坳拉槽層序地層學：以湘中坳陷為例

劉辰生，郭建華

坳拉槽層序地層學：以湘中坳陷為例

劉辰生1, 2，郭建華1, 2

(1. 中南大學有色金屬成礦預測與地質環境監測教育部重點實驗室，湖南長沙，410083；2. 中南大學地球科學與信息物理學院，湖南長沙，410083)

錫礦山組沉積期是湘中坳拉槽最發育的時期，根據巖性、沉積構造及古生物等沉積相鑒別標志，可識別出深水臺盆相、淺水臺盆相、局限臺地相、滑塌灰巖相和濱岸相等。從錫礦山組可識別出4個三級層序邊界，劃分出3個三級層序。從這3個層序均可識別出海侵體系與和高位體系域，海侵體系域為淺水臺盆相和深水臺盆相沉積，而高位體系域為淺水臺盆相、局限臺地相和濱岸相沉積；坳拉槽層序在發育過程中受到構造活動、物源和氣候等因素的控制，其中構造是主控因素。SQ1層序沉積期邊界斷裂活動性最強，烴源巖也最發育。

坳拉槽；錫礦山組；層序地層學；構造活動；烴源巖

2013年川中古隆起起發現了安岳震旦系—寒武系特大型氣田，探明含氣面積為779.9 km2，探明地質儲量為4 403.8×108m3。該特大型氣田的烴源巖分布在川中“德陽—安岳”古裂陷槽內[1]，這也使坳拉槽再次成為地質學研究者關注的焦點。20世紀60年代，朱夏[2]指出今后尋找油氣資源的工作重點將轉向2類盆地：一類是阿爾卑斯期(中新生代)的盆地，另一類則是受阿爾卑斯運動體制改造了的早期(古生代)盆地。孫樞等[3]指出坳拉槽與油氣和礦產資源存在密切關系，應加大對坳拉槽的地質勘探工作。但隨著我國東部陸相油氣田的成功勘探，研究重點轉向陸相斷陷盆地的構造、沉積和成藏等方面，而對坳拉槽的地質研究逐漸減少。目前，隨著頁巖氣和南方油氣勘探的興起，亟待對坳拉槽的沉積建造過程、構造活動期次以及坳拉槽的油氣勘探潛力等進行研究。湘中坳拉槽廣泛發育上泥盆統泥頁巖烴源巖，該烴源巖以腐泥型為主，平均殘余有機碳質量分數為0.36%，有機質成熟度(o)為1.8%~2.5%，表明湘中坳拉槽烴源巖具有很強的生烴能力，且已經處于生氣階段。統計表明，湘中坳陷90%以上的油氣顯示均分布在坳拉槽發育的區域(圖1)，因此，坳拉槽對湘中坳陷油氣具有明顯的控制作用。雖然湘中坳拉槽具有很強的油氣勘探潛力，但對于該坳拉槽的沉積建造過程以及構造活動對沉積的影響等方面的認識有待深入。湘中坳陷基底為下古生代褶皺基底。寒武紀—晚奧陶世湘中坳陷為上揚子大陸邊緣盆地?深水緩坡沉積區，發育巨厚層暗色泥頁巖[4?5]。在晚奧陶世—中、晚志留世，湘中坳陷為前陸盆地沉積區，廣泛發育砂泥巖沉積。在志留紀末期湘中坳陷受廣西運動的影響，全區隆起為陸，地層受到剝蝕。在中泥盆世，研究區受拉張應力作用，形成北北東向裂陷槽，并受到西南方向海侵的影響。湘中坳拉槽在晚泥盆世達到全盛時期，海侵規模最大，泥頁巖最發育[6?7]，同時，坳拉槽邊緣廣泛發育生物礁和邊緣淺灘沉積。在晚泥盆世末期，湘中坳拉槽受到熱沉降的影響轉變為坳陷型盆地，坳拉槽對沉積的控制作用減弱。

圖1 湘中坳拉槽和油氣顯示點分布

1 沉積相類型

上泥盆統錫礦山組沉積期是湘中坳拉槽最發育的時期之一，也是烴源巖最發育的時期。錫礦山組可劃分為4個段，自下而上分別是陶塘段、兔子塘段、泥塘里段和馬牯腦段(見圖2)。陶塘段以灰黑色鈣質頁巖為主，夾薄層泥質條帶灰巖和含生物碎屑灰巖。兔子塘段下部為灰色中—厚層具鐵質斑點生物碎屑灰巖和瘤狀灰巖，鐵質斑點多呈紅褐色；中部為灰色和灰黑色鈣質頁巖夾灰色瘤狀灰巖；上部為灰色中層瘤狀灰巖和含生物碎屑灰巖。泥塘里段以灰色鈣質頁巖及棕紅色薄—中層鐵質砂巖為主(局部為赤鐵礦)，該鐵礦層中常發育大量斜層理及生物介殼，鐵礦層厚度穩定，平均厚度為20 m，是標志層。馬牯腦段下部為灰色薄層鈣質頁巖、瘤狀灰巖、灰質砂巖和含生物碎屑灰巖，中部為灰黑色鈣質頁巖，上部為灰黑色薄層鈣質頁巖、瘤狀灰巖和厚層含生物碎屑灰巖。

圖2 湘中坳拉槽層序地層劃分方案

根據巖性、沉積構造及古生物等沉積相鑒別標志，研究區錫礦山組可識別出深水臺盆相、淺水臺盆相、滑塌灰巖相、局限臺地相和濱岸相等。

1) 深水臺盆相。巖性以灰黑色鈣質頁巖為主。鈣質頁巖中常夾有薄層含生物碎屑灰巖和泥質條帶灰巖。鈣質頁巖中常含完整的珊瑚化石，珊瑚化石平均長約8 cm，直徑為0.2~1.5 cm，為臺地邊緣生物礁滑塌沉積。深水臺盆相限制在2條邊界斷裂之間，是邊界斷裂強烈活動期深水沉積。深水臺盆相分布在陶塘段、兔子塘段和馬牯腦段。

2) 淺水臺盆相。巖性以灰色中—厚層狀泥灰巖和瘤狀灰巖為主，少見生物碎屑。淺水臺盆相是邊界斷裂弱斷陷期沉積，水體深度較深水臺盆相小。該相常與下伏深盆臺地相鈣質頁巖組成向上變淺的準層序。該相在陶塘段、兔子塘段、泥塘里段和馬牯腦段均有發育。

3) 滑塌灰巖相。巖性以泥質條帶灰巖、生物碎屑灰巖和瘤狀灰巖為主。生物碎屑灰巖中生物屑質量分數在40%以上，生物顆粒間以泥晶膠結物為主，發育滑塌角礫巖和斜層理、沖刷面。瘤狀灰巖常為薄至中層，泥質質量分數高，滑塌變形構造發育，常見完整的珊瑚和腕足類化石。該相在陶塘段、兔子塘段、泥塘里段和馬牯腦段均發育。

4) 局限臺地相。巖性以灰色厚層含生物碎屑灰巖和泥晶灰巖為主。生物碎屑粒徑小，平均粒徑小于 5 mm，生物碎屑分選差，含生物碎屑灰巖泥質質量分數高。局限臺地相主要分布在錫礦山組馬牯腦段。

5) 濱岸相。巖性以鐵質砂巖和鮞粒赤鐵礦(即“寧鄉式赤鐵礦”)為主。鐵質砂巖中含有大量的生物碎屑，且斜層理發育。濱岸相僅分布在泥塘里段，沉積期水體淺，水動力條件強。

2 層序劃分

2.1 層序邊界識別

研究區層序邊界識別主要依據沉積相類型的變化和準層序疊置樣式的改變。研究區錫礦山組共識別出4個層序邊界，自下而上分別命名為B1，B2，B3和B4(圖2)。

B1位于錫礦山組底部，界面之下為佘田橋組局限臺地相，而B1界面以上為錫礦山組陶塘段深水臺盆相，界面上、下沉積相存在缺失。B2位于陶塘段與兔子塘段交界處，其下為陶塘段滑塌灰巖相，其上為兔子塘段淺水臺盆相和局限臺地相，層序界面上下沉積相類型發生明顯變化。B3界面位于泥塘里段和馬牯腦段交界處，界面之下為濱岸相，界面之上為淺水臺盆相，界面上下沉積相類型出現突變。B4界面位于馬牯腦段頂部，界面之下為局限臺地相，界面之上為石炭系邵東組濱岸相。界面上下沉積相類型發生突變，且界面為侵蝕面。

2.2 層序劃分

根據B1，B2，B3和B4等4個層序界面，劃分出3個三級層序，自下而上為SQ1，SQ2和SQ3層序(圖2)。

2.2.1 SQ1層序

該層序包括陶塘段，該段以鈣質頁巖為主，根據巖性、沉積環境的變化和準層序疊置樣式的改變可識別出海侵體系域和高位體系域。海侵體系域巖性包括薄層狀泥灰巖、鈣質頁巖夾薄層生物碎屑灰巖。海侵體系域由2個準層序形成退積準層序組，每個準層序下部為深水臺盆相沉積的鈣質頁巖和薄層泥灰巖，上部為淺水臺盆相沉積的薄層泥質條帶灰巖，準層序自下而上水體深度逐漸減小。該體系域平均厚度達 130 m。

高位體系域分布在陶塘段上部，巖性以薄層鈣質頁巖和泥質條帶灰巖為主。高位體系域由2個準層序組成進積準層序組。每個準層序下部為深水臺盆相薄層泥灰巖，上部為淺水泥質條帶灰巖。該體系域與海侵體系域相比較，生物化石質量分數明顯增大，而泥質質量分數明顯減小。

2.2.2 SQ2層序

該層序包括兔子塘段和泥塘里段。兔子塘段巖性包括瘤狀灰巖、鈣質頁巖和生物碎屑灰巖，泥塘里段為鈣質頁巖和鐵質砂巖。該層序可識別出海侵體系域和高位體系域，低位體系域不發育。

海侵體系域包括兔子塘組中、下部，巖性為厚—巨厚層含生物碎屑灰巖、具鐵質斑點含生物碎屑瘤狀灰巖和鈣質頁巖。由下至上，沉積相類型依次為局限臺地相、滑塌灰巖相、淺水臺盆相和深水臺盆相，體現了水體深度逐漸變深、可容納空間逐漸增大的趨勢。該體系域由3個準層序疊置組成1個退積準層序組。每個準層序下部均為深水臺盆相，上部為局限臺地相或開闊臺地相。

高位體系域包括兔子塘段上部和泥塘里段。兔子塘段上部巖性包括深水臺盆鈣質頁巖和滑塌灰巖相瘤狀灰巖以及局限臺地相含生物碎屑灰巖，而泥塘里段巖性為淺水臺盆相鈣質頁巖和濱岸相鐵質砂巖。該體系域由2個準層序疊置形成1個進積準層序組。每個準層序下部均為臺盆相，而上部則漸變為滑塌灰巖相、局限臺地相或濱岸相。

2.2.3 SQ3層序

該層序包括馬牯腦段，可識別出海侵體系域和高位體系域，見圖3。海侵體系域分布在馬牯腦段下部，巖性包括濱岸相灰質砂巖、局限臺地相含生物碎屑灰巖、滑塌灰巖相瘤狀灰巖、淺水和深水臺盆相鈣質頁巖等。海侵體系域由2個準層序疊置形成退積準層序組，每個準層序下部均由臺盆相鈣質頁巖沉積，上部為滑塌灰巖相、局限臺地相或濱岸相等淺水沉積。

高位體系域分布在馬牯腦段上部，巖性包括深水臺盆相鈣質頁巖、中層瘤狀灰巖和含生物碎屑灰巖等。該體系域可識別出2個準層序，每個準層序組下部為臺盆相鈣質頁巖沉積，向上漸變為滑塌灰巖相瘤狀灰巖和局限臺地相含生物碎屑灰巖等沉積。這2個準層序頁巖的質量分數向上減少，灰巖厚度逐漸增大，整體表現為向上可容納空間逐漸減小，因此，這2個準層序疊置形成進積準層序組。

2.3 湘中坳拉槽沉積演化

研究區錫礦山組各段巖性復雜，既有碳酸鹽巖，又有碎屑巖。復雜的巖石類型表明研究區沉積相類型豐富。通過巖性和沉積構造研究表明研究區沉積相類型包括深水臺盆相、淺水臺盆相、局限臺地相和濱岸相等。錫礦山組陶塘段(SQ1層序)以深水臺盆相鈣質頁巖沉積為主，頁巖中夾有薄層泥質條帶灰巖，泥質條帶灰巖中滑塌常發育滑塌變形構造。雖然兔子塘段(SQ2層序中下部)仍然發育鈣質頁巖，但鈣質頁巖的厚度明顯減小，灰巖的規模增大，表明兔子塘段以淺水臺盆和局限臺地相為主，而深水臺盆相沉積期較短。泥塘里段(SQ2層序上部)沉積期主要為淺水臺盆相泥頁巖和濱岸相等沉積，因此，該段沉積期水體進一步變淺。馬牯腦段(SQ3層序)沉積期鈣質頁巖的質量分數增大，至該段中部頁巖質量分數達到最大，該段上部灰巖質量分數增大，而頁巖質量分數減小。該段沉積相類型由淺水臺盆相和局限臺地相過渡到深水臺盆相，至該段上部復變為淺水臺盆相和局限臺地相。因此，根據沉積相類型的變化，可以總結認為：自陶塘段至泥塘里段，主要沉積相類型由深水臺盆相變為淺水臺盆相、局限臺地相和碎屑濱岸相，水體由深變淺。

圖3 錫礦山組SQ3層序沉積特征

泥塘里段至馬牯腦段沉積相類型由濱岸相復變為深水臺盆相和局限臺地相，因此，水體由淺變深再變淺。

3 坳拉槽層序控制因素

研究區層序明顯受到構造活動、物源和氣候的控制，其中構造活動是其主要的控制因素。

3.1 構造因素

構造活動規律控制了層序內部構成、沉積體系類型和分布。泥盆紀，華南海發生了明顯的陸內裂陷作用，桂中、桂東北、桂西、黔南地區出現臺間坳拉 槽[8?10]，中泥盆世坳拉槽逐漸向北東方向擴展，并達到湘中地區。該時期在湘中地區形成廣泛的碳酸鹽臺地和臺盆相間分布的格局[11?13](圖4)。臺盆是分布在碳酸鹽巖臺地間的深水沉積區，并受到坳拉槽邊界斷裂的控制，海水深數十米至幾百米不等。整體而言，錫礦山組沉積早期是坳拉槽邊界斷裂最活躍的時期，并控制著整個坳拉槽主要烴源巖的沉積。錫礦山組沉積晚期，坳拉槽邊界斷裂的活動性明顯減弱，并趨于停止，烴源巖厚度也減薄。雖然邊界斷裂總體經歷了由強到弱的轉變，但在各層序沉積期邊界斷裂又體現出獨特的幕式性。

圖4 湘中坳拉槽沉積演化

SQ1層序沉積期是邊界斷裂活動最強烈的時期，該層序沉積體系包括深水臺盆相和少量的滑塌灰巖相，巖石類型以深水臺盆相沉積的鈣質頁巖為主。在SQ2層序沉積期，雖然邊界斷裂活動性減弱，但在最大海泛面附近仍然發育厚度較大的深水臺盆相鈣質頁巖，這表明SQ2層序弱斷陷期仍然發育了次一級斷裂強烈活動。該層序高位期斷陷活動停滯，沉積相以碎屑濱岸相為主。SQ3層序沉積期邊界斷裂再次活動，海侵體系域沉積期坳拉槽內依次沉積了局限臺地相、淺水臺盆相和深水臺盆相。該層序厚度較大的鈣質頁巖分布在最大海泛面上下，對應邊界斷裂最活躍的時期。在高位體系域沉積期，邊界斷裂活動強度減弱，坳拉槽內依次沉積滑塌灰巖相和局限臺地相。由SQ1至SQ3層序，坳拉槽邊界斷裂的活動規律總體表現為強—弱—較強—弱，而各層序沉積水體相應的變化規律為深—淺—較深—淺，相應的鈣質頁巖的厚度為厚—薄—較厚—薄。

3.2 物源因素

研究區坳拉槽在沉積過程中受到周緣物源的影響，尤其是SQ2層序受碎屑物源的影響最大。在SQ1層序沉積期，坳拉槽水體最深；在海平面最廣，坳拉槽周圍物源遠離坳拉槽，因此，坳拉槽內以深水臺盆相鈣質頁巖沉積為主。在SQ2層序沉積期，陸源碎屑對研究區產生明顯的影響，尤其是在SQ2層序高位體系域廣泛發育濱岸相鐵質砂巖。這也是湘中地區坳拉槽沉積區別于廣西和貴州地區泥盆系坳拉槽的根本特征：雖然它們為同一個三叉裂谷體系形成的坳拉槽，但廣西和貴州坳拉槽均為深水臺盆和碳酸鹽巖臺地相，不發育碎屑巖沉積。碎屑巖發育規模直接影響到坳拉槽頁巖氣開發以及常規油氣的聚集和成藏。

3.3 氣候因素

氣候對層序的控制作用表現為對沉積物構成和沉積體系分布等方面。SQ1沉積期氣候濕潤，沉積物以深灰色鈣質頁巖為主，沉積相類型變化較小。SQ2層序海侵體系域沉積期氣候變為半濕潤—半干旱，沉積物中含有干旱氣候特有的棕紅色鐵質斑點和棕紅色泥質斑點。同時，沉積相類型也較SQ1層序豐富，包括局限臺地相、淺水臺盆相和深水臺盆相等，沉積相縱橫向變化快。SQ2層序高位體系域沉積期變為干旱氣候，沉積物類型也以棕紅色鐵質砂巖為特征，且橫向分布穩定。SQ3層序氣候變為半濕潤—半干旱，沉積物類型以瘤狀灰巖和含生物碎屑灰巖為主，但瘤狀灰巖中仍然發育棕紅色鐵質和泥質斑點。

4 結論

1) 錫礦山地區錫礦山組可識別出4個層序邊界，劃分出3個三級層序。SQ1包括陶塘段，SQ2層序包括兔子塘段和泥塘里段，SQ3層序包括馬牯腦段。

2) SQ1層序以深水臺盆相和少量淺水臺盆相沉積為主；SQ2層序以淺水臺盆相、局限臺地相和濱岸相為主，夾少量深水臺盆相；SQ3層序下部為深水臺盆相沉積，至該段上部變為淺水臺盆相和局限臺地相。

3) 臺間海槽層序充填樣式受構造作用、物源和氣候的影響，其中構造作用是層序的主控因素。SQ1沉積期構造活動最強烈，深水臺盆相鈣質頁巖烴源巖最發育；SQ2層序沉積期構造活動減弱，烴源巖的規模也較SQ1層序小得多；SQ3層序邊界斷裂重新活動，沉積體系以淺水臺盆相和局限臺地相為主，該層序沉積期是烴源巖較發育時期。

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(編輯 陳燦華)

Sequence stratigraphy of aulacogen:taking Xiangzhong depression as an example

LIU Chensheng1, 2, GUO Jianhua1, 2

(1. Key Laboratory of Metallogentic Prediction of Nonferrous Metals and Geological Environment Monitoring of Ministry of Education, Central South University, Changsha 410083, China;2. School of Geosciences and Info-physics, Central South University, Changsha 410083, China)

Aulacogen develops best during Xikuangshan formation deposition. According to lithology, sedimentary structure and paleonotology, restricted platform facies, deep water inter-platform, shallow inter-platform and coastal facies can be identified. Four third-order sequence boundaries can be identified, and three third-order sequences can be divided. All of sequence can be subdivided into transgressive system and high stand system. Facies of transgressive system include shallow inter-platform and deep inter-platform. Facies of high stand system include shallow inter-platform, restricted platform and coastal facies. The sequences evolution of Xikuangshan formation is controlled by structure and climate factors, and structure is the major controlling factor. Activity of boundary fault is the strongest during deposition of SQ1, and the source rock develops the most.

aulacogen; Xikuangshan formation; sequence stratigraphy; structure activity; source rock

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.08.019

TF112.21

A

1672?7207(2017)08?2113?06

2016?09?10；

2016?11?21

湖南省自然科學基金資助項目(2017JJ1034)(Project(2017JJ1034) supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province)

劉辰生，博士，從事層序地層學和沉積學研究；E-mail：Lcsjed@163.com