川東南-黔北志留系石牛欄組層序地層特征與沉積環(huán)境分析

川東南-黔北志留系石牛欄組層序地層特征與沉積環(huán)境分析

川東南-黔北地區(qū)位于上揚(yáng)子地區(qū)，下古生代邊界連續(xù)堆積。研究區(qū)內(nèi)下志留統(tǒng)龍馬溪組下部為富含筆石化石的黑色炭質(zhì)頁(yè)巖,有機(jī)質(zhì)類型多為Ⅰ型,是良好的烴源巖,該烴源巖厚度在研究區(qū)內(nèi)可達(dá)200m左右;石牛欄組中上部則發(fā)育有碳酸鹽巖礁灘相,且與石牛欄組同期異相的小河壩組在局部地區(qū)則發(fā)育有較厚的粉-細(xì)砂巖;而中志留統(tǒng)韓家店組中則發(fā)育有較厚的泥頁(yè)巖,從而構(gòu)成了一個(gè)較好的生儲(chǔ)蓋組合。20世紀(jì)80—90年代,石油公司在川南所鉆遇的小河壩組砂巖天然氣顯示普遍。而且,在黔北習(xí)水縣發(fā)現(xiàn)下志留統(tǒng)石牛欄組古油藏之后,進(jìn)一步預(yù)示了川東南-黔北地區(qū)下古生界志留系良好的勘探前景?？傊?較多的研究成果均表明該區(qū)志留系是一個(gè)重要的勘探層系。前人對(duì)于揚(yáng)子地區(qū)志留系沉積相、石牛欄組沉積相及石牛欄組灰?guī)r儲(chǔ)層特征等方面均有較多研究成果[12,13,14,15,16,17]。但將石牛欄組及同期異相的小河壩組統(tǒng)一納入層序研究,并按四級(jí)層序進(jìn)行沉積相編圖,尚未見公開報(bào)道。因此,對(duì)研究區(qū)石牛欄期沉積與層序地層的研究將會(huì)有助于認(rèn)識(shí)的深化。筆者結(jié)合露頭、地震、鉆井及前人研究成果,對(duì)川東南-黔北地區(qū)志留系石牛欄組沉積與層序進(jìn)行了綜合分析與研究,這對(duì)后續(xù)的勘探具有重要的參考意義。1已形成的地質(zhì)條件揚(yáng)子地區(qū)在晚奧陶世—志留紀(jì)演化形成前陸盆地。受廣西運(yùn)動(dòng)影響,揚(yáng)子地區(qū)中上志留統(tǒng)多被剝蝕,部分地區(qū)僅保留了中、下志留統(tǒng)。研究區(qū)位于揚(yáng)子板塊中南部,即黔中隆起北緣。其現(xiàn)今地理位置為四川盆地東南部(圖1)。區(qū)內(nèi)志留系僅殘留中下統(tǒng),自下而上分別為早志留世龍馬溪組、石牛欄組(或同期異相的小河壩組)及中志留世韓家店組。其中,龍馬溪組下部主要為黑色炭質(zhì)頁(yè)巖夾少量薄層生屑灰?guī)r或生屑灰?guī)r條帶,上部主要為泥灰?guī)r與灰泥巖薄互層。石牛欄組以灰?guī)r為主,而小河壩組則以粉砂巖、泥巖為主。韓家店組為碎屑巖沉積,夾少量薄層生屑灰?guī)r條帶。2石牛墻組-龍溪組間相互關(guān)系揚(yáng)子地區(qū)所殘留的志留系構(gòu)成一個(gè)二級(jí)層序,但對(duì)于整個(gè)志留系內(nèi)部三級(jí)層序的劃分方案則不太統(tǒng)一。朱志軍等將石牛欄(小河壩)組劃分為兩個(gè)三級(jí)層序;牟傳龍等以習(xí)水吼灘剖面為例將石牛欄組、龍馬溪組及晚奧陶世澗草溝組、五峰組劃分為一個(gè)三級(jí)層序,其中澗草溝組與五峰組構(gòu)成海侵體系域1。但劉偉等經(jīng)研究認(rèn)為五峰組沉積晚期,中、上揚(yáng)子經(jīng)歷了一次大范圍海退過(guò)程,從而在上揚(yáng)子大部分地區(qū)沉積了與五峰組同期異相的以泥質(zhì)生物灰?guī)r-鈣質(zhì)泥巖為主的觀音橋組。從野外露頭縱向巖性、巖相變化及組合特征來(lái)看,龍馬溪與石牛欄組構(gòu)成一個(gè)連續(xù)且向上變淺的沉積序列,即龍馬溪組下部的黑色含筆石炭質(zhì)頁(yè)巖向上漸變?yōu)槟鄮r與灰?guī)r薄互層,到石牛欄組中上部則以較純的灰?guī)r為主,并發(fā)育礁灘相。因此,對(duì)鉆井、地震、露頭及前人研究成果的綜合分析,筆者傾向于將志留系石牛欄組(小河壩組)與龍馬溪組共同劃分為一個(gè)獨(dú)立的三級(jí)層序。其中,龍馬溪組下部的黑色炭質(zhì)頁(yè)巖構(gòu)成海侵體系域,上部則與石牛欄組共同構(gòu)成三級(jí)層序高位體系域。而石牛欄組內(nèi)部可進(jìn)一步劃分為兩個(gè)四級(jí)層序,即SQ1和SQ2。層序界面均為Ⅱ型層序界面。2.1典型露頭剖面污泥和層序地層特征的地層特征以羊久剖面為代表來(lái)揭示石牛欄組沉積與層序地層特征。該剖面位于習(xí)水縣,其石牛欄組出露良好。2.1.1巖石學(xué)和沉積相石牛欄組自下而上總體表現(xiàn)為沉積水體由深變淺的趨勢(shì),即由較深水陸棚相沉積向上演化為較淺水的臺(tái)地邊緣礁灘相沉積。其巖性響應(yīng)表現(xiàn)為:自下而上,泥質(zhì)含量越來(lái)越少,中下部以薄-厚層瘤狀灰?guī)r為主,上部以中層-塊狀礁灰?guī)r、生屑灰?guī)r及砂屑灰?guī)r為主。陸棚相沉積主要以灰色-深灰色中-薄層灰?guī)r與含灰泥巖互層(圖2)。臺(tái)地邊緣斜坡相沉積主要以瘤狀灰?guī)r為主,瘤狀灰?guī)r中的瘤體多為生屑灰?guī)r或泥晶灰?guī)r,瘤體間多為灰質(zhì)泥巖或泥質(zhì)灰?guī)r充填(圖3)。臺(tái)地邊緣礁灘相沉積多以生屑灰?guī)r、礁灰?guī)r為主;其中,生屑灘或核形石灘做為礁基,障積巖做為礁核,礁頂白云巖不發(fā)育;障積巖中造礁生物有鏈狀珊瑚、蜂巢珊瑚、苔蘚蟲、海綿等,生物含量約60%,但以珊瑚為主(圖4)。石牛欄組頂部以最后一期臺(tái)地邊緣淺灘相沉積而結(jié)束,巖性為殘余生屑結(jié)晶灰?guī)r(圖5)。2.1.2近對(duì)稱型層序生物礁的發(fā)育石牛欄組內(nèi)部可劃分為兩個(gè)SQ1和SQ2四級(jí)層序,各層序界面均為Ⅱ型層序界面,且各層序內(nèi)部均由海侵體系域與高位體系域構(gòu)成。下部層序厚度遠(yuǎn)大于上部層序厚度,為一個(gè)海侵體系域與高位體系域厚度大致相當(dāng)?shù)慕鼘?duì)稱型層序,海侵體系域由陸棚-斜坡相構(gòu)成,高位體系域由臺(tái)地邊緣礁灘相構(gòu)成。上部層序中,海侵體系域厚度明顯小于高位體系域厚度,為一個(gè)明顯的非對(duì)稱型層序,海侵體系域由斜坡相構(gòu)成,高位體系域由臺(tái)地邊緣礁灘及局限臺(tái)地相構(gòu)成。在該剖面中,自下而上有3期生物礁的發(fā)育。第一期生物礁發(fā)育于下部四級(jí)層序高位體系域末期;第二期和第三期則發(fā)育于上部層序高位體系域中。每一期生物礁厚度均較小,約5m左右(圖6)。第一期生物礁的生長(zhǎng)因沉積水體加深而終止生長(zhǎng);第二期與第三期生物礁則均因陸源泥質(zhì)影響而被嗆死?？傮w上,臺(tái)地邊緣淺灘相在上部四級(jí)層序中最為發(fā)育,表現(xiàn)為單層厚度大,多為亮晶生屑結(jié)構(gòu)。2.2船段剖面的沉積和層序的地層特征以兩條大致垂直和大致平行沉積相帶的對(duì)比剖面為代表來(lái)揭示研究區(qū)石牛欄組沉積與層序地層特征。2.2.1層序地層發(fā)育的空間和沉積深度該剖面近南北向,整體上看,SQ1厚度遠(yuǎn)大于SQ2厚度,且因受南邊黔中古陸的影響,均呈現(xiàn)為南薄北厚的楔狀(圖7)。從宏觀上看,SQ1沉積期,沉積底形坡度相對(duì)較陡(經(jīng)估算臺(tái)地邊緣斜坡坡度約0.14°,而臺(tái)地邊緣淺灘至濱岸帶坡度約0.06°),導(dǎo)致南北沉積水體深度差異較大,有效可容納空間差異也較大,而且導(dǎo)致該四級(jí)層序南北厚度差異相當(dāng)顯著。在該時(shí)期,臺(tái)地邊緣生物礁整體上不太發(fā)育,但臺(tái)地邊緣淺灘相展布范圍較廣。到SQ2沉積期,因?yàn)樵缙谔钇窖a(bǔ)齊的影響,沉積底形坡度變得更平緩(經(jīng)估算坡度約0.02°),使得南北沉積水深差異較小,導(dǎo)致該四級(jí)層序南北厚度差異較小。該時(shí)期生物礁相對(duì)較發(fā)育,但規(guī)模較小,且橫向上多不連續(xù)。2.2.2邊緣海相碳酸鹽巖沉積相該剖面大致呈東-西向?？傮w上表現(xiàn)為SQ1厚,SQ2薄,東西兩端厚,中間薄的特征(圖8)。西部的獅子灘及東部的小河壩以碎屑巖沉積為主,而之間的區(qū)域則主要為海相碳酸鹽巖沉積。水落坡至鹽井區(qū)域大致表現(xiàn)為一種向東、西兩側(cè)水體加深的沉積格局,從而呈現(xiàn)為孤立的碳酸鹽巖沉積環(huán)境。東邊小河壩除底部有一套瘤狀灰?guī)r沉積以外,與西邊獅子灘一樣由下而上均表現(xiàn)為持續(xù)性的碎屑巖沉積,以粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖及粉砂質(zhì)泥巖為主。但是,西邊獅子灘的沉積厚度遠(yuǎn)大于鄰近區(qū)域,且間夾少量風(fēng)暴成因的生屑灰?guī)r。此外,生物礁僅在高位體系域中有少量小規(guī)模局部發(fā)育,其縱向厚度與橫向展布范圍都較小。2.3碳酸鹽巖沉積相以四級(jí)層序?yàn)榫巿D單元,針對(duì)石牛欄組分別編制了早期及晚期巖相古地理圖(圖9,圖10)。從圖中可以看出,研究區(qū)內(nèi)石牛欄早、晚期,其沉積格局具有很大的繼承性。晚期與早期的明顯差別在于:臺(tái)地邊緣生物礁晚期比早期相對(duì)更為發(fā)育,但規(guī)模均較小,且呈串珠狀。研究區(qū)內(nèi),榮縣-威遠(yuǎn)以西為川中古陸,彝良縣—遵義一帶則為黔中古陸。南川區(qū)域主要為碎屑巖構(gòu)成的小河壩組,為三角洲相沉積。筠連區(qū)域?yàn)闉I岸相碎屑巖沉積區(qū),內(nèi)部夾碳酸鹽巖。興文縣—桐梓縣一帶為碳酸鹽巖沉積區(qū)域。觀音橋—小河壩一帶為碎屑巖與碳酸鹽巖混積區(qū)。屏山縣—重慶一帶大范圍內(nèi)則為陸棚相沉積區(qū)?？傮w上,興文縣—桐梓縣一帶呈現(xiàn)為一個(gè)較為較為孤立的碳酸鹽巖沉積區(qū),其東、西兩側(cè)被碎屑巖沉積所限制。從沉積特征推斷,在較純的碳酸鹽巖沉積區(qū)應(yīng)當(dāng)沒(méi)有來(lái)自于黔中古陸的河流入海。2.3.1儲(chǔ)層儲(chǔ)砂砂巖主要分布于黔中古陸西端北緣,即筠連縣、珙縣及鹽津縣等地。巖性為灰白色、灰色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、砂巖、生屑灰?guī)r、粉砂質(zhì)頁(yè)巖。沉積構(gòu)造豐富,發(fā)育平行層理、波狀層理、羽狀交錯(cuò)層理、透鏡狀層理及波痕等。見笛管珊瑚、蜂巢珊瑚、單體珊瑚、臺(tái)鮮蟲等化石。2.3.2灰黑巖中灰?guī)r的分布分布于威信縣、古藺縣、桐梓縣及綏陽(yáng)縣以南、黔中古陸以北等地,相帶近東西向展布。主要為碳酸鹽沉積,巖性有灰色中厚層瘤狀亮晶生屑灰?guī)r、瘤狀灰?guī)r、綠灰色泥晶白云巖、灰色薄層泥晶灰?guī)r夾少量灰、黃綠色(泥)頁(yè)巖。發(fā)育豐富的沉積構(gòu)造,如沙紋層理、波狀層理、透鏡狀層理、脈狀層理等,產(chǎn)豐富的腕足化石及珊瑚、苔蘚蟲及海百合莖等生物碎屑。2.3.3礁域及沉積礁巖結(jié)構(gòu)呈彎曲的條帶狀展布。分布于威信縣、敘永縣、椒園、二郎、桐梓縣等地。由淺灘相顆粒灰?guī)r與生物礁相礁灰?guī)r混合組成。巖性有核形石灰?guī)r、障積礁灰?guī)r、骨架礁灰?guī)r、亮晶生屑灰?guī)r、亮晶砂屑灰?guī)r、少量礫屑灰?guī)r等。其中,骨架礁體厚可達(dá)10余米,為圓丘狀點(diǎn)礁。生屑灰?guī)r及砂屑灰?guī)r中發(fā)育交錯(cuò)層理。造礁生物有枝狀珊瑚、鏈狀珊瑚、蜂巢珊瑚、苔蘚蟲、層孔蟲、海綿等,但以珊瑚為主。2.3.4加肉灰灰?guī)r分布于臺(tái)地邊緣礁灘北側(cè)的興文縣、雪1井、觀音橋、韓家店、黑石溪等地。巖性為灰、深灰色薄-厚層瘤狀灰?guī)r、瘤狀亮晶生屑灰?guī)r、薄層灰?guī)r及少量礫屑灰?guī)r等。發(fā)育有包卷層理等。巖石中見較多的生物碎屑。石牛欄組沉積期因?yàn)槠露绕骄?漲潮與落潮時(shí)所波及的范圍較廣,因此,上斜坡中的生屑瘤狀灰?guī)r更具鈣屑濁積的特征。2.3.5灰-深灰色薄巖巖石組構(gòu)分布于屏山縣、水富縣、江安縣、合江縣、綦江縣、內(nèi)江、自貢等地區(qū)。巖性有灰-深灰色薄層泥晶灰?guī)r及含灰泥巖互層,灰、灰綠色頁(yè)巖及粉砂質(zhì)頁(yè)巖,夾灰色中薄層泥質(zhì)灰?guī)r及生屑灰?guī)r。發(fā)育水平層理及少量小型沙紋層理,見筆石化石及腕足、珊瑚等生物碎屑。2.3.6淺層序地層格架分布于南川市以東三泉、小河壩等地區(qū)。巖性為灰色薄-中層狀泥質(zhì)粉砂巖、灰色中厚層粉砂質(zhì)泥巖、淺灰色薄-中層石英粉砂巖等。發(fā)育水平層理、透鏡狀層理、潮汐層理及波痕等沉積構(gòu)造,見較多遺跡化石。據(jù)侯明才等研究表明,該三角洲相物源來(lái)自于東邊的雪峰隆起。筆者經(jīng)研究認(rèn)為該區(qū)三角洲應(yīng)當(dāng)屬于河流能量低、物源不充沛、沉積速率較低的低建設(shè)性淺水三角洲,其依據(jù)有以下幾個(gè)方面:①沉積底形坡度很平緩,估算為0.03°～0.17°之間,近源端與遠(yuǎn)源端地層厚度差異較小;②變形沉積構(gòu)造、交錯(cuò)層理等很少見,潮汐層理、波痕及遺跡化石較發(fā)育;③小河壩組沉積厚度與碳酸鹽巖沉積區(qū)的石牛欄組厚度大致相當(dāng),這說(shuō)明三角洲的沉積速率低,且與碳酸鹽巖沉積速率大致接近;④泥/砂比較高,而且泥、砂沉積分異度較低;⑤砂粒細(xì),以粉砂為主。2.4臺(tái)緣緩坡模式在早志留世,四川盆地大部地區(qū)為深水陸棚沉積環(huán)境,沉積了龍馬溪組下部黑色炭質(zhì)泥頁(yè)巖。之后,隨著龍馬溪組的沉積充填以及廣西運(yùn)動(dòng)的影響,區(qū)內(nèi)相對(duì)海平面下降,致使深水陸棚區(qū)沉積水體變淺,并逐漸演變?yōu)槭谠缙跍\水陸棚相、臺(tái)地邊緣斜坡相及石牛欄晚期臺(tái)地邊緣淺灘相及局限臺(tái)地相。到石牛欄末期,相對(duì)海平面下降到最低點(diǎn),但隨后又突然加深,并進(jìn)入韓家店組沉積階段?？傮w上,石牛欄組沉積期,研究區(qū)內(nèi)沒(méi)有明顯的坡折帶,表現(xiàn)為一種臺(tái)緣緩坡模式(圖11),自南向北依次發(fā)育為局限臺(tái)地、臺(tái)地邊緣礁灘、臺(tái)地邊緣斜坡到陸棚沉積。緩坡之依據(jù)有:①?gòu)牡卣鹳Y料上所揭示的結(jié)構(gòu)特征來(lái)看,該時(shí)期沉積底形沒(méi)有明顯的坡折;②經(jīng)過(guò)粗略估算,其坡度很小,大約小于0.15°;③從斜坡相所沉積的瘤狀灰?guī)r特征來(lái)看,其中的瘤體多為生屑灰?guī)r,而且瘤體長(zhǎng)、短軸均較小,多數(shù)呈現(xiàn)為長(zhǎng)軸/短軸比值特別高的長(zhǎng)條狀或豆莢狀;④萬(wàn)云等1995年所發(fā)表的研究成果從古生物組合及沉積構(gòu)造特征也證實(shí)為緩坡模式。這種臺(tái)緣緩坡模式產(chǎn)生兩個(gè)方面的影響:首先,洋流沿長(zhǎng)緩坡向陸涌動(dòng)的過(guò)程中,在未到達(dá)適合生物礁生長(zhǎng)的水深時(shí),其能量已經(jīng)變得相當(dāng)微弱,導(dǎo)致水深與光照均適合生物礁生長(zhǎng)的區(qū)域中因水體交換不充分,營(yíng)養(yǎng)物缺乏,所以生物礁難以大規(guī)模發(fā)育;其次,因坡度平緩,導(dǎo)致生物礁生長(zhǎng)區(qū)域受相對(duì)海平面頻繁變化的影響比較敏感,從而無(wú)法為生物礁的生長(zhǎng)提供持續(xù)穩(wěn)定的生長(zhǎng)環(huán)境與條件。此外,較多露頭上生物礁被泥質(zhì)嗆死的證據(jù)也揭示了陸源泥質(zhì)對(duì)生物礁生長(zhǎng)發(fā)育的抑制性影響。所有這些因素的綜合,決定了研究區(qū)內(nèi)石牛欄組中的生物礁灘規(guī)模均較小,建隆特征不明顯,隆起幅度較低。3生物礁分布及發(fā)育特點(diǎn)1)從早志留世到晚志留世,從縱向上的沉積演化來(lái)看,川東南-黔北地區(qū)總體上表現(xiàn)為兩個(gè)沉積水體由深變淺的旋回,且總體上由兩個(gè)旋回又構(gòu)成一個(gè)更大一級(jí)的由深變淺的旋回。2)石牛欄組上部總體上發(fā)育有兩至三期臺(tái)地邊緣生物礁。第一期數(shù)量少,第二、第三期生物礁數(shù)量增多,且基本上都