四川盆地及其周緣下寒武統(tǒng)筇竹寺組細(xì)粒沉積特征與影響因素

熊 亮,鄧虎成,吳 冬,魏力民,王 同,周 樺,曹凱旋,解馨慧,馬若龍,鐘雨萄

1.中國(guó)石化 西南油氣分公司,成都 610041;2.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué)),成都 610059;3.成都理工大學(xué) 能源學(xué)院,成都 610059;4.中國(guó)石化 西南油氣分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院,成都 610041;5.成都理工大學(xué) 地球物理學(xué)院,成都 610059

頁(yè)巖油氣勘探開(kāi)發(fā)實(shí)踐表明,頁(yè)巖油氣是我國(guó)油氣發(fā)展的重要戰(zhàn)略接替資源[1-4]。隨著頁(yè)巖油氣資源勘探開(kāi)發(fā)的日益深入,頁(yè)巖等細(xì)粒沉積巖的沉積環(huán)境和沉積相研究顯得尤為重要,細(xì)粒沉積巖主要形成于陸相湖盆和海相陸棚環(huán)境[5-7]。目前對(duì)海相陸棚沉積環(huán)境和沉積相帶的總體認(rèn)識(shí)較為明確[8-11],但不同沉積環(huán)境和相帶的沉積物特征、沉積動(dòng)力和影響因素等仍需深化研究。中國(guó)石化與中國(guó)石油近期勘探實(shí)踐表明,四川盆地及其周緣下寒武統(tǒng)筇竹寺組海相頁(yè)巖和粉砂質(zhì)頁(yè)巖具有巨大的天然氣勘探開(kāi)發(fā)潛力[12]。前期研究揭示,筇竹寺組頁(yè)巖和粉砂質(zhì)頁(yè)巖在研究區(qū)廣泛分布,受控于復(fù)雜的沉積格局和沉積背景,儲(chǔ)層的巖相多樣、非均質(zhì)性強(qiáng),因此,必須加強(qiáng)對(duì)沉積環(huán)境、沉積分異和沉積相帶的研究。前人將筇竹寺組劃分為3個(gè)三級(jí)層序,并建立了層序地層充填和分布模型[13];將沉積相劃分為濱岸、陸棚、潮坪、淺水緩斜坡等[8-9,14-15]。本文在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上,利用研究區(qū)40余口重點(diǎn)鉆井、9條野外露頭剖面、458 m巖心和350余件分析測(cè)試資料,對(duì)筇竹寺組底部、中部和頂部層序開(kāi)展巖石學(xué)、儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)和古生物學(xué)分析,進(jìn)而對(duì)筇竹寺組細(xì)粒巖開(kāi)展沉積背景、沉積特征、沉積相帶和影響因素研究,在明確不同類(lèi)型沉積物發(fā)育和分布特征的基礎(chǔ)上,探討了沉積動(dòng)力機(jī)制和影響因素分布規(guī)律,以期為該區(qū)筇竹寺組頁(yè)巖和粉砂質(zhì)頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)提供理論支持。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

四川盆地隸屬于揚(yáng)子板塊,面積約18×104km2,是經(jīng)過(guò)多旋回構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的大型疊合盆地[16],從古生代到新生代,主要經(jīng)歷了持續(xù)拉張作用、裂谷作用、逆沖推覆作用、剪切和塊斷作用[17]。四川盆地于晚震旦世到早寒武世間,在羅迪尼亞超大陸裂解以及岡瓦納大陸聚合的影響下,形成了以拉張為主、弱擠壓為輔的構(gòu)造演化模式[18-19]。受桐灣運(yùn)動(dòng)和興凱地裂運(yùn)動(dòng)共同作用影響,四川盆地形成了凹凸相間的構(gòu)造地貌[20]。

四川盆地下寒武統(tǒng)筇竹寺組底部巖性為灰黑色泥頁(yè)巖,中上部為黃灰色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖至細(xì)砂巖。筇竹寺組與下伏燈影組白云巖或是麥地坪組含磷地層呈不整合接觸,與上覆滄浪鋪組紫紅色砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖呈整合接觸[21];地層基本位于5 000 m以下的深度,向邊緣埋藏深度變淺,在四川盆地的北部、北東部、東南邊緣均有出露[14]。

受古地理構(gòu)造分異的影響,下寒武統(tǒng)沉積厚度及沉積相在不同區(qū)域具有差異(圖1)。在早寒武世,上揚(yáng)子地區(qū)的海水自東南方向快速侵入,海平面迅速上升,沉積中心為大面積的缺氧深水陸棚環(huán)境,發(fā)育自下而上粒度變粗的碎屑巖沉積構(gòu)造;隨后海平面緩慢降低,沉積水體整體由深變淺,自南向北發(fā)育深水陸棚—淺水陸棚—濱岸相沉積序列[14,22]。

圖1 四川盆地及其周緣早寒武世構(gòu)造—沉積分區(qū)(a)及地層綜合柱狀圖(b)

2 早寒武世沉積背景和物源分布

2.1 沉積背景

主要通過(guò)對(duì)構(gòu)造—沉積演化階段、層序發(fā)育模式、地球化學(xué)微量元素特征等資料開(kāi)展綜合分析,認(rèn)為四川盆地及其周緣筇竹寺組形成于陸棚環(huán)境,受海洋—古陸的雙重影響,水體深度中等,還原作用普遍發(fā)生。

2.1.1 由深變淺的水體

沉積古地貌和巖性變化均可以有效揭示沉積水深。四川盆地筇竹寺組沉積期古地貌揭示了中央拉張槽(中部坳陷區(qū))的存在[23],槽內(nèi)沉積水體深度更大,西部井研—犍為地區(qū)、威遠(yuǎn)地區(qū)、中東部合川—重慶地區(qū)、宜昌地區(qū)沉積古地貌相對(duì)較高(圖1),沉積水體相對(duì)更淺,往北至南江地區(qū)、東南遵義—銅仁地區(qū)水體深度顯著增大。筇竹寺組底部層序以泥巖為主,中部層序發(fā)育砂泥混合沉積物,頂部層序廣泛發(fā)育砂巖,從巖性變化角度反映了沉積水體由深變淺。

2.1.2 缺氧、貧氧的環(huán)境

V/(V+Ni)值廣泛運(yùn)用于古水體氧化還原環(huán)境的判別中,一般來(lái)說(shuō),V/(V+Ni)值大于0.57時(shí),可以認(rèn)為沉積水體總體處于缺氧環(huán)境;V/(V+Ni)值小于0.46時(shí),則認(rèn)為沉積水體總體處于氧化環(huán)境[24-26]。本文選取的樣品分布于四川盆地及其周緣不同區(qū)域,具有一定的廣泛性,不同井不同層段的V/(V+Ni)值基本都在0.60以上[14](表1),揭示筇竹寺組總體沉積于貧氧—缺氧的環(huán)境[25]。縱向上,沉積水體還原性往上趨于減弱,指示了閉塞—開(kāi)闊的沉積環(huán)境變遷;橫向上,往研究區(qū)東南方向,V/(V+Ni)值略有增大,顯示了還原作用的增強(qiáng)[14]。

表1 四川盆地金石103井下寒武統(tǒng)筇竹寺組古沉積環(huán)境特征參數(shù)

2.1.3 由濕轉(zhuǎn)旱的古氣候

沉積物中喜干型微量元素Sr與喜濕型微量元素Cu的比值,對(duì)古氣候具有靈敏的指示[27]。Sr/Cu值大于5.0表明干旱、炎熱的古氣候,分布于1.3～5.0表明溫暖、潮濕的古氣候。研究區(qū)筇竹寺組沉積期總體為干旱—潮濕交替的氣候[14],自下往上,Sr/Cu值逐漸增大,反映了古氣候逐漸變干旱的趨勢(shì)(表1)。

2.2 物源分布

四川盆地及其周緣存在多個(gè)古陸,主要分布在北部和西部(圖1)。目前來(lái)看,西部康滇古陸供源顯著,對(duì)研究區(qū)影響最大;摩天嶺古陸影響次之;北部漢南古陸、宣漢—開(kāi)江古隆起和司上—萬(wàn)源古隆起的影響較弱[13]。受碎屑物質(zhì)差異搬運(yùn)和沉積的影響,筇竹寺組西部更為富砂,又被稱(chēng)為九老洞組。

考慮到華南地塊四面環(huán)海[28-30]、上揚(yáng)子地區(qū)陸棚沉積較為開(kāi)闊、震旦紀(jì)至寒武紀(jì)無(wú)植被等因素,認(rèn)為四川盆地及其周緣筇竹寺組沉積期廣泛分布的粉砂質(zhì)和局部可見(jiàn)的細(xì)砂質(zhì)沉積物,主要形成于海浪對(duì)近古陸濱岸的頻繁拍打,以及受氣候變化和開(kāi)闊海面聯(lián)合影響形成的風(fēng)暴作用。

3 細(xì)粒沉積典型標(biāo)志

四川盆地及其周緣筇竹寺組主要沉積泥頁(yè)巖類(lèi)、粉(細(xì))砂巖類(lèi)和碳酸鹽巖類(lèi),發(fā)育不同的沉積標(biāo)志。

3.1 顏色

一般灰綠色、綠色、雜色等為氧化色,指示陸棚中淺水區(qū)域;灰黑色、深灰色等為弱還原色,深黑色、黑色等為強(qiáng)還原色,指示陸棚中、深水區(qū)域(圖2)。

圖2 四川盆地及其周緣下寒武統(tǒng)筇竹寺組沉積構(gòu)造

3.2 宏觀(guān)沉積構(gòu)造

研究區(qū)目的層巖心資料有限,金石103井等關(guān)鍵井的巖心上常見(jiàn)2大類(lèi)沉積構(gòu)造(圖2)。一是層理構(gòu)造,包括水平層理、塊狀構(gòu)造、脈狀層理、波狀層理、透鏡狀層理等。水平層理揭示靜水環(huán)境下懸浮沉積作用;塊狀構(gòu)造可能與重力流形成的快速堆積有關(guān);后3類(lèi)層理常出現(xiàn)在潮汐環(huán)境,多指示潮汐作用。二是同生變形構(gòu)造,包括火焰狀構(gòu)造、包卷層理、生物擾動(dòng)、泄水構(gòu)造、砂球等。同生變形構(gòu)造可能與地幔上涌形成的地震或火山作用有關(guān),也可能與生物活動(dòng)或重力流存在關(guān)聯(lián)。

3.3 微觀(guān)沉積結(jié)構(gòu)

近年來(lái),細(xì)粒巖的紋層研究愈發(fā)受到重視[31-33],無(wú)論是巖心還是鏡下觀(guān)察到的各類(lèi)紋層及其相關(guān)特征,都能在一定程度上反映沉積環(huán)境。筇竹寺組不少外觀(guān)相似的樣品鏡下特征存在顯著差異,指示了完全不同的沉積環(huán)境。鏡下觀(guān)察到的微觀(guān)沉積結(jié)構(gòu),主要包括無(wú)明顯分異的塊狀微結(jié)構(gòu)、雜亂分異的塊狀微結(jié)構(gòu)、水平微結(jié)構(gòu)、近平行微結(jié)構(gòu)、遞變微結(jié)構(gòu)、軟變形微結(jié)構(gòu)等(圖3)。無(wú)明顯分異的塊狀微結(jié)構(gòu)不顯紋層,為沉積物攪渾后懸浮堆積形成,缺乏機(jī)械分異現(xiàn)象;雜亂分異的塊狀微結(jié)構(gòu)與前者相似,紋層不發(fā)育,該結(jié)構(gòu)片狀顆粒相對(duì)更多,隨機(jī)雜亂分布;水平微結(jié)構(gòu)富黏土質(zhì),多見(jiàn)顆粒水平分布;近平行微結(jié)構(gòu)富長(zhǎng)英質(zhì),顆粒平行或低角度定向分布;遞變微結(jié)構(gòu)來(lái)源于機(jī)械分異和堆積,顆粒形成多期韻律,每期厚度1.5～2 mm;軟變形微構(gòu)造規(guī)模較小,常見(jiàn)泄水通道等。

圖3 四川盆地及其周緣下寒武統(tǒng)筇竹寺組微觀(guān)沉積結(jié)構(gòu)

3.4 顆粒幾何學(xué)標(biāo)志

掃描電鏡廣泛運(yùn)用于細(xì)粒巖顆粒自身幾何形態(tài)(粒徑、扁平度、棱角性、凸度、圓度)以及顆粒之間的接觸關(guān)系研究[34]。本文計(jì)算了金頁(yè)2井和長(zhǎng)溝村野外露頭剖面19塊粉砂質(zhì)泥巖樣品的扁平度和圓度;針對(duì)筇竹寺組細(xì)粒巖樣品,通過(guò)掃描電鏡得到細(xì)粒沉積顆粒的微觀(guān)圖片,利用多尺度多視域拼接技術(shù),將得到的微觀(guān)照片進(jìn)行整合處理,再利用Image J、Matlab等軟件分析顆粒識(shí)別圖像,從而得到顆粒微觀(guān)上的幾何特征參數(shù),形成微觀(guān)形貌參數(shù)平均值統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(表2)。

表2 四川盆地及其周緣下寒武統(tǒng)筇竹寺組粉砂質(zhì)泥巖顆粒主要幾何學(xué)參數(shù)

貧氧環(huán)境沉積的顆粒粒度小,呈扁平狀;相對(duì)富氧環(huán)境沉積的顆粒粒度稍大,圓度略有增加。從顆粒之間的接觸關(guān)系來(lái)看,扁平度高的顆粒形成集合體,定向排列,指示了相對(duì)深水環(huán)境中緩慢的沉積過(guò)程;相對(duì)粗粒、更圓的顆粒形成集合體,定向性弱,記錄了更為動(dòng)蕩的沉積環(huán)境。

3.5 古生物標(biāo)志

四川盆地及其周緣的筇竹寺組中可見(jiàn)大量海洋古生物化石,主要包括三葉蟲(chóng)、藻類(lèi)、海綿骨針、腕足類(lèi)和軟舌螺等。一般來(lái)說(shuō),古生物形成和演化更多地與地史年代有關(guān),但地史年代的變遷又與地球環(huán)境變化緊密關(guān)聯(lián)。因此,古生物標(biāo)志在一定程度上也能反映沉積的古環(huán)境背景。軟舌螺在麥地坪組和筇竹寺組中下部占比較高,這些生物以底棲固著生長(zhǎng)為主,既可出現(xiàn)在局限的海水中,也適應(yīng)廣闊的海洋環(huán)境。隨著時(shí)間推移,至筇竹寺組沉積中后期,三葉蟲(chóng)大量出現(xiàn),它們以浮游和游泳等運(yùn)動(dòng)方式生存,代表著相對(duì)廣闊的海洋環(huán)境(圖4)。

4 細(xì)粒沉積類(lèi)型及分布

四川盆地及其周緣筇竹寺組細(xì)粒巖以粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥巖為主,主體屬于碎屑巖陸棚。綜合考慮沉積物源影響、水體深度、氧化還原作用和巖相序列,在沉積標(biāo)志識(shí)別和解釋的基礎(chǔ)上,將筇竹寺組沉積相類(lèi)型劃分為濱岸相和陸棚相。

4.1 濱岸相

研究區(qū)的濱岸相圍繞西部和北部的古陸分布,主體處于氧化—弱還原環(huán)境;沉積物粒度粗,以灰綠色、雜色粉砂巖為主,有機(jī)質(zhì)含量低。研究區(qū)鉆井和野外露頭均相對(duì)遠(yuǎn)離古陸,揭示的細(xì)砂巖分布也極為有限(僅西部靠近穩(wěn)定供源區(qū)康滇古陸的峨邊葛村和雷波肖灘露頭發(fā)現(xiàn)薄層細(xì)砂巖),濱岸相的存在主要基于沉積模式的推測(cè),認(rèn)為其對(duì)筇竹寺組整體沉積影響較弱。

4.2 陸棚相

陸棚沉積相根據(jù)水體深度不同劃分為深水陸棚和淺水陸棚2個(gè)亞相,還可以根據(jù)巖性差異進(jìn)一步劃分出砂泥質(zhì)、炭泥質(zhì)、泥質(zhì)、灰泥質(zhì)等淺水或深水陸棚[15]。四川盆地及其周緣面積廣大、巖相復(fù)雜,本文主要基于掌握的實(shí)際資料,將筇竹寺組的沉積相劃分為淺水陸棚亞相和深水陸棚亞相(圖5),并探討不同亞相中對(duì)沉積作用和沉積分異產(chǎn)生影響的地質(zhì)因素。

4.2.1 淺水陸棚亞相

淺水陸棚亞相位于正常波基面與風(fēng)暴浪基面之間(圖5),水體總體較淺,受氧化作用影響顯著;沉積物以灰綠色、綠色、雜色等氧化色為主,有機(jī)碳含量低。沉積底形平緩,水體較為動(dòng)蕩,能量相對(duì)較強(qiáng),發(fā)育粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖,可見(jiàn)多種類(lèi)型的層理?？拷鞑靠档峁抨懙貐^(qū),可見(jiàn)細(xì)砂巖,中部地區(qū)亦可見(jiàn)碳酸鹽沉積物或富碳酸鹽膠結(jié)沉積物。從巖相組合來(lái)看,淺水陸棚主要發(fā)育砂質(zhì)淺水陸棚、泥質(zhì)淺水陸棚和碳酸鹽質(zhì)淺水陸棚。

砂質(zhì)淺水陸棚主要發(fā)育淺灰色粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖和砂泥互層粉砂巖,縱向上主要分布于筇竹寺組中—上段,橫向上分布廣泛。泥質(zhì)淺水陸棚以灰色粉砂質(zhì)泥巖、深灰色泥巖為主,夾薄層粉砂巖,縱向上主要分布于筇竹寺組下段,橫向上主要分布于川東北和“中央拉張槽”。碳酸鹽質(zhì)淺水陸棚主要發(fā)育富碳酸鹽膠結(jié)的泥巖和粉砂巖以及相對(duì)厚層(數(shù)米)的灰?guī)r和白云巖,縱向上主要分布于筇竹寺組上段,橫向上主要分布于中—東部隆起區(qū)。

4.2.2 深水陸棚亞相

深水陸棚位于風(fēng)暴浪基面以下,往大陸斜坡逐漸變深(圖5)。深水陸棚的沉積水動(dòng)力條件總體很弱,發(fā)育細(xì)粒的泥巖和頁(yè)巖。較深的水體提供了較強(qiáng)的還原條件,沉積物以深灰色、黑灰色為主,而有機(jī)質(zhì)在該安靜、還原環(huán)境中更易富集和保存,有機(jī)碳含量相對(duì)更高。前期研究認(rèn)為,筇竹寺組沉積期深水陸棚環(huán)境中沉積磷質(zhì)、硅質(zhì),還發(fā)育碳酸鹽質(zhì)沉積物和重力流砂體[8-9,14];考慮到筇竹寺組和下伏富含磷質(zhì)、也含硅質(zhì)的麥地坪組界限不易區(qū)分[13],以及全區(qū)僅少量鉆井揭示重力流砂體[8],總體認(rèn)為四川盆地及其周緣筇竹寺組深水陸棚亞相以泥質(zhì)沉積物為主。

筇竹寺組可以劃分為3個(gè)三級(jí)層序,每個(gè)三級(jí)層序的底部對(duì)應(yīng)深水陸棚亞相,形成了井研—犍為地區(qū)①、⑤、⑨號(hào)富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖層[4]。其余層段也發(fā)育深水陸棚沉積物,平面上主要分布于綿陽(yáng)—資陽(yáng)—瀘州一帶以及貴陽(yáng)—常德西南等地區(qū)[15]。

4.3 細(xì)粒沉積時(shí)空分布

四川盆地及其周緣筇竹寺組可以劃分為3個(gè)三級(jí)層序,每個(gè)三級(jí)層序在不同時(shí)期的分布和充填特征存在差異[13,37]。

筇竹寺組底部層序主要分布于中部坳陷區(qū)、北部坳陷區(qū)和西部隆起區(qū)。受基準(zhǔn)面變化和可容空間大小的控制,西部隆起區(qū)主要發(fā)育淺水陸棚亞相,康滇古陸提供碎屑供給,經(jīng)由海風(fēng)和波浪—潮汐聯(lián)合作用搬運(yùn)至此并堆積,在海侵時(shí)期受海平面上漲影響,逐漸過(guò)渡為深水陸棚亞相(圖6)。北部坳陷區(qū)以深水陸棚亞相為主要沉積類(lèi)型,反映了更為充裕的可容空間。中部坳陷區(qū)和北部坳陷區(qū)類(lèi)似,以深水陸棚亞相為主。

圖6 四川盆地井研—犍為地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組沉積亞相多井對(duì)比

筇竹寺組中部層序主要分布于中部坳陷區(qū)、北部坳陷區(qū)和西部隆起區(qū),鉆井和野外露頭資料揭示,其還在中部隆起區(qū)和東部隆起區(qū)之間的低洼地帶局限分布。中部坳陷區(qū)以深水陸棚亞相為主。受可容空間增長(zhǎng)速率持續(xù)減小的影響,西部隆起區(qū)發(fā)育淺水陸棚亞相,沉積粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖和碳酸鹽膠結(jié)粉砂巖,反映了地勢(shì)相對(duì)高點(diǎn)在海平面動(dòng)蕩過(guò)程中的沉積多變性(圖6)。北部坳陷區(qū)繼承了底部層序的沉積特征,以深水陸棚亞相為主要沉積類(lèi)型。

筇竹寺組頂部層序形成于上揚(yáng)子地區(qū)“廣盆”階段[13],所有構(gòu)造—沉積分區(qū)內(nèi)的鉆井和露頭皆揭示了該套層序的存在。中部坳陷區(qū)、西部隆起區(qū)、北部坳陷區(qū)均以淺水陸棚亞相為主要沉積類(lèi)型(圖7),粉砂質(zhì)含量較高,物源供給來(lái)自于西部和北部諸古陸。中部隆起區(qū)北部存在宣漢—開(kāi)江古隆起[38],其西南部高石梯—磨溪地區(qū)單井上粉砂質(zhì)含量相對(duì)較高,再往南粉砂質(zhì)供給不足,沉積碳酸鹽質(zhì)粉砂巖(林1井)和灰?guī)r(丁山1井)。東部隆起區(qū)與中部隆起區(qū)類(lèi)似,碎屑物質(zhì)供給不足,筇竹寺組頂部發(fā)育灰?guī)r(宜地2井)或灰質(zhì)泥巖(宜頁(yè)1井)。

圖7 四川盆地下寒武統(tǒng)筇竹寺組沉積亞相多井對(duì)比

4.4 陸棚細(xì)粒巖沉積的影響因素

陸棚沉積的水動(dòng)力條件復(fù)雜而多樣,常受潮汐、海流和風(fēng)暴的控制,發(fā)育一定規(guī)模的交錯(cuò)層理[10]。淺水陸棚的沉積物來(lái)源,一是陸源物質(zhì)越過(guò)濱岸帶沉積而成;二是原地生成,如生物沉積、火山沉積和自生沉積[10]。

4.4.1 古陸和古地貌的影響

古陸對(duì)四川盆地及其周緣筇竹寺組細(xì)粒沉積的影響存在強(qiáng)—中—弱程度差異[13],主要表現(xiàn)為西部康滇古陸碎屑供給能力最強(qiáng)(圖1),持續(xù)性地提供砂和粉砂。雖然推斷古陸周緣均分布濱岸相沉積物,但峨邊葛村和雷波肖灘剖面的筇竹寺組更高的細(xì)砂巖含量,則揭示了西部地區(qū)更廣的濱岸相分布范圍。

在遠(yuǎn)離古陸的陸棚主體區(qū),沉積物分異主要受控于4類(lèi)地貌分區(qū),分別為近海平緩區(qū)、近海局部凸起區(qū)、近海局部洼陷區(qū)和近斜坡區(qū)(圖8)。近海平緩區(qū)和局部凸起區(qū)沉積水體較淺,屬于淺水陸棚亞相,其中近海平緩區(qū)主要發(fā)育波浪、潮汐影響的砂質(zhì)沉積物,有機(jī)碳含量較低;相對(duì)較高的局部凸起區(qū),由于蒸發(fā)、底部燈影組碳酸鹽巖供源等多因素影響,易于發(fā)育碳酸鹽質(zhì)沉積物,有機(jī)碳含量同樣低。近海局部洼陷區(qū)和近斜坡區(qū)沉積水體較深,屬于深水陸棚亞相,其中局部洼陷區(qū)沉積環(huán)境相對(duì)閉塞、局限,水體安靜,以懸浮載荷為主,發(fā)育具水平層理的泥巖和粉砂質(zhì)泥巖,有機(jī)碳含量較高;近斜坡區(qū)主要發(fā)育海流、洋流影響的泥質(zhì)沉積物,有機(jī)碳含量最高。

圖8 陸棚及其沉積地貌示意據(jù)HECKEL(1972),轉(zhuǎn)引自參考文獻(xiàn)[26]。

4.4.2 波浪和潮汐的影響

上揚(yáng)子地區(qū)筇竹寺組沉積期,研究區(qū)主體處于陸棚環(huán)境,海水很淺,西部和北部發(fā)育供源能力強(qiáng)弱不一的古陸,西部井研—犍為地區(qū)鉆井和峨邊葛村露頭、北部天星1井和南江長(zhǎng)溝村露頭等均揭示沉積物以粉砂巖為主,推斷古陸難以形成大面積的河流、三角洲沉積體。海面上溫度、濕度的變化很容易形成風(fēng)場(chǎng),而早寒武世尚無(wú)大規(guī)模植被發(fā)育,海風(fēng)暢通無(wú)阻,波浪作用較強(qiáng)。海風(fēng)侵蝕古陸,形成粉砂,提供物源,粉砂在海洋中懸浮沉降,與泥質(zhì)共同沉積形成層理或各類(lèi)微觀(guān)沉積結(jié)構(gòu);波浪(受海風(fēng)影響)和潮汐(受月球影響)反復(fù)沖刷古陸,形成長(zhǎng)英質(zhì)細(xì)粒碎屑(圖9),是為本區(qū)內(nèi)另一類(lèi)型物源。這2類(lèi)物源提供的沉積物堆積于富氧環(huán)境,顏色以灰色、淺灰色為主,粉砂質(zhì)含量較高,可見(jiàn)平行層理、透鏡狀層理、波狀層理和脈狀層理,薄片觀(guān)察可見(jiàn)低角度微結(jié)構(gòu)、近平行微結(jié)構(gòu)、遞變微結(jié)構(gòu),反映了定向牽引流的改造和懸浮作用的影響。從顆粒幾何特征來(lái)看,細(xì)粒度(>10 μm)似圓棱角狀顆粒占比較多。由于沉積水體較淺,氧化作用顯著,加之波浪和潮汐的反復(fù)淘洗,不利于有機(jī)質(zhì)的保存,該影響下形成的沉積物有機(jī)碳含量較低,TOC含量大多小于0.45%。

圖9 四川盆地金石103井不同影響因素下下寒武統(tǒng)筇竹寺組細(xì)粒巖組分對(duì)比

4.4.3 海水蒸發(fā)的影響

在淺水陸棚亞相中,與蒸發(fā)作用密切相關(guān)的碳酸鹽質(zhì)粉砂巖或碳酸鹽巖分布較少,這與其形成條件較為苛刻有關(guān)。水體較淺、水溫適中、古陸影響較弱的地帶是碳酸鹽質(zhì)粉砂巖或碳酸鹽巖沉積的主要區(qū)域。沉積巖顏色較淺,以灰色、淺灰色為主,反映了氧化作用的影響;部分手標(biāo)本特征常和受波浪—潮汐擾動(dòng)影響形成的巖石相近,X衍射測(cè)試則揭示其富碳酸鹽質(zhì)(圖9)。常見(jiàn)水平層理、塊狀層理等沉積構(gòu)造;鏡下可見(jiàn)長(zhǎng)英質(zhì)碎屑顆粒被大量方解石膠結(jié)物膠結(jié)。受到氧化作用的影響,蒸發(fā)環(huán)境下形成的巖石TOC含量較低,普遍小于0.45%。海水蒸發(fā)作用主要記錄在筇竹寺組頂部層序中,這與筇竹寺組沉積期由濕轉(zhuǎn)旱的古氣候相關(guān)。

4.4.4 懸浮作用的影響

在遠(yuǎn)離古陸的局部洼陷地區(qū),風(fēng)浪作用不易到達(dá),沉積水體長(zhǎng)期安靜,粉砂供給較為貧乏,泥質(zhì)沉積物便以懸浮方式不斷堆積,形成灰色、深灰色泥頁(yè)巖。由于缺乏單向、雙向水流的持續(xù)作用,巖石多發(fā)育塊狀層理,同沉積期亦可發(fā)生軟變形,形成變形構(gòu)造。

鏡下觀(guān)察可見(jiàn)塊狀微結(jié)構(gòu)、攪渾微結(jié)構(gòu)和遞變微結(jié)構(gòu);顆粒多呈中細(xì)粒(2～8 μm)扁平狀。較深的水體易于還原作用的發(fā)生,巖心可觀(guān)察到黃鐵礦(圖9),受此影響的沉積物TOC含量相對(duì)更高,一般大于0.45%。

4.4.5 上升洋流的影響

在中部隆起區(qū)東南緣和東部隆起區(qū),筇竹寺組內(nèi)往往發(fā)育一套高有機(jī)碳含量的巖層。該套巖層TOC含量多大于2%,甚至可達(dá)8%。從微觀(guān)沉積結(jié)構(gòu)來(lái)看,其呈極細(xì)顆粒(<2 μm)扁平狀,定向排列,以泥頁(yè)巖為主。

發(fā)育高TOC巖層的丁山1井和渝參9井地處中部隆起區(qū),該區(qū)幾乎不發(fā)育筇竹寺組中下部層序[13];至筇竹寺組頂部層序沉積期,上揚(yáng)子地區(qū)處于廣盆階段,縱向上沉降已經(jīng)較為穩(wěn)定且均勻,推斷TOC的顯著增高與橫向上所處的地理位置有關(guān)。中部隆起區(qū)東南緣和東部隆起區(qū)均靠近中—上揚(yáng)子?xùn)|南部深水斜坡相區(qū),該套富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖應(yīng)該受到了東南部揚(yáng)子地塊沉積中心形成的上升洋流的影響。前期研究已經(jīng)表明,上升洋流能夠提高古生產(chǎn)力、促進(jìn)還原環(huán)境的形成,對(duì)有機(jī)質(zhì)生成和保存具有積極影響[27,39-40],是海洋中局部高TOC區(qū)形成的重要因素之一。

調(diào)研發(fā)現(xiàn),震旦紀(jì)—寒武紀(jì)洋流存在從上揚(yáng)子地區(qū)東南部往西方向活動(dòng)的軌跡,即研究區(qū)東南部為洋流注入來(lái)源[28-30];同時(shí),相較于狹窄的中部坳陷區(qū)和北部坳陷區(qū),中部隆起區(qū)東南緣和東部隆起區(qū)南部可供洋流活動(dòng)的范圍更為廣闊,洋流更易形成。生物標(biāo)志化合物也反映了上升洋流的影響[41],湄潭地區(qū)地處中部隆起區(qū)東南緣,生物標(biāo)志化合物揭示母質(zhì)為海洋來(lái)源,處于半深水環(huán)境;地處中部坳陷區(qū)南部、東部隆起區(qū)西側(cè)的松林地區(qū)生物標(biāo)志化合物反映了陸源母質(zhì)的影響,說(shuō)明研究區(qū)東南部洋流的影響可能未觸及中部坳陷區(qū)。上揚(yáng)子地區(qū)筇竹寺組沉積期海風(fēng)的影響顯著,巨大波浪往下擠壓下伏海水和沉積物,待風(fēng)力降低,海水發(fā)生回彈,形成的負(fù)壓力可以促使深部洋流往淺層運(yùn)動(dòng)。

5 細(xì)粒沉積模式

四川盆地及其周緣筇竹寺組沉積初期差異沉降作用顯著,層序厚度變化大[13],受此影響,不同地區(qū)沉積特征及影響因素差異較大。西部隆起區(qū)受到西側(cè)古陸持續(xù)供源的影響,加之隆起區(qū)僅能提供有限的可容空間,沉積亞相以淺水陸棚為主,且受波浪和潮汐聯(lián)合影響顯著;較淺水體的不斷攪動(dòng),使得沉積環(huán)境富氧,廣泛發(fā)育低TOC含量的粉砂巖,往西(峨邊葛村剖面露頭)局部見(jiàn)細(xì)砂巖。北部坳陷區(qū)和中部坳陷區(qū)發(fā)育深水陸棚亞相,尤其在北部坳陷區(qū),受上升洋流的影響,在低洼地帶沉積高TOC泥頁(yè)巖。其余低洼地區(qū)未受到上升洋流影響,在深水陸棚亞相中沉積中等TOC泥頁(yè)巖(圖10a)。

圖10 四川盆地及其周緣下寒武統(tǒng)筇竹寺組細(xì)粒巖沉積模式古陸地勢(shì)為示意,受控于資料,無(wú)法明確古陸相對(duì)高差,

筇竹寺組沉積中期差異沉降作用不斷減弱,層序厚度差異持續(xù)減小,可容空間增長(zhǎng)速率減緩,坳陷區(qū)洋流的影響逐步消退。但沉積格局還是多多少少繼承下來(lái),原先洋流影響發(fā)生在地形低洼地帶,隨著洋流影響的消退以及水體相對(duì)變淺,這些低洼地帶發(fā)育的深水陸棚亞相泥巖TOC含量有所降低(圖10b)。安靜環(huán)境下懸浮載荷影響的范圍有所擴(kuò)大,在中部隆起區(qū)和東部隆起區(qū)之間,亦發(fā)育深水陸棚亞相泥頁(yè)巖。在西部隆起區(qū),雖然海平面持續(xù)上漲,但由于可容空間增長(zhǎng)速率較慢,雅安一帶仍未接受沉積,證據(jù)便是漢深1井不發(fā)育筇竹寺組中部層序[13]。

筇竹寺組沉積末期,上揚(yáng)子地區(qū)穩(wěn)定沉降,進(jìn)入“廣盆”階段,層序厚度趨于一致,平面上沉積微相變化不大,可容空間增長(zhǎng)速率較慢。自西往東,受波浪和潮汐聯(lián)合影響的淺水陸棚亞相覆蓋了大部分研究區(qū);在北部坳陷區(qū)繼承性發(fā)育深水陸棚亞相;中部坳陷區(qū)深水陸棚亞相的分布范圍較前期進(jìn)一步縮小,僅分布在自貢一帶;由于地形影響,靠近古陸的雅安地區(qū)雖然已被海水淹沒(méi),但與外界溝通不暢,形成局限、安靜、受懸浮作用影響顯著的沉積環(huán)境(圖10c)。在丁山1井區(qū),受控于沉積地形較高和碎屑物質(zhì)供給較少,非常局限地發(fā)育受蒸發(fā)作用顯著影響的碳酸鹽質(zhì)沉積物。

6 結(jié)論

(1)結(jié)合四川盆地及其周緣下寒武統(tǒng)筇竹寺組構(gòu)造背景和層序特征的調(diào)研,開(kāi)展研究區(qū)早寒武世沉積背景研究,明確筇竹寺組沉積于貧氧和缺氧的環(huán)境,沉積水體由深變淺,所處古氣候由濕轉(zhuǎn)旱。西側(cè)康滇古陸為主要碎屑供源區(qū),粉砂質(zhì)碎屑經(jīng)由海洋、風(fēng)等載體進(jìn)入沉積區(qū)。

(2)基于顏色、宏觀(guān)沉積構(gòu)造、微觀(guān)沉積結(jié)構(gòu)、顆粒幾何學(xué)和古生物等特征,在四川盆地及其周緣筇竹寺組內(nèi)劃分出濱岸相和陸棚相,進(jìn)一步將陸棚相劃分為淺水陸棚亞相和深水陸棚亞相。淺水陸棚亞相主要發(fā)育粉砂質(zhì)泥巖和砂泥互層泥巖,也可見(jiàn)富碳酸鹽沉積物,TOC含量總體較低;深水陸棚亞相主要發(fā)育泥頁(yè)巖,TOC含量總體較高。

(3)波浪和潮汐聯(lián)合作用、海水蒸發(fā)作用、懸浮作用、上升洋流以及沉積古地貌是影響四川盆地及其周緣下寒武統(tǒng)筇竹寺組細(xì)粒沉積的關(guān)鍵因素?；诩?xì)粒沉積特征、影響因素和沉積相帶空間分布的認(rèn)識(shí),建立了四川盆地及其周緣下寒武統(tǒng)筇竹寺組細(xì)粒巖沉積模式。

利益沖突聲明/Conflict of Interests

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻(xiàn)/Authors’Contributions

熊亮和鄧虎成參與研究設(shè)計(jì)和論文審核;吳冬、魏力民和王同參與論文寫(xiě)作和修改;周樺、曹凱旋和解馨慧參與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì);馬若龍和鐘雨萄完成實(shí)驗(yàn)操作。所有作者均閱讀并同意最終稿件的提交。

The study was designed and examined by XIONG Liang and DENG Hucheng. The manuscript was drafted and revised by WU Dong, WEI Limin and WANG Tong. The experiments were designed by ZHOU Hua, CAO Kaixuan and XIE Xinhui. The experimental operation was completed by MA Ruolong and ZHONG Yutao. All the authors have read the last version of paper and consented for submission.