四川盆地二疊紀棲霞—茅口期古地理格局轉換及勘探啟示

楊帥，陳安清，張璽華，李乾，徐勝林，陳聰，孫詩，李富祥，羅倩，文龍，陳洪德

1.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室（成都理工大學），成都 610059

2.成都理工大學沉積地質研究院，成都 610059

3.中國石油西南油氣田公司勘探開發研究院，成都 610041

0 引言

回顧中國碳酸鹽巖的油氣勘探歷程，可主要劃分為以下三個階段：1）上世紀中后期以靖邊氣田為典型代表的尋找構造高部位的巖溶型碳酸鹽巖油氣藏；2）在步入21世紀后，以普光氣田為典型代表的尋找臺地邊緣礁灘油氣藏；3）2010年以來，逐漸拓展至尋找克拉通內幕白云巖油氣藏新領域[1]。四川盆地是我國重要的油氣能源基地，自20世紀60年代以來經歷了復雜的勘探歷程，當前的勘探正大舉向克拉通內部拓展[2-3]。四川盆地二疊系棲霞—茅口組作為四川盆地的油氣勘探重點層位，展現出巨大的勘探潛力和經濟價值[4-8]。然而，由于不同學者選取資料的側重點及對古構造背景的認識有所不同，不僅使得二疊系層序地層的劃分方案尚存在較大差異[9-17]，也造成了多種截然不同的巖相古地理編圖方案和對當時構造—沉積格局的認識仍存在較大的分歧[18-23]。準確的層序地層劃分與對比不僅是認識盆地地層充填過程與古地理格局重建的前提，也是認識碳酸鹽巖臺地發育演化模式和有利勘探相帶預測的重要基礎[24]。近年來，隨著四川盆地鉆探、取心資料以及野外工作的深入，為重新認識二疊系層序地層和古地理格局提供了良好的研究基礎。鑒于此，作者基于野外露頭、鉆井巖心、測井資料及薄片等資料，在層序界面識別和層序劃分的基礎上，試圖建立層序地層格架，明確地層充填過程，進而探討盆地的構造—古地理演化及沉積相帶展布，為尋找有利的油氣勘探相帶提供依據。

1 地質背景

四川盆地在構造上位于上揚子地區，是典型的多旋回性克拉通盆地[25-26]（圖1）。經歷了漫長的地質演化歷史，一般劃分為6 個構造—沉積旋回：揚子旋回（震旦紀）、加里東旋回（寒武紀—志留紀）、海西旋回（泥盆紀晚期—二疊紀晚期）、印支旋回（三疊紀—侏羅紀）、燕山旋回（侏羅紀—白堊紀晚期）、喜馬拉雅旋回（白堊紀晚期—第三紀）。三疊紀的棲霞—茅口組沉積期處于海西旋回階段。

圖1 四川盆地位置及二疊紀構造綱要Fig.1 Geotectonic outline and location of Sichuan Basin

云南運動導致上揚子臺地大范圍抬升剝蝕，使得四川盆地及其鄰區普遍缺失下二疊統地層。梁山組是海侵初期由陸到海轉換的產物，為一套厚度不大的風化殼之上的陸源碎屑含煤組合，部分地區發育殘積的鋁土質頁巖，在四川盆地及其鄰區廣泛發育[27]。棲霞組沉積期，上揚子地區發生了大規模的海侵，主要發育一套穩定的淺海碳酸鹽巖沉積[28]。棲霞組底部以發育泥晶灰巖為主，局部地區可見紋層狀、斑狀白云質灰巖；中上部主要發育泥晶灰巖、顆粒灰巖、晶粒白云巖[29]。茅口組主要由泥晶灰巖、顆粒灰巖組成，其底部發育“眼球眼皮”灰巖[30]。中二疊世末，由于峨眉山大火成巖省事件、東吳運動和全球海平面下降事件，導致上揚子臺地茅口組與上覆樂平統地層之間普遍呈平行不整合接觸[31-33]。

2 三級層序地層格架

2.1 層序界面識別

識別層序界面是劃分層序的基礎，本研究在36個野外露頭和400余口測井資料的基礎上，結合地震格架剖面，開展了梁山—棲霞—茅口組系統的層序界面識別。層序界面識別標志主要有古風化殼、巖溶作用面、火山事件面、不整合面和巖性—巖相轉換面。

2.1.1 梁山組頂底界面

在云南運動造成的區域風化殼的基礎上，隨著海侵的到來，海水從盆地西北、東南兩個方向侵入，形成了以含煤碎屑巖沉積為主的梁山組地層，覆蓋在石炭系或更老地層之上，是海侵初期由陸到海轉換的產物[27-28]。四川盆地梁山組與下伏地層的不整合界面，是典型的Ⅰ型層序界面[17,34]。該界面是一個地層穿時面，覆蓋的地層包括石炭系、泥盆系、奧陶系、寒武系多套地層。隨著海平面上升，上揚子地區全部被海水淹沒，沉積環境轉變為棲霞組的廣闊的碳酸鹽巖臺地沉積。梁山組碎屑沉積偶夾灰巖向上逐漸過渡為棲霞組臺地碳酸鹽巖沉積（圖2a），是連續海侵過程的產物，因此梁山組與棲霞組的界面并非三級層序界面[9,15,17,28]。

圖2 四川盆地棲霞—茅口組層序界面特征（a）旺蒼雙匯剖面梁山組與棲霞組界面；（b）綦江藻渡剖面棲霞組與茅口組界面；（c）廣元車家壩剖面（A.茅口組孤峰段硅質巖；B.王坡頁巖；C.吳家坪組灰巖）；（d）YDD3井茅頂特征（A.茅口組；B.茅口組頂部風化殼；C.峨眉山玄武巖）Fig.2 Sequence boundary characteristics of Chihsia-Maokou Formations in Sichuan Basin

2.1.2 棲霞—茅口組內部界面

在不整合面不發育或難以識別的地層中，劃分和對比層序地層的關鍵是準確識別巖性—巖相轉換面。綜合對比多類型測井曲線發現，利用以自然伽馬（GR）曲線為主，電阻率（RT）曲線與沖洗帶電阻率（RXO）曲線結合的測井響應序列，能夠較為準確的對四川盆地棲霞—茅口組內部進行層序地層劃分和對比。GR 曲線可以靈敏反映泥質含量和巖石粒序粗細的變化趨勢。棲霞組從底部以發育泥質含量較高的泥晶灰巖和顆粒灰巖轉換為上部的白云巖、顆粒灰巖，形成了棲霞組內部的一個巖性—巖相轉換面。該轉換面在大部分鉆井以白云巖的出現為標志。棲霞組和茅口組之間，是第二個巖性—巖相轉換面，該界面表現為棲霞組淺灰色顆粒灰巖向茅口組一段的區域性發育的泥質含量較高的“眼球眼皮”灰巖（圖2b）。茅口組一段和茅口組二段C 亞段，是一套泥質含量較高的灰巖，構成一個層序。其與上覆的茅口組二段的B、A亞段和茅口組三段在巖性—巖相上亦存在明顯從轉換關系，泥質含量明顯降低，顆粒含量相對較高，是茅口組內部的第一個巖性—巖相轉換面。茅口組四段則以出現大量硅質結核和硅質條帶為特征，顆粒含量降低、泥質含量增多，與下伏的三段亦是一個巖性—巖相轉換面。這些巖性—巖相轉換面是非常明顯的，在野外露頭和絕大部分鉆井上都很容易識別，屬于Ⅱ型層序界面。

2.1.3 茅口組頂界面

受東吳運動、峨眉地幔柱上升和海平面快速下降的影響，在火山尚未噴發之前，茅口組便暴露地表而遭受風化剝蝕，與上二疊統地層之間沉積了一套風化殘積物，即“王坡頁巖”（圖2c），是可作區域對比的等時界面。隨后，由于峨眉山玄武巖噴發，在川西南地區厚度巨大的玄武巖不整合覆蓋于茅口組之上（圖2d）。茅口組頂部的風化殼或與火山巖噴發不整合接觸面可作為層序界面的識別標志，該界面屬于Ⅰ型層序界面。

2.2 層序地層劃分

依據上述層序界面的識別標志，四川盆地中二疊統的單井測井曲線中的自然伽馬曲線（GR）和電阻率曲線（RT/RXO）和野外露頭開展了詳細的層序地層分析，確立了層序地層劃分方案，梁山—棲霞組識別出SQ1和SQ2兩個三級層序，茅口組識別出三個三級層序：SQ3、SQ4和SQ5（圖3）。

圖3 四川盆地棲霞—茅口組ZG1 井層序劃分方案Fig.3 Sequence division scheme of well ZG1

前文已經對各層序的巖性—巖相進行了闡述，在此對研究用到的主要資料點測井曲線進行詳述：SQ1 層序的GR 呈現持續遞減趨勢，RT/RXO 曲線呈鐘型；SQ2層序的GR 曲線轉變為平滑齒狀低值，RT/RXO 曲線呈指狀高值；SQ3 層序的GR 值明顯由SQ2層序的低值轉變為指狀高值；SQ4層序的GR 曲線轉變為箱型低值；SQ5層序的GR值相對較高，曲線呈漏斗型。研究區中二疊統400 余口資料井中超過90%的井都有類似特征，自然伽馬曲線和電阻率曲線具有全區可對比性，據此建立了層序地層格架（圖4）。SQ1—SQ3層序地層厚度相對均一，為穩定克拉通沉積背景，SQ4—SQ5層序地層厚度差異較大，反應茅口組沉積的中—晚期發生構造—沉積分異作用。然而部分測井曲線對比不太一致的井，大多與茅口組中晚期構造—沉積分異有關，即部分鉆遇在深水相井的測井曲線的巖性—巖相轉換與淺水臺地區的存在不一致，但是從沉積旋回上看，仍然能夠識別出5個旋回，即能夠通過旋回性與淺水相的鉆井進行對比。

圖4 四川盆地棲霞—茅口組層序對比圖（連井線位置見圖1）Fig.4 Sequence correlation map of Chihsia-Maokou Formations in the Sichuan Basin

3 層序巖相古地理

本文根據15 條野外剖面實測、21 條野外剖面觀測和32 口鉆井的巖心觀察，對沉積相標志進行分析，建立了沉積相劃分方案。在巖心—測井沉積相分析基礎上，對400 余口測井資料開展了測井相分析。在層序格架內依據優勢相和特殊相法則確定了各資料點每個層序的沉積相類型及特征，結合層序厚度約束，編制了各層序的層序巖相古地理圖（圖5）。

3.1 SQ1層序巖相古地理特征

受云南運動及風化剝蝕的影響，四川盆地在中二疊統沉積之前基本準平原化，在盆地周緣形成微隆起，內部形成坳陷，為克拉通坳陷盆地[35-36]。隨著海侵的到來和持續擴大，海水主要從盆地東北部、南部兩個方向侵入，形成了以含煤碎屑巖沉積為主的梁山組地層，披覆在石炭系或更老地層之上，梁山組是海侵初期由陸到海轉換的產物[27-28]。隨著海侵作用的加速，海平面迅速上升，上揚子地區全部被海水淹沒，四川盆地在棲霞組沉積期形成了廣闊的碳酸鹽巖臺地沉積。受四川盆地在二疊系沉積前古地貌呈西南高、北東低的影響[14,37-39]，有一定程度的自南部—東部向西—西南方向的超覆。由于隆起的圍限作用和整體的淺水地貌，盆地內部主體屬于局限臺地—半開闊臺地沉積環境，巖性以灰色泥晶灰巖、含生屑顆粒灰巖為主（圖5a）。川西地區為淺的水下隆起，形成了臺緣淺灘環境；受康滇古陸的影響，盆地西南緣的棲霞組底部的灰巖中混雜有陸源石英。盆地北緣和西緣快速向斜坡和深水盆地轉換。從峨眉—邛崍—雅安—都江堰—江油—劍閣一線的條帶狀臺緣淺灘展布來看，該時期盆地的構造形跡主體呈北東向。該時期古地理格局整體上較為穩定，是碳酸鹽臺地逐漸建設成型階段。

3.2 SQ2層序巖相古地理特征

SQ2 沉積期基本繼承了SQ1 沉積期的構造古地理格局，仍然表現為淺水陸表海的背景。該時期海平面總體呈緩慢下降趨勢[40]，沉積相帶的分異特征更為明顯。臺地上氣候適宜、營養充分、陽光充裕，有利于碳酸鹽巖生長，是棲霞組沉積期乃至中二疊世的主要成灘期。西部的峨眉—邛崍—雅安—都江堰—江油—劍閣一線仍然發育條帶狀臺的臺緣淺灘，在淺灘內側為局限環境背景下的席狀云質灘體；在克拉通內部發育水體能量相對較高的云質淺灘帶，宏觀形態上呈“C”型分布。通過分析棲霞組沉積前的古地貌特點，該淺灘帶明顯受控于奧陶系、志留系地層的尖滅線，即與不整合面上的巖性差異造成的地貌坡折有關（圖5b）。

圖5 四川盆地棲霞—茅口期巖相古地理圖Fig.5 Lithofacies paleogeographic maps of Chihsia-Maokou periods in the Sichuan Basin

3.3 SQ3層序巖相古地理特征

茅口組沉積早期，華南發生了整個二疊紀甚至晚古生代以來的區域最大海泛事件[41]。海侵方向主要來自東南，即由鄂西和黔北向西北方向侵入，其次由秦嶺洋經川北侵入，再次則由西向東通過龍門山古島鏈侵入[42]。四川盆地整體上由SQ2 沉積期的淺水局限臺地—半開闊臺地轉化為開闊臺地—淹沒臺地，但依然保持了與棲霞組類似的北東向相帶展布格局。該時期的一個顯著特點是大面積地發育瘤狀灰巖，由其形態特征而俗稱“眼皮眼球”灰巖。“眼皮眼球”灰巖在川西北地區的顏色較淺，往川東南方向顏色變深。川東南地區顏色較深的“眼皮眼球”灰巖有機質含量較高，作為一種自生自儲的特殊類型具有一定的勘探潛力（圖5c）。

3.4 SQ4層序巖相古地理特征

茅口組SQ4 沉積期，巖相古地理圖揭示的沉積相帶展布發生了明顯的改變，由此前的北東向展布轉換為北西向展布（圖5d），指示出盆地構造體制及其形成的構造形跡的轉變。伴隨全球海退的發生，海平面的緩慢下降，四川盆地大部分地區再次成為水體相對較淺、能量較高的開闊臺地—半開闊臺地。臺地上發育眾多大小不一的淺灘。該時期另外一個顯著特點是，相對水深的含硅質結核灰巖開始出現在北部的劍閣—巴中—宣漢一帶，呈槽型分布。該深水槽西南翼的臺地發育北西向條帶狀的臺緣淺灘。同時，在研究區南部屏山—古藺—赤水—瀘州—江津一帶沿基底斷裂帶展布方向發育一呈半島狀分布的臺內淺灘帶。

3.5 SQ5層序巖相古地理特征

全球海平面從羅德期（茅口組中部）開始緩慢下降，直至卡匹敦晚期（茅口組頂部）快速下降，全球海平面下降到了地質歷史時期的最低點[33]。同時受峨眉地幔柱上升的影響，茅口組沉積末期華南的古地理格局發生巨變，古陸規模和淺水面積擴大，右江盆地四周隆起形成新的孤島和古陸，康滇古陸向東擴張，同時，江南古陸和云開古陸也隆升出水面，深水盆地向西南方向收縮[41]。四川盆地的茅口組雖然仍廣泛發育開闊臺地和淺灘，但生物碎屑和顆粒含量明顯降低，而泥質含量卻升高，特別是以發育大量硅質條帶和硅質結核為特征。在西北鄉—巴中一帶深水相帶更為發育，指示了明顯的構造—沉積分異，這可能是峨眉山大火成巖省前期隆升造成的遠端張性裂陷槽（圖5e）。

4 構造—沉積格局轉換及勘探啟示

中二疊世早期，中國南方整體處于海侵背景，棲霞期海水逐漸向加里東形成的古隆起地貌超覆。川西地區繼承了前期龍門山邊緣裂陷的古構造格局，受裂陷盆地邊緣同沉積斷層的控制，形成克拉通邊緣低幅水下隆起，向裂陷盆地一側快速變為陸棚—斜坡相沉積。在克拉通邊緣淺水地貌的基礎上發育臺緣淺灘相，同時在克拉通內部發育受加里東期古地貌“后效作用”影響的半環形斜坡上的臺內淺灘相。總體上，沉積相帶呈北東向展布，為水體相對較淺的陸表海背景，構造—沉積分異作用相對較弱，表現為穩定背景的隆—坳分異。至層序SQ4 期，沉積相帶展布發生了90°的轉變，由原來的北東向轉變為北西向為主，表現最為明顯的體現在研究區北部的“西北鄉—巴中—宣漢”一帶的北西向深水相帶。巖相古地理編圖揭示出的沉積相帶展布的變化，指示了棲霞組沉積期向茅口組沉積期演化過程中構造—沉積格局的轉換。棲霞組沉積前為構造相對穩定背景下的陸表海“隆—坳”分異，而茅口組沉積期則為構造背景相對活躍的“臺—槽”分異。導致這種轉換最為關鍵的因素很可能是峨眉地幔柱的隆升活動造成的，促使了上揚子地臺內部的隱伏基底斷裂發生張性復活，從而造成同沉積斷裂作用或沉陷作用，并形成深水區（圖6），這在地震剖面所揭示的地層結構上也有相應的響應[23]。因此，在全球海平面下降的背景下，在揚子地區內部“劍閣—巴中—宣漢”一帶發育了一套深色的泥晶灰巖、泥質灰巖、泥巖、硅質巖建造，地層上可以揚子北緣的孤峰組對比，與茅口組頂部地層為同時異相沉積[23,43-45]。

圖6 四川盆地棲霞—茅口期構造—沉積分異演化模式Fig.6 Tectonic sedimentary-differentiation evolutionary model of the Chihsia-Maokou periods in the Sichuan Basin

四川盆地及鄰區由棲霞期準穩定背景的隆—坳分異向茅口期非穩定背景的臺—槽分異轉換，造成了兩個不同時期的主要勘探有利相帶上的差異。這種構造背景的相互轉換是我國小型克拉通的一個典型現象[8]，造成了不同層位構造—沉積分異模式的差異和勘探思路的變換。棲霞組的勘探目標主要是局限環境的席狀分布的層狀白云巖，有利相帶主要為川西龍門山“L”型白云質臺緣淺灘和克拉通內部的“C”型臺內環狀白云質臺內淺灘，簡稱為“一帶一環”（圖5b 深藍色虛線圈定區）。在棲霞組“L”型白云質臺緣淺灘帶和“C”型臺內環狀白云質臺內灘范圍內已有多口鉆井均獲得勘探新突破，包括盆地西北緣的ST1 井棲霞組獲氣87.6 萬方、ST3 井和ST8 井均獲得工業氣流，西南緣的PT1 井棲霞組獲66.86 萬方氣，川中高磨地區的GS18 井、MX42 井和MX31X1 井等亦獲得高產工業氣流。

茅口組的勘探目標則主要以層序SQ4的淺灘為主，茅口組的有利勘探相帶主要有北部“劍閣—巴中—宣漢”臺內深水槽西南翼的臺地邊緣淺灘和盆地南部“屏山—古藺—赤水—瀘州—江津”一帶半島狀分布的淺灘，其控制因素簡稱為“一槽一半島”（圖5d深藍色虛線圈定區）。這一認識推動了茅口組勘探由早期以頂部巖溶儲層向中部灘相儲層的轉變，并實現了多個灘相儲層的勘探突破，包括北部的YB7井、WT1井、CS1井、GC2井等以及位于南部“半島”灘范圍內的YJ2井。

另一方面，基于與四川盆地上二疊統長興組的沉積建造的對比分析，揭示出棲霞—茅口組有利勘探相帶具有明顯的不同，長興組的儲層以鑲邊臺地的邊緣礁灘組合為特征，儲層發育在面向深水一側的高能相帶，有利儲層發育的相帶具有明顯的加厚現象。而棲霞—茅口組的臺地邊緣性質是先成淺水地貌成因的邊緣，有利勘探區主要分布在邊緣內側的岸后云質淺灘相帶，一般呈厚度較為均勻的席狀分布，這完全不同于長興組由礁灘沉積鑄造的鑲邊臺地邊緣高能礁灘體。

5 結論

（1）基于野外地質露頭、鉆測井資料和骨干地震剖面，將四川盆地中二疊統棲霞階劃分為SQ1和SQ2兩個三級層序，茅口階劃分為SQ3—SQ5三個三級層序，每個三級層序內部可分為海侵體系域（TST）和高位體系域（HST），五個層序在橫向上具有很好的可對比性。

（2）巖相古地理編圖揭示中二疊世的構造—沉積格局由棲霞組沉積期準穩定背景的隆—坳分異型向茅口組沉積期非穩定背景的臺—槽分異轉換，沉積相帶在準穩定期以盆內低幅隆起地貌控制為主，非穩定期則受控于區域張裂構造背景及同沉積正斷裂的活動。

（3）棲霞組的有利勘探相帶以SQ2 下部的白云巖淺灘為主，呈現出“一帶一環”的發育分布特征，茅口組有利勘探相帶以中部層序SQ4 的淺灘為主，受“一槽一半島”的控制。

致謝 感謝審稿人對論文提出的寶貴意見。