四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組沉積環(huán)境分析

四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組沉積環(huán)境分析

0須家河組—引言隨著中國(guó)石油價(jià)格勘探的推進(jìn)，碳酸鹽巖油氣藏和巖性地層油氣藏被列為重要的油氣勘探領(lǐng)域。其中,四川盆地兼有這兩大重點(diǎn)領(lǐng)域,具有重要的戰(zhàn)略意義。四川盆地面積約18×104km2,構(gòu)造上位于揚(yáng)子陸塊的偏西北一側(cè),其地貌特征可謂群山環(huán)抱:北部為米倉(cāng)山,東北部為大巴山,東部為七曜山,南部為大涼山,東南部為婁山,西部則是龍門(mén)山。作為中國(guó)陸上七大富油氣盆地之一,目前四川盆地累計(jì)探明石油資源量4×108t,天然氣資源量5×1012m3(圖1)。須家河組厚度差異較大,川西地區(qū)最厚,可逾千米;向川中和蜀南地區(qū)逐漸減薄,在威遠(yuǎn)和潼南地區(qū)最薄,厚度僅數(shù)百米,總體呈現(xiàn)由北西向南東逐漸減薄之勢(shì)。須家河組地層自下而上發(fā)育的6段地層呈“三明治”式沉積結(jié)構(gòu),其中,須1、3、5段發(fā)育以泥頁(yè)巖夾煤層為主的烴源巖,須2、4、6段則發(fā)育以砂巖為主的儲(chǔ)集層,這種源—儲(chǔ)接觸關(guān)系為油氣成藏提供了“近水樓臺(tái)先得月”的有利條件。針對(duì)這種“三明治”結(jié)構(gòu)的成因,有學(xué)者認(rèn)為沉積和構(gòu)造作用是主控因素,尤以前者為甚,而沉積作用則受古氣候的控制。古氣候?qū)Τ练e作用的控制體現(xiàn)在多個(gè)方面:在物源區(qū),古氣候影響母巖的風(fēng)化、剝蝕,決定了是以物理風(fēng)化為主還是以化學(xué)風(fēng)化為主;在沉積物質(zhì)搬運(yùn)過(guò)程中,古氣候影響其搬運(yùn)營(yíng)力,決定了是流水搬運(yùn)、冰川搬運(yùn)還是風(fēng)的搬運(yùn);在沉積卸載區(qū),古氣候的周期性變化造成沉積物的韻律和旋回等。由此可見(jiàn),古氣候?qū)Τ练e的控制和影響是全方位的,恢復(fù)沉積古氣候?qū)τ诶斫夂头治龀练e特征具有重要意義。本文綜合利用多種資料和方法恢復(fù)了四川盆地晚三疊世須家河組各段地層沉積時(shí)期的古氣候,進(jìn)而討論了這種氣候?qū)π纬稍摻M地層“三明治”式沉積結(jié)構(gòu)的控制作用。1樣品的采集古氣候恢復(fù)方法較多,主要包括:孢粉植被法、元素比值法、自然伽馬曲線法、碳、氧同位素法、沉積物巖性顏色法和地磁磁化率法等。其中,前三種方法相對(duì)成熟且可操作性強(qiáng)。必須指出,恢復(fù)古氣候是相對(duì)困難的,其結(jié)果具有較大的多解性。為了消除多解性,本文選取盆地不同部位的采樣點(diǎn)(圖1),采取室內(nèi)、室外相結(jié)合,綜合多種方法、求同去異。所用方法包括:露頭和巖芯樣品的室內(nèi)孢粉和元素化驗(yàn),測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的自然伽馬曲線分析、野外露頭伽馬儀測(cè)試。其中,威遠(yuǎn)黃石板和華鎣觀音溪兩個(gè)露頭剖面易于連續(xù)取樣,因此,孢粉和元素所需樣品主要采自這兩個(gè)剖面(圖2)。筆者委托中國(guó)石油華北油田研究院完成了孢粉和元素的分析,利用分析結(jié)果并結(jié)合野外分析數(shù)據(jù)和三口井的自然伽馬(GR)曲線,分別使用三種方法進(jìn)行了古氣候的恢復(fù)。1.1須家河組各段沉積時(shí)期的氣候背景生物演化是對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng),因而利用生物化石恢復(fù)古氣候是最為直接、可靠的方法。動(dòng)物具有很大的可遷移性,對(duì)于氣候的變化可以通過(guò)遷徙來(lái)適應(yīng)。因此,動(dòng)物對(duì)于原地性氣候的指示作用較之植物為差。植物具有原地性生長(zhǎng)的特征,因而植物對(duì)氣候和環(huán)境變化更為敏感。作為植物的繁殖器官,孢粉是因其數(shù)量大、個(gè)體小而易于保存,成為了氣候恢復(fù)理想指標(biāo)。王全偉等在四川盆地中西部地區(qū)兩個(gè)剖面(炭壩和天全)共發(fā)現(xiàn)孢粉化石124屬228種,新屬種27屬63種。其中,以蕨類植物孢子占優(yōu)勢(shì),計(jì)80屬153種,占孢粉總量的70%;裸子植物花粉約占30%。蕨類植物孢子中以雙扇蕨科的網(wǎng)葉蕨孢、凹邊孢為主,約占孢粉總量的40%;裸子植物花粉中則以蘇鐵類、松柏類植物居多?；谶@些數(shù)據(jù),認(rèn)為四川盆地中生代整體屬于繁茂的熱帶—亞熱帶植被類型,氣候條件相應(yīng)屬于溫暖—濕潤(rùn)類型。王全偉等討論了四川盆地從晚三疊世須家河組到白堊紀(jì)灌口組沉積過(guò)程中的氣候演化,為本文研究提供了大的氣候背景,但是限于研究精度,沒(méi)有對(duì)須家河組各段發(fā)育時(shí)期的氣候進(jìn)行討論。黃其勝等以四川盆地川北地區(qū)六條實(shí)測(cè)主干剖面資料為基礎(chǔ),利用孢粉和沉積學(xué)方法恢復(fù)了四川盆地北部地區(qū)須家河組沉積期的古環(huán)境。該文利用植物孢粉所反映的生物群落的組成、結(jié)構(gòu)、垂向分異、橫向變化、群落演替等特征,首次系統(tǒng)討論了川北地區(qū)須家河組7個(gè)巖性段發(fā)育時(shí)期的古氣候,其所用方法和所得結(jié)論對(duì)本文具有很大的借鑒意義。但是,黃其勝等人的研究?jī)H限于川北地區(qū),而且由于文章發(fā)表時(shí)間較早,地層劃分也與現(xiàn)今的分層有差異,因此,其結(jié)論具有一定的區(qū)域局限性和地層片面性。針對(duì)前人研究提供的方法和存在的不足,本文按照四川盆地最新的統(tǒng)一地層劃分方案進(jìn)行采樣,對(duì)采自不同層位的樣品進(jìn)行分析化驗(yàn),其中,在華鎣觀音溪和威遠(yuǎn)黃石板兩個(gè)剖面發(fā)現(xiàn)的孢粉數(shù)量多、種屬全,而在川西北地區(qū)的多口鉆井中幾乎沒(méi)有發(fā)現(xiàn)孢粉化石。因此,主要以上述兩個(gè)露頭剖面的樣品分析數(shù)據(jù)為依據(jù)恢復(fù)須家河組沉積時(shí)期的古氣候?？紤]到孢粉具有較大的飄移性,加上兩個(gè)露頭剖面位于相距較遠(yuǎn)的盆地不同位置,所以,這兩個(gè)剖面的孢粉發(fā)育情況基本上可以反映整個(gè)盆地的氣候特征。經(jīng)過(guò)對(duì)上述兩個(gè)剖面所采泥巖樣品進(jìn)行分析,共識(shí)別出孢粉化石2大類(蕨類和裸子類)78屬(表1、2)。經(jīng)分層統(tǒng)計(jì),兩個(gè)剖面中的6段地層發(fā)育的孢粉化石組合無(wú)明顯差異,表現(xiàn)出的優(yōu)勢(shì)特征相似。因此,要從孢粉學(xué)證據(jù)探討須家河組各段地層發(fā)育時(shí)期的氣候差異具有很高的難度。究其原因,可能是須家河組發(fā)育的約30Ma中植物沒(méi)有發(fā)生重大變化,導(dǎo)致孢粉組合(尤其是優(yōu)勢(shì)孢粉組合)差異很小。所以,孢粉學(xué)證據(jù)可以確定須家河組沉積時(shí)期的氣候背景,但卻不能反映各段地層發(fā)育時(shí)期的氣候變化細(xì)節(jié)。經(jīng)過(guò)對(duì)分析結(jié)果的統(tǒng)計(jì),可以看出須家河組發(fā)育的孢粉以蕨類植物孢子為主,尤以雙扇蕨科(包括擬網(wǎng)葉蕨孢屬、凹邊孢屬、弓堤孢屬、格脈蕨孢屬以及三角刺面孢屬等)為最多,其中的擬網(wǎng)葉蕨孢屬更是一枝獨(dú)秀;裸子植物花粉主要是蘇鐵粉屬,同時(shí)發(fā)現(xiàn)少量松科。因此,須家河組表現(xiàn)出“擬網(wǎng)葉蕨孢屬—凹邊孢屬—蘇鐵粉屬”的孢粉組合特色(圖3,4)。通過(guò)對(duì)須家河組孢粉組合特色的分析,認(rèn)為這些孢粉對(duì)應(yīng)的植物主要分布于我國(guó)南方潮濕溫暖的熱帶、亞熱帶反映當(dāng)時(shí)的古氣候應(yīng)為溫暖—炎熱、潮濕,這一結(jié)論與前人研究成果相符。值得注意的是,現(xiàn)今的蕨類植物大都喜生于溫暖潮濕的森林環(huán)境,成為森林植被中草本層的主要組成部分。但是,四川盆地晚三疊世須家河期蕨類孢子化石占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),那么蕨類植物應(yīng)該是主體。同時(shí),在這里出現(xiàn)的裸子類孢粉化石較少,不太可能構(gòu)成高大的森林植被,因而推測(cè)當(dāng)時(shí)的蕨類植物應(yīng)該是一種比較高大的樹(shù)蕨,形成類似于現(xiàn)今海南、臺(tái)灣、云南等熱帶—亞熱帶植物區(qū)系里比較高大的形如棕櫚一般的樹(shù)蕨群景觀。1.2巖芯和露頭的微量元素元素已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于古氣候、古沉積環(huán)境的恢復(fù),取得了良好效果。巖石中所含元素的性質(zhì)和數(shù)量受到其本身的物理化學(xué)性質(zhì)以及古氣候、古環(huán)境的綜合影響。泥巖中的元素一旦隨沉積物沉積下來(lái)之后,在后續(xù)成巖過(guò)程中其性質(zhì)和比例基本不發(fā)生改變。因此,微量元素和某些常量元素的相對(duì)含量及其比值攜帶了其原始沉積位置的古氣候信息,可以用于其沉積期古溫度和古濕度的恢復(fù)。陳敬安等認(rèn)為CaO/MgO值反映湖泊自生碳酸鈣沉淀的相對(duì)多少,因此可以反映古氣溫,即:CaO/MgO值高指示氣溫相對(duì)較高,CaO/MgO值低則指示氣溫相對(duì)較低。田曉雪等也認(rèn)為CaO/MgO反映古溫度的變化:高值指示氣溫相對(duì)較高,低值則指示氣溫相對(duì)較低。Sr/Ba則是水體鹽度“指示劑”:高值代表水體鹽度高、氣候相對(duì)干燥,低值則代表水體鹽度低、氣候相對(duì)濕潤(rùn)。根據(jù)這一原理,田曉雪等分析了黑龍江嘉萌地區(qū)白堊系全巖樣品的微量元素,提取了能指示氣候變化的CaO/MgO和Sr/Ba兩項(xiàng)參數(shù),據(jù)此恢復(fù)了嘉蒙地區(qū)的沉積古氣候。認(rèn)為自白堊紀(jì)末至古近紀(jì)初,氣候整體呈溫度下降、降水增多的趨勢(shì)。由此可見(jiàn),泥巖樣品中的Ca/Mg和Sr/Ba可以用來(lái)反映古溫度和古濕度,效果較好?；谝陨嫌懻摽芍?巖石中的元素比值可以用于古氣候的恢復(fù)。本文從巖芯和露頭泥巖樣品中共檢測(cè)出常量元素5種,微量元素10種。其中,包淺001-16井巖芯樣品和威遠(yuǎn)黃石板露頭樣品的Ca/Mg和Sr/Ba值規(guī)律性明顯(表3,圖5、6)。當(dāng)然,在利用Ca/Mg和Sr/Ba恢復(fù)古氣候之前,應(yīng)該首先考慮到海水對(duì)測(cè)定值的影響。因?yàn)轫毤液咏M開(kāi)始沉積時(shí)海水逐漸從四川盆地西南部地區(qū)退出,威遠(yuǎn)黃石板和包淺001-16井區(qū)所在位置為海—陸過(guò)渡相沉積,海水造成須一段沉積時(shí)期的Ca/Mg異常低,而Sr/Ba則異常高。圖5和6中的紅色虛線框是去除海水影響后兩個(gè)地區(qū)須一段沉積時(shí)期真實(shí)的Ca/Mg和Sr/Ba比值。去除海水干擾后,兩個(gè)地區(qū)的元素比值規(guī)律性顯而易見(jiàn)。包淺001-16井的Ca/Mg比值(圖5)反映古溫度的變化,可以看出:須家河組各段地層的Ca/Mg比值呈現(xiàn)規(guī)律性的高低起伏,其中,須1、3、5段比值高;須2、4、6段比值低。這說(shuō)明在須家河組奇數(shù)段地層沉積時(shí)期,古溫度較高;偶數(shù)段地層發(fā)生沉積時(shí),古溫度相對(duì)較低。須5段沉積時(shí)期的古溫度表現(xiàn)出異常高,而須6段的古溫度溫度則表現(xiàn)為異常低。從圖5還可以看出:須1段到須4段沉積時(shí)期,須家河組的溫度起伏變化不大,呈現(xiàn)小幅震蕩的態(tài)勢(shì),而須5段沉積時(shí)期則出現(xiàn)一個(gè)明顯的升溫過(guò)程,溫度達(dá)到最高,進(jìn)入須6段后溫度又迅速降低。因此可以將須家河組的古溫度變化特征概括為“早期變化平緩、晚期變化劇烈”。威遠(yuǎn)黃石板的Sr/Ba比值(圖6)反映水體鹽度的變化,也就指示古濕度的變化情況。從圖中可以看出:須家河組各段地層的Sr/Ba比值同樣呈現(xiàn)規(guī)律性變化,其中,須1、3、5段比值低;須2、4、6段比值高。這說(shuō)明在須家河組奇數(shù)段地層沉積時(shí)期,水體古鹽度低、古濕度較高;偶數(shù)段地層發(fā)生沉積時(shí),水體古鹽度高、古濕度相對(duì)較低。與圖5所反映的古溫度變化不同,圖6所反映的古濕度變化幅度整體平緩,沒(méi)有出現(xiàn)濕度的劇烈變化,這說(shuō)明須家河組沉積時(shí)期的降雨量平穩(wěn),古濕度沒(méi)有發(fā)生重大變化。相對(duì)而言,須2段沉積時(shí)期的古濕度最低,而須1和須5段沉積時(shí)期的古濕度則較高。綜合分析Ca/Mg和Sr/Ba比值所反映的溫度和濕度變化,可以對(duì)四川盆地須家河組沉積時(shí)期的古氣候做出如下推測(cè):須家河組須1、3、5段沉積時(shí)期,氣候相對(duì)炎熱、濕度較大;須2、4、6段沉積時(shí)期,氣候相對(duì)溫和、濕度較小。其中,須5段沉積時(shí)期的古氣候特征最明顯,表現(xiàn)為溫度異常高而濕度異常大的炎熱潮濕氣候。1.3元素比值法恢復(fù)古氣候自然伽馬測(cè)量的是放射性礦物衰變過(guò)程中放射出的伽馬射線強(qiáng)度,反映放射性元素含量的高低。放射性礦物的富集對(duì)區(qū)域條件和沉積次序有很強(qiáng)的依賴性,碳酸鹽、礦物質(zhì)和有機(jī)質(zhì)含量變化則受到諸如氣候等外部因素的控制。自然伽馬值的大小與古氣候的干濕、沉積水體的深淺有內(nèi)在聯(lián)系:GR值高、古氣候潮濕、沉積水體深;反之亦然。GR曲線的振幅與頻率則可以反映沉積環(huán)境的穩(wěn)定性特征:高頻高幅代表較動(dòng)蕩的淺水環(huán)境;高頻低幅代表較封閉的淺水湖灣環(huán)境。由于GR曲線連續(xù)性好、敏感度高、所需費(fèi)用低,因此可以作為很好的古氣候恢復(fù)方法。JohanHV等對(duì)克里特島3個(gè)剖面的研究表明,采用自然伽馬曲線研究放射性礦物,可以恢復(fù)沉積古氣候。特別值得指出的是,楊平等利用柴達(dá)木盆地冷科1井下侏羅統(tǒng)孢粉譜中的松科和羅漢松科的百分含量變化勾繪了孢粉曲線,曲線反映出溫暖潮濕的古氣候背景。其中,曲線高值段反映氣候相對(duì)暖濕;低值段反映氣候相對(duì)干冷。將此孢粉曲線與對(duì)應(yīng)深度段的GR曲線對(duì)比,可以看出總體吻合度較高(圖7)。以上中外學(xué)者的研究均證實(shí)了GR曲線可以很好地反應(yīng)古氣候演化,為本文的研究提供了科學(xué)依據(jù)。選取分屬于蜀南、川中和川北三個(gè)地區(qū)的須家河組三口探井(資2井、廣安13井和LG3井)的GR曲線(圖9),分層段研究曲線變化情況。三口井的GR曲線同時(shí)表現(xiàn)出須1、3、5段曲線值高,須2、4、6段曲線值低的特征。根據(jù)上述的討論可知,GR曲線的高低分別對(duì)應(yīng)著氣候的干濕交替和冷暖更迭。從廣安13井的曲線中還可以看出,在須6段沉積后期,GR曲線略有升高,說(shuō)明這一時(shí)期的氣候有向暖濕變化的趨勢(shì)。而從采自華鎣觀音溪露頭須6段上部樣品的孢粉譜中松科和羅漢松科含量(圖8)可以看出,須6段的數(shù)值僅略低于須5段,同樣說(shuō)明此時(shí)的溫度和濕度比須5段略低。值得注意的是,三口井的GR曲線中,須5段沉積所對(duì)應(yīng)的數(shù)值均為持續(xù)高值,這與通過(guò)元素比值法恢復(fù)古氣候所得結(jié)論相互印證。應(yīng)該指出,GR曲線受到巖性等因素的干擾,其數(shù)值的局部震蕩頻率和幅度未必與氣候變化一一對(duì)應(yīng)。但是,如果從須家河組各段地層的尺度進(jìn)行研究,GR曲線法還是可以比較合理地反映氣候變化,不失為一種可行的古氣候恢復(fù)方法。2通過(guò)古代氣候恢復(fù)的結(jié)果以及地質(zhì)意義的探討2.1孢粉、元素和gr曲線利用孢粉、元素比值和自然伽馬曲線三種方法分別對(duì)四川盆地晚三疊世須家河組沉積時(shí)期的古氣候進(jìn)行了恢復(fù),恢復(fù)結(jié)果相互吻合。三種方法各有利弊、相互補(bǔ)充。其中,孢粉植被法能夠確定植物類型組合,并根據(jù)這種組合明確地指出當(dāng)時(shí)所處的古氣候帶類型和特征。其弊端是在晚三疊世須家河組沉積過(guò)程所經(jīng)歷的30Ma中,植物演化相對(duì)緩慢、植被組合沒(méi)有發(fā)生重大變化。因此,不能通過(guò)孢粉組合反映須家河組各段地層沉積時(shí)期的氣候變化細(xì)節(jié)。元素比值法和自然伽馬曲線法的優(yōu)勢(shì)在于能夠靈敏地反映氣候相對(duì)變化細(xì)節(jié),其不足是不能判定古環(huán)境所處的氣候帶類型?；谏鲜鲇懻?綜合孢粉、元素比值和GR曲線三種方法可以定性、定量地恢復(fù)古氣候。孢粉植被法奠定了四川盆地須家河組沉積時(shí)期熱帶和亞熱帶炎熱潮濕的氣候背景,另外兩種方法則在此基調(diào)之上,描繪了須家河組各段地層沉積時(shí)期的氣候變化細(xì)節(jié)。綜合分析利用三種方法得到的氣候恢復(fù)結(jié)果,我們可以確定四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組各段地層沉積時(shí)期的古氣候情況。整個(gè)須家河組沉積時(shí)期,四川盆地基本處于炎熱潮濕的熱帶、亞熱帶氣候背景。溫度呈現(xiàn)須1、3、5段高,須2、4、6段低的特點(diǎn)。其中尤以須5段溫度最高、須6段溫度最低。濕度則呈現(xiàn)須1、3、5段濕度大,須2、4、6段濕度小的特點(diǎn)。其中尤以須2段濕度最小、須5段濕度最大。對(duì)比元素比值和“松科+羅漢松科”兩項(xiàng)古氣候指標(biāo)(圖5、6和8),還可以看出:須3段地層沉積時(shí)期是四川盆地除了須5段之外的另一個(gè)炎熱潮濕期。2.2須家河組砂巖儲(chǔ)集層的形成環(huán)境四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組沉積地層呈現(xiàn)出典型的砂泥巖間互特征,其中,須1、3、5段主要發(fā)育泥巖、碳質(zhì)泥巖和煤層,是良好的烴源巖;須2、4、6段主要發(fā)育中細(xì)砂巖和粉砂巖,是主要的儲(chǔ)層集中發(fā)育段。對(duì)于須家河組這種“三明治”式的沉積結(jié)構(gòu)的成因有多種解釋[18~20],但是古氣候無(wú)疑是重要的影響因素之一。須家河組奇數(shù)段地層沉積時(shí)期,濕度大、溫度高,有利于物源區(qū)母巖發(fā)生化學(xué)風(fēng)化,造成風(fēng)化剝蝕物質(zhì)以細(xì)粒為主。濕度大往往造成水系大,在長(zhǎng)距離的搬運(yùn)過(guò)程中,細(xì)粒物質(zhì)被進(jìn)一步粉碎成泥質(zhì),這就造成了奇數(shù)段地層主要沉積了細(xì)粒泥頁(yè)巖。植物在這種潮濕炎熱的環(huán)境中非常繁盛,從而形成了須家河組廣泛分布的煤系烴源巖。須家河組偶數(shù)段地層沉積時(shí)期,濕度