四川盆地晚三疊世物源分布特征及演化

四川盆地晚三疊世物源分布特征及演化

自顯生世以來，四川盆地及其周邊地區(qū)經(jīng)歷了許多重大的造山運(yùn)動事件。晚三疊世印支造山運(yùn)動直接影響和控制了四川盆地的形成和發(fā)展。印支造山運(yùn)動與周邊地區(qū)的密切關(guān)系的研究已成為國際大陸動力學(xué)的熱點(diǎn)（mattauer等人，1995；徐志琴等人，1992；bulchfiel等人，1995；劉樹根等人，1995年；賈東等人，2003年；劉鶴岳等人，2005；穆格等人，2005；鄧康玲，2007）。對鄰近造山帶盆地充填物的解析已成為造山作用研究的重要補(bǔ)充。盡管對四川盆地上三疊統(tǒng)地層和沉積學(xué)研究已經(jīng)獲得了多方面進(jìn)展(如張金亮等,2000;侯方浩等,2005;張健等,2006;施振生等,2008),并對印支造山運(yùn)動與四川盆地的形成提出了初步認(rèn)識(Liuetal.,2005;Mengetal.,2005);然而,由于四川盆地經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動,早期構(gòu)造變形多被后期構(gòu)造變形改造、湮沒或剝蝕,特別是由于以往在四川盆地上三疊統(tǒng)碎屑沉積記錄信息提取的完整性等方面存在不足,致使印支造山運(yùn)動的活動特征及其與四川盆地演變的成因動力學(xué)關(guān)系尚不明確。本文從礫巖碎屑、砂巖骨架顆粒、碎屑重礦物組分及盆地充填序列等方面對四川盆地晚三疊世不同尺度的沉積記錄進(jìn)行了系統(tǒng)分析,試圖進(jìn)一步解析四川盆地及周邊演化歷史及其對印支造山運(yùn)動的反映。1構(gòu)造山帶的發(fā)育四川盆地上三疊統(tǒng)是在中三疊世末印支早期運(yùn)動的基礎(chǔ)上形成的(王宓君等,1987)。隨著印支運(yùn)動的發(fā)生,上揚(yáng)子海盆結(jié)束了大規(guī)模的海侵活動。在經(jīng)過一段時間的剝蝕以后,四川盆地仍然保持著東高西低的古地貌特征,隨之進(jìn)入了以內(nèi)陸湖盆為主的發(fā)展階段。晚三疊世早期,四川盆地北部為秦嶺-大巴山造山帶,西北部為龍門山造山帶,西部為康滇古隆起,東南部為江南古隆起(圖1)。少量海水通過康滇古隆起與龍門山造山帶間的缺口進(jìn)入盆地西部,在不大的范圍內(nèi)沉積了一套淺海相的須一段沉積(小塘子組),當(dāng)時廣大東部地區(qū)地勢較高,未接受沉積(王宓君等,1987)。以后,西側(cè)海水后撤,盆內(nèi)從此與外海隔絕,一個以四川盆地為中心的大型內(nèi)陸湖盆逐漸形成,開始接受主要由厚層砂巖和泥頁巖、粉砂巖夾煤層相間組成的上三疊統(tǒng)沉積。上三疊統(tǒng)須家河組由下至上劃分為6個巖性段(圖1)(張健等,2006),與下伏中三疊統(tǒng)碳酸鹽巖呈假整合接觸。須一段僅發(fā)育于川西北龍門山向盆地方向的前陸盆地中。須二、須四段和須六段下部盆地內(nèi)均以砂巖為主,間夾少量薄煤層、煤線或炭質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖;須三段和須五段以煤系地層為主夾砂巖層;須六段為砂、泥巖互層。因受印支晚期運(yùn)動的影響,須六段在部分地區(qū)沉積較薄或僅為剝蝕殘余,甚至被剝蝕飴盡。2野外露頭及單井巖石資料選取四川盆地上三疊統(tǒng)綜合錄井圖425口、觀察野外露頭剖面12條、描述巖心52口共3500m進(jìn)行研究。首先,對各單井進(jìn)行地層劃分和對比,并按層段分別統(tǒng)計礫巖、砂巖、粉砂巖和泥巖厚度,編制各組分等值線圖,弄清物源方向。在此基礎(chǔ)上,統(tǒng)計135口單井巖石薄片資料,選送川中地區(qū)碎屑重礦物分析樣品47塊,弄清源區(qū)構(gòu)造屬性。本次研究野外露頭和單井資料主要集中于川西和川中,川東資料相對較少。巖石樣品都選自三角洲和辮狀河沉積體系,總體符合物源分析的取樣要求(Ingersoll,1990;Ingersolletal.,1993)。2.1局部地區(qū)礫石分布沉積巖中礫石的成分和結(jié)構(gòu),不僅是物源區(qū)巖石類型的直接反映,而且可以指示物源區(qū)構(gòu)造屬性。另外,礫石在盆地內(nèi)的分布,也可以反映物源搬運(yùn)路徑和盆地結(jié)構(gòu)。四川盆地上三疊統(tǒng)礫石主要分布于須二段和須四段,須六段分布較少,空間分布上具有明顯的繼承性(圖2)。須二段,礫石主要分布于川西北段、界牌1井區(qū)和川西南段。川西北段礫石以石英片巖和粉砂巖為主,局部層段含有撕裂狀泥頁巖,礫徑小于15cm,次圓狀,成分成熟度較高。礫石呈由西北向東南層厚減薄(川參1井厚82m,白龍1井厚65m,而川30井僅為8m)、礫徑變細(xì)、成分成熟度增高的趨勢,這可能說明當(dāng)時物源由西北方向進(jìn)入盆地,且川西北段露頭砂巖斜層理傾向玫瑰花圖也有同樣的趨勢(郭正吾等,1966)(圖2)。界牌1井區(qū)礫石以泥頁巖、粉砂巖、花崗巖和千枚巖為主,礫徑小于10cm,由東北向西南方向礫巖層厚減薄、礫徑變細(xì)、成分成熟度增高。川西南段僅漢5井區(qū)有少量礫石發(fā)育,以泥頁巖和粉砂巖為主,次圓狀,層厚小于20m,由東南向西北方向逐漸減薄。整體上,須二段礫石成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度較高,反映了當(dāng)時構(gòu)造活動較為平靜,而礫石以碎屑巖為主,下伏中三疊統(tǒng)碳酸鹽巖巖屑沒有發(fā)現(xiàn),也表明構(gòu)造隆升幅度較小,須家河組還未見底。須四段礫石仍主要分布于川西北部和界牌1井區(qū),門南1井區(qū)和川西南段僅有少量分布。川西北段礫石以碳酸鹽巖、巖漿巖和石英片巖為主,次棱角狀-次圓狀,礫徑大者約0.8m,與須二段相比,礫巖結(jié)構(gòu)成熟度明顯降低,分布范圍和厚度明顯增大(白龍1井厚150m,川30井為17m),這揭示了源區(qū)構(gòu)造活動明顯增強(qiáng);且礫石成分由以碎屑巖為主變?yōu)橐蕴妓猁}巖為主,礫石含有豐富的僅分布于須一段下部中的有孔蟲(劉樹根等,1995),這說明須家河組底部海相地層開始遭受剝蝕。界牌1井區(qū)和門南1井區(qū)礫石以石英片巖和燧石為主,礫巖分布范圍和厚度也有所增大,且界牌1井區(qū)礫巖展布有自西向東旋轉(zhuǎn)的趨勢,這可能與源區(qū)由西北不斷向東南方向推進(jìn),沉積-沉降中心向東遷移有關(guān)。川西南段礫石僅分布于灌口2井區(qū),相對于須二段,分布面積穩(wěn)定,這反映了該時期構(gòu)造活動比較穩(wěn)定;但延伸方向和分布區(qū)域發(fā)生變化,這可能與該區(qū)物源方向發(fā)生變化有關(guān)?？傊?四川盆地上三疊統(tǒng)礫石主要分布于川西和川東北部地區(qū),川中和川南地區(qū)很少見到,這可能與川西和川東北部地區(qū)位于前陸沖斷帶,周緣板塊構(gòu)造擠壓強(qiáng)烈有關(guān);而川中和川南地區(qū)距前陸沖斷帶位置較遠(yuǎn),構(gòu)造應(yīng)力較弱。另外,礫石僅分布于須二段和須四段,且須四段分布面積大,成熟度降低,這可能反映了周緣板塊構(gòu)造應(yīng)力由須二段到須四段逐漸增強(qiáng),然后又逐漸減弱的趨勢。2.2盆地東北部砂體及砂體須家河組發(fā)育5大砂體,但不同時期砂體分布位置及規(guī)模存在差異(圖3)。須二段,砂體主要發(fā)育于龍門山北段-中段和大巴山方向,龍門山南段和盆地東南方向砂體規(guī)模較小。龍門山北段-中段砂體厚度由西北向東南逐漸減薄(B井厚138m,D井厚436m,而Q井僅厚57m),大巴山方向砂體厚度由東北向西南方向減薄,而盆地東南方向砂體則由東南向西北方向減薄。三個方向砂體前方交匯于安岳、遂寧一帶,影響著該地區(qū)優(yōu)質(zhì)儲層的發(fā)育(謝武仁等,2008)。龍門山南段砂體主要來自西北和西南方向,但以西南方向為主。須四段,盆內(nèi)仍發(fā)育5大砂體,龍門山北段-中段和大巴山方向砂體厚度增大,但分布范圍減小,而盆地東南方向砂體明顯加強(qiáng)。來自龍門山中段-北段方向砂體與來自盆地東南方向砂體在廣安地區(qū)交匯,控制著氣藏的規(guī)模及分布。龍門山南段砂體規(guī)模也明顯增大,主要呈向西北方向減薄的趨勢。須六段,盆內(nèi)砂體主要分布位置與前期相似,但呈均衡分布格局,除來自盆地東南方面規(guī)模稍大之外,其它各個方向基本相近。整體上,須家河組砂體早期呈西北厚、東南薄,中期西北方向收縮、東南方向增大,晚期則各方向砂體規(guī)模一致、均衡分布的特點(diǎn),這可能與周緣板塊構(gòu)造活動階段性有關(guān)。早期,周緣板塊構(gòu)造活動比較強(qiáng)烈,盆地西北部逆沖抬升,物源供給充分,而盆地東南部構(gòu)造隆升幅度較小,構(gòu)造相對平靜有關(guān),故西北方向物源供給充分,而盆地東南部物源供給不足;中期,周緣板塊構(gòu)造活動更趨強(qiáng)烈,盆地西北部構(gòu)造隆升較快,在構(gòu)造應(yīng)力和沉積載荷的共同作用下,前淵凹陷帶撓曲下降;同時,盆地東南部大幅度隆升,故西北部砂體分布范圍縮小,盆地東南部砂體規(guī)模增大;晚期,周緣板塊構(gòu)造活動趨于平靜,盆地處于過補(bǔ)償階段,周圍隆起剝蝕嚴(yán)重,砂體均衡分布(劉樹根等,1995)。另外,本文參照Dickinsonetal.(1979)和李忠等(2004)研究,對砂巖巖石薄片的成分進(jìn)行了統(tǒng)計。統(tǒng)計結(jié)果表明,上三疊統(tǒng)碎屑物源總體以“再旋回造山帶”和“大陸板塊”類型為主,其中,盆地西北部以“再旋回造山帶”類型為主,而盆地東南部以“大陸板塊”類型為主(圖4)。須二段,龍門山北段、F井區(qū)和安岳地區(qū)砂巖成分成熟度較高,碎屑物源均屬于“再旋回造山帶”類型。龍門山南段和威遠(yuǎn)地區(qū)物源構(gòu)造屬性相對復(fù)雜,既有“再旋回造山帶”類型,又有“大陸板塊”類型,但以“大陸板塊”類型為主,這可能與其受多個物源影響有關(guān)。且與龍門山北段相比,龍門山南段砂巖成分成熟度明顯偏低,龍門山北段Qm-F-Lt圖中Lt(%)介于4～26,而龍門山南段介于27～60,這可能昭示了龍門山南段受西南方向“大陸板塊”物源近距離影響較強(qiáng),而龍門山北段受影響較弱。L井區(qū)砂巖碎屑物源屬于“大陸板塊”類型,與F井區(qū)完全不同,這可能暗示了不同的源區(qū)構(gòu)造屬性。須四段,龍門山北段和F井區(qū)碎屑物源仍屬于“再旋回造山帶”類型,但與須二段相比,龍門山北段Qm-F-Lt圖中Lt(%)含量明顯增高,須二段Lt(%)為5～40,而須四段為50～90,這可能與源區(qū)較近、構(gòu)造活動增強(qiáng)有關(guān)。金106E井區(qū)巖屑含量相對較低,Lt(%)為25～50,這與其距源區(qū)相對較遠(yuǎn)、遭受風(fēng)化剝蝕作用較長有關(guān)。L井區(qū)碎屑物源仍以“大陸板塊”類型為主,但含有少量“再旋回造山帶”類型和“巖漿弧”類型,與龍門山北段物源根本不同,但在局部有受其影響的跡象。龍門山南段碎屑物源“大陸板塊”類型含量減少,“再旋回造山帶”類型增多,但砂巖成分成熟度相對穩(wěn)定,這說明隨著湖岸線由西北向東南逐漸超覆、湖盆范圍逐漸增大,“大陸板塊”物源影響逐漸減弱,“再旋回造山帶”影響逐漸增強(qiáng),但源區(qū)構(gòu)造屬性仍然相對平靜。與龍門山南段相似,安岳地區(qū)物源類型也發(fā)生了改變,由以“再旋回造山帶類型”為主變?yōu)橐浴按箨懓鍓K”類型為主,且平面上與重慶地區(qū)類似,這也說明了其物源方向改變,由先期受龍門山北段物源控制變?yōu)槭軚|南物源控制。威遠(yuǎn)地區(qū)砂巖成分復(fù)雜,這與其受到多方向物源影響有關(guān)。須六段巖石薄片資料較少,主要集中于金華地區(qū)和威遠(yuǎn)地區(qū),碎屑物源均屬于典型的“再旋回造山帶”類型,這可能與此時構(gòu)造抬升,先期沉積的地層普遍受到剝蝕有關(guān)。在Qp-Lv-Ls圖中樣品點(diǎn)相對集中,龍門山北段和龍門山南段均以“混合造山帶”及“碰撞造山和褶皺沖斷帶”類型為特征,“弧造山帶”類型沒有出現(xiàn)。但龍門山南段樣品點(diǎn)均在Qp-Ls線附近,火山巖巖屑含量極低,反映了源區(qū)構(gòu)造平靜,火山活動較少。龍門山北段砂巖中不同碎屑成分在剖面上演變整體構(gòu)成一個大旋回,峰值點(diǎn)對應(yīng)于須四段下部(圖5,表1)。斜長石、鉀長石、沉積巖巖屑和火山巖巖屑含量先由須二段向須四段逐漸升高,須三段上部略有下降,須四段達(dá)到最大值,然后又逐漸降低;而石英總含量在剖面上卻構(gòu)成一個由高到低再升高的旋回,須二段含量較低,須四段達(dá)到低谷,然后逐漸升高。與之相對應(yīng)的單晶石英含量在須二段和須三段卻呈現(xiàn)高值(約70%),須四段和須五段突然降低,且須四段底部出現(xiàn)一個低峰(含量僅5%)。巖漿巖巖屑與沉積巖巖屑比值在剖面上演化卻非常穩(wěn)定,幾乎呈一垂直線(含量約為0.1%)。整體上,須四段砂巖中鉀長石、斜長石、火山巖巖屑和沉積巖巖屑高值,單晶石英低值,且各成分含量均達(dá)到峰值,這可能說明了其為一個重要的構(gòu)造轉(zhuǎn)換期。且從巖屑成分上看,須二段沉積巖巖屑以碎屑巖為主(碳酸鹽巖巖屑含量平均為25%,最大值僅為59%),而須四段以碳酸鹽巖巖屑為主(碳酸鹽巖巖屑達(dá)到93%以上),這進(jìn)一步印證了須四段構(gòu)造活動強(qiáng)烈,上覆須家河組早期沉積剝蝕殆盡。須四段之后,構(gòu)造活動又趨于平靜。2.3巖石類型及構(gòu)造環(huán)境不同的碎屑重礦物組合往往是不同母巖類型的反映(Pettijohnetal.,1987;Morton,1985)。由于四川盆地上三疊統(tǒng)碎屑重礦物資料較少,本文重點(diǎn)采集了川中地區(qū)碎屑重礦物分析樣品47塊,以期對母巖類型及物源方向做出粗略估計(表1)。川中地區(qū)上三疊統(tǒng)物源巖石類型以酸性巖和低級變質(zhì)巖為主,高級變質(zhì)巖和沉積巖含量較少,且不同地區(qū)有所區(qū)別。須二段,羅2井和合川110井重礦物組合為白鈦石(48.1%)、鋯石(20.3%)、電氣石(12.2%)和磁鐵礦(10.3%),并含有少量的綠簾石(3.4%)和褐鐵礦(2.9%),反映了低級變質(zhì)巖和酸性巖源區(qū)巖石類型;營21井為鋯石(40.8%)、白鈦石(39.3%)、磁鐵礦(10.2%)和電氣石(5.1%)重礦物組合,含有少量的赤鐵礦(1.5%),反映了酸性巖和低級變質(zhì)巖源區(qū)巖石類型。須四段和須六段,羅2井和合川110井重礦物組合類型基本不變,但鋯石和磁鐵礦含量有所增高,表明酸性巖含量增多,低級變質(zhì)巖含量相對減少。營21井鋯石(由40.8%降為24.4%)和白鈦石(由39.3%降為20.4%)含量大幅降低,石榴子石大量出現(xiàn)(含量達(dá)23%),并含有少量的褐鐵礦(3.6%)和電氣石(2.4%),反映了酸性巖和高級變質(zhì)巖物源巖石類型。高級變質(zhì)巖物源巖石類型的大量出現(xiàn),可能反映了源區(qū)淺層地殼遭受剝蝕,下伏高級變質(zhì)巖基底出露。須六段,營21井資料不完整,其物源巖石類型尚無認(rèn)識。整體上,羅2井和合川110井須家河組物源巖石類型穩(wěn)定,縱向上變化不大,這可能與源區(qū)構(gòu)造穩(wěn)定,物源方向沒有變化有關(guān)。營21井重礦物組合與羅2井和合川110井的差異,這可能與其來自不同源區(qū)有關(guān)。3須二代龍門山地區(qū)逆沖-推覆作用初現(xiàn)及物源學(xué)探討四川盆地是在晚三疊世華南板塊和華北板塊碰撞基礎(chǔ)上形成的,這一觀點(diǎn)已是學(xué)術(shù)界的共識(劉和甫等,1994;賈東等,2003;Mengetal.,2005;Liuetal,2005)。但晚三疊世華南板塊和華北板塊的具體碰撞方式,目前存在多種解釋模型。一些學(xué)者認(rèn)為,晚三疊世揚(yáng)子板塊向松潘方向擠壓,從而造成古龍門山褶皺帶形成(Liuetal,2005)。但龍門山褶皺帶的具體過程及形成機(jī)理,則沒有闡述。另一些學(xué)者認(rèn)為該時期華南板塊向西消減,同時發(fā)生順時針旋轉(zhuǎn),松潘-甘孜地區(qū)向東擠壓變形,從而導(dǎo)致龍門山?jīng)_斷帶和川西前陸盆地的形成(Mengetal.,2005)該觀點(diǎn)暗含著龍門山北段和龍門山南段是同時隆升的,在華南板塊發(fā)生順時針旋轉(zhuǎn)過程中,東秦嶺造山帶逐漸形成。本文認(rèn)為這種認(rèn)識證據(jù)不足,理由是須二段和須四段礫巖都主要分布于川西北段,須四段礫巖分布范圍向龍門山南段擴(kuò)大,這說明須二期龍門山北段構(gòu)造活動就開始活躍,龍門山南段相對平靜,須四期之后,龍門山南段構(gòu)造活動才逐漸強(qiáng)烈,造成龍門山地區(qū)全面隆升,且砂巖巖石薄片研究也有類似的結(jié)論。本文認(rèn)為,晚三疊世華南板塊由東南向西北與華北板塊發(fā)生擠壓碰撞,松潘-甘孜地區(qū)褶皺隆起,并開始向盆地提供沉積物,龍門山北段是先于龍門山南段隆升的。須家河期,龍門山?jīng)_斷帶發(fā)生三次逆沖-推覆作用,直接控制著前陸盆地的充填。須二期龍門山地區(qū)是否發(fā)生逆沖-推覆作用一直存在著爭論。一些學(xué)者認(rèn)為龍門山地區(qū)區(qū)域力學(xué)性質(zhì)到須四段才由伸展轉(zhuǎn)變?yōu)閿D壓的,須二期逆沖-推覆作用還未開始,從而將上三疊統(tǒng)劃分為“須下盆”和“須上盆”,認(rèn)為它們?yōu)椤皟深愋再|(zhì)相反的沉積建造,為不同的構(gòu)造層”(王金琪,2003);另外一些學(xué)者認(rèn)為,須二期龍門山地區(qū)逆沖-推覆作用已開始形成(陳竹新等,2005),但構(gòu)造幅度較低,逆沖席尚未暴露水面,因此,須二盆物源主要來自北部(秦嶺)和東北部,次要來自康滇和川中古陸,龍門山地區(qū)不提供物源或只提供少量物源(丘東洲等,1983;劉樹根等,1995;郭正吾等,1966;鄧康齡,2007)。本文認(rèn)為,須二期由于地殼深部調(diào)整發(fā)生了構(gòu)造反轉(zhuǎn)作用,龍門山地區(qū)逆沖-推覆帶開始形成,并暴露水面遭受剝蝕。證據(jù)有:①巖石薄片資料分析認(rèn)為,川西地區(qū)須二段源區(qū)構(gòu)造屬性均表現(xiàn)為再旋回造山帶中的“碰撞造山-褶皺沖斷帶”和“混合造山帶”類型,說明龍門山地區(qū)逆沖-推覆作用已經(jīng)開始;②須二期,川西北段分布大面積礫巖和砂礫巖,為典型的磨拉石建造,且礫巖(砂礫巖)和砂巖厚度等值線圖厚度由西北向東南方向減薄;③須二段沉積相研究成果也顯示川西北段已暴露地表,遭受剝蝕;④從砂巖流向玫瑰花圖上看,也有來自西部的物源。不過,從礫巖和砂巖成分分析可知,須二段龍門山南段逆沖-推覆作用較弱,川中前陸隆起隆升幅度較小,造成該時期物源以西北部和北部為主,東南部物源供給較少。須四期為四川盆地周緣板塊最活躍期,這一點(diǎn)已是學(xué)術(shù)界的共識(王金琪,2002;王金琪,2003;賈東等,2003;鄧康齡,2007;鄭榮才等,2008)。該運(yùn)動在該地區(qū)也稱“安縣運(yùn)動”,它不僅造成龍門山北段的強(qiáng)烈隆升,而且龍門山中段也發(fā)生了逆沖-推覆作用,形成了新的山系。四川盆地內(nèi)部,盆地沉積中心由西北向東南遷移,西北方向礫巖和砂巖大面積分布,深刻影響著該地區(qū)的油氣勘探。印度末期運(yùn)動是否存在爭論較多。一些學(xué)者認(rèn)為,晚三疊世晚期構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈,川西坳陷北部和中部停止沉積,演變成為風(fēng)化侵蝕區(qū)(鄧康齡,2007)。而另外一些學(xué)者認(rèn)為,三疊紀(jì)至侏羅紀(jì)為寧靜的過渡,不存在“印度末期”運(yùn)動(劉樹根等,2001;王金琪,2003)。本文認(rèn)為,印度末期運(yùn)動存在,但強(qiáng)度較弱,安縣運(yùn)動之后,龍門山北段由西北向東南不斷推進(jìn),川西北部須家河組上部不斷抬升或被沖斷褶皺遭受剝蝕。主要證據(jù)有:①目前學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為晚三疊世龍門山由北西向南東擠壓縮短(羅志立等,1991;劉和甫等,1994;賈東等,2003),且礫巖和砂巖的分