川西坳陷西部龍門山隆升時期上三疊統須家河組沉積響應

陳洪德，劉 磊，林良彪，王興龍，王志偉，余 瑜，曾 劍，李朋威

(1.成都理工大學 沉積地質研究院，四川 成都 610059； 2.成都理工大學 油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川 成都 610059； 3.中國石化 石油勘探開發研究院，北京 100083)

前陸盆地中蘊藏著豐富的油氣資源，其構造-沉積響應、物質充填及砂體展布等均是沉積學研究的熱點[1-4]。晚三疊世古特提斯洋向東逐漸閉合，松潘甘孜地區則擠壓成山，揚子板塊西緣逐漸由被動大陸邊緣轉為前陸盆地[5]。不同學者針對川西坳陷上三疊統特征、沉積體系合、古地理演化等從不同角度進行了諸多研究，但由于陸相層序基準面旋回變化、充填樣式、沉積體系演化的控制因素極為復雜[6-9]，且前陸盆地形成過程中，沉積環境轉換劇烈，龍門山幕式隆升過程的供砂規律、輸砂過程尚不明確，致使川西坳陷內砂體展布規律不清，儲集體非均質性強[10]。過往研究多以段為研究單元，缺乏小尺度的以亞段為單元的研究，無法更加精細的揭示物質分布與砂體聚集規律[11-15]。川西地區須二段和須四段為主要的天然氣產層[15-20]，本文基于盆-山耦合與源-匯系統理論，以須二段至須四段為研究重點，結合鉆、測井以及地震資料，以亞段為單元對川西上三疊統須家河組砂體展布特征重新進行論證，探討盆地內部的沉積充填過程及其沉積環境變化，并建立須家河組各段相應的沉積模式，以進一步揭示川西坳陷自海陸過渡相到陸相的轉變過程及其對龍門山隆升的響應。

1 區域地質概況

川西坳陷位于龍門山山脈與龍泉山山脈所限定的四川盆地西部，西臨龍門山造山帶，南抵峨眉、樂山，東部邊界至中江斜坡，北部邊界達安縣—綿陽一帶，大致呈北東方向延伸(圖1a)。受龍門山分段性的影響，川西坳陷從北至南分為北、中、南3段[7]。印支運動以來，川西坳陷周緣發育了北東向的龍門山和北西向的米倉山-大巴山兩個巨型推覆構造帶[13-14]，構成造山帶-盆緣推覆山系-盆地的組合格局。獨特的構造物源格局，致使川西坳陷須家河組時期具有多物源背景，包括北西側龍門山、北東側米倉山-大巴山以及南西側康滇古陸3大物源體系[7,15]。根據構造區劃、沉積充填、氣藏類型等因素將川西坳陷劃分為龍門山前構造帶、新場構造帶、龍泉山構造帶、梓潼凹陷、成都凹陷及中江斜坡(圖1a)。

自晚三疊世，由于印支運動的影響，海水自東而西從四川盆地逐漸退去，川西坳陷逐漸轉變為陸相沉積環境[15-18]。坳陷內地層臨龍門山造山帶一側沉積厚度大，向西減薄，具有明顯的箕狀沉積的特點[7,15]。須家河組在本區發育4段(即須二段—須五段)，本文以須二段—須四段(T3x2—T3x4)為研究重點，各段分別分上、中、下3個亞段。其中須二段和須四段以砂巖為主的不等厚砂泥互層，為儲層主要發育層位，須三段以暗色泥巖為主，為烴源巖和區域性蓋層發育層位[19-20](圖1b)。

2 沉積地層展布特征

在須家河組時期從海相盆地到前陸盆地發展階段，沉降中心都主要在龍門山前帶。通過過龍門山前構造帶地震剖面及解釋可知(圖2)，沉降中心在龍門山前具有逐漸從北往南遷移的趨勢(圖2)，反映龍門山各段隆升也具有從北到南逐漸隆起的演化規律。龍門山前構造帶須二段和須三段沉積時期地層厚度較厚，至須四段和須五段沉積時期地層厚度明顯減薄，且坳陷邊緣地層剝蝕嚴重。

圖2 川西坳陷NE-SW向上三疊統須家河組發育特征

2.1 須二段沉積時期

該時期川西坳陷沉降中心位于龍門山中段，厚度達500～700 m，整體沉積地層北東-南西向展布。除中江斜坡沉積厚度小于200 m外，其余大部分地區，包括大邑地區、成都凹陷、新場構造帶、梓潼凹陷等均為200～500 m的高沉積厚度區域，說明須二段沉積時期川西坳陷整體沉降、沉積速率大，沉積厚度大。川西坳陷須二段地層具有明顯的東薄西厚的特征，說明須二段沉積時期西側龍門山前持續沉降提供的可容納空間遠大于東側(圖3a)。

2.2 須三段沉積時期

須三段沉積時期川西坳陷沉降中心逐漸向南遷移，沉積厚度達500～700 m。沉降中心范圍相比較須二段沉積時期大幅度增大，幾乎覆蓋整個龍門山前帶。該時期整體地層展布方向、特征與須二段沉積時期相比，具有一定的繼承性，但龍門山前沉降中心持續沉降所提供的可容納空間較須二段沉積時期繼續增大。須三段沉積時期，整體川西坳陷沉積地層厚度仍舊表現為西厚東薄的特征，東、西兩側厚度差異較須二段沉積時期進一步增大。大邑地區、梓潼凹陷、新場構造帶及成都凹陷的大部分區域沉積厚度總體為300～450 m。中江斜坡、龍泉山構造與成都凹陷西南區域為低沉積厚度區，沉積厚度小于200 m，且低沉積厚度區范圍較須二段沉積時期更大(圖3b)。

2.3 須四段沉積時期

須四段沉積時期，川西坳陷整體地層厚度和沉積范圍都迅速縮小，沉積厚度約為200～500 m。沉降中心則進一步往南遷移、縮小，至龍門山南段附近，沉降中心厚度約450 m。除龍門山前南段區域，川西坳陷及周緣地區沉積地層均不同程度減薄，致使川西整體沉積地層厚度差異變小。梓潼凹陷大部分區域、大邑地區東側及大部分成都凹陷則轉變為低沉積厚度區域，反映須四段沉積時期川西坳陷內整體可容納空間相比較須三段沉積時期大幅減小。中江斜坡及龍泉山構造地層厚度仍舊為低沉積厚度區域，而新場構造帶東西兩側地層厚度差異變大，逐漸轉變為東薄西厚的特征(圖3c)。

圖3 川西坳陷上三疊統須家河組沉積時期殘余地層厚度

3 沉積體系類型

通過對川西坳陷上三疊統須二段至須四段大量野外調查和室內研究，基于巖石組合、沉積組構、沉積序列以及沉積機理等因素，結合前人研究成果，認為受安縣運動的影響，四川盆地于須三段沉積末期才完全轉換為陸相盆地，并將其劃分為以下幾種沉積體系(表1；圖4)[7，16-18]。①海-陸過渡體系：主要為三角洲沉積體系(圖4a—d)；②陸相體系：主要包括沖積扇沉積體系(圖4e—g)、湖泊沉積體系、湖泊三角洲沉積體系(扇三角洲、辮狀河三角洲)(圖4h—l)。

3.1 海-陸過渡沉積體系

海-陸過渡沉積體主要為海-陸過渡相三角洲，發育于川西坳陷須二段、須三段沉積時期，砂巖中發育中至大型板狀交錯層理、槽狀交錯層理(圖4a)及平行層理等，砂體底部一般都具有明顯的沖刷面構造。大型海-陸過渡三角洲，由于搬運距離較遠，疊置發育的分流河道砂往往被河道間粉砂或泥隔開(圖4b)。海-陸過渡相三角洲前緣受海浪、潮汐等作用的共同影響，沉積物中與河流、海浪和潮汐等有關的沉積構造更加發育，可見大型三角洲前緣滑塌形成的同沉積變形構造(圖4c,d)。與湖泊三角洲相似，同樣可劃分為三角洲平原、三角洲前緣及前三角洲三個亞相，而各三角洲之間則為與古特提斯海相連的海灣(表1)。

3.2 陸相沉積體系

1)沖積扇

沖積扇主要發育于須家河組四段龍門山前帶出山口區域，分布范圍局限。沖積扇中的厚層礫巖段主要為碳酸鹽質礫巖(圖4e—g)。根據沖積扇的沉積學特征，可以將其劃分為以下3個亞相：扇根亞相，扇中亞相和扇端亞相。扇根亞相可以識別出泥石流沉積和河道礫巖沉積，往往為礫、砂、泥的混合體(圖4g)；扇中亞相是各期沖積扇中最發育的部分，常由扇面礫質辮狀水道沉積和洪泛沉積兩部分構成(圖4e，f)；扇端亞相主要由洪泛沉積構成。由扇根到扇端，礫巖的礫徑變細，礫巖、砂巖減少，粉砂巖、泥巖增多(表1)。

2)湖泊三角洲

湖泊三角洲為河流注入湖泊時沉積物卸載而形成，在川西地區廣泛發育于須四段中，以發育湖泊中的辮狀河三角洲為主，大量富砂的水下分流河道及河口壩疊置發育可形成厚層砂體(圖4h—j)，可見強水流沖刷下形成的泥質角礫(圖4h)，大量平行層理、板狀交錯層理(圖4i)及楔狀交錯層理發育(圖4j)。依據其沉積特征、物源遠近及其在箕狀湖盆中的展布位置，又將其進一步分為扇三角洲(龍門山供源)與辮狀河三角洲(大巴山供源)，其中扇三角洲主要沉積巖性為富碳酸鹽巖質礫巖與鈣屑砂巖(圖4k)，辮狀河三角洲主要沉積巖性為巖屑三角洲(圖4l)。湖泊三角洲依次又分為三角洲平原、三角洲前緣與前三角洲亞相(表1)。

圖4 川西坳陷上三疊統須家河組各沉積體系典型沉積構造

3)湖泊

湖泊沉積發育于須四段，主要為濱淺湖亞相，與湖泊三角洲前三角洲亞相不易區分，在平面上湖濱淺湖是三角洲沉積體系的終端。須三段沉積末期完全轉換為陸相環境之后，三角洲前緣遠端富泥貧砂的區域則為湖泊沉積(表1)。

表1 川西坳陷上三疊統須家河組沉積體系劃分

4 沉積砂體展布及演化

須二段和須三段沉積時期，坳陷內砂體以海陸過渡相三角洲前緣砂為主，須四段和五段沉積時期以湖相三角洲前緣砂為主，三角洲前緣與前三角洲亞相交替發育。須二段和、須四段沉積時期整體富砂，須三段沉積時期相對貧砂，反映研究區砂體沉積充填過程的幕式節律性與二元性。NE-SW向砂體對比圖中，須二段砂體連通性優于須四段(圖5)；而NW-SE向砂體對比圖中，須四段砂體連通性優于須二段(圖6)。須二段沉積時期，川西坳陷北側整體砂體規模大于南側。須四段時期，近龍門山一側砂體規模明顯增大，大量厚層的碳酸鹽質礫巖沉積于龍門山前構造帶(圖6)。

4.1 須二段沉積期

須二段沉積時期，龍門山尚未完全隆升，川西坳陷西側依然與古特提斯洋相連[19-20]，南部康滇古陸及北部大巴山供源形成的海陸過渡相三角洲主要沿NE-SW向展布，海域范圍逐漸縮小(圖5，圖6)。須二下亞段沉積時期，米倉山-大巴山與局部隆升的龍門山物源供砂能力有限，龍門山中段形成的小規模三角洲，也未與北東向的大型海陸過渡相三角洲連片(圖7a,d)。該時期砂體推進距離較短，坳陷內海域面積最大，整個成都凹陷、龍泉山構造帶及中江斜坡均為前三角洲-海灣沉積。須二中亞段時期，大巴山與龍門山物源供砂增強，坳陷內砂體連片，砂體覆蓋面積增大，新場構造帶及中江斜坡均轉變為三角洲前緣沉積。海域范圍縮小，前三角洲-海灣沉積局限在成都凹陷區域(圖7b,e)。須二上亞段時期，坳陷北部砂體范圍進一步增大，南部康滇古陸形成的三角洲范圍相對縮小，坳陷內海域范圍相比較須二中亞段時期進一步縮小；并且來自大巴山三角洲砂體主河道在該時期向東遷移，而來自龍門山的三角洲砂體河道向南遷移(圖7c,f)。

4.2 須三段沉積期

須三段沉積時期，砂體主要富集于坳陷北部梓潼凹陷和南部大邑地區，由于此時龍門山尚未完全隆升，致使川西地區仍與海洋連同[8]，因此南北斜坡部位砂體均為海陸過渡相三角洲(圖5，圖6,圖8)。須三下亞段至須三上亞段沉積時期，北部斜坡砂體規模略有縮小，仍然發育海陸過渡相三角洲。而南部三角洲砂體于須三中亞段沉積時期各相帶沉積范圍最大，砂地比也最高，砂體此時甚至延伸至成都凹陷(圖8b,e)。而新場構造帶，及成都凹陷大部分區域，整體為前三角洲-海灣沉積背景，但各亞段沉積時期內均發育呈點狀局部富集的灘壩砂體。龍門山前地區及中江斜坡，整個須三段沉積時期均表現為貧砂的特征，為前三角洲-海灣沉積

4.3 須四段沉積期

須四段沉積時期，川西坳陷整體富砂并轉換為陸相沉積環境，砂體及湖域展布面積總體較穩定(圖5，圖6，圖9)。三角洲平原亞相內厚層碳酸鹽巖質礫巖主要富集于須四下亞段，且近龍門山一側規模明顯較大(圖9a,d)。其中米倉山-大巴山供源形成的辮狀河三角洲和龍門山形成的扇三角洲為主要富砂沉積體系，川西坳陷內砂體總體呈NW-E與NE-SW雙向展布。南部大邑地區形成的辮狀河三角洲主要為三角洲前緣砂體，且沉積范圍穩定。大巴山供源形成的辮狀河三角洲，經中江斜坡及新場構造帶東部區域，推進至成都凹陷，至須四上亞段沉積時期規模最大(圖9c,f)。龍門山供源形成于山前帶的多個沖積扇沿NE向發育。新場構造帶內，龍門山供源形成的扇三角洲平原沉積范圍自須四下亞段沉積時期逐漸縮小；至須四上沉積時期完全轉換為三角洲前緣沉積，砂體推進方向具有明顯的雙向性(圖9)。

圖6 川西坳陷NW-SE向上三疊統須家河組砂體連井對比

5 沉積充填過程及其對龍門山隆升的響應

須二段沉積時期，受印支Ⅱ幕運動影響，坳陷擠壓應力得到突然釋放，進入松弛期，該階段以高部位剝蝕卸載低部位抬升為特征[9]。須二段沉積時期，沉降中心與沉積中心重合，說明龍門山此時并未因逆沖推覆而強烈供源，古特提斯洋依舊未完全關閉[5]。依據最新的汶川科學鉆探，陳斌等[5]認為須二段沉積時期川西坳陷沉積范圍甚至可延伸至龍門山斷裂以西。米倉山-大巴山造山帶，在須二段沉積時期處于穩定低幅隆升狀態[20]。須二段各亞段沉積時期，龍門山局部隆升，僅中段-北段提供極少量物源，因此僅在龍門山前鴨子河地區形成小規模三角洲，整體仍以北部米倉山-大巴山供源為主。須二段沉積時期，坳陷表現為弱擠壓與強物源供給背景，湖平面快速下降，低可容納空間背景下米倉山-大巴山供給砂體主要沿盆內低部位以NE-SW向推進，所形成的海陸過渡相三角洲前緣砂體不斷增大。到須二上亞段沉積時期，海域范圍進一步縮小，低可容納空間下，多期河道砂相互疊置[21]，致使幾乎滿盆皆砂(圖10a)。大巴山三角洲主河道砂體在須二上沉積時期向東遷移則可能與大巴山的左行走滑活動相關[13]。

須三段沉積時期，龍門山強烈逆沖推覆，但快速上升的海平面致使其整體為水下隆起，南部康滇古陸及米倉山-大巴山則為川西坳陷主要物源。由于受古特提斯洋關閉時剪切應力的影響[9]，產生近北西-南東向的擠壓應力，并逐漸增強，在川西坳陷內產生新的撓曲沉降，形成北東-南西向展布的狹窄高可容納空間沉積區[9,22]。須三段沉積期，可容納空間迅速增加，且增大速率遠超砂體供給，砂體主要富集于坳陷南北邊緣高部位(圖10b)。須三中亞段沉積時期，南部三角洲范圍明顯增大，可能是由于擠壓應力減弱致使局部可容納空間變小。強擠壓與弱物源供給背景，致使坳陷內主要發育前三角洲-海灣細粒沉積，部分高地貌區域由于水體較淺可發育灘壩沉積(圖10b)。

須四段沉積時期，龍門山中、北段進入強烈構造隆升階段，北川—映秀斷裂沖斷至地表，應力集中到最大后迅速釋放[5]。坳陷南部三角洲前緣薄層砂體范圍須四各亞段沉積時期變化較小，表明南部康滇古陸供源穩定；受“安縣運動”的影響，龍門山全面隆升并作為主物源[11，7]，因而坳陷內沉降中心與沉積中心并不一致；同時，會同北部米倉山-大巴山供給砂體，沉積物供給通量驟然增多，整個川西坳陷始終處于過補償-補償狀態，致使砂體雙向推進，整體展布距離逐漸增大(圖10c)。來自龍門山中、北段的碳酸鹽巖質礫巖主要富集于須四下亞段，且近龍門山一側規模明顯較大，反映此時物源區與沉積盆地間的地形反差大，并指示龍門山物源區的強烈抬升[19，23-29]。同時，大量沖積扇裙形成于龍門山前，致使新場地區該時期以三角洲平原為主，川西坳陷此時主要受龍門山物源影響[10-11]。龍門山造山帶形成以后，川西前陸盆地沉積范圍完全縮小至龍門山斷裂帶以東區域[5，22]。至須四上亞段沉積時期，緩慢下降的湖平面致使可容納空間進一步減小，此時大巴山供給形成的辮狀河三角洲砂體供砂進一步增強，并逐漸占據主導地位，使得坳陷內砂體沿NE-SW的分布范圍進一步擴大，新場構造帶則完全轉換為三角洲前緣沉積(圖10c)。

圖10 川西坳陷上三疊統須二段—須四段沉積模式

6 結論

1)將川西地區須家河組時期沉積體系分為陸相體系與海陸-過渡體系。其中須二段、須三段沉積時期為海-陸過渡環境三角洲沉積體系。受安縣運動的影響，四川盆地于須三段沉積末期才完全轉換為陸相盆地，陸相體系發育于須四段沉積時期：主要包括沖積扇、湖泊和湖泊三角洲沉積體系。

2)須二段沉積時期，沉積中心逐漸縮小，沉降中心沿龍門山往SW向遷移，各亞段沉積期海-陸過渡相三角洲內(疊置)主河道具有相對的一致性與繼承性，北部主河道具有向東遷移的趨勢。須三段沉積時期，海-陸過渡環境三角洲前緣砂體主要富集于坳陷北部和南部斜坡部位，北部斜坡砂體范圍略有縮小，南部砂體須三中沉積時期范圍最大；坳陷中央發育呈點狀局部富集的砂體。須四段沉積時期，湖相三角洲前緣砂體及湖域整體展布面積穩定，呈NW-SE與NE-SW雙向推進且規模逐漸增大。

3)米倉山-大巴山、龍門山及康滇古陸為川西坳陷的區域物源，龍門山幕式擠壓過程中隆升強度、時序的差異共同控制了各沉積時期坳陷內砂體沉積充填過程，造山隆升作用與盆內沉積充填作用在北段、中段和南段都表現出明顯和一致的差異性。須二各亞段沉積時期，龍門山北段局部隆升，弱擠壓與強物源供給背景，以米倉山-大巴山供源為主，龍門山北段提供極少量物源，低可容納空間內砂體主要呈NE-SW向推進，到須二上亞段時期幾乎滿盆皆砂。須三段沉積時期，龍門山強烈逆沖推覆，整體表現為水下隆起，強擠壓與弱物源供給背景，南部康滇古陸及米倉山-大巴山作為主要物源，高可容納空間背景下，砂體主要沉積于南北斜坡邊緣高部位。須四段沉積時期，南部康滇古陸供源穩定；龍門山全面隆升且遭受剝蝕作為主物源，會同北部米倉山-大巴山雙側供砂且整體連片，致使低可容納空間內砂體雙向推進，展布距離逐漸增大。