中扬子北部上震旦统陡山沱组沉积特征及演化

单长安，张廷山*，张朝，郭军杰，3

1.西南石油大学地球科学与技术学院，四川成都610500；

2.中国石油浙江油田分公司，浙江杭州310023；3.河南工程学院安全工程学院，河南郑州451191

中扬子北部上震旦统陡山沱组沉积特征及演化

单长安1，张廷山1*，张朝2，郭军杰1，3

1.西南石油大学地球科学与技术学院，四川成都610500；

2.中国石油浙江油田分公司，浙江杭州310023；3.河南工程学院安全工程学院，河南郑州451191

中扬子区上震旦统陡山沱组中下部为一大套灰黑色、黑灰色泥页岩，且大部分地区深埋地腹，具有较好的页岩气勘探潜力。基于钻井岩芯及野外剖面测量观察，开展了系统的基础地质研究，建立了陡山沱组区域地层格架，进行了层序和沉积相分析。上震旦统陡山沱组岩性具有四分特征，钻井岩芯和实测剖面各分段的岩性特征和沉积厚度有所不同，地层厚度在90～250m，总体上呈东西走向展布，即自北西向东、南逐渐增厚的趋势。将陡山沱组划分为一个二级层序（SS1），其中包含4个三级层序（SQ1、SQ2、SQ3、SQ4）。沉积相包括滨岸潮坪相和台地相，台地相划分为开阔台地、局限台地和台内盆地3类亚相。陡山沱期，研究区整体上为台地相沉积，区内东南部为开阔台地沉积，西北部为局限台地，西南部花鸡坡X1井九里垭一带为相对深水的台内盆地相沉积。

地层特征；沉积相；上震旦统；陡山沱组；中扬子北部

图1 中扬子江汉盆地区域构造位置图Fig.1 Sketch geologicalmap of Jianghan Basin in them idd le Yangtze p latform

引言

区域构造位置上，研究区北以巴洪冲断背斜带为界，南临宜昌、当阳一线，主要包括黄陵隆起东翼、当阳复向斜北部和乐乡关-潜江复背斜的西北部地区（图1）［1］。中扬子区陆壳是在太古代早元古代微型陆核的基础上，于中、晚元古代经过多期沉降、褶皱、变质、固结等作用形成的，崆岭群、打鼓石群以及花山组构成研究区的古老基底，经历了震旦纪早期裂谷拉张阶段、震旦纪晚期-早奥陶世克拉通盆地阶段、中奥陶世志留纪前陆盆地阶段、泥盆纪-石炭纪的差异沉降阶段、二叠纪三叠纪中期的克拉通稳定沉降阶段、晚三叠世中侏罗世前陆盆地阶段、白垩纪-第三纪断陷-拗陷盆地阶段及喜马拉雅晚期隆升-剥蚀阶段等8个构造-沉积演化阶段［2-3］。区内地层发育齐全，从元古界至新生界均有出露，上震旦统陡山沱组主要出露在黄陵隆起及乐乡关潜江复背斜内，其他地区出露较为零星［4- 7］。

湖北峡东地区震旦系出露完好，是前人研究的重点地区。20世纪60-90年代，前人对峡东地区震旦系进行了大量的研究，获得了大量的古生物、古地磁、同位素测年和地球化学资料［8-12］。在地层学及岩相古地理方面，王自强等在峡区等地开展了露头层序地层学和盆地分析研究［13-14］，密文天等将白果园陡山沱组与灯影组归为一个二级层序，将陡山沱组划分为6个三级层序，均为海侵体系域和高位体系域组成的不完整叠置层序［15］，郑文忠等对鄂西陡山沱组进行了划分与对比，认为磷块岩受古地理控制沉积于局部海底地形相对低洼处［16］，柳永清等对峡东地区莲沱-石牌、田家园子、秭归庙河、九曲脑和花鸡坡-岩家河等剖面进行了深入、系统的沉积相与沉积环境研究［17］。然而，针对黄陵隆起东部地区震旦系的研究相对较少。随着四川盆地南部下志留统龙马溪组海相页岩气勘探的大规模突破，大量学者对其进行了基础理论研究［18-22］，中国南方海相页岩气勘探已经成为当前的研究热点。中扬子区上震旦统陡山沱组中下部沉积了一大套灰黑色、黑灰色泥页岩，且大部分地区深埋地腹，具有较好的页岩气勘探潜力。本文结合峡东地区前人的研究成果，利用最新的钻井、野外剖面资料进行陡山沱组地层特征和沉积相研究，以期为该区页岩气勘探提供基础地质理论成果。

图2 研究区陡山沱组地层对比Fig.2 Stratigraphic correlation of Doushantuo Formation in the study area

1 地层发育特征

1.1 钻井及野外剖面

震旦系是扬子区内出露最广的元古代地层，是研究区内古老基底崆岭群之上的第一个沉积盖层，主要出露在黄陵背斜两翼，与下伏前震旦系黄陵杂岩成明显的角度不整合接触，在研究区东北部则不整覆于元古界杨坡群或青白口群花山组之上，上覆寒武系与震旦系呈平行不整合接触。全系岩相及厚度变化十分显著，总厚度为754.00～1 864.00m不等。按岩性特征、岩石组合、沉积旋回、含矿性和接触关系等，自下而上可分为下震旦统南沱组、上震旦统陡山沱组和灯影组，由砾岩、砂岩、冰碛岩、泥页岩、碳酸盐岩和磷块岩组成。陡山沱组分为4个岩性段，自下而上为：（1）“盖帽白云岩”，厚1.50～5.00m；（2）白云质灰岩夹黑色页岩，富含燧石结核，厚90.00～120.00m；（3）白云岩夹燧石层及燧石结核及条带白云岩，厚为40.00～70.00m；（4）黑色碳质页岩夹泥晶白云岩透镜体，厚为5.00～20.00m［23］。4个岩性段在峡东地区分布较稳定，亦常被称为下白云段、下页岩段、上白云岩段和上页岩段［24- 25］。

对研究区中西部X1井、西南部宜昌市三斗坪镇花鸡坡剖面和东部钟祥市胡集镇金山剖面的上震旦统陡山沱组进行了详细测量和观察描述，认为3条剖面岩性具有四分的特征，与峡东地区典型岩性段四分法类似。由于不同区域陡山沱期沉积环境不同，各分段的岩性特征和沉积厚度有所区别，笔者对这3条剖面进行了地层划分与对比（图2）。

X1井是以上震旦统陡山沱组为目的层的全取芯资料井，自上而下钻遇地层为第四系、灯影组、陡山沱组和南沱组，笔者对其进行了岩芯精细描述，将其共分了108个小层，其中陡山沱组为80～106层，共计27层，总厚度为150.80m，分为4个岩性段：（1）底部浅灰色含砾白云岩与下伏南沱组灰绿色冰碛砾岩不整合接触（图3a），厚度为1.50m；（2）黑色含碳质粉砂质泥岩、页岩，局部夹灰色、深灰色灰质白云岩（图3b），厚为103.20m；（3）浅灰色、深灰色细晶白云岩夹深灰、灰黑色含泥质细晶白云岩（图3c），厚为25.10m；（4）深灰、灰黑色粉砂质泥岩（图3d），厚为21.00m。

图3 陡山沱组钻井岩芯及野外露头照片Fig.3 Photograph of d rilling coresand outcrop section of Doushantuo Formation

图4 研究区陡山沱组地层展布特征Fig.4 Characteristic of stratigraphic distribution of Doushantuo Formation in the study area

三斗坪镇花鸡坡剖面陡山沱组总厚度为94.79m，分为15个小层，4个岩性段分别为：（1）底部为浅灰色厚层状白云岩与下伏南沱组灰绿色冰碛砾岩不整合接触（图3e），厚7.52 m；（2）黑色碳质泥页岩夹深灰色薄层状泥质粉晶白云岩（图3f），厚37.73 m；（3）下部为灰黑色粉晶白云岩与黑色碳质泥岩不等厚互层（图3g），上部为黑色含碳质粉晶白云岩，厚30.11m；（4）灰色薄层状微晶白云岩（图3h），厚19.43m。

胡集镇金山剖面陡山沱组总厚度为170.33m，分为13个小层，4个岩性段分别为：（1）底部为紫红色中层状细晶白云岩、浅灰色中层状细-粉晶硅化白云岩和深灰色粉砂质泥岩组成（图3i），厚度3.23m；（2）底部为灰白色薄层状泥质粉砂岩，下部为灰白色薄层状含碳硅质岩，中下部为灰白色厚层状细晶白云岩（图3j），上部为浅灰色薄层状硅化灰岩与黑色薄层状硅质岩不等厚互层，厚58.79m；（3）黑色薄层状硅质岩夹浅灰色薄层状硅化白云岩（图3k），厚31.90m；（4）黑色薄层状硅质岩，局部夹浅灰色薄层状硅化白云岩（图3l），厚56.75m。

南沱期冰期结束后，冰碛岩上普遍沉积了一套碳酸盐岩，上述3个钻井、野外剖面底部均可见一薄层白云岩发育，厚度在1.50～7.52m，区内分布十分广泛，可与峡东地区的典型地层“盖帽白云岩”对比。研究区中西部陡山沱组与峡东地区的岩性段四分特征吻合较好，即自下而上为云岩-泥页岩-云岩-泥页岩交替沉积；西南部陡山沱组一段、二段和三段岩性特征与峡东地区基本一致，而四段白云岩明显较发育；东部金山剖面岩性特征与峡东地区差异较大，整个剖面均以硅质岩为主，仅有薄层白云岩存在于下部或以夹层的形式存在。

1.2 地层展布特征

结合前人资料，收集了8条野外露头或矿区剖面资料［4-7］，对各个剖面点的陡山沱组地层厚度及岩性特征进行了统计，作出了研究区陡山沱组厚度展布图（图4）。宜昌地区的花鸡坡剖面厚度为94.79m，其西南向的长阳佑溪剖面厚度为196.70m，认为宜昌地区及研究区南部地层厚度呈现由南往北逐渐减薄的趋势；东部钟祥太极垭剖面厚度为241.64m，其北面的钟祥市胡集镇金山剖面厚度为170.33m，东面的随县薛家店剖面厚度为101.53m，东南部的钟祥刘冲剖面地层厚度为208.76m，京山王关剖面厚度为133.62m，可见以太极垭的南西部为核心，地层厚度向周围减薄；研究区西部的X1井相对较厚，达到150.80m，其北面的栗溪河-西叉河剖面厚度为112.50m，往北至保康县树崆坪一带厚132.00m。综上可见，陡山沱组厚度应该在90.00～250.00m，研究区的南部和东部厚度较厚，中部远安九里垭一带最薄，总体上呈东西走向展布，即自北西向东、南逐渐增厚的趋势。

图5 X1井陡山沱组层序地层与沉积相分析图Fig.5 M ap of Doushantuo Formation sequence stratigraphic column and sedimentary faceofWellX1

2 沉积环境与相

2.1 沉积相特征

通过对上震旦统陡山沱组钻井及各剖面的地层厚度统计，结合各种岩石相特征及相标志，沉积相可划分为潮坪相和台地相，台地相包括开阔台地、局限台地和台内盆地3类亚相。

（1）潮坪相

发育在陡三陀组底部，主要为灰白色中-厚层状含砾白云岩、细晶白云岩，常称为“盖帽白云岩”，见方解石脉。

（2）开阔台地

主要分布在研究区东南部，主要为浅灰色中-厚层状细晶白云岩、中层状细—粉晶硅化白云岩、黑色薄层状硅质岩、灰白色薄层状含碳硅质岩。浅灰色薄层状硅化灰岩与黑色薄层状硅质岩常呈不等厚互层发育。

（3）局限台地

主要分布在研究区西北部，岩石类型主要为浅灰色中层状微晶灰岩、微粉晶白云岩，见鲕豆粒、砾屑白云岩等。

（4）台内盆地

主要分布在研究区西南部，主要为黑色碳质页岩、灰黑色含钙质泥岩与黑色碳质页岩韵律互层。

以X1井为例，进行层序与沉积相分析，结果如图5所示，将陡山沱组划分为一个二级层序（SS1），其中包含4个三级层序（SQ1、SQ2、SQ3、SQ4）。SQ1海侵体系域底部普遍发育一套云岩，覆盖在南沱组冰期砾岩之上，表明早震旦世末期的冰川随气候变暖开始融化，中扬子区在短期内即进入滨岸沉积环境，海水受早期古地形的限制而形成闭塞环境，大部分地区出现强烈的白云岩化。随着海平面的迅速上升，SQ2进入台地环境，海侵期X1井沉积了一大套黑色碳质泥、页岩，页理发育，岩芯明显染手，夹有多层条带状磷矿岩，SQ2的最大海泛面代表了陡山沱期的最大海泛面，高水位期，沉积了黑色含碳粉砂质泥页岩，层间见粉晶白云岩，代表了其处于台内低洼地区，为台内盆地环境。SQ3海侵期，岩性主要为深灰色、灰黑色含钙质细晶白云岩，底部见豆粒构造，高水位期，白云岩颜色变浅，表明海平面有所下降，代表了局限台地相沉积环境。SQ4海侵期，海平面缓慢上升，水体渐变，沉积物为深灰色、黑灰色粉砂质泥岩，高水位期，沉积水体略有变浅，为灰色泥质粉砂岩，表现为台内盆地沉积特征。

2.2 沉积相展布

中扬子区前寒武纪海相岩石出露广泛，其中碳酸盐岩、硅质岩、页岩的沉积厚度均较大，且层序完整，沉积相类型多样，因此，该地区是国内外学者研究的热点地区之一。前人在中扬子区做过大量的研究，积累了大量岩石地层、生物地层、沉积学、岩相古地理资料，这为进一步深化沉积相类型、沉积演化等方面的分析与研究提供了良好的基础［26-27］。南华纪末，全球气候转暖，冰川消融，中扬子区在拉张背景下经莲沱组和南沱组冰碛砾岩、泥岩的裂谷充填后，发生自南向北的大规模海侵，拉开海相沉积的序幕。伴随着晚震旦世第一次大规模海侵，研究区内普遍发育一套厚度不等的云岩。随着海侵的扩大，区内迅速转为深水沉积，表现为一套颜色普遍较深的泥页岩沉积，有机碳含量较高，构成区内第一套主力烃源岩。随后出现了陡山沱期海平面缓慢上升与下降，形成了灰岩、云岩与碳质泥页岩的交替沉积。

利用钻井和实测剖面，结合区域地质资料对研究区内上震旦统陡山沱组进行了沉积相剖面对比研究（图6），比较好地反映了层序格架内不同体系域沉积相横向变化特征。

图6 花鸡坡剖面—X1井—（栗林河—西叉河剖面）—金山剖面—刘冲剖面陡山沱组沉积相对比图Fig.6 M ap of sedimentary face correlation of Doushantuo Formation among Huajipo profile，WellX1，Lilinhe-Xichahe profile，Jinshan p rofile and Liuchong profile

陡山沱期，研究区整体上为台地相沉积，区内西南部花鸡坡X1井-九里垭一带发育为相对深水的台内盆地相沉积，岩石类型主要为黑色页岩、碳质泥岩、粉砂质泥岩和泥质粉砂岩。栗林河-西叉河、树崆坪和南漳一带，以及宜城、远安、宜昌一线附近为局限台地相沉积，为浅灰色中层状微晶灰岩、微粉晶白云岩。区内东南部为开阔台地相沉积，岩石类型主要为灰色硅质岩，以硅质白云岩、硅化灰岩、灰质白云岩为主，硅质岩中碳质含量较高，磷结核团块状发育，白云岩以细晶结构为主，硅化和交代作用现象严重，见燧石团粒顺层产出和滑动构造（图7）。

图7 江汉盆地西北部陡山沱组沉积期岩相古地理及沉积模式图Fig.7 Lithofaciespalaeogeography and sedimentarymodelmapsof the Doushantuo Formation in the Northwestern Jianghan Basin

3 结论

（1）研究区中西部X1井、西南部宜昌市三斗坪镇花鸡坡剖面和东部钟祥市胡集镇金山剖面的上震旦统陡山沱组岩性特征均具有四分的特征，由于不同区域陡山沱期沉积环境的不同，剖面各分段的岩性特征和沉积厚度有所区别。

（2）基于钻井和实测剖面地层厚度，结合区调剖面，推测陡山沱组地层厚度应该在90～250m，研究区的南部和东部较厚，中部远安九里垭一带最薄，总体上呈东西走向展布，即自北西向东、南逐渐增厚的趋势。

（3）通过对钻井和野外剖面的层序与沉积相分析，将陡山沱组划分为一个二级层序（SS1），其中包含4个三级层序（SQ1、SQ2、SQ3、SQ4），沉积相包括潮坪和台地两种类型，台地相进一步分为开阔台地、局限台地和台内盆地三类亚相。

（4）陡山沱期，研究区整体上为台地相沉积，区内东南部为开阔台地沉积，西北部为局限台地，西南部花鸡坡-X1井-九里垭一带发育为相对深水的台内盆地相沉积。

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编辑：张云云

编辑部网址：http：//zk.swpuxb.com

Sedimentary Characteristicsand Evolution of the Upper Sinian Doushantuo Formation in the North ofM idd le Yangtze Area

SHAN Changan1，ZHANG Tingshan1*，ZHANG Zhao2，GUO Junjie1，3
1.Schoolof Geosciencesand Technology，Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan 610500，China
2.Zhejiang Oilfield Company，CNPC，Hangzhou，Zhejiang 310023，China
3.Schoolof Safety Engineering，Henan Instituteof Engineering，Zhengzhou，Henan 451191，China

A large setof dark grey to black coloredmudstone and shale deposited in themiddle to lower partof the upper Sinian Doushantuo Formation in them iddle Yangtze Platform，mostofwhich are deeply buried in the Basin and w ith a good shale gas resource potential.Based on drilling cores and outcrop section investigation，a systematical study on fundamental geologywascarried out.Wealso analyzed thesequencestratigraphy and sedimentary faciesof theDoushantuo Formation，and established regionalstratigraphic framework.The lithology of theupper Sinian Doushantuo Formation ischaracteristic of four different lithofacies，and the thicknessofwhich isdifferentin drilling coresand outcrop sectionsw ith variation ranges from 90 to250m.Ingeneral，thestratum is thickeningalong thedirectionofnorthwestto southeast.Doushantuo Formationwasdivided into a second-ordersequence（SS1），which contains four third-ordersequences（SQ1、SQ2、SQ3、SQ4）.Sedimentary faciesof Doushantuo Formationwere subdivided into tidal-flatand platform w ith three subfaciesasopen platform，shallow watershelf and intra-platform basin respectively.In Doushantuo period，the sedimentary environments of Doushantuo Formation varied from southeast to northwestas open platform and restricted platform in the study area，intra-platform basin face in the area of Huajipo，Well X1 and Jiuliya.

stratigraphic characteristics；sedimentary facies；Upper Sinian；Doushantuo Formation；the north of m iddle Yangtze area

单长安，1985年生，男，汉族，山东菏泽人，博士研究生，主要从事沉积学与非常规油气地质研究工作。E-mail：scalzm@163.com

张廷山，1961年生，男，汉族，贵州贵阳人，教授，博士生导师，主要从事岩相古地理、储层地质学方面的教学及研究工作。E-mail：zts_3@126.com

张朝，1983年生，男，汉族，四川遂宁人，工程师，硕士研究生，主要从事页岩气勘探开发研究及管理工作。E-mail：zhangc85@petrochina.com.cn

郭军杰，1978年生，男，汉族，河南唐河人，副教授，博士研究生，主要从事煤气共采方面的研究工作。E-mail：gjjie@163.com

10.11885/j.issn.1674-5086.2014.09.17.02

1674-5086（2016）03- 0001-10

TE121

A

http：//www.cnki.net/kcms/detail/51.1718.TE.20160104.1649.012.htm l

单长安，张廷山，张朝，等．中扬子北部上震旦统陡山沱组沉积特征及演化［J］．西南石油大学学报（自然科学版），2016，38（3）：1-10．

SHAN Changan，ZHANG Tingshan，ZHANG Zhao，etal．Sedimentary Characteristicsand Evolution of the Upper Sinian Doushantuo Formation in the North ofM iddle Yangtze Area［J］．Journalof SouthwestPetroleum University（Science&Technology Edition），2016，38（3）：1- 10．

2014- 09-17网络出版时间：2016- 01-04

张廷山，E-mail：zts_3@126.com

高等学校博士学科点专项科研基金（20125121130001）；国家自然科学基金优秀青年科学基金（41302123）；中国石油南方及南海探区第四次油气资源综合评价（2013E-050210）。