四川前陸盆地須家河組物源物源分析

四川前陸盆地須家河組物源物源分析

0川前陸盆地須家河組物源區(qū)和沉積模式上三疊紀徐家河群是四川盆地主要油氣產(chǎn)層之一，但儲層性質總體較差。其中大部分為砂質低孔低滲和特低孔低滲裂縫少孔儲層，只有一些低滲和中孔低滲發(fā)育，受到沉積、巖石形成和構造等因素的控制。在此背景條件下,深入認識作為主要油氣勘探目的層的須家河組的沉積物源方向、物源區(qū)構造背景、不同物源對砂體的空間展布規(guī)律以及不同碎屑來源物質對油氣聚集帶的控制就顯得尤為重要。近年來,前人對四川前陸盆地須家河組物源進行了多方面的研究。謝繼容等利用巖性特征、礦物組合和沉積演化等方面的資料并結合區(qū)域背景、構造事件的綜合分析,對四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組的物源及其對沉積的影響進行了分析。施振生等通過重礦物分布特征和組合規(guī)律,分析了源區(qū)母巖類型、沉積物搬運路徑及其縱向演化。晚三疊世須家河期四川前陸盆地的沉積具有多物源的特點:一是盆地周緣存在多個造山帶,包括西北部的龍門山造山帶、東北部的米倉山—大巴山造山帶、東南部的雪峰古陸及西南部的康滇古陸和南部的峨眉—瓦山古隆起等,它們都可以向盆地內部提供碎屑沉積物;另外,龍門山造山帶和米倉山—大巴山造山帶周期性的強烈逆沖推覆活動和持續(xù)隆升,加大了北西和北東兩方向物源的供給。這種多源區(qū)也明顯反映在須家河組砂巖的巖石類型及主要組分的空間變化、重礦物組合類型的分區(qū)性、地球化學分布規(guī)律等方面。前人研究基本沒有涉及多碎屑三角圖解分析和沉積地球化學分析。筆者擬通過砂巖碎屑組分、重礦物分布特征、沉積地球化學3種方法綜合對須家河組物源進行分析,探討前陸盆地邊緣造山帶構造運動對物源的控制。1龍門山地區(qū)干草原區(qū)盆地現(xiàn)今四川盆地的構造格局于印支運動后期開始出現(xiàn)雛形,經(jīng)燕山至喜山運動的多次疊加改造后才得以定形:即以龍門山斷裂為西界、七曜山斷裂為東界、城口斷裂為北界、峨眉—瓦山斷裂為南界的菱形構造兼地貌盆地,面積約18×104km2(圖1)。已有研究成果表明,該盆地是位于揚子地塊西部的一個多旋回構造疊合盆地,在中三疊世末發(fā)生的印支早幕構造運動中,構造擠壓使揚子地塊西部西緣和北緣開始緩慢上升,從島鏈逐漸演化為強烈逆沖推覆的造山帶。晚三疊世初期,組成四川類前陸盆地沉積基底的中、下三疊統(tǒng)海相碳酸鹽巖地層發(fā)生構造隆升和遭受強烈剝蝕,在結束上揚子地塊被動大陸邊緣盆地海相沉積史的同時,于晚三疊世早期逐漸進入擠壓構造背景條件下的陸內會聚盆地、即類前陸盆地演化階段,相繼發(fā)生晚三疊世馬鞍塘組、小塘子組和須家河組由海相到陸相的沉積超覆作用,并延續(xù)到早侏羅世—晚白堊世的紅層碎屑巖建造。2砂巖組及物源分析2.1巖石組成特征根據(jù)野外露頭的觀察描述及室內的薄片鑒定結果(圖2):四川前陸盆地上三疊統(tǒng)須家河組砂巖以巖屑石英砂巖為主,廣泛分布于川中隆起地區(qū),約占統(tǒng)計巖石的56%;其次是巖屑砂巖和長石巖屑砂巖,廣泛分布于川西北、川北和川中地區(qū),分別占統(tǒng)計巖石的31%和11%;巖屑長石砂巖占2%以下,僅見于川西南和川中隆起合川炭壩地區(qū)。研究區(qū)須家河組砂巖樣品的石英、長石和巖屑三端元組分占全巖質量分數(shù)的平均值分別為63.6%、4.2%和16.5%,具有相當高的石英碎屑含量和相當?shù)偷拈L石碎屑含量,并含有大量的巖屑。石英碎屑主要以單晶石英為主,其次為多晶石英。除極個別單晶石英來自于巖漿巖外,大多數(shù)具波狀消光的石英來自變質巖,多晶石英主要見于沉積巖的燧石巖屑,石英質量分數(shù)從盆地邊緣向川中隆起逐步增加。長石質量分數(shù)一般占全部碎屑的0%~14%。大多數(shù)砂巖中長石含量普遍很低,僅占巖石總量的5%以下,以斜長石和微斜長石最為常見,有少量正長石。巖屑在研究區(qū)須家河組砂巖中常見,巖屑質量分數(shù)占全部碎屑的5%~49%,具有分布廣、組分較為復雜的特征。從巖屑的組成上看大致呈現(xiàn)如下規(guī)律:在川西坳陷以沉積巖巖屑為主;在川東北坳陷和川中隆起則以變質巖巖屑為主;而川東南坳陷則以沉積巖巖屑+變質巖巖屑為主。巖屑總含量呈現(xiàn)出以下3個方向逐漸遞減的趨勢:川西北→川中、川東北→川中和川南→川中,說明研究區(qū)須家河組物源具有來自盆地邊緣多個造山帶的特點。2.2顆粒的計數(shù)碎屑組分分析是對結構和組成基本保持不變的砂巖在偏光顯微鏡下進行石英、長石和巖屑百分含量統(tǒng)計。較長時期以來國外基本上采用Dickinson計點法來完成,本次研究采用相同技術方法對每件樣品碎屑顆粒統(tǒng)計均超過300粒。然后利用Baedke和Thompson編制的TriPlot2.0版本三角圖軟件,將這些碎屑組分含量的數(shù)據(jù)投點到廣泛應用于砂巖的物源區(qū)分析的Dickinson三角圖圖解上,以便進行物源區(qū)構造背景解釋。2.2.1巖漿巖巖屑物源區(qū)的識別在研究區(qū)上三疊統(tǒng)須家河期Dickinson的QmF-Lt三角圖解(圖3a)上可看出,須二段砂巖的碎屑物源成分主要落在石英再旋回造山帶和克拉通內部的范圍內。其中大部分落在石英再旋回造山帶的范圍內,少量落在過渡再旋回帶。Dickinson的輔助圖解Qt-F-L三角圖解(圖3b)顯示了全部樣品集中在再循環(huán)造山帶物源區(qū)。Qp-Lv-Ls三角圖解(圖3c)顯示出基本相同的特征,反映物源區(qū)板塊構造具有完全一致的特點。巖屑類型和石英成因分析表明物源區(qū)以沉積巖和變質巖物質為主,這與再旋回造山帶和混合區(qū)的構造地層組成特點相符。須二期川西坳陷砂巖投點和川中前陸隆起砂巖投點有一定的區(qū)別(圖3)。在Qt-F-L三角圖上,川西坳陷有大部分落在克拉通內部,投點較為分散;在Qp-Lv-Ls三角圖上,川西坳陷砂巖和前陸隆起砂巖投點都落在“褶皺-逆掩帶”之上,但川西坳陷砂巖更靠近混合造山帶砂巖附近。由此可見:川西坳陷砂巖的物源更為復雜,這與印支早幕構造運動和龍門山逆沖帶在須二期開始逆沖推覆、為研究區(qū)提供了部分沉積物,并在逆沖帶形成過程中伴隨大量巖漿噴發(fā)致使須二段出現(xiàn)大量巖漿巖巖屑的認識是相互符合的;而川中前陸隆起砂巖投點相對集中,物源提供相對簡單,主要來自石英再旋回帶,說明川中前陸隆起為一繼承性的古隆起,來自南部方向的物源通過前陸隆起向川中和川西坳陷沉積。2.2.2龍門山中段須六段儲層砂巖物質組構特征在研究區(qū)上三疊統(tǒng)須家河期Dickinson的QmF-Lt三角圖解(圖4a)上可看出,須四段砂巖的碎屑物源成分幾乎都落在了石英再旋回造山帶范圍內,僅少量落在克拉通內部。Dickinson的輔助圖解Qt-F-L三角圖解(圖4b)顯示了全部樣品集中在再循環(huán)造山帶物源區(qū)。Qp-Lv-Ls三角圖解(圖4c)全部落在褶皺-逆掩帶,反映了物源區(qū)板塊構造完全一致的特點。與須二段相比,川西坳陷須四段落在克拉通帶的點明顯減少,大量的砂巖投點落于“褶皺-逆掩帶”之上,這些都表明該期龍門山的逆沖推覆運動逐漸增強,并為研究區(qū)提供了大量的物源。在龍門山北段,須四段砂巖的巖屑主要還是以沉積巖巖屑為主,質量分數(shù)最高的為碳酸鹽巖巖屑,局部地區(qū)可高達95%以上。須四段底部發(fā)育了巨厚層的礫巖,礫石成分主要為碳酸鹽巖(以灰?guī)r為主)。在廣元工農鎮(zhèn)和彭州獅山剖面,須四段底部同樣也發(fā)育了大套的礫巖層,礫石成分也主要是灰?guī)r及白云巖。研究分析表明,這些礫石的時代主要為D—T2。與須二段相比,須四段巖屑含量明顯增加。川西地區(qū)北部須四段儲層砂巖主要為巖屑砂巖,石英和長石質量分數(shù)很低,平均分別為46%和2%左右,而巖屑質量分數(shù)異常高,平均為35%左右;川西地區(qū)南部須四段儲層砂巖也主要為巖屑質量分數(shù)異常高的巖屑砂巖;在龍門山南段,未見礫石層發(fā)育,須四段砂巖巖屑也主要是沉積巖巖屑,但主體為粉砂巖與泥頁巖組合,總體反映出龍門山中段是南、北兩段的“過渡帶”。與須二段三角圖解相比,川中前陸隆起投點無明顯的變化,砂巖物質組分以長石巖屑與巖屑石英砂巖為主,巖屑含量增加,但沒有川西坳陷明顯,由此可見安縣運動對川中影響較川西坳陷小得多。川中前陸隆起須四段物源繼承了須二段的格局。2.3川東北凹陷期沉積體系須二期沉積格局受龍門山逆沖推覆影響,四川盆地沉積-沉降中心位于川西坳陷,最大沉積厚度約500m,以發(fā)育河流-辮狀河三角洲-湖泊相沉積為主;米倉山—大巴山造山帶在該時期處于相對穩(wěn)定的低幅隆升狀態(tài),川東北坳陷局部沉積厚度可達600m;川中沉積較薄,最大沉積厚度約240m;川東南在該時期以剝蝕為主,僅發(fā)育小范圍的三角洲沉積(圖5a)。主要物源來自川西、川東北和川南。須四期龍門山和米倉山—大巴山造山帶進入強烈逆沖推覆作用,川西坳陷最大沉積厚度可達700m,川東北沉積厚度約300m,川東南和川南沉積厚度約160m,區(qū)域上以發(fā)育沖積扇-扇三角洲-辮狀河三角洲-湖泊相沉積為主,其中沖積扇、扇三角洲和辮狀河三角洲沉積體系發(fā)育在盆地邊緣(圖5b)。該時期物源包括川西、川東北、川東南和川南,與須二期相比,川東南沉積面貌大為改觀,發(fā)育大面積辮狀河三角洲。2.4晚三疊世四川前陸盆地須片段zt指數(shù)分布重礦物是判斷物源方向及物源分區(qū)的最重要標志。研究區(qū)須家河組砂巖的重礦物鑒定資料統(tǒng)計結果表明,重礦物種類有鋯石、電氣石、磁鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦、白鈦礦、綠泥石、石榴子石、綠簾石、黝簾石和硬綠泥石等。從ZTR指數(shù)(重礦物組合成熟度的一個度量值)等值線圖(圖6)中可以看出,晚三疊世四川前陸盆地主要發(fā)育四大物源體系,須二段和須四段ZTR指數(shù)分布特征具有繼承性特征。須二段發(fā)育4個ZTR指數(shù)低值分布區(qū),分別位于川西北、川東北、川東南和川南(圖6a);須四段發(fā)育5個ZTR指數(shù)低值分布區(qū),分別位于川西南、川西北、川東北、川東南和川南(圖6b)。這種分布格局表明了須家河期四川前陸盆地主要受西北、東北和東南方向的物源控制,即主要存在西北(主要影響川西北和川北地區(qū))、東北(主要影響川東北和部分川中地區(qū))和南部—東南部(主要影響川中大部和川南、川東南地區(qū))三大主要物源供給區(qū)和供給方向。3巖石地球化學特征通過野外詳細調查,本次工作在四川盆地不同構造分區(qū)選取了具有代表性的16件新鮮巖石樣品進行了地球化學分析,主要巖性為砂巖。樣品分析在中國科學院青島海洋研究所分析與檢測中心完成,所用儀器為電感耦合等離子體質譜(ICP-MS),測試標準為DZ/T0223-2001,分析精度優(yōu)于5%。測試結果如表1所示。3.1稀土殘渣3.1.1稀土及微量元素特征四川盆地須家河組樣品的稀土元素分析結果表明:在龍門山逆沖推覆帶附近的工農鎮(zhèn)、彭州獅山、什邡金河等地稀土總量(質量分數(shù))(不包括Y)為86.16~172.54mg/kg,平均值為129.68mg/kg;在川中隆起的威遠、廣元、龍女、潼南等地稀土總量為72.28~168.99mg/kg,樣品平均值為122.78mg/kg;在川東北坳陷樊噲剖面,稀土總量為103.96~111.27mg/kg,樣品平均值為107.61mg/kg;在川東南坳陷古藺剖面,稀土總量為207.06mg/kg;在平面上以川東南坳陷含量最高為特征。稀土元素樣品采用Leed球粒隕石標準化后,繪制配分模式曲線。從圖7可以看出:樣品的球粒隕石標準化配分模式曲線相似,為輕稀土元素富集、重稀土元素虧損型的特點;存在明顯Eu負異常,Ce基本正常等特征;La—Eu段輕稀土配分曲線較陡、斜率較大,表現(xiàn)為明顯的“右傾”,說明輕稀土元素之間的分餾程度較高;Gd—Lu段重稀土配分曲線較為平坦、斜率較小,重稀土元素之間分餾程度較低。3.1.2不同大地構造背景的盆地巖McLennan等和Bhatia等通過研究發(fā)現(xiàn),來自上地殼的稀土元素具有輕稀土富集、重稀土含量穩(wěn)定的特點,且稀土元素配分模式表現(xiàn)出明顯負Eu異常。研究區(qū)須家河組稀土元素總體具有輕稀土富集、重稀土含量穩(wěn)定、明顯負銪異常等特征,從稀土元素配分模式可以判斷出上三疊統(tǒng)須家河組砂巖與上地殼基本一致的分布模式;說明研究區(qū)三疊統(tǒng)須家河組沉積巖的原始物質應源自上地殼。但在不同的次級構造單元,輕稀土斜率具有一定區(qū)別,表明物源來自四川前陸盆地不同地區(qū)。蘇本勛等、楊國臣等對四川盆地及松潘—甘孜地塊前寒武—三疊系沉積地球化學研究顯示,研究區(qū)川西坳陷的REE配分模式與三疊紀地層的REE配分模式十分接近,都顯示出輕稀土富集、重稀土相對虧損的右傾型,存在明顯Eu負異常,Ce基本正常,且稀土元素各種特征參數(shù)比值都很接近。Bhatia等通過對澳大利亞東部不同大地構造背景的沉積盆地中砂巖和泥巖的研究,總結出稀土元素在不同大地構造背景沉積盆地雜砂巖的分布特征表(表2)。該表系統(tǒng)地揭示了稀土元素分布特征所反映的沉積盆地的大地構造背景和物源區(qū)類型。本論文數(shù)據(jù)與參考數(shù)據(jù)對比顯示研究區(qū)須家河組砂巖的物源區(qū)與大陸島弧類型相近,說明須家河沉積早期四川盆地周緣造山帶還未強烈隆升。四川盆地須家河組砂巖的δEu異常明顯,大部分樣品均表現(xiàn)出負異常,根據(jù)Bhatia等提出的La/Yb-∑REE圖解,研究區(qū)的投點主要在沉積巖和花崗巖的交匯區(qū),但有少數(shù)樣品落在了大陸拉斑玄武巖和堿性玄武巖區(qū)(圖8)。這說明沉積巖和花崗巖混合區(qū)為研究區(qū)須家河砂巖的主要物源區(qū),但不排除局部有玄武巖成分的混入。其玄武巖成分很可能源于揚子板塊西緣的松潘—甘孜地區(qū)晚二疊世發(fā)生的大面積玄武巖漿噴溢區(qū),在后期的沉積過程中提供部分物源。3.2小型木材3.2.1地殼微量元素含量通過對須家河組16件砂巖樣品Zn、Co、Ni、Ba、V、Cu、Sr、Pb、Th、Zr、Cr、Ga、Sc、La、U15種微量元素含量的測定,在與Bhatia等和McLennan等發(fā)表的大陸上地殼微量元素值對比后發(fā)現(xiàn):研究區(qū)須家河組親鐵微量元素Co、Ni、Mo的豐度較大陸上地殼微量元素值高;親石元素特別是Cr的豐度高于上地殼豐度,而Sr和Sc均低于上地殼豐度值;親銅元素如Ga高于地殼豐度值,Zn低于上地殼豐度;而Ba和Cu低于地殼豐度值。3.2.2物源區(qū)構造背景Bhatia和Crook認為,砂巖的微量元素,尤其La、Th、Y、Zr、Ti、Co和Ni等在研究砂巖物源區(qū)和判別構造環(huán)境上作用很大,并提出了可以區(qū)分形成于海洋島弧、大陸島弧、活動大陸邊緣和被動大陸邊緣砂巖的圖解。從研究區(qū)須家河組的構造環(huán)境判別圖解(圖9)可以看出:在w(Zr)-w(Th)圖解(圖9a)中,樣品的投點分布較零散,大部分落在了大陸島弧及相鄰的不確定區(qū)域內,反映須家河組物源區(qū)具有復雜的構造背景條件;在La-Th-Sc圖解(圖9b)中,樣品的投點很集中,主要落在活動大陸邊緣+被動大陸邊緣區(qū)域與大陸島弧區(qū)域的結合部,反映物源區(qū)具有大陸邊緣向大陸島弧轉化的構造演化特點;在Th-Co-Zr/10圖解(圖9c)中,樣品的投點也很集中,主要落在大陸島弧區(qū)域內。上述判別圖解都一致證明四川盆地須家河組物源區(qū)具有大陸島弧構造背景,與印之晚期龍門山的隆起和古特提斯海關閉構造背景條件相對應。據(jù)上述稀土元素與微量元素物源的判別,川西坳陷和川中隆起樣品的配分模式具有一定差別。須家河組物源區(qū)的構造環(huán)境由大陸島弧向活動大陸邊緣轉化。川西坳陷樣品與松潘—甘孜地塊三疊紀地層配分模式相近。據(jù)鄧飛等對川西坳陷須家河組樣品中的碎屑鋯石年齡測定,其與松潘甘孜物源的年齡相當,且地層中重礦物以鋯石、金紅石為主;說明川西須家河組沉積物可能來自西部松潘甘孜的再旋回沉積。但須家河組樣品中部分鋯石年齡分布在951~1176Ma,該年齡段的鋯石在鄰近地區(qū)僅在龍門山地區(qū)彭灌雜巖沙坪花崗巖和興文坪輝長巖以及康定雜巖花崗片麻巖中有報道;說明須家河組上部的物源包括了揚子陸塊西緣龍門山,亦可能有康定雜巖。4物源區(qū)和主物源區(qū)上述對輕、重礦物和巖屑類型、稀土元素和微量元素地球化學特征的物源區(qū)分析表明,晚三疊世須家河期四川前陸盆地的沉積是多物源的,不僅存在“西北物源區(qū)(龍門山造山帶)”和“東北物源區(qū)(米倉山—大巴山造山帶)”兩大主物源,同時也存在“東南物源區(qū)(雪峰古陸)”和南部物源區(qū)(峨眉—瓦山古隆起)。其中西北物源主要控制川西北和川北部地區(qū),東北物源主要控制川東北地區(qū),東南物源主要控制川東南地區(qū),而川中前陸隆起物源主要來自南部峨眉—瓦山古隆起或黔中古陸。由碎屑巖物質組分特征、巖屑與重礦物組合類型分區(qū)性的空間變化和稀土和微量元素分析,總結出如圖1