四川盆地须家河组层序分析与地层对比

摘 要

摘要:长期以来,四川盆地上三叠统的须家河组与香溪群存在多种地层分区、划分方案和对比关系,为建立对须家河组进行区域地层划分、对比的统一标准,对该组进行了详细层序分析与地层

摘要:长期以来,四川盆地上三叠统的须家河组与香溪群存在多种地层分区、划分方案和对比关系,为建立对须家河组进行区域地层划分、对比的统一标准,对该组进行了详细层序分析与地层对比。通过对层序界面和最大洪泛面的识别,将须家河组划分为分别代表“须下盆”和“须上盆”两个成盆期次的两个超长期旋回层序,细分成5个分别对应须二段-须六段的长期旋回层序和17个中期旋回层序。在分析各次级构造单元须家河组层序发育特征的基础上,建立了贯穿盆地东西向、南北向的等时地层格架,并对须家河组进行对比,发现地层格架中上超的超长期和长期层序界面具有很大的穿时性,而洪泛面具有良好等时性,是区域地层对比的最重要标志。地层分布明显受龙门山和米仓山-大巴山两条造山带非同步异方位逆冲推覆活动的控制,具有自盆地周边坳陷带向被坳陷带围绕的川中前陆隆起方向上超变薄的楔形充填特征。最后,建议废弃“香溪群”这一地层单元命名,使用沉积-层序划分方案作为对须家河组进行区域地层划分和对比的统一标准,以符合地层学原理。
关键词:四川盆地;晚三叠世;层序地层学;基准面旋回;地层格架;等时对比;洪泛面;沉积-层序划分方案
    高分辨率层序地层学是基于被动大陆边缘经典层序地层学理论的重要发展[1],适用于陆相层序分析,运用构造-沉积响应关系进行高分辨率层序划分,建立等时地层格架和对地层进行等时对比,在此基础上编制高精度层序-古地理图,对油气田勘探开发可提供更可靠的依据[2~3]。为此,笔者应用高分辨率层序地层学理论,对长期以来存在较大争论的四川盆地上三叠统须家河组与香溪群的地层分区、划分方案和对比关系进行研究。
1 区域地质背景
    位于扬子地块西、北部造山带与克拉通之间的四川盆地(图1),是一个多旋回叠合的构造盆地[4]。中三叠世末,扬子地块西、北部边缘受板块构造挤压影响开始缓慢上升,并逐渐演化为沿板块边缘有强烈逆冲推覆作用的龙门山和米仓山-大巴山两条弧形相交的造山带[4~6],在结束周缘前陆盆地海相沉积的同时,于晚三叠世早期进入类前陆盆地构造演化阶段[5~7],相继发生晚三叠世马鞍塘组、小塘子组和须家河组由海相到陆相的沉积充填作用,并延续到侏罗 白垩纪红层碎屑岩建造期。
    就须家河组构造-沉积格局而言,该盆地可划分为川西坳陷、川东北坳陷、川东南坳陷和川中前陆隆起4个次级构造单元(图1-b)。
    由于上述4个次级构造单元受到龙门山和米仓山-大巴山两条造山带分别对应于“须下盆”和“须上盆”两个成盆期非同步异方位的强烈逆冲推覆活动的影响[5~6],各次级构造单元须家河组的岩性、岩相和厚度在纵、横向上变化极大,物源区方向和母岩性质也不尽相同(已另撰文讨论),所含化石不仅单一而且稀少,缺乏可进行区域等时对比的岩性和生物标志层,因此,很难对其进行统一的区域地层划分和等时对比,长期以来须家河组与香溪群存在多种地层分区、划分方案和对比关系[8-10]
2 须家河组层序地层分析及各次级构造单元层序发育特征
2.1 层序地层分析
2.1.1层序界面特征及识别标志
   在层序地层分析中,层序界面不仅将新、老地层分开,使层序具有新、老年代地层意义,更是进行层序划分和建立地层格架进行区域等时对比的基础,因此,界面识别是层序地层分析的关键。

2.1.1.1 地表露头和钻井岩心层序界面识别标志
    须家河组于四川盆地范围内的地表露头和钻井岩心中,相当构造层序级别的超长期旋回层序界面[3]主要有以下3个:①须二段底部的构造不整合面,该界面也是四川盆地由早期海相的前陆周缘盆地构造演化阶段转入中期陆相的类前陆盆地构造演化阶段的标志[5~6,11];②须四段底部与须三段呈微角度不整合接触的界面,为“安县构造运动”产物[12],此界线也是区域上划分“须下盆”和“须上盆”两个成盆期构造层序的依据;③须家河组顶部或侏罗系底部的、区域上广泛发育的构造不整合面。此外,广泛发育于须二段-须六段各岩性段底部和内部的大型冲刷面与相转换面,往往为相当三级和四级层序级别的长、中期旋回层序界面和洪泛面[3]
2.1.1.2 地震层序界面识别标志
    地震反射剖面是进行层序划分和等时对比的有效技术手段,但因受地震信息分辨率限制,仅用于识别大尺度层序界面和洪泛面。在四川盆地须家河组地震剖面中[13~14],可识别出超长期和长期级别的层序界面和洪泛面。代表超长期层序界面的反射界面,由盆缘向盆内表现为底界面之下为削截→顶超→平行结构,之上为上超→平行结构,显示界面成因与构造隆升后沉降引起的大面积超覆作用有关;代表长期层序界面的反射界面,主要表现为反映地层不协调关系的地震反射终止面。
2.1.1.3 测井层序界面特征及识别标志
须家河组钻井岩性识别和地层划分应用最多的测井曲线为自然伽马和视电阻率,通过200余口井的测井资料分析,须家河组常见的层序界面测井相类型和层序接哦股主要有3类(图2):①底部突变、向上渐变的退积式,此类最常见,反映缓慢湖侵-快速湖退趁机序列;②自下而上均变的加积式,反映湖侵-湖退速度均衡沉积序列;③下部渐变、顶部突变的进积式,较少见,反映快速湖侵-缓慢湖退的沉积序列。总体上,以反映湖侵沉积序列为主的层序占据更大优势。

2.1.2最大洪泛面识别标志
    在陆相层序分析中最大洪泛面是最重要的区域等时对比标志[15],在地表露头或钻井岩心中,须家河组最大洪泛面常表现为向上加深变细沉积序列顶部的泥岩段顶面;在地震剖面上(详见本文参考文献[13-14]),最大洪泛面表现为表示整合界面的高振幅连续反射;在测井曲线中最大洪泛面表现为测井曲线单向或脉动性移动达低幅值极限位置后,折向增高的转换点位置(图2),并对应低电阻、低电位和高伽马、高声波时差的电性特征。须家河组于各超长期、长期和中期旋回中都发育有洪泛面,如须二段中上部“腰带子”暗色泥岩段,须三段中上部碳质页岩和煤层,须四段、须五段和须六段中、上部的黑色页岩和煤层等均可代表不同级别旋回的洪泛面发育位置,也是区域上重要的等时对比标志。但在盆缘冲积扇沉积区不发育大型洪泛面,原因与盆缘沉积物的供给量始终处在大于地层基准面上升提供的可容纳空间超补偿状态有关,上升的基准面难以向上穿越沉积界面,因此,当基准面上升达到相当最大洪泛面的高点位置后,一旦折向下降沉积界面,即接受侵蚀而缺失最大洪泛期沉积记录。
2.1.3高分辨率层序地层划分
按照地层基准面旋回级次划分和命名原则[3],同时考虑层序界面性质、发育规模、结构类型和地层叠加样式,对盆内200余口井和10余条地表剖面的须家河组进行了高分辨率层序分析,可以划分出两个分别代表“须下盆”和“须上盆”成盆期的、与构造层序(或三级层序组)相当的超长期旋回层序(Sup-LSC1~SupLSC2,以下简称为构造层序),5个对应于各岩性段的与三级层序相当的长期旋回层序(LSC1~LSC5),以及17个中期旋回层序(MSC1~MSC17)(表1),其中超长期和长期旋回层序于盆地范围内具有很好的区域可对比性[9~10]
 

2.2 各次级构造单元层序发育特征
    四川盆地须家河组被划分为成都-绵阳区、广元-宣汉区、万州-綦江区、合川-威远区4个地层分区[8],分别与三坳围-隆构造-沉积格局[5~6]中的川西坳陷、川东北坳陷、川东南坳陷和川中前陆隆起4个次级构造单元相对应(图1-b),各构造单元须家河组沉积-层序发育特征各不相同[16~18]
2.2.1川西坳陷须家河组层序发育特征
   位于四川盆地西部,以龙门山推覆带为西北边界,营山-资阳-井研一线为东南边界,须家河组厚度变化很大,介于350~3000m,岩性西粗东细,以近龙门山逆冲推覆带前缘的地区广泛发育冲积扇砾岩,而坳陷内为三角洲→湖泊、沼泽相含砾砂岩、砂岩与泥岩互层夹薄煤层组合为显著特征[16],层序发育有如下特点:
   1) 可划分为分别相当须二段-须五段的LSC1~LSC4共4个层序,相当须六段的LSC5层序缺失[5]
   2) 坳陷内“须下盆”构造层序厚度远大于“须上盆”(图1-a-Ⅱ),如孝泉-新场-合兴场地区“须下盆”层序充填体(LSC1+LSC2)厚度为1400~2200m,“须上盆”层序充填体(LSC3+LSC4)厚度为800~1000m,反映对应于龙门山造山带的逆冲推覆活动,“须下盆”处于有更大沉降幅度的强烈坳陷期,而“须上盆”处于强烈坳陷折向稳定坳陷和隆升的转换期。
   3) 龙门山逆冲推覆带前缘,以发育缺失高位体系域的向上“变深”非对称型的,或低位+湖侵体系域厚度远大于高位体系域的不完全对称型结构为主(图1-a-Ⅰ),说明推覆带前缘沉积物供给量始终大于可容纳空间增量,基准面上升期快速堆积的沉积物在基准面下降期频繁地被剥蚀而保存不全。
    4) 坳陷带以发育低位+湖侵体系域厚度略小于或接近高位体系域的近完全对称型结构为主(图1-a-Ⅱ),反映沉积物供给量略小于或接近可容纳空间增量而有利于层序发育与保存。
    5) 各长期旋回层序中,以坳陷带中期旋回层序发育和保存较完整,而前陆冲断带和前陆隆起带发育较少和保存不完整,因此,如以长期旋回层序界面和最大洪泛面为对比标志,按中期旋回层序发育状况、数量和发育顺序,出现自坳陷带向西部盆缘前陆冲断带和东部前陆斜坡带及前陆隆起带双向上超的充填样式[5]
2.2.2川东北坳陷须家河组层序发育特征
    位于四川前陆盆地东北部,以米仓山-大巴山逆冲推覆带为东北边界,营山-大竹-梁平一线为西南边界,须家河组厚度变化也较大,介于300~1200m。岩性组合以大巴山逆冲推覆带前缘的须四、须五段和须六段下部普遍发育有巨厚的冲积扇-扇三角洲砾岩,而坳陷内为迅速变细和急剧加厚的三角洲→浅湖相沉积为特征,层序发育特征与川西坳陷具有一定的异同性,特点如下:
    1) 可划分为LSC1~LSC5共5个层序,其中LSC5层序局部缺失或保存不全[6]
    2) 以“须上盆”构造层序厚度普遍大于“须下盆”为与川西坳陷的主要差别(图1-a-Ⅳ),反映该地区“须下盆”处于低幅沉降的稳定坳陷期,而“须上盆”坳陷幅度急剧加大,说明米仓山-大巴山造山带于须家河中、晚期才开始进入强烈逆冲推覆活动期,此特征佐证了龙门山和米仓山-大巴山两条造山带独特的非同步异方位逆冲推覆活动性质,也显示了前缘坳陷的沉降-沉积中心位置由“须下盆”时期位于川西坳陷,“须上盆”时期开始向川东北坳陷迁移之趋势(早侏罗纪迁移到川东北坳陷,笔者注)。
    3) 发育于逆冲推覆带前缘和坳陷带的长、中期旋回层序的结构类型和发育特征与川西坳陷基本一致,也具备坳陷带中期旋回层序发育较完整和保存较好,而前陆冲断带和前陆隆起带发育较少和保存不完整的特点(图1-a-Ⅴ),如川西坳陷,出现自坳陷带向北部盆缘前陆冲断带和南部前陆斜坡带及隆起带依次上超的充填样式[6]
2.2.3川中前陆隆起须家河组层序发育特征
    位于四川盆地中部呈南高北低的鼻状低幅隆起,为一受龙门山和米仓山-大巴山两造山带非同步异方位逆冲推覆活动夹持控制和“共享”的前陆隆起次级构造单元[5~6]。须家河组厚度为250~660m,岩性为较细的河流-浅水三角洲→湖泊、沼泽相的砂、泥岩不等厚互层夹薄煤层组合,区域分布较稳定,层序发育特征完全不同于川西和川东北两个坳陷,特点如下:
    1) 虽然可划分出LSC1~LSC5共5个层序,但LSC1和LSC2层序很薄,LSC5层序局部缺失或保存不全。
    2) 以“须上盆”构造层序厚度远大于“须下盆”为与川西和川东北两个坳陷的主要差别(图1-a-Ⅲ),反映前陆隆起于“须下盆”时期处于低幅沉降状态,而“须上盆”沉降幅度稳定加大,沉积充填作用有所加强。
    3) 无论是“须下盆”还是“须上盆”都以发育湖侵体系域厚度略大于或接近高位体系域的近对称型结构为主,各长期旋回都具有中期旋回层序发育少、保存不完整但于隆起带范围内分布稳定和可对比性较好的特点,反映该构造单元沉降和沉积物供给都较稳定。
    4) 出现自前陆隆起带向隆起西侧和北侧周边的前陆斜坡带和前缘坳陷带方向,中期旋回层序发育数量逐渐增多和下超的演化趋势,其中“须下盆”中期旋回数量主要向川西坳陷方向增多下超,反映“须下盆”前陆隆起带构造-沉积格局主要受龙门山造山带逆冲推覆活动控制,而“须上盆”中期旋回数量主要向川东北坳陷增多下超,反映“须上盆”前陆隆起带构造-沉积格局主要受米仓山-大巴山造山带逆冲推覆活动控制,此特征进一步证明了“须下盆”与“须上盆”两个成盆期之间存在主构造应力场方位的转换,与龙门山和米仓山-大巴山两造山带非同步异方位逆冲推覆活动及沉降-沉积中心位置由川西坳陷向川东北坳陷迁移的趋势相一致。
2.2.4川东南坳陷须家河组层序发育特征
    川东南坳陷位于四川盆地东南部,以七曜山断裂带为东南边界,纳溪-璧山-邻水一线为西北边界,须家河组(或香溪群)厚度为250~500m,岩性为普遍较细的三角洲→湖泊、沼泽相的砂岩夹粉砂岩、泥岩和碳质页岩互层夹薄煤层组合,在各次级构造单元中以其厚度最薄和分布最稳定。层序发育特征与川中前陆隆起带较相似,有如下特点:
    1) “须下盆”以发育湖侵体系域厚度近似于高位体系域的对称型结构为主(图1-a-Ⅵ),大部分地区厚度很薄,部分地区缺失此二层序,反映“须下盆”沉积期处于缓慢沉降,局部暴露的弱侵蚀状态。
    2) “须上盆”的LSC3和LSC4层序组成了该坳陷的沉积充填主体,以发育湖侵体系域厚度略大于高位体系域的不完全对称型结构为主(图1-a-Ⅵ),反映“须上盆”是该坳陷较大幅度沉降的主要活动期。
3) 无论是“须下盆”还是“须上盆”,都具有中期旋回层序发育少、保存不完整但分布较稳定,并出现自坳陷带向东部盆缘带逐渐缓慢上超的充填样式,总体反映该次级构造单元沉降幅度小而稳定,沉积物供给量虽然较充沛但保存量有限,除湖侵晚期至高位早期(包括洪泛期),多数时间段处于暴露侵蚀和沉积物过路状态。
3 层序地层格架和区域地层对比
3.1 层序地层格架
    由上述4个次级构造单元须家河组层序发育特征的差异性,反映如下3个重要的层序-地层和时间-地层对比意义(图3、4、5):

    1) 在各超长期和长期基准面上升过程中,对应湖水位上升、湖域扩大和有效可容空间向高部位方向迁移的双向上超过程中,以前陆冲断带和前陆隆起带为代表的高部位最晚接受湖侵期-洪泛期沉积,上超面具有从坳陷的低层位到隆起的高层位的大幅度穿时性。
    2) 当各超长期和长期基准面处于下降期状态时,伴随湖水位下降、湖域收缩和有效可容空间向前缘坳陷低部位方向迁移过程中,以近冲断带的盆缘和盆内前陆隆起带率先暴露和进入侵蚀冲刷状态,造成下降半旋回沉积记录缺失或保存不全,特别是伴随侵蚀面向下切割和向盆地方向迁移,下超面具有从隆起的低层位到坳陷的高层位反向的大幅度穿时性,
    3) 最大洪泛期沉积除了近冲断带的盆缘保存较差和局部缺失,各次级构造单元均有不同程度发育,因此,无论是在层序-地层格架还是时间-地层格架,最大洪泛面始终为盆地范围内超长期和长期旋回层序最重要的有效等时对比标志。
   依据地层基准面旋回等时对比优选位置原则[1],以单井沉积相分析和超长期、长期、中期旋回层序划分为基础,运用基准面上升和下降的二分时间单元分界线、即穿时的层序界面和等时的洪泛面为优选地层对比位置,以长期旋回层序为对比骨架,中期旋回层序为等时地层单元建立盆地范围的须家河组层序-地层格架(图3、4)和时间-地层格架(图5)进行等时地层对比,取得较好效果。
3.1.1东西向地层格架
    东西向地层格架跨越了川西坳陷、川中前陆隆起、川东南坳陷3个次级构造单元(图3-a、b),地层分布呈西厚东薄的楔形体(图3-c),沉降-沉积中心位于川西坳陷,厚度沉积在川西坳陷最大可超过3000m,自西向东厚度逐渐向川中前陆隆起和川东南坳陷上超并减薄,粒度变细。地层格架中的界面和层序展布有如下几个特点:
    1) 川西坳陷LSC1~LSC4层序发育完整,但缺失LSC5层序。
    2) 川中前陆隆起LSC3~LSC5层序发育较完整,而LSC1和LSC2层序发育不全或缺失。
    3) 川东南坳陷主要发育LSC3~LSC4层序,LSC1、LSC2和LSC5层序大部分地区发育不完整或缺失。
    4) 在时间-地层格架中(图5-a)各超长期、长期旋回的层序界面自西向东,由川西坳陷经川中前陆隆起至川东南坳陷具有逐渐加大的上超穿时性,相关的中期旋回发育数量也依次减少,而最大洪泛面具有良好的等时性,洪泛面两侧的中期旋回均有保存。因此,由最大洪泛期沉积的泥岩段成为区域地层划分和等时对比的依据。
3.1.2南北向地层格架
    南北向地层格架跨越川东北坳陷和前陆隆起2个次级构造单元(图4-a、b),地层分布呈北厚南薄的楔形体(图4-c),沉降-沉积中心位于川东北凹陷内,厚度在川东北坳陷最大可超过1200m,自北向南向川中前陆隆起上超和厚度逐渐减薄、粒度变细。无论是在层序-地层格架中的超长期、长期、中期旋回层序的发育状况和展布特征(图4),还是在时间-地层格架中层序界面的穿时性和最大洪泛面等时性(图5-b),都与东西向地层格架如同一辙,此不赘述。
3.2 区域地层对比
由于控制四川盆地构造-沉积格局的龙门山和米仓山-大巴山两条造山带逆冲推覆活动的非同步性和异方位性[5~6],须家河期的沉积充填作用于盆地各部位也是不同步和非均衡的,在地层表现形式上,如地层厚度、岩性、岩相、叠置方式和物源供给方向都存在很大的差异性,致使盆地范围内须家河组很难进行统一地层划分和区域对比。但依据上述各次级构造单元须家河组层序发育特征,笔者采用高分辨率层序地层学理论和层序分析与对比技术[19],从盆-山耦合过程的构造-沉积序列分析和旋回等时对比法则入手,在对各次级构造单元须家河组进行层序划分和发育特征描述的基础上,建立贯穿盆地的层序 地层和时间-地层格架,从层序演化规律和旋回等时性分析角度出发,对须家河组进行了更为合理的统一划分和区域地层对比取得较好效果(表2),也为编制须家河组更精细的层序-岩相古地理图[16]和描述层序充填样式与气藏分布关系[20]提供了更为有效的基础资料。

4 结论
    1) 依据层序界面和最大洪泛面发育特征,可将四川盆地上三叠统须家河组划分为分别代表“须下盆”成盆期和“须上盆”成盆期的两个与构造层序相当的超长期旋回层序、5个分别对应于须二段-须六段的长期旋回层序(LSC1~LSC5)和17个中期(MSC1~MSC17)旋回层序。
    2) 在三坳围一隆的构造格局中,受龙门山和米仓山-大巴山两造山带非同步异方位逆冲推覆作用控制,4个次级构造单元的须家河组沉积充填特征各不相同,但在东西向和南北向等时地层格架中,充填体都呈近冲断带巨厚的楔形体展布,沉降-沉积中心位于前缘坳陷内,并具有向前陆斜坡和前陆隆起方向逐渐上超、减薄和粒度变细的演化特点。
    3) 在地层格架中确定了等时对比标志,结合各构造单元须家河组层序发育特征与龙门山和米仓山-大巴山两条造山带非同步异方位逆冲推覆过程的盆-山耦合关系,就不再难以理解各次级构造单元须家河组沉积-层序演化规律、层序发育特征及其与区域地层划分与等时对比的关系。
    4) 鉴于香溪群在四川省地层清理方案中属于拟被清理的岩石地层单元,而且该地层单元适用范围非常有限,划分标准在不同的地层分区差别很大,与须家河组的对比关系在不同地层分区和不同研究者的方案中更是大相径庭。因此,作者建议废弃“香溪群”这一地层单元命名,使用沉积-层序划分方案作为对须家河组进行区域地层划分和对比的统一标准,应该更加符合地层学原理。
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(本文作者:郑荣才1 李国晖2 雷光明3 李楠2 罗清林3 陈虎4 1.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·成都理工大学;2.中国石油西南油气田公司勘探开发研究院;3.川庆钻探工程有限公司地质勘探开发研究院;4.中国石油西南油气田公司重庆气矿)