ettensohn et al.,2015)。

本次以龍門山前陸盆地上三疊統(tǒng)黑色泥頁巖為研究對象，基于地表露頭、鉆井和地震資料，詳細(xì)分析上三疊統(tǒng)黑色泥頁巖的時空分布規(guī)律，并探討晚三疊世前陸盆地沉積充填過程及其構(gòu)造指示意義。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

青藏高原東緣自北西向南東由松潘-甘孜造山帶、龍門山?jīng)_斷帶和前陸盆地構(gòu)成了一個完整的構(gòu)造系統(tǒng)(圖1)(許志琴等, 1992; 劉樹根, 1993; Burchfiel et al.,1995; Chen et al.,1995; Li et al.,2003; Jia et al.,2006; 李勇等, 2011a)。其中，龍門山?jīng)_斷帶由一系列走向北東、傾向北西的逆沖斷裂及其所夾的逆沖巖片組成，表現(xiàn)為前展式的逆沖推覆構(gòu)造帶，具有疊瓦狀構(gòu)造和飛來峰構(gòu)造等兩種構(gòu)造樣式(Burchfiel et al.,1995；郭正吾等，1996；劉樹根，1993；許志琴等，1992，2007；Jia et al.，2006)，其后緣斷裂為茂汶斷裂，顯示為逆沖-走滑型斷裂，被稱之為“青藏高原東緣大型拆離斷裂”(許志琴等，2007) 或“汶川-茂汶剪切帶”(劉樹根，1993；Li et al.,2003；李勇等，2006)，并與松潘-甘孜造山帶為界。其中的中央斷裂為北川斷裂，顯示為逆沖-走滑型斷裂；前緣斷裂為彭灌斷裂，顯示為逆沖-走滑型斷裂(李勇等，2006)。

圖1 四川盆地上三疊統(tǒng)厚度分布特征及鄰區(qū)構(gòu)造簡圖Fig.1 Isopach map of the Upper Triassic in Sichuan basin and tectonic-geological map of the adjacent region

龍門山?jīng)_斷帶和前陸盆地的構(gòu)造演化過程及其階段劃分仍有許多分歧(如：類前陸盆地、再生前陸盆地、疊合盆地、前陸類盆地等)，但是多數(shù)研究者認(rèn)為在晚三疊世該盆地應(yīng)屬于一個典型的前陸盆地(Burchfiel et al.,1995; Chen et al.,1995; 郭正吾等, 1996; Li et al.,2003; 許志琴等, 2007; 鄭榮才等, 2009; Liu et al.,2013; Yan et al.,2019)。四川盆地上三疊統(tǒng)分布特征表明晚三疊世龍門山前陸盆地是一個典型的楔形前陸盆地，在龍門山?jīng)_斷帶南東側(cè)的前淵地區(qū)，發(fā)育厚度超過3 000 m的上三疊統(tǒng)碎屑巖(成都-綿陽一線的西側(cè))，地層厚度向南東逐漸減薄，至四川盆地東緣，厚度小于300 m(圖1)。其顯著特征是在前陸盆地的遠(yuǎn)端發(fā)育底部不整合面和碳酸鹽緩坡型海綿生物礁灘(許效松等, 1997; 李勇等, 2011b; Li et al.,2014)，在前陸盆地的近端發(fā)育巨厚的粗碎屑楔和不整合面(李勇等, 1995)。另外，四川盆地經(jīng)歷了50年的天然氣勘探和開發(fā)，從淺至深發(fā)現(xiàn)了多個氣藏，上三疊統(tǒng)須家河組也是重要的天然氣儲集層之一，具有成巖作用強(qiáng)、儲層非常致密的特征，總體為低孔、低滲或特低孔、特低滲儲層(楊克明等, 2004; 楊強(qiáng)強(qiáng)等, 2015; 康元欣等, 2015)。近年來，隨著國內(nèi)外對頁巖氣勘探開發(fā)的重視，針對四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組頁巖氣的勘探也取得很大進(jìn)展(張金川等, 2008; 朱彤等, 2012)，這些研究表明四川盆地上三疊統(tǒng)黑色泥頁巖具有很大的頁巖氣勘探潛力。

前人的研究表明，揚(yáng)子西緣在經(jīng)歷了古生代至中三疊世長期的、穩(wěn)定的被動大陸邊緣沉積之后，受印支運(yùn)動的影響在晚三疊世發(fā)展成為前陸盆地(Li et al.,2003，2014; 鄭榮才等, 2012;Yan et al.,2019)。晚三疊世，自下向上依次充填有晚三疊世卡尼克階的馬鞍塘組海相地層，諾利克階-瑞替克階的小塘子組(即須一段)和須家河組(自下向上劃分為須二段、須三段、須四段、須五段和須六段)(何鯉等, 2007; 鄭榮才等, 2009)。由于馬鞍塘組上部和小塘子組均發(fā)育一定厚度的黑色泥頁巖，并均為海相沉積(鄧康齡等, 1982; 施振生等, 2012)，為了方便論述上三疊統(tǒng)黑色泥頁巖，本次將馬鞍塘組和小塘子組統(tǒng)稱為須一段。馬鞍塘組主要發(fā)育碳酸鹽巖緩坡礁灘相沉積，小塘子組主要發(fā)育海相三角洲、障壁砂壩-潟湖沉積，須家河組主要發(fā)育三角洲、湖泊沉積(許效松等, 1996; 施振生等, 2012; Li et al.,2014)。因此，晚三疊世龍門山前陸盆地的沉積環(huán)境是一個由海相沉積(卡尼期-諾利早期)到海陸過渡相沉積(諾利中晚期)，再到陸相沉積(瑞替期)的演變過程。

2 上三疊統(tǒng)黑色泥頁巖時空分布規(guī)律

前人對龍門山前陸盆地上三疊統(tǒng)開展了大量的巖石學(xué)、沉積學(xué)、層序地層學(xué)等方面的研究(鄭榮才等, 2009，2015; 施振生等, 2012，2015; 李勇等, 2014; 戴朝成等, 2014; Yan et al.,2015; Zhang et al.,2015)，積累了大量的露頭地層剖面、鉆井和地震剖面等資料。這些資料為本次研究上三疊統(tǒng)黑色泥頁巖時空分布特征奠定了良好的基礎(chǔ)。本次將基于聯(lián)井地層對比，對上三疊統(tǒng)黑色泥頁巖在垂直于造山帶的NW-SE方向上的分布情況進(jìn)行詳細(xì)分析，并對須家河組一、三段和五段的黑色泥頁巖平面分布特征進(jìn)行分析。

2.1 上三疊統(tǒng)黑色泥頁巖聯(lián)井對比分析

本次根據(jù)地表露頭剖面和鉆井剖面，對龍門山至川東地區(qū)的上三疊統(tǒng)開展了聯(lián)井地層對比分析(圖2)。根據(jù)地層對比剖面可以看出上三疊統(tǒng)黑色泥頁巖主要分布在須一段(包括馬鞍塘組、小塘子組)、須三段和須五段。下面將重點分析這三套地層中的黑色泥頁巖的橫向展布情況。

圖2 四川盆地NW-SE方向上三疊統(tǒng)地層對比圖Fig.2 Stratigraphic correlation section of the Upper Triassic (NW-SE) of Sichuan basin

(1)須一段(馬鞍塘組和小塘子組)黑色泥頁巖NW-SE向分布特征。位于龍門山?jīng)_斷帶的安縣雎水馬鞍塘組剖面，其下部為灰?guī)r(包括鮞?；?guī)r和海綿礁灰?guī)r)，上部為泥巖、頁巖夾薄層粉砂巖(Shi et al.,2017)。J45井未鉆至馬鞍塘組，結(jié)合前人根據(jù)鉆井、地震獲得的馬鞍塘組空間分布特征，認(rèn)為馬鞍塘組在四川盆地中部尖滅(Li et al.,2014; 李勇等, 2014; 施振生等, 2015)，因此判斷馬鞍塘組東部邊界位于J45井與NS2井之間。另外，地震資料和鉆井資料證實小塘子組向東超覆至達(dá)州-重慶-宜賓一線(施振生等, 2012)，因此在地層對比剖面中，須一段可延伸至L1井附近(圖2)。綜合本次地層對比結(jié)果和前人認(rèn)識，在須一段沉積時期黑色泥頁巖總體表現(xiàn)為向南東超覆并尖滅，具有明顯的西厚東薄的楔形體特征，泥頁巖最大厚度位于龍門山?jīng)_斷帶的前緣地區(qū)(圖2)。

(2)須三段黑色泥頁巖NW-SE向分布特征。須三段黑色泥頁巖在地層對比剖面中的分布與須一段類似，整體呈現(xiàn)西厚東薄的楔形體特征(圖2)。但是黑色泥頁巖厚度更大，主要分布在ZS1井與J45井之間，并向南東延伸更遠(yuǎn)，在川東地區(qū)L1井附近仍有約40 m厚的黑色泥頁巖。因此，須三段黑色泥頁巖相對于須一段具有向南東遷移的特征。

(3)須五段黑色泥頁巖NW-SE向分布特征。須五段黑色泥頁巖同樣具有西厚東薄的楔形體特征，黑色泥頁巖主要分布在GJ井和NS2井之間。須五段黑色泥頁巖在該對比剖面中其厚度略小于須三段(圖2)，同樣具有由北西向南東逐漸減薄的特征。另外，相對于須三段黑色泥頁巖，須五段向南東延伸更遠(yuǎn)，反映了須五段沉積時期黑色泥頁巖進(jìn)一步向南東遷移。

綜合上述分析，晚三疊世龍門山前陸盆地主要發(fā)育的須一段、須三段和須五段在NW-SE方向上具有明顯的遷移性，黑色泥頁巖隨著地層由北西向南東超覆，也相應(yīng)發(fā)生向南東的遷移(圖2)。

2.2 上三疊統(tǒng)黑色泥頁巖平面分布特征

根據(jù)上文對鉆井資料的分析，四川盆地上三疊統(tǒng)黑色泥頁巖主要分布在前陸盆地的前淵地區(qū)。為了能夠精確刻畫黑色泥頁巖的時空分布特征，結(jié)合前人資料，編制了四川盆地上三疊統(tǒng)須一段、須三段和須五段黑色泥頁巖的平面分布圖(圖3)。

(1)須一段黑色泥頁巖平面分布特征。四川盆地須一段黑色泥頁巖主要分布于盆地西部，即龍門山前陸盆地靠近造山楔一側(cè)的前淵地區(qū)，具有西厚東薄的特征?，F(xiàn)今的鉆井資料顯示須一段黑色泥頁巖主要分布于龍門山中北段的前緣地區(qū)(圖3a)，在靠近龍門山一側(cè)厚度較大(大于200 m)，局部可達(dá)350 m(朱彤等, 2012)。

(2)須三段黑色泥頁巖平面分布特征。四川盆地須三段黑色泥頁巖同樣主要分布于龍門山前緣(即龍門山前陸盆地靠近造山楔一側(cè)的前淵地區(qū))，具有西厚東薄的特征，但是與須一段相比又有明顯的差異性，須三段黑色泥頁巖明顯具有兩個沉積中心，分別位于龍門山北段和南段的前緣地區(qū)，厚度超過100 m(圖3b)。另外，相對于須一段黑色泥頁巖，須三段黑色泥頁巖具有明顯的向南東擴(kuò)展的趨勢，幾乎擴(kuò)展至整個四川盆地(圖3b)。

圖3 四川盆地上三疊統(tǒng)須一段、 須三段、須五段黑色泥頁巖平面分布圖 (據(jù)施振生等，2012；朱彤等，2012修改)Fig.3 Isopach map of the 1st, 3nd and 5rd member of Upper Triassic Xujiahe Formation in Sichuan basin

(3)須五段黑色泥頁巖平面分布特征。四川盆地須五段黑色泥頁巖同樣主要分布于龍門山前緣(即龍門山前陸盆地靠近造山楔一側(cè)的前淵地區(qū))，具有西厚東薄的特征，但是須五段黑色泥頁巖主要分布于龍門山中南段的前緣地區(qū)，厚度超過200 m(圖3c)。另外，相對于須三段黑色泥頁巖，須五段黑色泥頁巖進(jìn)一步向南東擴(kuò)展，已經(jīng)擴(kuò)展至四川盆地中部，反映了四川盆地須一段、須三段、須五段黑色泥頁巖逐漸向南東遷移的特征(圖3)。

3 晚三疊世黑色泥頁巖的構(gòu)造指示意義

3.1 晚三疊世龍門山造山楔逆沖推覆作用

根據(jù)上文對上三疊統(tǒng)黑色泥頁巖分布特征的分析，建立了晚三疊世四川盆地NW-SE向年代地層格架(圖4)，以分析晚三疊世龍門山前陸盆地系統(tǒng)的演化過程。

圖4 四川盆地上三疊統(tǒng)NW-SE向年代地層格架Fig.4 Chronostratigraphic framework section (NW-SE) of the Upper Triassic rocks in Sichuan basin

黑色泥頁巖代表了盆地的可容空間大于沉積物供給的沉積時期，由于前陸盆地可容空間的形成受控于造山楔的構(gòu)造負(fù)載，因此黑色泥頁巖發(fā)育的階段可以代表造山楔構(gòu)造活動較強(qiáng)烈的階段(Flemings et al.,1990; Sinclair et al.,1991; Ettensohn et al.,2015)。通過NW-SE年代地層剖面圖(圖4)可以看出，晚三疊世龍門山前陸盆地主要發(fā)育三套黑色泥頁巖，分別為須一段(T3x1)、須三段(T3x3)和須五段(T3x5)。因此，龍門山前陸盆地晚三疊世發(fā)育的三套黑色泥頁巖代表了三次較為強(qiáng)烈的逆沖推覆運(yùn)動。

根據(jù)上述分析，四川盆地上三疊統(tǒng)黑色泥頁巖具有幕式沉積的特征，主要發(fā)育在須一段、須三段和須五段。四川盆地上三疊統(tǒng)三套黑色泥頁巖反映了龍門山造山楔在晚三疊世經(jīng)歷了三次較為強(qiáng)烈的造山作用，表明晚三疊世龍門山造山楔具有幕式造山作用的特征。

3.2 晚三疊世龍門山前陸盆地演化過程

根據(jù)上文對龍門山前陸盆地上三疊統(tǒng)黑色泥頁巖時空分布特征和晚三疊世龍門山前陸盆地沉積充填過程的分析，下面將對上三疊統(tǒng)(須一段、須三段和須五段)黑色泥頁巖的構(gòu)造指示意義進(jìn)行分析。

須一段沉積時期，根據(jù)泥頁巖厚度分布特征可以推測前陸盆地造山楔已經(jīng)初始形成(圖5a)，由于此階段海水尚未從四川盆地退出(邊兆祥, 1978; 施振生等, 2012; Li et al.,2014)，據(jù)此可以推測造山楔海拔高度有限，四川盆地與西側(cè)的古特提斯洋尚處于連通狀態(tài)。

圖5 晚三疊世龍門山前陸盆地系統(tǒng)演化過程及其對黑色泥頁巖的控制作用示意圖Fig.5 Evolution of Late Triassic Longmen Shan foreland basin system and its controlling for the black shales A、B、C表示不同時期前隆的位置

須三段沉積時期，根據(jù)泥頁巖厚度分布特征，可以推測龍門山北段和南段造山楔均有較強(qiáng)的逆沖推覆作用和較大幅度的隆升，導(dǎo)致黑色泥頁巖的沉積中心向南擴(kuò)展(圖3)。另外，由于造山楔向南東的持續(xù)逆沖推覆導(dǎo)致前陸盆地向南東遷移，進(jìn)而導(dǎo)致此階段的黑色泥頁巖具有向南東遷移的趨勢(圖5b)。

須五段沉積時期，根據(jù)泥頁巖厚度分布特征，可以判斷該階段造山楔的持續(xù)逆沖推覆導(dǎo)致該階段前陸盆地向南東遷移，進(jìn)而造成此階段的黑色泥頁巖也具有向南東遷移的趨勢(圖5c)。

另外，上三疊統(tǒng)的三套黑色泥頁巖具有向南東超覆的特征，表明了造山楔明顯地向揚(yáng)子克拉通推進(jìn)，這一認(rèn)識與前人通過彈性撓曲模擬分析獲得的結(jié)果(Li et al.,2003)一致。此外，由于須一段時期前陸盆地明顯缺少邊緣相，據(jù)此可以判斷該時期盆地西側(cè)邊界遠(yuǎn)在現(xiàn)今的地層邊界(北川斷裂)的西側(cè)，正是由于后期(須三段、須五段沉積時期)的強(qiáng)烈逆沖推覆，導(dǎo)致早期(須一段沉積時期)的盆地沉積物被卷入造山帶并遭受剝蝕。據(jù)此可以推測該時期的逆沖推覆運(yùn)動具有薄皮構(gòu)造特征。

4 結(jié)論

根據(jù)對龍門山前陸盆地上三疊統(tǒng)黑色頁巖時空分布特征及構(gòu)造意義的分析，可以獲得以下幾點認(rèn)識：

(1)四川盆地上三疊統(tǒng)黑色泥頁巖主要分布于盆地西緣，表明龍門山造山楔在晚三疊世經(jīng)歷了較為強(qiáng)烈的造山作用，龍門山造山楔的強(qiáng)烈逆沖推覆導(dǎo)致前淵地區(qū)快速沉降，進(jìn)而形成欠補(bǔ)償盆地，為上三疊統(tǒng)黑色泥頁巖的發(fā)育提供了有利條件。

(2)四川盆地上三疊統(tǒng)黑色泥頁巖具有幕式沉積的特征，主要發(fā)育在須一段、須三段和須五段，反映了晚三疊世龍門山造山楔具有幕式造山作用的特征，經(jīng)歷了三次較為強(qiáng)烈的造山作用。

(3)四川盆地上三疊統(tǒng)須一段、須三段和須五段黑色泥頁巖具有依次向南東遷移的演化規(guī)律，表明晚三疊世龍門山造山楔具有顯著地向南東推覆的特征，據(jù)此可以推測晚三疊世龍門山造山楔的逆沖推覆作用具有薄皮構(gòu)造的特征。