川东北新元古代克拉通裂陷的厘定及其深层油气意义

汪正江,汪泽成,余 谦,彭 军,杜秋定1,

(1.自然资源部沉积盆地与油气资源重点实验,四川 成都 610081;2.中国地质调查局成都地质调查中,四川 成都 610081;3.中国石油勘探开发研究,北京 100083;4.西南石油大学地球科学与技术学,四川 成都 610500)

四川盆地是中国中西部三大海相克拉通盆地之一(许效松等,2004),其现今的构造格局,是印支运动以来,在周缘造山带的持续逆冲加载作用下形成的构造盆地,其东北边缘为米仓山-大巴山,西北边缘为龙门山,东以齐岳山-金佛山与武陵坳陷分界,南与大娄山-大凉山渐变过渡(刘树根等,2014)。从原型沉积盆地的角度看,现今的四川盆地仅为新元古代—古生代中上扬子海相克拉通盆地的一部分(王剑,2000;Wang J and Li Z X,2001,2003;汪正江等,2015)。中上扬子海相盆地经历了复杂的构造演化过程,大体上划分为三个大的阶段:新元古代—早古生代海相盆地、晚古生代—中三叠世海相盆地和中生代陆相盆地。其中新元古代—早古生代海相盆地,在新元古代Rodinia超大陆裂解背景下,其演化序列最为完整,先后发育裂谷盆地、被动陆缘盆地和前陆盆地三种盆地充填序列(汪正江等,2016),形成了多层系复合复杂的含油气系统,为四川盆地深层油气勘探奠定了坚实的物质基础,然其复杂的构造古地理格局与演替也给深层勘探方向预测和目标优选提出了巨大挑战。

安岳磨溪特大型海相气田的发现极大地激发了“绵阳-长宁克拉通裂陷”形成的盆地动力学与四川盆地震旦—寒武纪构造古地理研究(刘树根等,2013,2017;魏国齐等,2015a,2018;杜金虎等,2016)热情。近期,一些专家学者基于深部地震、露头剖面调查及部分钻井资料等综合分析,对川东北地区深层的构造古地理开展了一些新的探索,提出了川东地区深层发育北西向展布的达州-开江古隆起(Z1-1)(杨跃明等,2016)或北东向的宣汉-开江隆起(AnZ-1)(谷志东等,2016)、北东向万源-达州克拉通裂陷(Z2-1)(赵文智等,2017)或北东向万源-宣汉-广安古隆起(李智武等,2019)等明显不一致的区域构造古地理认识。

为深化认识川东北地区深层(新元古代中晚期,820～540Ma)盆地动力学过程及其充填序列,本文拟结合最新勘探动态,采用原型盆地分析的方法,从沉积序列和关键事件(Key-event)分析入手,深入解剖川东北及邻区在Rodinia超大陆裂解背景下的构造-沉积响应,以期重建新元古代中期以来的构造古地理格局与沉积相演化模式,为川东北深层油气有利区带预测与勘探部署提供依据。

1 川东北及邻区新元古代的沉积序列

1.1 大巴山地区

1.1.1 大巴山西北段(西乡-镇巴小区)

该段新元古代板溪期莲沱组沉积为灰色、灰绿色中厚层长石石英砂岩、凝灰质砂岩夹砂质泥岩。出露厚度不一,但均未见底,主要剖面有西乡司上侯家湾、镇巴小洋坝等。该组最大沉积特征是普遍含有凝灰质,其主要来源于扬子陆块新元古代中期(820～780Ma)大规模火山岩浆作用的近源快速沉积,因此,其砂岩的成分成熟度和结构成熟度均较低。

西北段的南华系发育较为齐全,从下往上依次为古城组、大塘坡组和南沱组。需要提出的是,该地区的大塘坡组与扬子东南缘湘黔桂地区的大塘坡组(汪正江等,2015,2016)岩性不同,但其沉积动力学机制相似。西乡司上和镇巴小洋坝剖面的大塘坡组主要为潮坪、滨岸潟湖相灰绿色凝灰质砂岩、紫红色泥页岩夹长石石英砂岩沉积,岩石成层性好、水平纹层等各沉积构造发育。

西北段的古城冰期沉积厚度不大,主要为灰绿色块状夹中薄层含砾砂质凝灰岩,且与下伏地层存在一定的沉积间断,反映在南华大冰期早期(即Sturtian冰期),该地区可能长期处于大陆冰川作用之下,以剥蚀作用为主、沉积作用较弱。进入南沱冰期,由于该区域处于陆相-海相冰缘的过渡带附近,且距离物源区较近,物源补给充沛,致使局部沉积厚度巨大。总体上,南沱组以块状含砾凝灰质砂岩、含砾沉凝灰岩夹凝灰质砂岩为特征,在司上剖面可见4～5个灰绿色-紫红色交互的韵律,显示陆相冰缘沉积特征,而镇巴及以南少见紫红色且冰碛砾石相对较小,为灰绿色冰海相沉积。

西北段的震旦系发育齐全,主要剖面有西乡司上、镇巴小洋坝、九拱坪/白草道班和紫阳紫黄等。陡山沱组以一套扇三角洲砂砾岩(图1)沉积开始,与底部南沱组的底冲刷现象普遍发育,显示出冰川消融后的快速进积作用。但陡山沱组一段总体上却显示为向上水体变深、粒度变细(砂砾岩—含砾砂岩—长石石英砂岩—粉-细砂岩夹粉砂质泥岩)的退积序列,且上部的砂质泥页岩普遍出现紫红色。陡山沱组二段以浅水陆棚相灰色-深灰色泥页岩为主,夹少量粉-细砂岩、泥质白云岩等。陡山沱组三段以相对清水的碳酸盐缓坡泥质白云岩、灰质白云岩为主,区域沉积环境趋于稳定,陆源碎屑补给相对不足。陡山沱组四段以深灰色泥页岩为主,夹砂岩或灰岩,顶部发育含磷砂岩。

图1 镇巴小洋坝剖面和五探1井陡山沱组一段的岩性特征对比Fig.1 Lithologic comparison of Zhenba Xiaoyangba section and the first member of Doushantuo Formation in Wutan1well

宏观上,灯影组可划分成3段(表1),灯影组一+二段下部中厚层微晶白云岩,中上部为中厚层纹层状白云岩、藻团块白云岩夹微-细晶白云岩,厚约100～150m。灯影组三段较薄,一般为2～3m的深灰色-黑色泥岩,夹硅质岩、硅质灰岩或砂岩等,显示出灯影早期的碳酸盐台地建设的中断与活化。灯影组四段从下往上依次发育泥质白云岩、藻纹层白云岩、藻球粒、藻砂屑白云岩等,形成了一个相对完整的建滩沉积序列,厚度200～300m,显示出灯影期碳酸盐台地在该区已得到了重建。

1.1.2 大巴山中段(万源-城口小区)

中段的万源大竹至城口东安一线,主要特征是南华系和陡山沱组厚度较大,灯影组白云岩发育不好,但其陡山沱组和灯影组上段碳质页岩、硅质页岩相对发育,明显反映出早期为快速充填与晚期为欠补偿沉积序列(表1)。

表1 川东北地区新元古代典型剖面地层厚度对比表Table1 Comparison of stratigraphic thickness of typical Neoproterozoic sections in Northeast Sichuan

在城口明月和高燕地区,出露南华系和震旦系地层,其南华系大塘坡组可见厚度大于200m,主要岩性为灰绿色块状-中厚层凝灰质砂岩、砂质凝灰岩,夹少量紫红色页岩。南沱组块状冰碛砾岩,厚约400m,下部砾石含量较高、成分复杂(砾径5～50mm,少有100～200mm,主要为酸性火山熔岩、硅质岩、白云岩、灰岩、凝灰岩等),上部砾石趋少、趋小。相比于西北段,本段的冰碛砾石不仅砾径较小,而且在成分上也显示出火山岩砾石减少、沉积岩增加趋势。

中段的震旦系沉积序列与川中地区有较大区别,主要是陡山沱组一段出现较大厚度(200～300m)的砂岩-泥页岩韵律互层(可能属于深水重力流沉积),可与小洋坝陡山沱组陡一段对比。陡二段为深灰色泥页岩,夹泥质白云岩;陡三段与西北段相似,为泥晶白云岩、云质灰岩,显示出高位体系域相对稳定的沉积环境;陡四段为一次大规模海侵沉积,发育黑色碳质页岩、深灰色硅质岩,炭质黑色岩系厚达150余米。顶部出现可能与最大海泛期上升洋流有关的胶磷矿和软锰矿沉积(图2)。

中段的灯影组沉积厚度较小,但也可以划分为3段,其灯一—二段下部为中薄层泥质白云岩,上部为薄层状泥晶灰岩,发育马尾丝状构造,夹硅质条带,在明月剖面本段厚87m;灯三段为黑色碳质页岩,仅厚2m;灯四段为深灰色中薄层状硅质岩夹透镜状、似层状云质灰岩,厚度仅有15m。因此,中段灯影期总体表现为欠补偿的饥饿沉积序列(图2),这一特征与西北段及川中髙石—磨溪地区灯影期欣欣向荣的碳酸盐台地沉积分异明显(图3)。

图2 城口明月剖面新元古代沉积序列与关键事件Fig2 Neoproterozoic sedimentary sequences and key events in Chengkou Mingyue section

图3 川中-川东北地区震旦-寒武纪转换期的地层划分对比与构造古地理单元Fig.3 Comparison of stratigaphice division and tectonic palaeogeographic units in Sinian-Cambrian transition period in central and northeast Sichuan

1.1.3 大巴山东段(巫溪小区)

东段主要是指巫溪地区,在巫溪土城—乌龙—鱼鳞一线,灯影组的沉积特征与城口明月、万源大竹地区的灯影组完全不同,表现为明显的碳酸盐台地相特征(图4)。虽在灯三段表现出明显的台地活化,但至灯四段台地很快得到了重建,西部的康家坪剖面灯影组白云岩总厚达710m。在盆内的楼探1井钻探结果同样显示出灯影组的台地相沉积特征且分段明显。麦地坪组主体为浅灰色泥质岩沉积,仅顶部发育有含磷泥质灰岩。陡山沱组二段和四段虽也有较好的烃源岩发育,但相较于城口明月来说,明显变薄,碳质页岩累计厚度小于20m。

图4 巫溪乌龙剖面震旦系灯影组沉积特征Fig4 Sedimentary characteristics of Dengying Formation in Wulong Section,Wuxi county

东段的南华系在乌龙、鱼鳞一带可见,但未见底。其主要特征是大塘坡组和南沱组上部发育紫红色砂质页岩,粉砂—细砂岩沉积,且南沱组冰碛砾岩厚度小,其砾石少、粒径小,可能反映了巫溪地区处于沉积物源相对匮乏、沉积水体较浅的古地理高部位。

1.2 米仓山地区

新元古代中晚期米仓山—汉南地区具有西低东高的古地理格局。米仓山西北缘的宁强胡家坝剖面板溪系、南华系和震旦系发育齐全,莲沱组厚约510m,主要为一套河流-三角洲相砂砾岩-中—细砂岩—粉砂质泥页岩沉积。南华系古城组厚度仅17m,为含砾杂砂岩;大塘坡组为灰色粉砂质页岩、泥质粉砂岩,厚67m;南沱组为灰—灰绿色含砾杂砂岩夹薄层中细砂岩、页岩,厚约330m。

胡家坝的震旦系陡山沱组以细碎屑岩为主,夹少量页岩和砂岩,主要为三角洲前缘沉积,厚约470余米。灯影组下段为碳酸盐台地相厚层白云岩为特征,厚达720m;灯三段为砂质页岩夹薄层灰岩、砂岩及紫红色页岩,厚约60m;灯四段为硅质灰岩、硅质白云岩等,厚约250m。

米仓山东南缘的南江地区新元古代地层序列仅有震旦系,且陡山沱期海侵上超晚,仅发育30m左右的滨岸相砂砾岩后,快速转换为灯影期的碳酸盐台地(表1)。其灯影组沉积与胡家坝相似,沉积厚度大、分段性好。

1.3 川中高磨地区

与川东北地区相比,川中隆起东部的高磨地区尚未发现板溪系和南华系地层。其中高磨西北缘的蓬探1井和东南部的女基井均揭示为陡山沱组超覆在板溪期苏雄组火山岩之上,其时代均为板溪早期,与威远隆起之威117井(谷志东等,2013,2015)钻遇的A型花岗岩的时代(794±11Ma)一致。

高磨地区震旦系的基本特征是陡山沱组厚度薄,主要为混积潮坪碎屑岩夹泥质白云岩或泥质灰岩组合,而灯影组则表现为碳酸盐岩台地相藻云岩沉积,厚度大、分段性好(图3,表2),是高磨地区的重要储集层和勘探目的层(魏国齐等,2015a,2015b,2018;杜金虎等,2014;邹才能等,2014;刘树根等,2016)。

1.4 五探1井震旦—寒武纪沉积序列

目前川东北地区钻遇前寒武纪地层的仅有五探1井,区域对比难度较大,特别是对于7800～8044m井段碎屑岩的时代归属,存在较大争议。为此,中石油四川盆地研究中心分别选取7594m、7960m和8022m井段岩屑进行碎屑锆石年代学研究,测试结果表明,其碎屑锆石主要来源于川中古隆起新元古代中期的火山碎屑(主峰值年龄均为790Ma左右),其最小峰值分别为654Ma、663Ma和635Ma(内部交流),反映有部分来自南华系的再旋回沉积。同时,根据五探1井8040～8044m井段的岩心看,主要为一套深水重力流沉积,发育液化砂岩脉、砂枕,及粉细砂岩与深灰色、灰黑色粉砂质泥岩的韵律层等(图1),其沉积序列可与城口明月剖面陡山沱组一段对比。从剖面结构上看,也与镇巴小洋坝剖面陡山沱组一段有明显的一致性。因此,五探1井7800～8044m井段碎屑岩系应归属震旦系陡山沱组为宜(图3、图5)。

图5 五探1井震旦纪关键事件与沉积序列演化Fig.5 Sinian key events and their depositional sequences in Wutan1well

实际上,我们将五探1井的地层序列对比于城口明月剖面(图2),也大体上可以给出相似结论。但需要说明的是,关于城口地区的明月组(西南地区地层总结(震旦系),1981),实际上包含两个岩性段,上段(4～5层)发育鲍马序列、发育纹层构造的砂岩-粉砂质泥页岩多韵律互层段,应归属陡山沱组一段,可与镇巴小洋坝、西乡司上等剖面陡山沱组底部扇三角洲相较高成熟度的砂砾岩沉积对应,均属于陡山沱早期上扬子大陆冰川快速消融过程中的陆源碎屑进积序列;下段含砾杂砂岩段(2～3层),应为南沱组冰碛砾岩无疑。而南沱组之下的灰绿色凝灰质砂岩、紫红色页岩段(未见底),对比城口高观寺剖面序列看,相当于大塘坡组(表1)。

因此,根据五探1井与城口明月剖面等新元古代地层序列的相似性,我们认为五探1井区与城口地区应处于同一构造古地理单元,指示着川东北地区新元古代中期以来持续发育一个北东向相对深水的沉积单元,该单元内发育有相对完整的新元古代地层序列(图3),或可对比于鄂西海槽,我们暂且将其命名为“川东北克拉通裂陷”,以区别于前人提出的震旦纪—早寒武世“万源-达州克拉通裂陷”(赵文智等,2017)。

2 川东北克拉通裂陷开启时间

从城口明月、高燕剖面和五探1井的陡山沱组底部均发育有200～300m的深水重力流沉积,也可推测其沉积期的可容纳空间必然是很大的,这也直接导致了灯影组碳酸盐台地相不发育,在盆地边缘的城口地区,灯影组甚至出现明显的深水陆棚-盆地相硅质页岩、碳质页岩及透镜状泥质云岩(图2、图3、表2)。这一特殊的沉积序列与川中高磨地区是明显不同的,与绵阳-长宁克拉通裂陷内的髙石17井和资阳1井序列也是不同的(表2)。因此,这种巨大的沉积相分异,也是盆地古地理格局的最直观响应。

那么,川东北克拉通裂陷究竟始于何时呢?从镇巴小洋坝、紫阳紫黄、万源大竹、城口明月、高观寺等剖面地层序列的系统对比看,川东北克拉通裂陷的地层序列不仅包含有南华系,也有南华裂谷开启后的快速充填序列(板溪期沉积),在镇巴小洋坝对应于南华系下覆的莲沱组(未见底)、高观寺剖面对应于古城组冰碛砾岩之下的武当山群(未见底,也有学者称之为龙潭河组;Xiang et al.,2015),其岩性主要为灰色-灰绿色凝灰质岩屑砂岩、凝灰质砂质泥页岩等。这一序列与扬子东南缘的板溪群、下江群等充填序列(汪正江等,2015,2016)基本一致。同时,再结合邻近的鄂西神农架西缘的新元古代沉积序列分析(表2),可以确定川东北克拉通裂陷的开启应与南华裂谷系的形成同步(ca.820Ma),其盆地动力学机制也应与Rodinia裂解直接相关。

表2 川东北、鄂西及绵阳-长宁克拉通裂陷的沉积充填序列对比表Table2 Comparison of the filling sequences of intra-cratonic rifts in Northeast Sichuan,West Hubei and Mianyang-Changning areas

3 新元古代克拉通裂陷的构造演化与关键事件

2000年以来,关于扬子陆块新元古代构造演化研究一直为地学研究热点。对于扬子北缘来说,研究主要集中在汉南杂岩和黄陵杂岩(Ling et al.,2003;凌文黎等,2007;徐学义等,2009,2010,2011;Peng et al.,2012;Zhao and Zhou,2008;李佐臣等,2013;敖文昊等,2014),而对于北缘新元古代的沉积盆地演化及地层序列的研究相对较少(Xiang et al.,2015;管开萍等,2016),盆地充填序列与区域地层格架尚不清晰。

本次研究表明,扬子北缘新元古代地层序列与扬子东南缘的湘黔桂地区(汪正江,2015,2016)基本一致。伴随着Rodinia裂解,扬子克拉通北缘也经历了三个各具特色的演化阶段:(1)板溪期的裂谷充填阶段(820～720Ma),在扬子北缘虽大部出露有限,如镇巴小洋坝、城口明月、巫溪乌龙等剖面。(2)南华纪冰期(720～635Ma),虽然目前在北缘尚未见到相当于长安冰期沉积,但与湘鄂西南华系地层序列是相似的。(3)震旦纪初始碳酸盐台地建设阶段,依据最新的研究进展(周传明等,2019),陡山沱组沉积时限为84Ma(635～551Ma)、灯影组沉积时限仅10Ma(551～541Ma),这说明在经历裂谷快速充填和南华冰期冰川的双重作用下,扬子陆块主体基本被夷平后,陡山沱组沉积速率很低,显示出陆源碎屑补给不足,这一沉积环境为中上扬子灯影期初始碳酸盐台地的形成准备了有利条件。

前人研究表明,灯影组沉积时限虽仅有10Ma,但在多幕次桐湾运动的影响下(魏国齐等,2015a;邹才能等,2014;汪泽成等,2014;李伟等,2015;梅庆华等,2016),灯影期碳酸盐台地仍经历了台地的形成(灯1+2段)—活化(灯3段)—重建(灯4段)与隆升剥蚀的复杂过程(表2)。至于绵阳-长宁裂陷及以西地区未识别出灯影组三段、四段(邹才能等2014;汪泽成等,2014;杜金虎等,2016),是灯四段沉积期末隆升剥蚀的结果,还是因为岩相变化未能识别,还有待进一步研究。

在川东北克拉通裂陷内,多幕次桐湾运动的沉积响应与绵阳-长宁裂陷一样清晰可见。城口明月剖面灯影早期为碳酸盐缓坡泥质云岩、泥质灰岩组合,桐湾Ⅰ幕后,灯三—灯四段发育深水陆棚相黑色碳质页岩和薄层硅质岩(图3),不仅表明其沉积水体快速加深,更有海底热液活动。而对于五探1井来说,其灯影早期沉积厚度与高磨地区相比是非常小的(图5),表明五探1井区尚未进入台地建设阶段,其沉积环境可对比与城口明月剖面;其灯四段发育厚约200m的白云岩,则说明其晚期进入了台地建设,可与高磨地区碳酸盐台地重建相对应。而同处于川东北裂陷内的明月剖面和五探1井灯影早期的相似性与灯影三—四段的沉积差异性,说明五探1井的古地理位置应处于川中台地与川东北裂陷的过渡带上(图3)。

4 盆地演化的阶段性与沉积相模式

从不同构造单元的沉积序列对比来看,四川盆地演化具有明显的区域差异性,但从关键事件及其对应的盆地演化的阶段性看,其古地理演替却又有着明显的一致性和相似性。因此,为进一步明确不同构造古地理单元沉积相分异的沉积动力学机制,下面就按演化阶段厘定新元古代—寒武纪海相原型沉积盆地的构造古地理格局。

4.1 新元古代裂谷盆地充填与初始台地建设

根据镇巴—城口—巫溪一带剖面地层序列的初步调查和研究,我们认为川东北地区可能主要受新元古代南秦岭-武当山裂谷系影响,但其新元古代板溪—南华纪沉积序列与扬子东南缘仍具有较好的可对比性。

川东北地区的板溪期沉积,由于出露序列不完整(仅出露莲沱组上部),研究文献少见。剖面资料显示,莲沱期主要为三角洲-浅海陆棚沉积序列。在城口一带莲沱组主要为浅海陆棚相凝灰质岩、凝灰质细砂岩夹灰绿色、杂色页岩,向西、向东有变浅特征:西北部的小洋坝为三角洲前缘相岩屑砂岩-粉砂质泥岩,发育平行层理、沙纹层理及大型包卷层理等;再往北至西乡司上则发育滨岸-三角洲平原含砾砂岩-岩屑细砂岩等,发育平行层理等。城口往东,至巫溪鱼鳞莲沱组仍为陆棚相灰绿色凝灰质板岩夹少量凝灰质砂岩,但至神农架高桥河一带(图6a),则递变为河流-三角洲相砂砾岩-砂岩-泥页岩组合,发育波痕、平行层理、斜层理、泄水构造等多种浅水沉积构造。

由此可见,在川东北地区新元古代板溪期沉积相变化明显,呈现出东西两头为滨岸-三角洲环境,中部的城口—万源地区为较深水的陆棚相沉积环境,且其凝灰质和火山碎屑含量高,可能与武当山群沉积-火山岩序列有亲缘关系(Xiang et al.,2015)。

川东北及邻区南华系出露较为完整的,从下往上依次有古城组、大塘坡组和南沱组(表2,表3),其古地理格局与板溪期主要表现为继承性发展。这里需要明确的是,虽然目前在四川盆地内部尚未钻井直接揭示有板溪期和南华冰期沉积,但依据五探1井的陡山沱组的地层序列推测,其深部应有南华系发育(图6a),而且这一推测与现有部分深部地震剖面地重新解释结果一致。龙岗探区地震剖面显示,灯影组之下的断垒-断陷构造格局清楚,剖面东南段,沿断垒边缘生长断层发育的水下扇/低位楔清晰可见(图7)。

同时,图7地震剖面也清晰地呈现了川东北裂陷灯影组沉积早期(灯一+二段)沉积厚度向东南逐渐减薄趋势,表明台缘斜坡带就在龙岗一带。而五探1井所在的川东北克拉通裂陷则持续继承了南华纪—陡山沱期的古地理格局,由于水体尚较深(碳酸盐缓坡),未能与高磨地区同步进入碳酸盐台地建设阶段(图1、图6c)。

图6 四川盆地新元古代-寒武纪原型沉积盆地演化与沉积相模式Fig.6 Evolution of Neoproterozoic-Cambrian prototype sedimentary basins and its sedimentary model in Sichuan Basin

图7 川东北新元古代克拉通裂陷在龙岗地区的构造-沉积响应(地震剖面)Fig.7 Tectonic-sedimentary response of Neoproterozoic craton rift in Longgang area,Northeast Sichuan(seismic profile)

因此,板溪期—震旦纪早期,四川盆地的古地理格局主要为川中台地、川东北裂陷、渝东北台地及鄂西裂陷(图6a、b、c),其中川东北和鄂西裂陷的主活动期为板溪期,南华纪和震旦纪中早期为继承性发展和沉积充填,而此时绵阳-长宁裂陷尚未进入活跃期,其所在川西台地主体为剥蚀与夷平过程,沉积作用不明显。至灯影早期(灯一+二段),绵阳-长宁裂陷所在区域可能已开始发育差异沉降,南段形成了川南潟湖,在北段的绵阳—资阳一带与东侧的高磨地区已存在明显的沉积分异现象(图6c),灯二段发育了受同沉积断裂控制的台缘丘滩体(赵路子等,2020)。

4.2 震旦纪—寒武纪之交初始台地的活化与重建

进入灯影晚期(灯三段沉积期),上扬子地区灯影一段+二段沉积期刚刚发育起来的碳酸盐初始台地,在区域伸展构造作用下发生了活化而中止,并发育了一套厚度不大、区域上相对稳定的泥质岩或泥质碳酸盐沉积(图6d),而在沉降较大的区域更是发育了具有一定生烃潜力的黑色泥页岩。此时绵阳-长宁克拉通裂陷开始成型,南北两段已连为一体。鄂西海槽(裂陷)也有进一步活动,而川东北裂陷可能主要表现为海平面上升,南段达州一带表现为碳酸盐缓坡的进积作用,北部城口地区则发育深水碳质泥页岩。

灯四段沉积期,随着海平面的持续稳定上升,上扬子初始台地快速得到恢复与重建,但区域沉积相分异也得到了进一步强化,川中、川西台地边缘丘滩发育,绵阳-长宁、川东北、鄂西等裂陷区持续发展,发育深水或较深水的泥质岩或泥质碳酸盐沉积(图6e)。但在川东北克拉通裂陷南端,因其台缘坡度小、深度浅,台地相区向北东向推进较快,致使川东北裂陷有向东北快速收缩趋势。

4.3 寒武纪早期的渐次海侵上超与统一台地的形成

进入寒武纪,上扬子地区经历三次海侵上超。第一次海侵上超就是麦地坪期,规模也是最小的,其沉积记录主要在绵阳-长宁、川东北、鄂西等克拉通裂陷内,及其他地势较低的区域,且沉积厚度普遍较小(图6f)。其沉积岩石组合主要为泥质灰岩、硅质云岩、碳质页岩等,其中硅质云岩主要发育在绵阳-长宁克拉通裂陷以西的川西碳酸盐缓坡。可能是受到上升洋流的影响,麦地坪组的磷含量较高,是扬子西缘主要磷矿产层,如什邡清平、马边大风顶、雷波马颈子等磷矿。

筇竹寺组沉积早期是寒武纪、也是早古生代最大规模的海泛事件,形成了上扬子新元古代—早古生代沉积盆地最重要、最广泛的一套烃源岩(图6g)。实际上早寒武世的陆架重建和碳酸盐台地形成,经历了两个阶段,第一阶段是由筇竹寺组的深水陆棚碳质泥页岩到碳酸盐缓坡的石牌组灰岩;第二阶段是由沧浪铺组浅水陆棚、混积陆棚,到龙王庙组碳酸盐台地形成。特别需要注意的是,沧浪铺期扬子西缘的快速隆升与大量剥蚀(图6h),可能才是绵阳-长宁克拉通裂陷被快速充填、消亡的关键所在。

自此以后,直至印支运动,上扬子克拉通西高东低的古地理格局就此形成。由此,我们认为扬子陆块应该受到了冈瓦纳大陆泛非造山运动的影响,其最直接表现可能就是摩天岭地块与扬子陆块地汇聚、碰撞与拼合。因此,自沧浪铺期开始,中上扬子的大地构造背景随之也由区域伸展向挤压坳陷转换,清虚洞期/龙王庙期统一的碳酸盐台地就是在这一构造应力场转换期得以顺利完成。

4.4 中晚寒武世克拉通坳陷的形成与演化

龙王庙期后,扬子克拉通在来自西缘和西北缘持续构造挤压作用下,米仓山地区和川西天全—绵竹一线进一步隆升,同时克拉通内扰曲-沉降进一步加剧,在西自宜宾、经恩施、东至荆州,形成了一个广阔的潟湖相区(图6i、j),普遍发育巨厚的潟湖相含膏岩系、泥质碳酸盐岩,代表性钻井如东深1、座3井、楼探1、建深1井、洗1井、簰深1井等。该套含膏岩系的发育也构成了元古代—寒武纪含油气系统重要的区域盖层。

与此同时,随着扬子克拉通的持续扰曲、沉降,川东北和鄂西新元古代以来的克拉通裂陷,也融入到了中上扬子统一的克拉通内坳陷之中,成为了宜宾-永川-恩施-荆州潟湖的一部分了。

5 川东北深层油气的勘探方向预测

5.1 川东北克拉通裂陷的烃源岩

油气勘探目标的选择,含油气系统诸要素的品质及其匹配关系是首要考虑的问题。然而对四川盆地来说,似乎只要有优质储集层发育,即可获得新突破。不论是普光、元坝,还是最近的川中安岳磨溪特大气田的发现,似乎都一再佐证这一认识,这可能与四川盆地多层系区域性烃源岩与多含油气系统复合叠加的特殊地质背景有关。

具体到川东北地区元古代—早古生代区域性烃源岩层在哪里?下寒武统烃源岩发育吗?品质如何?根据城口明月、高燕、和平等露头剖面及五探1井资料分析,我们认为川东北克拉通裂陷在沉积充填过程中,发育有多套黑色碳质岩系:陡山沱组二段、四段,灯影组三段、四段及下寒武统的筇竹寺组/水井沱组等,特别是下寒武统麦地坪组和筇竹寺组烃源岩(表4)广泛发育,有机质含量高,为一巨型生烃灶(陈安清等,2020),因此,川东北地区深层含油气系统的区域性烃源岩是发育的。

表4 五探1井寒武系烃源岩特征及其与邻区对比Table4 Comparison of Cambrian hydrocarbon source rocks in Wutan1well and its neighborhood

5.2 川东北克拉通裂陷的台缘相带

在确定有优质烃源岩发育的情况下,明确优质储集层的区域展布就成为了实现油气勘探新发现的关键环节。通过较为系统的原型盆地分析与古地理编图,我们认为川东克拉通裂陷存在与绵阳-长宁克拉通裂陷相似的灯影期台地边缘相藻丘或藻砂屑浅滩发育环境:一是川东北裂陷东西两侧的台地边缘相区;二是近北东向展布的、半岛式的渝东北台地边缘相区(图8),这些台缘藻丘、浅滩相储集层系与裂陷内深水饥饿环境下发育的黑色泥页岩,形成良好的源-储时空配置关系(魏国齐等,2015a;杜金虎等,2016),是下一步川东北(渝东北)地区深层油气勘探的优先方向。

根据本次研究,初步预测川东北克拉通裂陷的台缘相带展布是:灯影早期(灯一+二段)分布在西侧的万源—达州一线,东侧的台缘相带可能分布在巫溪土城—开县—梁平一线(图8a)。灯影末期(四段)受上扬子初始碳酸盐台地重建与进一步拓展影响,川东北克拉通裂陷有向北东快速收缩之势,因此,台缘相带也有所迁移(图8b)。

图8 川东北及邻区灯影组一+二段(a)和四段(b)沉积期古地理Fig.8 Paleogeography of the first,the second,and the fourth member periods of Dengying Formation in Northeast Sichuan and its adjacent areas

6 主要结论

(1)基于关键事件序列的系统厘定,重建了川东北及邻区新元古代—寒武纪原型盆地的地层格架,认为川东北地区发育有相对完整的新元古代沉积充填序列。

(2)根据最新的钻井和深部地球物理资料解析,揭示川东北发育有一个新元古代的克拉通裂陷,不同于绵阳-长宁克拉通裂陷,不仅其发育时间早、演化时限长,其沉积序列也有较大差异,其早期为补偿性裂谷充填、中晚期则发育欠补偿的细碎屑岩和碳酸盐岩沉积组合。

(3)川东北克拉通裂陷的形成演化大体上可划分为三个阶段:新元古代板溪期—震旦纪早期为伸展断陷期,与南华裂谷系形成演化同步;震旦纪陡山沱晚期—寒武纪筇竹寺期为伸展沉降期;寒武纪沧浪铺期至寒武纪末为挤压扰曲与克拉通坳陷充填期。

(4)证实川东北地区深层发育有明显的台-盆构造古地理格局,源-储时空配置良好,或将开辟四川盆地深层(新元古界—下寒武统)油气勘探的新方向与新领域。

致谢:本文成文过程中得到了中国石油勘探开发研究院姜华博士的大力支持,两名审稿专家和期刊编委对稿件的建设性意见和建议提升了论文质量,在此一并表示衷心感谢!