四川盆地晚三疊世須家河組古氣候恢復(fù)

四川盆地晚三疊世須家河組古氣候恢復(fù)

1巖心與樣品采集四川盆地是中國(guó)重要的含油氣盆地之一，周?chē)扇荷江h(huán)繞：北是米倉(cāng)山和大巴山，南是涼山和婁山，北是龍門(mén)山，東南是七瑤山（圖1）。盆地內(nèi)上三疊統(tǒng)須家河組地層厚度差異較大,川西地區(qū)厚300～1000?m,以成都以北地區(qū)為最厚;川中—川南地區(qū)厚480～780?m,以平泉1井—川3井區(qū)為最厚;在威遠(yuǎn)—自流井地區(qū)和潼南—合川110井區(qū)一帶最薄,厚度小于550m;總體呈現(xiàn)由北西向南東逐漸減薄的趨勢(shì)(朱如凱等,2009)。對(duì)于四川盆地須家河組的地層劃分曾經(jīng)存在較大爭(zhēng)議(表1),本次研究采用目前四川石油管理局根據(jù)巖性所制定的統(tǒng)一的地層劃分方案,自下而上將須家河組分為須1段至須6段(T3x1～T3x6)共6段。須家河組開(kāi)始沉積時(shí),海水逐漸從盆地西南部退出。須1段尚為海陸交互相沉積,之上5段均為陸相沉積。其中,須1、3、5段主要發(fā)育泥頁(yè)巖和煤層,須2、4、6段以砂巖和粉砂巖為主,須6段頂部還普遍發(fā)育一套細(xì)粒泥巖沉積(姜在興等,2007)。四川盆地須家河組這種獨(dú)具特色的砂—泥間互沉積結(jié)構(gòu)(圖2)形成了有利的源—儲(chǔ)接觸關(guān)系,為油氣成藏提供了條件(侯方浩等,2005;趙文智等,2008)。針對(duì)須家河組這種砂—泥間互沉積結(jié)構(gòu)的成因,有學(xué)者認(rèn)為構(gòu)造作用和沉積作用是主控因素,尤以沉積作用為甚(鄭榮才等,2008a,2008b;朱如凱等,2009),而沉積作用則受古氣候的重要影響(趙澄林和朱筱敏,2001)。文中作者綜合利用多種分析方法恢復(fù)了該盆地古氣候,并探討了其對(duì)地層沉積結(jié)構(gòu)的影響。分別在四川盆地6個(gè)地區(qū)進(jìn)行采樣(包括野外露頭和鉆井巖心)(圖1),共采集44塊泥巖樣品。露頭樣品采樣過(guò)程中,注意選取風(fēng)化程度小的新鮮暗色泥巖,以盡量減少由于后期的風(fēng)化作用對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成的干擾。在巖心樣品采樣過(guò)程中,主要選取顏色較深的泥巖。如果一口井的泥巖樣品不全,則從鄰近具有泥巖巖心的井中采樣,組成一個(gè)地區(qū)完整的鉆井巖心采樣系列。樣品的分析化驗(yàn)分別在中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院石油地質(zhì)實(shí)驗(yàn)中心(簡(jiǎn)稱(chēng)實(shí)驗(yàn)中心)和中國(guó)石油華北油田研究院(簡(jiǎn)稱(chēng)華北油田研究院)進(jìn)行。其中,實(shí)驗(yàn)中心采用X射線(xiàn)衍射分析方法,按國(guó)家石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T5163-1995測(cè)定了黏土礦物的種類(lèi)和相對(duì)含量。華北油田研究院則完成了孢粉的識(shí)別與鑒定和常量元素及微量元素的測(cè)試。孢粉鑒定時(shí),按照國(guó)家石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T5915-2000,對(duì)泥巖樣品進(jìn)行物理、化學(xué)方法處理,使化石孢粉與巖石分離,然后收集、制片。采用雙目生物顯微鏡(100～800倍)鑒定孢粉的形狀、輪廓及大小,據(jù)此判定孢粉類(lèi)型。元素分析采用X射線(xiàn)熒光光譜儀對(duì)全巖樣進(jìn)行分析,得出各種元素的含量。2下三疊統(tǒng)須家河組對(duì)蕨科屬的認(rèn)識(shí)植物對(duì)氣候和環(huán)境的改變較為敏感,可有效地指示溫度和濕度的變化。孢粉是植物的繁殖器官,不同屬種的孢粉對(duì)應(yīng)不同類(lèi)型的母體植物。依據(jù)孢粉母體植物與現(xiàn)代植物的對(duì)比,可以“將今論古”推斷古氣候(高瑞琪,2000)。中國(guó)最早利用孢粉恢復(fù)古氣候的探索當(dāng)屬北京大學(xué)地質(zhì)系古生物教研室于1956年對(duì)蘇北地區(qū)古近紀(jì)氣候的研究(周山富和楊方之,2007)。近年來(lái)也有學(xué)者對(duì)四川盆地北部地區(qū)晚三疊世須家河組沉積時(shí)期、昆明盆地中更新世晚期和準(zhǔn)噶爾盆地南緣三疊紀(jì)—侏羅紀(jì)之交的古氣候進(jìn)行了恢復(fù),取得了良好效果(黃其勝,1995;王全偉等,2008;許哲平等,2009;盧遠(yuǎn)征和鄧勝徽,2009)。經(jīng)過(guò)鑒定,本次研究共識(shí)別出蕨類(lèi)植物孢子、裸子植物花粉和藻類(lèi)孢子3大類(lèi)81屬。其中,蕨類(lèi)植物孢子48屬、裸子植物花粉30屬、菌藻類(lèi)3屬。位于盆地西南部地區(qū)的威遠(yuǎn)黃石板剖面和東北部地區(qū)的華鎣觀音溪剖面的泥巖樣品中鑒定出的孢粉(圖3)種類(lèi)多、個(gè)體完整,而采自川西北地區(qū)的泥巖樣品中只檢測(cè)出少量的孢粉化石,且個(gè)體不完整。因此,以上述兩個(gè)露頭中檢測(cè)出的孢粉化石來(lái)恢復(fù)四川盆地須家河組沉積時(shí)期的古氣候情況。通過(guò)對(duì)孢子和花粉化石分析鑒定可以發(fā)現(xiàn):蕨類(lèi)孢子(圖4)占孢粉總數(shù)的絕大部分,為74%。其中,與雙扇蕨科(Dipteridaceae)相關(guān)的孢子最為繁盛,包括網(wǎng)葉蕨孢屬(Dictyophyllidites)、凹邊孢屬(Concavisporites)、壕環(huán)孢屬(Canalizonospora)、三角刺面孢屬(Acanthotriletes)和弓堤孢屬(Kyrtomisporis),特別是Dictyophyllidites和Concavisporites占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),兩者之和占孢子總數(shù)的40%。另外,其他含量較少的蕨類(lèi)植物孢子化石還包括桫欏科的桫欏孢屬(Cyathidites)、紫萁科的紫萁孢屬(Osmundacidites)、蓮座蕨科的合囊蕨孢屬(Marattisporites)、卷柏科的擬套環(huán)孢屬(Densoisporites)、稀釋環(huán)孢屬(Kraeuselisporites)和新叉瘤孢屬(Neoraistrikia)、里白科的里白孢屬(Gleicheniidites)、蚌殼蕨科的金毛狗孢屬(Cibotiumspora)、波縫孢屬(Undulatisporites)、海金砂科的刺毛孢屬(Pilosisporites)等。裸子植物花粉(圖5)約占孢粉總數(shù)的25%,含量最多的當(dāng)屬蘇鐵科的蘇鐵粉屬(Cycadopites),占到花粉總數(shù)的25%。其他含量較少的裸子植物花粉化石包括松科的阿里粉屬(Alisporites)、雙束松粉屬(Pinuspollenites)、雪松粉屬(Cedripites)、羅漢松科的羅漢松粉屬(Podocarpidites)。此外,還包括云杉粉屬(Piceaepollenites)和寬溝粉屬(Chasmattosporites)等。菌藻類(lèi)孢子含量極少,僅占孢粉總數(shù)的約1%,包括菌孢屬、小菌孢屬和光對(duì)裂藻屬3屬。綜合分析四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組發(fā)現(xiàn)的孢粉類(lèi)型,認(rèn)為其孢粉組合以網(wǎng)葉蕨孢屬—凹邊孢屬—蘇鐵粉屬(Dictyophyllidites-Concavisporites-Cycadopites)為特色。雖然這些孢粉化石所對(duì)應(yīng)的古植物體大多數(shù)已經(jīng)滅絕,但屬于本家族的現(xiàn)代植物仍有發(fā)育,可以通過(guò)對(duì)現(xiàn)代同族植物所處環(huán)境來(lái)推斷對(duì)應(yīng)古植物體所處的古氣候條件。例如,蕨類(lèi)植物中與雙扇蕨科(Dipteridaceae)親近的現(xiàn)代植物體雙扇蕨屬(Dipteris)仍有8種,中國(guó)就有3種,主要分布于華南、西南及喜馬拉雅山區(qū),也就是西藏、云南、貴州、廣西以及印度、緬甸這些潮濕溫暖的熱帶、亞熱帶地區(qū),即喜馬拉雅植物區(qū)系。裸子植物中與蘇鐵類(lèi)花粉(Cycadopites)相關(guān)的現(xiàn)代蘇鐵科共有9屬,主要分布于熱帶、亞熱帶的東非、東亞和澳大利亞地區(qū)。黃其勝(1995)通過(guò)研究四川盆地川北地區(qū)須家河組6條基干剖面的孢粉資料,共發(fā)現(xiàn)孢粉化石57屬118種,其中蕨類(lèi)79種(占44%),蘇鐵類(lèi)39種(占33%),認(rèn)為晚三疊世植物群落以草本-灌木型的真蕨類(lèi)、蘇鐵類(lèi)占優(yōu)勢(shì),須家河組沉積過(guò)程基本上處于熱帶—亞熱帶的臨海、濱湖三角洲或河湖沼澤環(huán)境。王全偉等(2008)在四川雅安天全剖面上發(fā)現(xiàn)屬于晚三疊世的孢粉化石27屬63種,其中,蕨類(lèi)植物孢子占60%(以凹邊孢和雙扇蕨為主),裸子植物花粉占40%(以松柏類(lèi)、蘇鐵類(lèi)植物居多)。在合川炭壩剖面須家河組發(fā)現(xiàn)孢粉化石36屬43種,其中,蕨類(lèi)植物孢子占64.4%(以雙扇蕨科的網(wǎng)葉孢屬和凹邊孢屬為主),裸子植物花粉占35.6%(以蘇鐵類(lèi)花粉為主)。另外,前人在四川廣元須家河、威遠(yuǎn)葫蘆口和達(dá)縣鐵山等地須家河組中共發(fā)現(xiàn)孢粉化石124屬228種,以蕨類(lèi)植物孢子占有優(yōu)勢(shì),計(jì)80屬153種,占孢粉總量的70%左右。裸子植物花粉計(jì)44屬75種,占孢粉總量的30%左右。其中,蕨類(lèi)孢子中以網(wǎng)葉蕨孢為主,裸子花粉中以蘇鐵類(lèi)花粉為主(黃其勝,1995;王全偉等,2008)。綜合以上學(xué)者的研究結(jié)果以及華南地區(qū)上三疊統(tǒng)的孢粉組合,發(fā)現(xiàn)這些孢粉組合的屬種類(lèi)別及所占比例基本相同(王全偉等,2008)。因此,根據(jù)四川盆地須家河組孢粉化石組合,采用“將今論古”的研究思路,可以推斷四川盆地晚三疊世須家河組沉積時(shí)期應(yīng)屬溫暖—炎熱、潮濕的熱帶和亞熱帶氣候。3不同黏土礦物變化對(duì)古氣候的影響?zhàn)ね恋V物包括高嶺石、伊利石、蒙脫石和綠泥石,可以作為良好的古氣候指示參數(shù)。這是因?yàn)閹r石的風(fēng)化作用受到溫度和濕度的控制,不同的氣候條件往往造成風(fēng)化作用類(lèi)型和土壤類(lèi)型的差異,從而導(dǎo)致土壤中所含黏土礦物組合及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等存在明顯差異。高嶺石主要由長(zhǎng)石、云母和輝石經(jīng)過(guò)酸性淋濾作用形成,常見(jiàn)于潮濕氣候。伊利石則由長(zhǎng)石、云母等鋁硅酸鹽礦物風(fēng)化脫鉀形成,常見(jiàn)于寒冷少雨的氣候條件下(馮啟等,2007;李祥輝等,2008)。Prodip和Lee(1986)通過(guò)對(duì)北美科羅拉多二疊系Fountain組和印度半島三疊系Gondwana組砂巖的研究,發(fā)現(xiàn)其中的高嶺石、綠泥石、伊利石等自生礦物呈規(guī)律性變化,并認(rèn)為這種變化是由氣候控制下的大氣水化學(xué)成分變化所引起的。蒙有言等(2005)對(duì)廣西柳橋地區(qū)二疊系—三疊系界線(xiàn)處地層所含的黏土礦物進(jìn)行了研究,認(rèn)為蒙脫石和伊利石含量高代表中低緯度的溫和、干—濕交替氣候,高嶺石含量高代表溫暖—炎熱、潮濕氣候。曹珂等(2008)研究了四川盆地白堊紀(jì)陸相沉積盆地的黏土礦物組分,認(rèn)為蒙脫石和伊利石同時(shí)出現(xiàn)指示干冷與暖濕交替的氣候環(huán)境,而局部層段發(fā)育的伊利石則指示干冷氣候。國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究均證實(shí)黏土礦物可用于古氣候恢復(fù),但是,黏土礦物從原始沉積到后期成巖過(guò)程中會(huì)發(fā)生變化(例如各種礦物之間的相互轉(zhuǎn)化等),其造成的黏土礦物含量變化給古氣候恢復(fù)帶來(lái)了多解性。為提高古氣候恢復(fù)精度和可信度,應(yīng)綜合分析4種黏土礦物的相對(duì)含量變化。筆者采用高嶺石(K)與伊利石(I)的比值(K/I)來(lái)恢復(fù)古氣候,K/I值高表示溫度高、濕度大;K/I值低表示溫度低、濕度小。從44塊泥巖樣品中檢測(cè)出含伊利石的樣品36塊、含高嶺石的樣品32塊、含綠泥石的樣品43塊、含伊蒙混層的樣品44塊,未檢測(cè)出蒙脫石。選擇同時(shí)檢測(cè)出高嶺石和伊利石的樣品,取其比值分層段進(jìn)行對(duì)比分析,討論其所表征的古氣候。選取威遠(yuǎn)黃石板露頭須家河組樣品分析數(shù)據(jù)作為依據(jù),但由于單塊樣品檢測(cè)結(jié)果具有較大誤差,不足以正確反映古氣候變化,因此,分別求取采自同一層位數(shù)塊樣品的高嶺石含量和伊利石含量的平均值,然后將這兩種礦物含量的平均值相除得到兩者的含量之比(圖6)。計(jì)算出的K/I值在0.47～3.23之間波動(dòng),最低值出現(xiàn)在須6段,最高值出現(xiàn)在須5段。其中,須1、3、5段K/I值高,須2、4、6段K/I值低。須1段到須4段的波動(dòng)幅度較小(ΔK/I<1),須4段至須6段波動(dòng)幅度明顯變大(ΔK/I>2)。K/I值的這種高低變化反映了須家河組須1、3、5段沉積時(shí)期,氣候較為炎熱潮濕;須2、4、6段沉積時(shí)期,氣候較為溫和干旱。其中,須5段沉積時(shí)期較之其他時(shí)段明顯更為暖濕,而須6段沉積時(shí)期的溫度和濕度則最低。整個(gè)須家河組沉積時(shí)期中,須1段至須4段沉積時(shí)期氣候變化幅度較小,呈小幅振蕩的態(tài)勢(shì);須4段至須6段沉積時(shí)期的氣候波動(dòng)較為劇烈。4ca/mg和sr/ba值的古氣候特征沉積巖中含有的常量元素、微量元素及其中某些元素的比值已經(jīng)被廣泛用于恢復(fù)古氣候和判別沉積環(huán)境。巖石中所含元素的性質(zhì)一方面受控于其本身的物理、化學(xué)性質(zhì),另一方面又受到古氣候和古環(huán)境的影響,這是利用特征元素相對(duì)含量及其比值恢復(fù)古氣候的科學(xué)依據(jù)。從44塊泥巖樣品中檢測(cè)出15種元素,其中,常量元素5種(鈉、鎂、鉀、鈣、鐵),微量元素10種(硼、釩、鉻、錳、鎳、銅、鋅、鎵、鍶、鋇)。對(duì)采自包淺001-16井和威遠(yuǎn)黃石板露頭的每一層段中的所有樣品進(jìn)行元素檢測(cè),將檢測(cè)出的鈣、鎂、鍶、鋇含量求取平均值,得到每個(gè)層段4種元素含量的平均值。然后,分別求出各層段Ca/Mg和Sr/Ba值,用于研究須家河組各段沉積期的溫度和濕度(圖7,圖8)。Ca/Mg值基本上可反映古溫度的變化:高值指示氣溫相對(duì)較高,低值指示氣溫相對(duì)較低。Sr/Ba值則是水體鹽度的“指示劑”:高值代表鹽度高、氣候相對(duì)干燥,低值則代表鹽度相對(duì)較低、氣候相對(duì)濕潤(rùn)(陳敬安等,1999;田曉雪等,2005)。必須指出,須家河組開(kāi)始沉積時(shí)海水逐漸從四川盆地西南部地區(qū)退出(鄧康齡,1992;郭正吾等,1996),須1段沉積時(shí)位于盆地西南部的包淺001-16井區(qū)和威遠(yuǎn)地區(qū)海水尚未完全退出,為?！戇^(guò)渡相沉積環(huán)境。殘余海水影響特征元素比值的檢測(cè)結(jié)果,給古氣候恢復(fù)造成了干擾。包淺001-16井須1段異常低的Ca/Mg比值(圖7)和威遠(yuǎn)黃石板剖面須1段異常高的Sr/Ba比值(圖8)并不是原始沉積時(shí)古溫度和古濕度的真實(shí)反映,而是包含有殘留海水的貢獻(xiàn)(海水中Ca<Mg,Sr>Ba)。結(jié)合前人對(duì)本區(qū)須1段古氣候的研究成果(黃其勝,1995),應(yīng)該對(duì)該段Ca/Mg和Sr/Ba值的實(shí)測(cè)值進(jìn)行校正。圖7和圖8中推測(cè)的包淺001-16井須1段Ca/Mg值和威遠(yuǎn)黃石板剖面須1段Sr/Ba值應(yīng)為古溫度和古濕度的反映。經(jīng)過(guò)推測(cè)校正后,Ca/Mg值基本可以反映溫度變化,其規(guī)律比較明顯:須1、3、5段沉積時(shí)期溫度高,須2、4、6段沉積時(shí)期溫度低。其中,須一至須4段沉積時(shí)期的溫度表現(xiàn)為較為平緩的起伏變化,而須5段沉積時(shí)期的溫度則有大幅上升。Sr/Ba值所反映的濕度變化規(guī)律也很清楚:須1、3、5段數(shù)值較低,表示氣候潮濕;須2、4、6段數(shù)值高,表示氣候干旱。對(duì)比分析Ca/Mg和Sr/Ba值所反映的古氣候特征,認(rèn)為:須家河組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。5構(gòu)成期須家河組沉積時(shí)期的古氣候采用3種方法恢復(fù)的四川盆地晚三疊世須家河組沉積時(shí)期古氣候結(jié)果相互吻合,相互印證。孢粉學(xué)證據(jù)反映了須家河組沉積時(shí)期炎熱潮濕的熱帶—亞熱帶氣候背景。但是,植物對(duì)于環(huán)境的變化存在一個(gè)適應(yīng)期,在晚三疊世須家河組沉積時(shí)期所經(jīng)歷的約30?Ma中,植物演化相對(duì)緩慢、植被組合未發(fā)生重大變化。因此,孢粉學(xué)方法難以全面反映氣候變化的細(xì)節(jié)。其他兩種方法則對(duì)須家河組各段沉積時(shí)期的溫、濕度相對(duì)變化比較靈敏,將3種方法相結(jié)合可以比較真實(shí)、可靠地恢復(fù)須家河組沉積時(shí)期的古氣候。綜合3種方法的分析結(jié)果,不難得出四川盆地晚三疊世須家河組各段沉積時(shí)期的古氣候特征。須1段沉積時(shí)期,四川盆地為海陸過(guò)渡相沉積,氣候整體表現(xiàn)為溫度適中而濕度較大的熱帶、亞熱帶海灣氣候,該結(jié)論與前人研究結(jié)論一致(黃其勝,1995)。須2段沉積時(shí)期,海水已經(jīng)基本退出,全盆地而以陸相沉積為主。此時(shí)的溫度比須1段沉積時(shí)期稍高而濕度則相對(duì)較低,表現(xiàn)為溫和干燥、植物不太發(fā)育。由于濕度較小,風(fēng)化剝蝕作用以物理風(fēng)化為主,沉積了粗粒砂巖。須3段沉積時(shí)期,隨著龍門(mén)山的隆升,四川盆地整體發(fā)育