四川盆地中部前震旦系裂谷及对上覆地层成藏的控制

魏国齐，杨威，张健，谢武仁，曾富英，苏楠，金惠

（1.中国石油勘探开发研究院，河北廊坊 065007；2.中国石油西南油气田公司，成都 610041）

1 研究背景

四川盆地安岳特大型气田是目前中国地层最古老、储量规模最大的整装海相碳酸盐岩气田，其发现打开了四川盆地深层油气的勘探局面[1]。围绕四川盆地中部（简称川中）震旦纪—早寒武世高石梯—磨溪古隆起和德阳—安岳克拉通内裂陷的勘探发现主要位于震旦系灯影组台缘带和川中古隆起核部寒武系龙王庙组台内滩[2-4]。川中地区是四川盆地构造最稳定、油气地质条件优越的地区，安岳特大型气田发现后，寻找新的勘探领域、扩大勘探成果是当前四川盆地天然气勘探面临的重大课题。前人研究表明，在鄂尔多斯、准噶尔、四川等盆地，受基底古地貌差异、断裂系统、裂谷及隆起等构造不均一性及后期活化影响，这些基底先存构造对上覆地层的沉积相展布、构造变形、油气运移等具有控制作用，进而控制油气藏的形成与分布[5-8]。因此研究川中地区基底结构与构造特征以及对上覆地层成藏的控制作用，预测有利区带，对寻找深层油气高产富集区、扩大川中地区勘探范围、寻找继安岳特大型气田之后的重大接替领域具有重要意义。

前人对四川盆地的基底特征进行过很多探索性研究，认为四川盆地的基底具有双重性，即：①太古代—早元古代发育的康定群经中条运动形成距今1 700～1 900 Ma的深部结晶基底；②中元古代—新元古代发育的峨边群经晋宁运动形成距今780～1 700 Ma的褶皱基底[9-10]。研究认为上扬子板块在新元古代以前震旦系裂谷（或称南华系裂谷）为主要特征，形成于距今635～800 Ma，其成因受到新元古代全球拉张环境控制，与距今570～860 Ma的罗迪尼亚古陆裂解相对应[11-14]。在中国华南地区发育了康滇、川中、鄂湘桂、浙北—皖南 4个陆内裂谷，裂谷内部南华系均以火山碎屑岩、砂岩、泥岩、冰碛岩等为主要充填特征，扬子板块基底主要由新元古界组成，青白口系顶部花岗岩发育，与南华系的碎屑岩沉积充填岩性差异明显[15-23]。四川盆地内前震旦系裂谷的分布已得到初步勾画，杨志如等[24]利用地震资料在高石梯—磨溪地区清晰识别出了前震旦系裂谷的存在，得到川中地区裂谷及其对该地区深层油气分布影响的初步认识。目前针对四川盆地裂谷构造的认识仍存在以下几个方面的问题：①由于前震旦系在四川盆地内揭露较少，基于岩石学证据的构造认识不多；②前人利用地震资料初步勾画了前震旦系裂谷的轮廓，但对其展布特征和内部结构认识仍不够细致，需要进一步采用最新地震资料和针对性的处理解释手段，精细解读裂谷及其内部结构，明确其成因机制；③前震旦系构造对震旦系—寒武系气田形成的控制作用鲜有涉及。针对上述问题，本文利用最新的地震、大地电磁、钻探等资料，对川中地区前震旦系裂谷及内部地垒-地堑结构（简称垒-堑结构）发育特征和对上覆震旦系—寒武系沉积和成藏的控制作用进行深入研究。

图1 四川盆地构造纲要及研究区位置图

研究区位于现今四川盆地川中低缓构造带中南部，介于川西坳陷带与川东高陡构造带之间，北为米仓山—大巴山前缘褶皱带，南为川南低陡构造带，面积约 6×104km2（见图 1）。勘探目的层为震旦系—寒武系、二叠系、中下三叠统海相碳酸盐岩和上三叠统、侏罗系陆相碎屑岩。近期勘探主要目的层为震旦系灯影组、寒武系龙王庙组及中二叠统栖霞组—茅口组。其中重点层系龙王庙组和灯影组主要的有利相带分别为颗粒滩和台缘丘滩体、台内丘滩体沉积，储集层以裂缝-孔洞型白云岩为主，发育寒武系筇竹寺组、麦地坪组和震旦系灯影组三段 3套优质烃源岩。川中地区自震旦纪以来，是盆地最稳定的地区，灯影组及相邻层系长期持续稳定发育，具有优越的成藏条件[25-26]。

2 裂谷的识别

华南板块在新元古代整体拉张构造背景下形成了多个裂谷盆地。四川盆地位于扬子板块内部，与华南板块具有相似的动力学背景和结构特征。航磁资料显示的地幔及地壳的变化、结晶基底及沉积变质基底的存在以及盆地内基底埋深的变化等证实四川盆地内发育前震旦系裂谷[24]。本文通过分析盆地周缘新元古代裂谷盆地的充填特征来认识和建立四川盆地深部裂谷地震响应模式，在此基础上通过地震资料解释来识别川中地区裂谷。

2.1 裂谷的充填特征

四川盆地深部裂谷未有露头出露，通过研究周缘同时期的鄂湘桂裂谷及康滇裂谷来间接认识川中裂谷的充填特征。通常认为华南板块新元古代盆地具备典型裂谷盆地沉积序列，包括代表裂谷盆地早期形成阶段的冲洪积相组合、陆相（或海相）火山岩及火山碎屑岩相组合、滨浅海相组合、淹没碳酸盐台地及欠补偿盆地黑色页岩相组合；代表中、后期形成阶段的滨岸边缘相—深海相组合、冰期冰碛岩相组合、碳酸盐岩及炭硅质细碎屑岩相组合。扬子东南缘鄂湘桂裂谷内南华系底部莲沱组为1套含凝灰质较多的粗碎屑岩，厚度为60～1 000 m；中部大塘坡组为黑色含粉砂质页岩，局部夹凝灰岩条带，厚度为60～700 m；南华系顶部南沱组为冰川堆积，岩性主要为砂质砾岩、冰碛泥砾岩，最厚达1 200 m；南华系之上震旦系为斜坡—盆地相沉积，陡山沱组厚，灯影组薄。扬子地块西缘康滇裂谷内南华系主要为中酸性—基性火山岩、火山碎屑岩，南华系总厚500～4 000 m，中下部苏雄组和开建桥组南北向厚度变化大，顶部列古六组沉积稳定；上覆震旦系为台地相—斜坡相—陆棚相碳酸盐岩沉积。

2.2 裂谷的地震响应特征

根据裂谷外部花岗岩及结晶基底与裂谷内部南华系碎屑岩充填的岩性差异，认为裂谷在地震响应上具有 2个特征：①裂谷两侧边界由于在拉张环境下形成正断层，具有断面波特征或者绕射现象；②由于基底和碎屑岩沉积的地震响应差别，裂谷内部与外部同相轴存在明显的不连续性。基于以上特征，在川中地区多条北西走向地震剖面中观察到前震旦系裂谷存在的证据。裂谷两侧在地震剖面上存在明显的不连续，裂谷内地震相多以同相轴连续、平行结构特征为主，反映了碎屑岩沉积特征；裂谷外地震相多为杂乱反射结构特征，与变质基底相吻合。部分剖面中裂谷两侧和底部存在绕射现象，反映出不连续界面的存在，或者尽管没有明显的绕射波边界，裂谷内部的连续同相轴在边界停止，与周边的沉积响应呈明显的不连续，为裂谷边界的勾画提供了依据（见图2）。

3 裂谷的展布与结构

基于前震旦系裂谷地震响应模式和 2 958条二维地震测线、15 000 km2三维地震资料的精细解释，发现川中地区发育 1条北北东走向的前震旦系裂谷，由盆地北缘的通江—达州地区延伸至盆地南缘的资阳—威远地区，东边界为达州—广安—合川一线，西边界为通江—南充—资阳一线。裂谷由一系列北东走向的正断层组成，相向正断层控制的内部地层下沉形成裂谷的主体构造形态。裂谷自北向南宽度变化较大，在川中地区最宽达到180 km，在川北地区较为狭窄（见图3）。

裂谷内部由一系列正断层及其控制的垒-堑结构组成（见图4）。前震旦系裂谷在整体板块拉张作用下形成，两侧发育大型正断层，裂谷内部地层在拉张作用下同样发生断裂并发育多条正断层，正断层上盘下降形成地堑，下盘相对上升成为地垒。因此前震旦系裂谷形成了内部由多个地垒、地堑组成的垒-堑结构。在裂谷内部发育大量与裂谷走向平行的正断层（见图3），断层大多终止于灯影组底界，部分断开上覆地层的断层显示出后期活化的特征，反映其在南华纪上扬子板块区域拉张构造背景下形成[16-18]，是控制裂谷内部结构形成的主要因素。在地震剖面上，裂谷内部正断层大多成对出现，倾向相向。正断层活动过程中，上盘地层下移，在相向的两条正断层控制下形成上宽下窄的楔形地堑结构，之后内部充填南华系碎屑岩沉积，充填厚度2 000～4 000 m。背向正断层之间的下盘地层位移并不明显，形成上窄下宽的地垒结构。由于正断层在裂谷垂向方向上密集、平行发育，在川中地区裂谷内形成了地垒-地堑相邻排列、多组垒-堑结构存在的内部结构特征。川中地区共识别出18个小型地堑，宽度和长度不一，方向以近北东向为主（见图5）。多组地垒-地堑成排成带展布，形成川中地区前震旦系凸凹相间构造格局。

图2 川中地区地震响应特征（测线位置见图1）

图3 川中地区前震旦系裂谷及其内部正断层分布图

大地电磁法（MT）资料同样揭示川中地区存在前震旦系裂谷和内部的垒-堑结构。MT剖面中电性结构呈“低-高-中-高”相间分布特征，碎屑岩表现为低电阻率，火成岩、碳酸盐岩、变质岩表现为高电阻率。基于前震旦系裂谷垒-堑结构中不同部位岩性的差异性分布及其电阻率响应，可以在 MT剖面上显示出裂谷特征。为了减少拟合误差，提高纵向分层能力，采用了约束反演模拟，以电测井资料约束 MT剖面中电阻率变化范围，减少了多解性。相对于连续介质反演（见图 6a），约束反演更精细地反映出深部发育的裂谷垒-堑结构（见图6b），且与地震分析所显示的特征一致。

4 裂谷垒-堑结构对上覆地层沉积的控制

4.1 地垒上丘滩体的地震响应

图4 川中地区格架剖面（叠前时间偏移剖面，测线位置见图1）

图5 川中地区前震旦系地堑分布图

通过地震资料解释，发现川中地区控制裂谷内较大型垒-堑结构的边界断裂常切穿灯影组底，甚至切穿寒武系下部，反映后期继承性活动特点（见图2、图7、图8），而裂谷垒-堑结构中地垒之上震旦系—寒武系多具有明显的丘滩体响应特征（见图 7），主要表现在 4个方面：①沉积地层在地垒上地震相呈透镜体，厚度相对较大，是丘滩体沉积的反映；②透镜体内部呈杂乱反射结构，与其外部地层的连续反射呈鲜明对比，反映丘滩体内部沉积物成层性相对较差并且呈厚层块状；③在透镜体外缘多能观察到反射同相轴上超的接触关系，反映丘滩体沉积后影响其上覆沉积物的堆积。丘滩体的反射特征基本都显现于垒-堑结构中的地垒上，紧邻正断层发育，表明丘滩体的发育受控于拉张环境下正断层的活动以及垒-堑结构之间的古地貌差异。此外，丘滩体还具有垂向上叠置发育的特点，地震剖面上从灯影组底部开始，在灯影组二段（简称灯二段）、灯影组四段（简称灯四段）、龙王庙组、下二叠统均可以观察到丘滩体的反射特征（见图7、图8），并且平面上丘滩体的发育位置和分布范围有较好的继承性，说明丘滩体在先存构造的控制下具有持续发育的特点，实际钻探中多口井也表现出了这种丘滩体在地垒上方持续发育的特征。

4.2 地垒上丘滩体的分布

在地垒之上普遍发育丘滩体的现象反映出早期裂谷对上覆地层沉积的控制。震旦纪—寒武纪川中地区主体处于碳酸盐台地的沉积环境，古地貌相对差异对碳酸盐岩沉积相影响明显。在上覆震旦系—寒武系沉积发育过程中，早期裂谷垒-堑结构的形成以及相关正断层后期的持续活动，常形成古地貌的高低差异。在地垒上，古地貌相对较高，水体较浅，能量较大，有利于造礁（丘）生物和颗粒物的生长或沉积，为丘滩体的发育提供了条件。由于川中地区在震旦纪—早古生代长期处于海相沉积环境，地垒上已经形成的丘滩体成为下一个沉积时期的古地貌高点，这些古地貌高点又成为再下一期丘滩体快速生长的有利环境，从而在地垒上形成持续发育的古地貌高和丘滩体沉积。垒-堑结构边缘的正断层在后期的构造运动中也可能再次活化，断层上盘再次下降形成古地貌高差，从而进一步控制丘滩体的发育。

现有的钻探资料也验证了垒-堑结构与丘滩体发育之间的关系（见图9）。位于地垒上的高石11井、高石1井、磨溪105井灯四段发育大段藻云岩，位于地堑中的安平1井灯四段丘滩体则相对不发育。对于龙王庙组，高石11井以砂屑白云岩、泥晶及泥质白云岩为主，高石1井以砂质云岩和砂屑云岩为主，磨溪105井以砂屑云岩和中细晶云岩为主，而安平1井以泥晶云岩为主。拉平筇竹寺组下部地层后发现，高石11井、高石1井、磨溪105井位于地垒上，古地貌相对较高，证明地垒的古地貌高控制丘滩体的发育。由过井地震剖面可以看出（见图10），安平1井下方裂谷边界清晰，位于地堑之内，而高石11井、高石1井以及磨溪105井位于地堑两侧的地垒之上。

图6 川中地区MT测线连续介质反演（a）与模拟退火约束反演（b）（测线位置见图1）

图7 川中地区垒-堑结构中地垒上的丘滩体地震响应特征（测线位置见图1）

在精细地震解释的基础上对川中地区灯二段、灯四段以及龙王庙组丘滩体进行刻画，其中龙王庙组勾画丘滩体约4 800 km2（见图11a），灯四段勾画丘滩体约3 900 km2（见图11b），灯二段勾画丘滩体约5 000 km2。丘滩体主要分布在裂谷范围内，以北东东走向为主，大多与后期活动的正断层相伴生。丘滩体呈多排展布，以台洼间隔。

5 垒-堑结构对油气成藏的控制

5.1 对烃源岩的控制

裂谷控制元古界—下古生界主要烃源岩的平面展布和沉积厚度。寒武系筇竹寺组是四川盆地震旦系—下古生界主要的烃源岩，以陆棚相沉积为主，岩性以灰黑—黑色页岩、炭质页岩为主，在川中地区发育厚度为60～150 m。控制裂谷垒-堑结构的边界断层活动导致川中地区形成一系列台洼，为相对深水相地层的沉积提供了空间，在台洼内形成相对较厚的烃源岩，筇竹寺组的沉积厚度受垒-堑结构控制呈北东东向以条带状差异分布。川中地区筇竹寺组烃源岩厚度变化与前震旦系地垒、地堑的分布相关，地垒上厚度相对较小，地堑内厚度相对较大（见图12）。如位于地垒上的磨溪23井，筇竹寺组底部黑色泥岩厚度为62 m；位于地堑内的安平 1井，筇竹寺组底部黑色泥岩厚度达到80 m。地堑内与地垒上烃源岩厚度差异较大，筇竹寺组烃源岩厚度差可达 10～30 m。另外裂谷内可能存在大塘坡组优质烃源岩，岩性以黑色页岩为主，根据川东地区秀山野外露头测量，厚度达到50～200 m，总有机碳含量（TOC值）为0.25%～8.50%，TOC平均值为3.15%，具有较大的生烃潜力[27]。

图8 前震旦系裂谷肩部下二叠统中发育的丘滩体地震反射特征（测线位置见图1）

图9 川中地区高石6井—磨溪105井HH′连井剖面（剖面位置见图1）

5.2 对储集层发育的控制

裂谷垒-堑结构对川中地区震旦系—寒武系储集层的展布、厚度、物性等具有重要控制作用。

图10 川中地区过高石11井—高石1井—安平1井—磨溪105井地震剖面（剖面位置见图1）

图11 川中地区龙王庙组（a）、灯四段（b）滩体分布特征

地垒形成的局部微古地貌高有利于丘滩体持续沉积，龙王庙组、灯影组发育厚层砂屑、砾屑白云岩以及藻云岩，为后期岩溶作用形成有效储集层提供了物质基础。例如，位于地垒上的磨溪202井、高石10井龙王庙组储集层厚度分别为68.0 m和44.4 m，而位于地堑内部的磨溪 21井龙王庙组储集层厚度仅为17.4 m。

地垒上古地貌高，丘滩体发育，由于水体较浅，时常出露海平面受到大气淡水溶蚀作用，在大规模颗粒滩（丘滩体）的基础上形成了优质的岩溶储集层。磨溪12、磨溪17等多口位于地垒的井，龙王庙组发育多段针孔状砂屑云岩及溶洞白云岩。

5.3 对构造-岩性圈闭的控制

垒-堑结构的持续演化有利于在上覆地层形成构造-岩性圈闭，为油气聚集和保存提供了有利条件。一方面，受裂谷边界断裂持续活动的影响，易形成断裂与灯影组和龙王庙组滩体组成的断裂构造-岩性圈闭；另一方面，地垒古地貌高控制形成大面积丘滩体，受到周边台洼内深水相、台地相沉积围绕，形成大面积构造-岩性圈闭，灯三段、筇竹寺组、洗象池组—高台组等致密地层是主要的区域性盖层。这些构造-岩性圈闭在二叠纪、三叠纪大规模成藏时期始终处于油气运聚的指向区，有利于油气长期运移聚集成藏。成藏后川中地区受到印支期、喜马拉雅期等构造改造相对较弱，原有气藏较少遭到破坏，油气得到有效保存。

图12 川中地区寒武系筇竹寺组烃源岩厚度图（a）及地堑内筇竹寺组地震响应特征（b）（测线位置见图1）

5.4 对油气成藏的控制

裂谷垒-堑结构控制上覆丘滩体沉积、岩溶储集层及烃源岩的发育，形成了“地堑生烃-地垒成储-构造岩性圈闭保存”的成藏模式（见图13）。

勘探情况表明，川中地区震旦系—寒武系高产井主要分布在地垒上的丘滩体中，46口试油井中有 38口井位于地垒区、8口井位于地堑区，其中有20口测试产量大于50×104m3/d的井全部位于地垒区。龙王庙组及灯影组测试产量大于10×104m3/d且位于地垒上的井共29口，占总数的75%。

图13 川中地区前震旦系裂谷垒-堑结构及相关断层后期活动控制下的震旦系—寒武系成藏模式图

6 有利勘探方向

基于上述研究成果，结合川中地区震旦系—寒武系在构造历史上长期处于构造高部位，且未受到新生代构造运动大规模改造，有利于油气的长期聚集保存的认识，在川中地区优选出高石梯—磨溪以北和高石梯—磨溪以南2个有利勘探区带。

高石梯—磨溪以北有利勘探区带内垒-堑结构发育，通过精细地震刻画及属性预测，龙王庙组颗粒滩储集层和灯影组丘滩体储集层大面积分布，在龙王庙组下部和灯二段、灯四段发育一立场等多个大型构造-岩性圈闭，该区带二叠纪前处于隆起的高部位，始终是油气聚集的指向区，尽管经过印支期—喜马拉雅期构造运动改造，成为大型北倾斜坡构造，但由于构造-岩性圈闭的发育，易形成斜坡背景上的构造-岩性油气藏，是四川盆地震旦系—寒武系有利的勘探远景区之一（见图14）。

图14 川中地区震旦系—寒武系勘探有利区

高石梯—磨溪以南有利勘探区带内垒-堑结构发育，地垒之上具有典型的丘滩体地震响应，表明丘滩体发育，且发育面积大、分布广、上下叠置，有利于多层兼探。地垒之上龙王庙组下部、灯二段、灯四段构造-岩性圈闭发育，各个层系丘滩体发育位置与构造圈闭位置具有良好的重合性，且该区带处于油气聚集的有利区，是四川盆地震旦系—寒武系另一重要的勘探远景区。

7 结论

四川盆地内部发育北东走向的前震旦系裂谷。裂谷内部受一系列与裂谷走向平行的正断层控制，发育垒-堑结构。

大型垒-堑结构的形成及控制垒-堑结构的边界断层后期持续活动对上覆地层滩体有利相带具有重要的控制作用。垒-堑结构的差异性升降形成局部微地貌高，有利于丘滩体的发育，并在长期海相沉积环境中实现继承性发育，在震旦系—寒武系甚至二叠系中形成了一系列上下叠置的丘滩体，构成大面积有利沉积相带。

前震旦系裂谷的发育及控制垒-堑结构的边界正断层的后期活动为震旦系—寒武系成藏提供了有利条件，控制了颗粒滩和岩溶储集体以及台洼内烃源岩的规模发育，并形成构造-岩性圈闭，使油气在现今构造低部位规模成藏且有效保存。

优选出高石梯—磨溪以北和高石梯—磨溪以南 2个大型构造-岩性复合圈闭有利勘探区。

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