四川盆地下寒武統(tǒng)竹寺組頁巖儲層特征及演化

四川盆地下寒武統(tǒng)竹寺組頁巖儲層特征及演化

0陸棚環(huán)境發(fā)育海相黑色頁巖四川盆地下寒武統(tǒng)玉竹寺組發(fā)育優(yōu)質(zhì)有機(jī)巖，厚度可達(dá)100m以上，coc含量高。四川盆地下寒武統(tǒng)筇竹寺組下部沉積在全面海侵時(shí)期至海退時(shí)期缺氧的深水陸棚環(huán)境發(fā)育海相黑色頁巖本文基于前人研究成果和認(rèn)識，以巖性和地球化學(xué)參數(shù)等資料為基礎(chǔ)，利用四川盆地內(nèi)42口鉆井資料，結(jié)合峨邊葛村剖面、城口紅坪村剖面、南江沙灘剖面、石柱縣板凳溝等剖面資料，對筇竹寺組的沉積環(huán)境差異進(jìn)行了對比研究，劃分了沉積相，研究了各地區(qū)的沉積特征差異。通過連井對比分析，明確四川盆地不同構(gòu)造背景下筇竹寺組的沉積特征，建立不同構(gòu)造背景下的沉積體系，形成對四川盆地筇竹寺組沉積特征差異的系統(tǒng)認(rèn)識并分析了沉積特征差異的構(gòu)造意義。1早寒武世構(gòu)造格局四川盆地震旦系和寒武系構(gòu)造運(yùn)動頻繁，造成上震旦統(tǒng)燈影峽階、下寒武統(tǒng)梅樹村階和筇竹寺階沉積構(gòu)造環(huán)境復(fù)雜，也造成了四川盆地寒武系至震旦系的構(gòu)造—古地理格局復(fù)雜。四川盆地自震旦紀(jì)以來，以下陷接受沉積為主，在桐灣期上揚(yáng)子地區(qū)整體抬升，四川盆地發(fā)育拉張斷裂，燈影峽階地層為海侵退積式的沉積序列，中國南方古陸地的范圍減小，川西—川中、川東等地發(fā)展成廣闊的臺地，川北地區(qū)為臺緣淺灘環(huán)境，川東北地區(qū)為臺緣斜坡環(huán)境，南秦嶺地區(qū)為被動大陸邊緣盆地環(huán)境四川盆地早寒武世筇竹階各地區(qū)構(gòu)造格局差異巨大，構(gòu)造—古地理格局情況復(fù)雜。川北地區(qū)緊鄰摩天嶺古陸、漢南古陸，總體古地理格局為濱岸海灘—陸棚。川西地區(qū)緊鄰瀘定古陸、滇中古陸，總體古地理格局也為濱岸海灘—陸棚。四川盆地在西、北側(cè)的古陸包圍下，總體為淺水陸棚的古地理環(huán)境。但四川盆地內(nèi)西部—中部地區(qū)發(fā)育南北向綿陽—長寧陸棚內(nèi)凹陷四川盆地早寒武世筇竹寺階地層沉積在燈影組高低起伏的巖溶古地貌之上，沉積地層情況復(fù)雜，同時(shí)期還有水井沱組、郭家壩組、牛蹄塘組、九老洞組等組別前人對四川盆地早寒武世構(gòu)造特征及演化的大量研究表明，四川盆地各地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組沉積特征差異巨大，其中各地區(qū)的構(gòu)造環(huán)境差異是影響其構(gòu)造—古地理格局的重要原因。川東北在被動大陸邊緣及克拉通盆地影響下形成的淺水緩斜坡區(qū)、川東南向深部過渡的淺水陸棚區(qū)、川西—川中地區(qū)陸棚內(nèi)凹陷區(qū)等是影響四川盆地早寒武世沉積的重要構(gòu)造區(qū)域。需要對不同構(gòu)造區(qū)域的下寒武統(tǒng)筇竹寺組沉積特征差異進(jìn)行系統(tǒng)刻畫和對比。2巖石組合類型本文通過對筇竹寺組巖性組合類型研究，認(rèn)為四川盆地不同地區(qū)的巖性組合具有明顯差異。主要識別出以下4種不同的巖性組合類型，其特征如下。2.1泥質(zhì)儲質(zhì)頁巖互層非對稱快速退積型巖性組合以下降半旋回遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上升半旋回的不對稱性發(fā)育為特征，巖性主要為粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、碳質(zhì)頁巖互層（圖2a）。非對稱快速退積型巖性組合在四川盆地陸棚內(nèi)凹陷區(qū)、川東北淺水緩斜坡區(qū)、川東南淺水陸棚區(qū)筇竹寺組中均廣泛發(fā)育。非對稱快速退積型反映沉積環(huán)境水體快速上升、緩慢（或持續(xù)）下降的變化過程，沉積物粒度由粗到細(xì)變化迅速。2.2含粉砂泥巖的巖性非對稱快速進(jìn)積型巖性組合以下降半旋回遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于上升半旋回的不對稱性發(fā)育為特征，巖性主要為含粉砂泥巖、泥灰?guī)r與粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖—灰?guī)r（圖2b）。非對稱快速進(jìn)積型巖性組合在川東北淺水緩斜坡區(qū)發(fā)育。非對稱快速進(jìn)積型巖性組合反映沉積環(huán)境水體緩慢（或持續(xù)）上升、快速下降的變化過程。2.3碳質(zhì)頁巖/泥灰?guī)r對稱退積—進(jìn)積型巖性組合以上升半旋回和下降半旋回近對稱發(fā)育為特征，巖性主要為碳質(zhì)頁巖、泥灰?guī)r（圖2c）。對稱退積—進(jìn)積型巖性組合在陸棚內(nèi)凹陷區(qū)中部、川東南淺水陸棚區(qū)發(fā)育。對稱退積—進(jìn)積型巖性組合代表基準(zhǔn)面持續(xù)上升之后又持續(xù)下降的沉積過程，反映了沉積環(huán)境水體淺—深—淺的變化過程。2.4沉積體系及巖性組合類型進(jìn)積—進(jìn)積型巖性組合以兩個(gè)或兩個(gè)以上的下降半旋回縱向疊置發(fā)育為特征，巖性主要為泥巖與泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖互層，自下而上泥巖層厚度變小，泥質(zhì)粉砂巖與粉砂巖層厚度變大、且砂質(zhì)粒度變粗。進(jìn)積—進(jìn)積型巖性組合樣式在四川盆地西部葛村濱岸海灘—陸棚環(huán)境的筇竹寺組下部發(fā)育。進(jìn)積—進(jìn)積型巖性組合通常反映沉積水體不斷下降、水體持續(xù)變淺的沉積環(huán)境。對四川盆地筇竹寺組巖性組合識別及分布規(guī)律研究發(fā)現(xiàn)，四川盆地筇竹寺組巖性組合總體以非對稱快速退積型巖性組合為主（圖3），反映了早寒武世筇竹寺期四川盆地總體的快速海進(jìn)—緩慢海退的沉積背景，富有機(jī)質(zhì)頁巖在巖性組合底部發(fā)育，全區(qū)可對比性強(qiáng)。但在各構(gòu)造分區(qū)巖性組合及其反映的沉積環(huán)境也有一定差異：川東北淺水緩斜坡區(qū)緊鄰古陸、前陸盆地及被動大陸邊緣，水體深度變化大，本地區(qū)部分巖性組合表現(xiàn)為非對稱快速進(jìn)積型；而陸棚內(nèi)凹陷區(qū)和川東南淺水陸棚區(qū)的部分區(qū)域巖性組合表現(xiàn)對稱退積—進(jìn)積型；川西濱岸海灘—陸棚地區(qū)靠近瀘定古陸，受海侵影響較少，在海退時(shí)水體不斷下降、水體持續(xù)變淺，本地區(qū)部分剖面顯示筇竹寺組下部表現(xiàn)為進(jìn)積—進(jìn)積型的巖性組合。3早寒武世盆地沉積環(huán)境整個(gè)四川盆地筇竹寺組巖性組合均以非對稱快速退積型巖性組合為主，判斷早寒武世四川盆地的重要沉積環(huán)境為全區(qū)域的快速海進(jìn)—緩慢海退。在此沉積環(huán)境背景基礎(chǔ)上，結(jié)合巖性、沉積構(gòu)造等特征進(jìn)行沉積相劃分。3.1權(quán)利環(huán)境分析濱岸相圍繞古陸，在陸棚內(nèi)凹陷區(qū)的西部、北部發(fā)育。根據(jù)其沉積環(huán)境和沉積物特征可劃分近濱亞相和遠(yuǎn)濱亞相。濱岸相水動力較強(qiáng)，發(fā)育氧化—弱還原環(huán)境，發(fā)育灰綠色和紫紅色粉砂巖、細(xì)砂巖（圖4a），有機(jī)質(zhì)含量低。障壁型濱岸也較為發(fā)育，鈣質(zhì)含量較高，鹽度略高于廣海地區(qū)。在障壁濱岸的局部閉塞環(huán)境也發(fā)育黑色頁巖（圖4b）。沉積構(gòu)造表現(xiàn)為較強(qiáng)的水動力條件，可見波狀層理、交錯(cuò)層理、平行層理，也可見砂紋層理。3.2半深水陸棚沉積相陸棚相主要在四川盆地廣泛發(fā)育，由淺水陸棚亞相、半深水陸棚亞相、深水陸棚亞相、棚內(nèi)裂谷亞相組成。淺水陸棚發(fā)育在低潮線以下至風(fēng)暴浪基面附近的區(qū)域，具有明顯的波浪改造特征，發(fā)育砂泥混坪和泥坪微相。巖性為綠灰色、灰綠色頁巖，見砂質(zhì)紋層、波狀層理、交錯(cuò)層理（圖4f,g）。半深水陸棚沉積為深水陸棚和淺水陸棚的過渡沉積環(huán)境，主要發(fā)育在風(fēng)暴浪基面附近，基本不受波浪影響的靜水環(huán)境，泥質(zhì)含量比淺水陸棚高。半深水陸棚的巖性以灰黑色薄層粉砂質(zhì)泥巖、泥頁巖與泥灰?guī)r的夾層為主。深水陸棚沉積發(fā)育在水體深度較大的陸棚上，風(fēng)暴浪基面以下的靜水環(huán)境，局部發(fā)育濁積砂，還原性較強(qiáng)，有機(jī)質(zhì)豐度普遍較高，發(fā)育在海侵序列中。巖性為頁巖、碳質(zhì)頁巖和粉砂質(zhì)頁巖，顏色為灰黑色至黑色，沉積構(gòu)造以不發(fā)育明顯層理的塊狀構(gòu)造為主，局部可見水平層理、包卷層理，以及黃鐵礦團(tuán)塊（圖4）。棚內(nèi)裂谷沉積主要發(fā)育在陸棚內(nèi)凹陷區(qū)深水陸棚沉積之下，水體深，還原性強(qiáng)，有機(jī)質(zhì)豐度高，巖性為黑色頁巖、碳質(zhì)頁巖。4主微量元素及稀土元素含量對古環(huán)境的影響不同構(gòu)造區(qū)域沉積環(huán)境的差異能表現(xiàn)在主量元素、微量元素及稀土元素的含量上，因此沉積物中主量元素、微量元素、稀土元素的含量及其組合關(guān)系常用來進(jìn)行古環(huán)境分析。前人在四川盆地南緣永善肖灘4.1古氣候分析指標(biāo)筇竹寺組沉積環(huán)境的氧化還原條件可以依據(jù)V/（V+Ni）、V/Cr、Ni/Co等指標(biāo)進(jìn)行分析古氣候控制著沉積作用，也一定程度上控制著沉積巖中微量元素的含量Mo是隨有機(jī)質(zhì)一起沉淀下來的，與水體的有機(jī)碳通量有關(guān)，受后期的變化影響較少，在黑色頁巖和缺氧海相盆地沉積物中有機(jī)質(zhì)含量與Mo濃度存在正相關(guān)關(guān)系，Mo能反映古生產(chǎn)力大小4.2氧化還原條件川東北淺水緩斜坡區(qū)為非對稱快速進(jìn)積型巖性組合發(fā)育，長期發(fā)育深水陸棚沉積。由V/（V+Ni）指示的氧化還原條件顯示總體上為由強(qiáng)變?nèi)醯倪€原環(huán)境，有5個(gè)氧化還原性變化的周期，但各周期比其他分區(qū)變化波動小；由Sr/Cu指示的古氣候顯示早期為穩(wěn)定的潮濕、溫暖氣候，在晚期迅速變得干旱、炎熱；由Mo指示的古生產(chǎn)力顯示前期激增后迅速衰竭到極低。4.3古氣候條件分析川東南淺水陸棚區(qū)以非對稱快速退積型巖性組合為主，水體較深且變化較小。由V/（V+Ni）指示的氧化還原條件顯示克拉通盆地區(qū)筇竹寺時(shí)期長期處于缺氧的強(qiáng)還原環(huán)境中；由V指示的古氣候顯示從早期穩(wěn)定的潮濕、溫暖氣候，向干旱、炎熱周期性變化；由Mo指示的古生產(chǎn)力顯示前期古生產(chǎn)力較高，后期減少到較低水平。4.4原性波動大，古生產(chǎn)力水平較低陸棚內(nèi)凹陷區(qū)西外側(cè)以濱岸相為主，發(fā)育持續(xù)進(jìn)積型巖性組合，水體深淺變化大，氧化—還原性波動大，古生產(chǎn)力水平較低。陸棚內(nèi)凹陷區(qū)巖性組合主要以非對稱快速退積型為主，部分地區(qū)也發(fā)育對稱退積—進(jìn)積型巖性組合，快速退積時(shí)期為深水陸棚沉積，沉積較厚的黑色頁巖，水體較深，處于貧氧環(huán)境，古生產(chǎn)力水平較高，而進(jìn)積時(shí)期則發(fā)育半深水陸棚和淺水陸棚。5盆地不同構(gòu)造背景下沉積體系劃分對研究區(qū)不同分區(qū)的鉆井及野外剖面的沉積亞相對比研究（表2），結(jié)合不同構(gòu)造區(qū)域巖性組合、古環(huán)境特征差異，對四川盆地不同構(gòu)造背景下沉積體系進(jìn)行劃分。四川盆地筇竹寺組發(fā)育陸棚內(nèi)凹陷區(qū)沉積體系、濱岸海灘—陸棚沉積體系、川東南淺水陸棚區(qū)沉積體系、川東北淺水緩斜坡區(qū)沉積體系4種類型。5.1陸棚內(nèi)凹陷區(qū)巖性組合早寒武世筇竹寺組沉積時(shí)期，由于四川盆地中西部綿陽—長寧陸棚內(nèi)凹陷（拉張槽）的存在，發(fā)育陸棚內(nèi)凹陷為主的沉積。該沉積體系發(fā)育濱岸相和陸棚相，以及近濱、遠(yuǎn)濱、淺水陸棚、半深水陸棚、深水陸棚、棚內(nèi)裂谷6類沉積亞相（圖8）。陸棚內(nèi)凹陷區(qū)有快速海侵、緩慢海退的特征，海侵時(shí)期陸棚內(nèi)凹陷區(qū)內(nèi)發(fā)育厚層黑色頁巖，水體深且貧氧，古生產(chǎn)力高。該區(qū)內(nèi)筇竹寺組巖性組合常為泥頁巖—泥質(zhì)粉砂巖—泥頁巖—泥質(zhì)粉砂巖（泥質(zhì)灰?guī)r），靠近綿陽—長寧陸棚內(nèi)凹陷中心的泥頁巖厚度和泥頁巖占比明顯增大（表2、圖8）。在川西至川中地區(qū)，陸棚內(nèi)凹陷是影響筇竹寺組沉積環(huán)境的重要因素。在此構(gòu)造區(qū)域，根據(jù)巖性組合對比，顯示經(jīng)歷兩次海侵，海平面周期變化，發(fā)育兩個(gè)完整的中期旋回。陸棚內(nèi)凹陷區(qū)內(nèi)筇竹寺組沉積厚度可達(dá)500m。陸棚內(nèi)凹陷區(qū)深水沉積與淺水沉積厚度比例可達(dá)1∶1，陸棚內(nèi)凹陷區(qū)西內(nèi)側(cè)深水沉積與淺水沉積厚度比例在1∶2左右。陸棚內(nèi)凹陷區(qū)東側(cè)深水沉積物較少，與淺水沉積物厚度之比小于1∶2。5.2濱岸人類活動的古環(huán)境早寒武世筇竹寺組沉積時(shí)期，四川盆地西側(cè)由于臨近四川盆地西緣、北緣古陸，有物源供給時(shí)間長、沉積物以粒度較粗的砂巖為主、持續(xù)海退、氧化—還原性波動大、水動力變化頻繁、古生產(chǎn)力水平低等特征。濱岸海灘—陸棚沉積體系分布區(qū)位于四川盆地西部、綿陽—長寧陸棚內(nèi)凹陷（拉張槽）西側(cè)和北側(cè)，該沉積體系下發(fā)育濱岸、淺水陸棚、深水陸棚3類亞相。除障壁濱岸含鈣質(zhì)外，此沉積體系的淺水陸棚相也普遍含灰質(zhì)，并且從四川盆地東北地區(qū)向盆地外緣，灰質(zhì)占比增高，泥頁巖占比減?。▓D8）。5.3竹寺組沉積環(huán)境在早寒武世筇竹寺組沉積時(shí)期，四川盆地東南部淺水陸棚區(qū)與川東鄂西、湘黔深水陸棚相接，以非對稱快速退積型巖性組合為主，水體較深且變化較小，處于缺氧環(huán)境，有機(jī)質(zhì)保存條件好，氣候由潮濕、溫暖變?yōu)楦珊怠⒀谉?，古生產(chǎn)力迅速增大后變小，筇竹寺組沉積厚度較小，平均厚度為150m（圖9）。川東南淺水陸棚區(qū)沉積體系分布區(qū)域在四川盆地川東、川東南克拉通盆地邊緣區(qū)，在此體系下主要發(fā)育淺水陸棚和深水陸棚亞相。本區(qū)域淺水陸棚亞相發(fā)育灰黑色泥頁巖、粉砂質(zhì)泥頁巖，具水平層理、波狀層理，有機(jī)質(zhì)豐度相比陸棚內(nèi)凹陷和濱岸沉積體系的淺水亞相均要高；本區(qū)域深水陸棚亞相發(fā)育黑色水平層理、塊狀層理碳質(zhì)泥頁巖。5.4沉積相與環(huán)境在早寒武世筇竹寺沉積時(shí)期，四川盆地東北部臨近被動大陸邊緣，水體較深且變化小，長期發(fā)育深水陸棚沉積，氣候干旱、炎熱逐漸變?yōu)闇嘏?、潮濕，古生產(chǎn)力迅速增大后變小，長期處于缺氧的強(qiáng)還原環(huán)境，有機(jī)質(zhì)保存條件好，臨近古陸，沉積物粒度大，筇竹寺組沉積厚度大，普遍厚度可達(dá)400m，同時(shí)此地區(qū)深水沉積的黑色頁巖的比例也較大。川東北淺水緩斜坡區(qū)沉積體系分布區(qū)域在川東北地區(qū)，在此體系下主要發(fā)育淺水陸棚和深水陸棚亞相（圖10）。淺水陸棚亞相分布范圍較小，發(fā)育灰黑色泥頁巖、粉砂質(zhì)泥頁巖，具水平層理、波狀層理；深水陸棚在本區(qū)域分布廣泛，穩(wěn)定發(fā)育較厚的黑色水平層理、塊狀層理碳質(zhì)泥頁巖。6張槽、砂底沉積特征四川盆地受震旦紀(jì)和寒武紀(jì)多幕桐灣運(yùn)動的影響，燈影峽階、梅樹村階、筇竹寺階常遭受不同程度剝蝕。同時(shí)早寒武世四川盆地具有的特殊的古陸環(huán)繞、處于被動大陸邊緣、發(fā)育陸棚內(nèi)凹陷等特殊構(gòu)造位置，在不同構(gòu)造區(qū)域的筇竹寺組沉積特征差異清晰的記錄了構(gòu)造位置對其的影響。陸棚內(nèi)凹陷是對四川盆地中部地區(qū)筇竹寺沉積最大的構(gòu)造，前人成功揭示川中綿陽—長寧陸棚內(nèi)凹陷（拉張槽）的存在在川東北地區(qū)，筇竹寺組發(fā)育受控于古陸與前陸盆地，本地區(qū)水體深度由淺水環(huán)境到深水環(huán)境的突變，處在淺水緩斜坡區(qū)北東部的落人洞剖面筇竹寺組厚度116m，處在淺水緩斜坡區(qū)中部的城口紅坪村剖面厚度624m，而淺水緩斜坡區(qū)南西部的雞心嶺剖面筇竹寺組厚度1342m，是斜坡構(gòu)造位置下沉積厚度顯著變化的直接顯示。在川東北由于臨近漢南古陸，有機(jī)質(zhì)來源廣，保存條件好，沉積物粒度大，富有機(jī)質(zhì)頁巖在整個(gè)筇竹寺組占比較大。在川東南地區(qū)淺水陸棚地區(qū)，筇竹寺沉積物厚度小幅度增加，氧化還原性顯示本地區(qū)長期處于強(qiáng)缺氧環(huán)境。本地區(qū)古生產(chǎn)力水平較高、有機(jī)質(zhì)更為富集，這與川東南地區(qū)淺水陸棚臨近熱水沉積區(qū)密切相關(guān)，在本地區(qū)沉積物中元素含量的變化中得到體現(xiàn)。在川西地區(qū)，筇竹寺組發(fā)育受控于古陸，同時(shí)長期處于濱岸海灘—淺水陸棚環(huán)境，筇竹寺組下部巖性段常常不發(fā)育，筇竹寺組沉積厚度僅有200m左右。有機(jī)質(zhì)富集程度相較川中陸棚內(nèi)凹陷區(qū)和川東北地區(qū)均較低。同時(shí)本地區(qū)沉積物中元素含量的變化，指示了在海退時(shí)，水體深度降低，古生產(chǎn)力水平下降比較明顯。這些沉積特征差異均與川西地區(qū)受古陸和陸棚內(nèi)凹陷影響，長期處于濱岸海灘—淺水陸棚沉積環(huán)境的構(gòu)造位置密切相關(guān)。7山地竹寺組沉積特征(1）四川盆地筇竹寺時(shí)期川東北淺水緩斜坡區(qū)發(fā)