四川盆地中南部地区洗象池群沉积旋回的碳氧同位素特征及地质意义

贾 鹏，李 伟，卢远征，樊 茹，李 鑫，李 明，曾乙洋，刘 鑫

(1.中国石油勘探开发研究院，北京 100083；2.中国石油 西南油气田公司，四川 成都 610000)

四川盆地中南部地区洗象池群沉积旋回的碳氧同位素特征及地质意义

贾 鹏1，李 伟1，卢远征1，樊 茹1，李 鑫1，李 明1，曾乙洋2，刘 鑫2

(1.中国石油勘探开发研究院，北京 100083；2.中国石油 西南油气田公司，四川 成都 610000)

四川盆地中南部地区寒武系洗象池群碳酸盐岩的碳、氧同位素组成受后期成岩作用影响较小，基本保留了原始海洋的同位素组成，根据该地区采集的88个碳、氧同位素数据，研究、讨论了中上寒武统碳酸盐岩不同尺度沉积旋回中的碳氧同位素组成、演化及地质意义。研究表明，四川盆地寒武系洗象池群由下至上的地层序列中，碳、氧同位素具有明显的旋回性演化特征：其δ13C值变化于-5.6‰～3.247‰之间，均值为-0.979‰，绝大多数的样品都在-2‰～2‰的区间震荡，δ18O值分布于-11.1‰～-5.2‰之间，均值为-6.934‰，主要集中在-9‰～-6‰的范围内波动。通过对不同尺度沉积旋回碳、氧同位素数据分析研究，认为在体系域尺度沉积旋回中控制碳氧同位素组成特征的主因是海平面变化，在米级旋回中主要受高频海平面变化、古气候、古构造等多方面叠加的影响；通过对碳、氧同位素数据分析研究，首次明确了该地区芙蓉统的底界，为地层的划分对比提供了有力证据；洗象池群早期和中期经历了短暂而快速的海侵后进入缓慢的海退，在晚期缓慢海侵后的快速海退，碳同位素组成反映的海平面变化趋势与沉积相演化一致。

四川盆地中南部；洗象池群；碳、氧同位素；沉积旋回；古环境；地质意义

0 引 言

自显生宙以来四川盆地经历了震旦纪—中三叠世的海相碳酸盐岩台地、晚三叠世—始新世的陆相碎屑盆地和渐新世以来的构造盆地3大演化阶段[1-2]。其中寒武系发育较完整，埋深一般在2 000～5 000 m，是四川盆地天然气开发的重要层系，威远地区多口井在寒武系钻获工业气流，川中高石梯、安平店、磨溪和龙女寺地区也在寒武系获得低产气流[3-4]。针对寒武系洗象池群，前人对其古生物、地层层序、岩相古地理及石油地质进行过研究[5-12]，但是稳定同位素的研究开展较少。笔者针对这一层系系统采集了四川盆地中南部地区两口井一个野外剖面的碳酸盐岩样品，进行了碳氧同位素测定。第一，讨论了这套地层的碳氧同位素演化特征，并综合运用海相沉积物的沉积特征及化石族群等资料恢复古环境变迁与演化。第二，通过对碳、氧同位素数据分析研究，首次明确了该地区芙蓉统的底界，为地层的划分对比提供了有力证据。第三，运用同位素将不同级别沉积旋回与同位素的组成结合，直接阐述了与岩性岩相变化的联系，这尚属首次。第四，本研究在本区首次拓展到米级旋回尺度上，对其形成机理进一步研究。因此，此次研究不仅能提供该区洗象池群地层碳氧同位素的新数据，并且对不同尺度沉积旋回形成机理及其碳氧同位素对应关系也具有参考价值。

1 地质背景

四川盆地是我国西部一个大型含油富气的盆地，面积约为18.8×104km2，拥有极为丰富的天然气资源。在前震旦系变质岩和火成岩的基底上，沉积了厚达6 000～12 000 m的海相和陆相地层。四川盆地中南部地区地理位置位于川中及川南，系指北起仪陇、平昌，南至乐山、宜宾，西起成都、梓潼，东至合川、渠县的广大地区。构造位置处于龙泉山断裂与华蓥山断裂之间[13]，二级构造单元上属于川中低缓构造带及川西南低缓褶皱带[14-15](图1)。

盆地内下寒武统筇竹寺组黑色页岩是盆内生烃能力最强、分布范围最广的一套重要烃源岩，位于其上的寒武系相关层位的储层具有优先捕获油气的优势。其中洗象池群为一套海相碳酸盐岩沉积，岩性以灰色、浅灰色的薄-厚层的白云岩为主，厚度自北西向南东方向增厚，而在南西-北东方向上保持稳定。西部的古隆起长期存在，而东南部毗邻江南斜坡，整个地势近乎单斜。在古陆边缘的台地区，洗象池群厚度保持在200～250 m之间，向东南持续增加，至秀山-沿河一带厚达1 000 m以上，至湘西厚度更大，但随着白云岩含量占比减少，灰岩含量占比增加，岩性组成与洗象池群的差异也越来越大。

2 样品、测试方法

本研究样品采自四川盆地中南部地区寒武系的野外剖面及岩心样品，采样位置如图(1)所示。同位素样品主要选取未经蚀变的新鲜岩样，为降低后期成岩蚀变作用对碳、氧同位素原始组成信息的影响，尽可能避免方解石脉、重结晶及岩石后期风化等发育部位，尽量反映原始沉积特征。

图1 四川盆地中南部地区构造背景、野外剖面及井位位置图(SRTM数据)Fig.1 Tectonic setting and locations of profile and wells in central-southern Sichuan Basin

实验样品共88块，采自四川盆地洗象池群华蓥山野外剖面、威寒1井岩心样品及广探2井岩屑样品。选取未经蚀变的细粒碳酸盐岩全岩试样，经切片观察后取新鲜部分，无污染磨制成200目以下粉末，后装入试管并在烘箱中烘干，再在真空中与100%的无水正磷酸反应24 h(25 ℃)制备出CO2气体，在Thermo Scientific MAT 253稳定同位素质谱仪上进行测试，并以VPDB标准(Vienna Pee Dee Belemnite)给出。δ13C和δ18O值测量精度为0.1‰。

3 测试结果

测试结果(表1)统计表明：四川盆地中南部地区洗象池群碳酸盐岩δ13C值变化于-5.08‰～3.25‰之间，均值为-0.979‰，绝大多数的样品都在-2‰～2‰的范围内，与正常海相碳酸盐岩0±2‰的范围基本一致。δ18O值分布于-11.1‰～-5.2‰之间，均值为-6.934‰，主要集中在-9‰～-6‰的范围内(图2)。同位素组成与全球寒武系碳酸盐岩的同位素组成基本一致。海相碳酸盐岩在成岩过程中，碳酸盐岩中碳、氧同位素组分与流经岩石孔隙介质中的碳、氧同位素组分发生分馏作用，特别是氧同位素更易遭受后期蚀变作用影响，另外，碳酸盐岩的δ18O>-10.0‰或-11.0‰[16]也可作为判断碳酸盐岩成岩较弱的标志。获得的威寒1井、广探2井和华蓥田坝剖面的δ18O值主要分布在-8‰～-6‰之间(图2)。如果多条海相地层剖面相同时期的δ13C演化趋势越相似说明原始同位素组成信息保留得越好[17]。

4 碳氧同位素演化特征

在柱状剖面图上可以看出四川盆地寒武系洗象池群碳酸盐岩同位素组成明显的变化规律(图3)。洗象池群下部早期δ13C值升高后进入波动期(华蓥山田坝剖面未出露此段层位)，δ13C值是早期一个短暂的正向漂移到缓慢降低的一个过程；洗象池群中下部的δ13C整体较为稳定，波动幅度很小，早期抬升后呈现缓慢降低趋势；洗象池群中上部出现了显著的δ13C正漂移事件，异常幅度可达4‰，该事件在全盆地具有很强的可对比性，都是δ13C值快速增加，达峰值后再缓慢降低。洗象池群上部的特征是先升高、后震荡中保持平稳、至顶部又迅速降低的一个过程。氧同位素组成整体上有小幅度增加的趋势，但是变化幅度不大，基本保持稳定。

表1 川中地区寒武系洗象池群碳酸盐岩碳、氧同位素测试数据表

图2 四川盆地中南部洗象池群碳酸盐岩δ13C与δ18O值相关图Fig.2 The relationship between δ13C and δ18O values of the Xixiangchi Group carbonate rocks in central-southern Sichuan Basin

图3 四川盆地中南部地区洗象池群碳氧同位素组成特征及海平面变化图 Fig.3 Carbon and oxygen isotopic composition and evolution and sea-level change chart of the Xixiangchi Group in centralsouthern Sichuan Basin

5 不同沉积旋回中的碳氧同位素组成

5.1 体系域旋回

这种大尺度上的旋回特征主要是缘于本区寒武纪沉积时期的海进与海退变化，从而形成了以台地碳酸盐岩为主的旋回层序[18]。参考前人曾对此层段的古生物、地层层序、岩相古地理的研究，及笔者对该区域的地层岩性、测井及碳氧同位素特征研究，将洗象池群地层大致划分为4个三级层序：Ⅲ1旋回层序、Ⅲ2旋回层序、Ⅲ3旋回层序和Ⅲ4旋回层序(图3)。

5.1.1 Ⅲ1旋回层序

Ⅲ1旋回层序的δ13C值首先由-4‰左右(均值)正向偏移近4‰，然后逐渐降低至-4‰左右。δ13C曲线变化的特点就是早期短暂的正向漂移或震荡中逐渐降低的一个过程。δ18O值在广探2井中变化不大，基本保持稳定，在威寒1井中，洗象池群下部出现一个尖峰。

由此可以推断，在洗象池群沉积期间，海平面经历了一个较为完整的沉积旋回，在海侵体系域(TST)中，主要发育砂屑云岩、凝块云岩、云质泥岩，其中夹杂砾屑云岩，整体表现为退积式叠加方式，表明当时海平面不断抬升，水体变深，水体能量较强。高位体系域(HST)中，沉积物主要发育有灰质云岩、泥质云岩及粉晶云岩，在早期，由于海平面小幅度抬升，有利于碳酸盐岩沉积物的形成堆积，主要沉积物是粉晶、微晶云岩，可见灰质及砂屑云岩，总体上以加积式和进积式为主要沉积特征。晚期主要以泥晶云岩为主，在威寒1井取心中普见波状、脉状层理和生物潜穴，逃逸迹极为典型，还见干裂与针孔构造，表明此阶段海平面不断下降，水体变浅甚至有暴露。总之洗象池群沉积初期经历了快速而短暂的海平面抬升、水体能量回升、再到震荡中下降的一个过程。

5.1.2 Ⅲ2旋回层序

洗象池群中下部碳酸盐岩构成了Ⅲ2三级旋回层序。旋回内部早期δ13C值早期升高后整体较为稳定，异常幅度在1‰以内，在晚期，δ13C值逐渐降低。

在此旋回海侵体系域(TST)中，底部由泥晶云岩与砂质云岩间互向上变为一系列的颜色深浅相间的具有泥质纹层的粉晶、泥粉晶云岩，在威寒1井中早期发现具有正递变层理的砾屑云岩条带和石英砂质条带，表现为退积式叠加方式，且δ13C值由-4‰(均值)增加至-2‰(均值)，表明此时的海平面是逐渐上升，水体逐渐加深，代表的是海侵时期的沉积特征。中后期海退体系域(HST)中，沉积物主要为粉晶、泥粉晶云岩且砂屑云岩的含量逐渐增多，代表后期水体变浅，是海退时期的沉积特征。

5.1.3 Ⅲ3旋回层序

洗象池群中上部，出现了显著的δ13C值正漂移事件，δ13C值达到峰值2‰左右，异常幅度可达4‰，且该事件在全盆地具有很强的可对比性。在晚期，δ13C值震荡中逐渐断降低。

在此旋回海侵体系域(TST)中，底部沉积了一套灰白色含泥云岩夹条带状泥质云岩、云质泥岩，δ13C值由-2‰左右正向漂移近4‰幅度到达2‰左右，表明此阶段海平面继续抬升，水体不断加深，生物繁盛，大量有机质快速埋藏。中后期海退体系域(HST)中，δ13C值从2‰开始降低，至-1‰附近震荡，并在中上部与上部的界限处出现明显负向偏移，华蓥山野外剖面中发现δ13C值发生负向偏移处有干裂印模。沉积物主要是泥粉晶云岩，含膏云岩、藻纹层及少量泥质条带云岩，整体呈加积-进积式叠加序列。

5.1.4 Ⅲ4旋回层序

Ⅲ4旋回层序中δ13C值从-1‰处逐渐升高至1‰左右，然后逐渐降低，在寒武系与奥陶系的边界处负向偏移达到-4‰左右。在此旋回海侵域(TST)中，沉积物主要发育灰白色灰色粉屑云岩及泥晶云岩，其中在华蓥山野外剖面中可以发现砂屑粉屑较多。表明海平面上升，水体能量较大。在高位域(HST)中，沉积物主要以浅灰、灰白色泥晶云岩为主，含有藻纹层。此时海平面较为动荡且不断降低。

在海平面上升阶段，高生物生产率将海水中的16O转移到生物类脂中，而海水中的重氧同位素会增多，使得在洗象池群下部层段的中下部中δ18O出现一个尖峰，这个尖峰与δ13C值成同步波动，说明在洗象池群下部层段的中下部沉积环境较为稳定，这才有可能两种元素呈现较好的相关关系。而在洗象池群其他层段碳氧同位素之间的相关性并不明显，说明控制两者的因素并不相同，沉积微环境复杂多变。

5.2 米级旋回

米级旋回被定义为露头上能直接识别的数厘米至数米厚、成因相关的岩相单元所构成的地层序列[19]。前人曾总结了碳酸盐岩米级旋回分类体系并将碳酸盐岩米级旋回划归为4大类，(1)环潮坪型碳酸盐岩米级旋回；(2)L-M型碳酸盐岩米级旋回；(3)潮下型碳酸盐岩米级旋回；(4)深水非对称性碳酸盐岩米级旋回[20-22]。基于前人的理论及华蓥山野外剖面的观察及描述，发现在研究区洗象池群中以环潮坪碳酸盐岩米级旋回最为典型。

早期由READ以潮坪碳酸盐相序模式的形式进行描述和总结，并有国内外许多学者对潮坪碳酸盐岩米级旋回进行过研究，旋回顶部有明显的白云石化以及喀斯特化作用，代表了该类型旋回的界面以瞬时暴露间断面为特征[22-25]。该剖面米级旋回的主要包括三种岩相类型：洗象池群中下部的砂屑云岩+泥粉晶云岩、洗象池群中部的粉细晶云岩+砂屑云岩及洗象池群上部的泥粉晶云岩+粉屑云岩+砂屑云岩。

洗象池群中下部的米级旋回中，底部的砂屑云岩δ13C值为-1‰，到泥粉晶云岩稍有降低(-1.1‰)，再到砂屑云岩稍有升高(-0.9‰)，而δ18O值则由-7.1‰降至-7.7‰再升至-7.2‰。相比与碳同位素，氧同位素值更能反映岩性的旋回特征，表明在此段米级旋回中，这种变化主要由小级别的高频率海平面变化导致[26]。在洗象池群中部的米级旋回中，底部的粉细晶云岩δ13C值为0.4‰，到上层的砂屑云岩大幅度升高至1.8‰，再到上层的砂屑云岩升至2.2‰。δ18O值由-7.48‰小幅度抬升至-7.2‰左右。对比岩相及碳氧同位素特征，可见此段海平面上升是导致前期碳同位素大幅度升高的原因之一，因δ18O值变化不大，笔者认为在海侵的背景下，大气中碳同位素分馏不会有太大变化，那么海洋中生物生产力的分馏作用可能导致了沉积碳酸盐岩中碳同位素数值的变化。洗象池群上部的米级旋回中，岩相由底部向上为泥粉晶云岩、粉屑云岩及砂屑云岩，δ13C值分别为-1.5‰、-0.9‰、-1.0‰、-0.1‰，对应的δ18O值为-7.1‰、-6.6‰、-6.7‰、-6.3‰。因此，碳氧同位素与岩性之间呈现出一定的相关性，说明在该段碳酸盐岩沉积期间，海平面逐渐上升[27-28]。总体而言，海平面的升降变化是控制华蓥山野外剖面米级旋回的主要因素之一，但是由于受古气候、古构造等多方面原因影响，使得一些沉积旋回的影响因素也复杂多变。

6 地质意义

6.1 四川盆地芙蓉统底界的确定

图4 重要剖面芙蓉统底部的碳同位素演化特征对比Fig.4 Comparison of carbon isotopic evolution characteristics of important sections at the bottom of the Furongian Series

四川盆地芙蓉统底界长期没找到确定的方法，对科研及生产产生了较大影响，本文从碳同位素变化上找到了可靠的划分依据。最新的国际、国内寒武系划分标准将传统的中上寒武统划分为第三统和芙蓉统，芙蓉统相当于传统上寒武统除底部以外的绝大部分层位。上扬子地台大部分地区的中上寒武统连续沉积了大套白云岩，尤其川中地层小区，很少发现化石，其界线难以确定。其中稳定碳氧同位素在寒武纪划分对比中具有重要作用，采集的盆地内两口井和一个野外剖面碳氧同位素资料中，发现了显著的δ13C正漂移事件，异常幅度可达4‰，此事件为四川盆地寒武系中上寒武统的地层划分提供了有力证据，笔者据此将洗象池群上部划为芙蓉统，下部为第三统，且该事件(SPICE事件)在全球具有很强的可对比性及重要意义。

芙蓉统底界排碧阶普遍发育一次显著的正漂移，漂移幅度达3‰～4‰，如哈萨克斯坦南部的Kyrshabakty剖面，澳大利亚昆士兰西北部地区的Core剖面、美国大盆地中的Shingle Pass剖面[29]，以及我国湘西桃源瓦儿岗、贵州岩孔等剖面(图4)。这次显著的碳同位素正漂移事件基本上开始于Marjumiid生物层(三叶虫Damesellidae的绝灭层位)结束于Pterocephalid生物层，处于两次三叶虫绝灭层[30-37]之间。碳同位素组成的正漂移开始处为全球寒武系第三统与芙蓉统的分界位置。其中芙蓉统底部SPICE同位素事件是一次显著的碳同位素正偏事件，是识别芙蓉统(大致相当于传统的上统)的重要标志，尤其对于缺乏化石或不同生物区系情况下尤为重要。

6.2 碳氧同位素组成、演化与沉积环境变化及海平面的关系

四川盆地中南部地区洗象池群的沉积环境经历了潮间潮下浅滩—潮间潮上带—泻湖—潮间潮上带—潮间潮下浅滩的演化过程。相对应这种沉积环境演化的碳氧同位素特征也相应表现出中等—低—高—低—中等的演化过程。

图5 威寒1井岩心照片及沉积相划分Fig.5 The core photograph and sedimentary facies division of Weihan 1 well

以威寒1井为例(图5)，洗象池群下部δ13C值由海侵期的-2‰升至0附近，其底部为白云石胶结物支撑的颗粒(鲕粒)白云岩，海侵域中上部演化为微晶云岩夹鲕粒云岩薄层，δ13C值在-1‰至0之间震荡；其高位域演变为潮间潮上带，沉积微相为膏云坪、颗粒云坪与泥(砂)云坪、云泥坪，δ13C值降-4‰；洗象池群中部δ13C值由-4‰升至2‰再降至-1‰，期间分别经历了海侵期泻湖亚相与高位域潮间潮上带的演化，前者以浅灰色云质泥岩、具深灰色泥质条带或纹层的粉晶云岩夹砾屑、砂砾屑、砂屑白云岩，以及具正递变层理的石英砂岩条带为特征；后者以具干裂构造，普见波状、脉状、透镜状层理和生物潜穴逃逸迹极为典型的黑灰色泥纹层泥晶云岩与砂质云岩不等厚间互，以及膏云岩(均已去膏化而变为白云石，仅残存具硬石膏结核形态的假形)为特征。洗象池群上部由潮上带变为以浅灰、灰白色泥晶云岩和灰白色团块状泥晶云岩夹砾屑云岩沉积的潮间潮下带为特征，对应的δ13C值由-1‰升至1‰。

四川盆地海相碳酸盐岩碳氧同位素变化趋势和岩性反映的海平面变化有着复杂而紧密的联系(图3)。整体而言，碳氧稳定同位素曲线都表现出了与沉积特征一致的海平面变化趋势，即洗象池群经历早期的短暂而快速的海侵后进入缓慢的海退，而后进入相对较稳定期，中期再次经历一次快速而短暂的海侵后缓慢海退，中后期海平面动荡中缓慢抬升，末期又快速降低，形成一次大的海退事件。

7 结 论

四川盆地中南部寒武系洗象池群碳酸盐岩碳、氧同位素地球化学分析方法在地层划分对比、反映古海洋沉积环境及古海平面变化方面具有重要的意义。

(1)从洗象池群沉积由初期到晚期，碳氧同位素特征表现出一定的规律性。在缺少化石的情况下，SPICE事件的发现，首次明确了四川盆地芙蓉统底界，且为地层划分对比提供了有力依据。

(2)碳同位素的正向漂移区多半为潮间潮下带或泻湖沉积环境，与海平面抬升、海水变淡、生物产率升高相关，其中δ13C值最大、最显著的一次正向飘移发生在洗象池群沉积中期；碳同位素的低值区多为潮间—潮上沉积环境，与海平面的下降、海水盐度增高、生物产率降低有关。洗象池群沉积期间，古海平面变化表现为：早期的短暂而快速的海侵，之后进入缓慢的海退期，而后进入相对较稳定期，中期再次经历一次快速而短暂的海侵后缓慢海退，中后期海平面动荡中缓慢抬高，末期又快速降低，形成一次大的海退事件，其中碳同位素反映的海平面变化趋势与沉积相演化一致。

(3)在体系域尺度旋回分析中，认为海平面变化是控制该层系碳酸盐岩碳氧同位素组成特征的主要因素。在米级尺度的旋回分析中认为，高频海平面的升降变化是控制华蓥山野外剖面米级旋回的主要因素之一，但是由于受古气候，古构造等多方面原因影响，使得一些沉积旋回的影响因素也复杂多变。

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Carbon and Oxygen Isotopic Compositions and Their Evolution Records of the Xixiangchi Group in Sedimentary Sequences of Central-southern Sichuan Basin and Their Geological Implications

JIA Peng1,LI Wei1,LU Yuanzheng1, FAN Ru1,LI Xin1,LI Ming1,ZENG Yiyang2,LIU Xin2

(1.PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development，Beijing 100083，China;2.PetroChinaSouthwestOil&GasFieldCompany,Chengdu,Sichuan610000,China)

The carbon and oxygen isotopes of the Xixiangchi Group in the Cambrian carbonate rocks of central-southern Sichuan basin are less modified by post-depositional diagenesis, and thus provide helpful insights into the original ocean. Based on the carbon and oxygen isotope data collected in this area, the carbon and oxygen isotopic compositions, evolution and geological significance of the Middle and Upper Cambrian sedimentary cycles are studied and discussed. Research suggests that the C and O isotopic profile has obvious cyclicity evolution in stratigraphic sequence.δ13C shows a shift from -5.6‰ to 3.247‰ with a mean value of -0.979‰ and most of the samples are in the range of -2‰ to 2‰.δ18O shows arrange from -11.1‰ to -5.2‰ averaging at -6.934‰ and most of the samples are in the range of -9‰ to -6‰. Through the analysis of carbon and oxygen isotope data of sedimentary cycle in different scale, variation of sea level is the main controlling factor of cyclic sequence. The meter-scale cyclic sequence is formed under mixing effect of highly-frequent sea-level change, paleo-structures and paleo-climate. Carbon and oxygen isotope analysis shows that the boundary between the Third Series and the Furongian Series is defined, which provides strong evidence for the division and correlation of the strata. Theδ13C shows Xixiangchi Group underwent a slow regression after a rapid transgression in the early and middle stages and in the late stage entered a rapid regression after a slow transgression. Sea level changes suggested by carbon isotope distribution are consistent with the evolution of sedimentary facies.

central-southern Sichuan basin; Xixiangchi Group; carbon and oxygen isotopes; sedimentary sequence;paleoenvironment; geological implication

2016-06-05；改回日期：2016-07-15；责任编辑：孙义梅。

国家科技重大专项“海相碳酸盐岩油气资源潜力与大油气田形成条件、分布规律研究”(2011ZX05004-001)。

贾 鹏，男，博士研究生，1987年出生，矿产普查与勘探专业，主要从事沉积学、层序地层学等方面的研究工作。Email：jiapeng7819@163.com。

P629；TE121.3

A

1000-8527(2016)06-1329-10