鄂西—渝東地區早寒武世克拉通內裂陷演化及對古地理格局的控制

王志偉　鐘怡江　劉磊　陳洪德　王興龍　陳安清

關鍵詞 鄂西—渝東地區；中上揚子地區；早寒武世；克拉通內裂陷；裂陷演化

第一作者簡介 王志偉，男，1998年出生，博士研究生，沉積學，E-mail： wangzhw0708@163.com通信作者 鐘怡江，男，博士，副教授，碳酸鹽巖沉積學，E-mail： zhongyijiang2012@cdut.edu.cn

中圖分類號 P618.13 文獻標志碼 A

0 引言

中上揚子地區作為中國南方大陸的核心[1]，近年來一直是我國海相油氣勘探的熱點區域。占據上揚子主體的四川盆地是中國南方最大的含油氣盆地[2]，在20世紀其油氣勘探經歷了由地表背斜油氣勘探理論向古隆起勘探理論和高陡背斜控制理論的轉變[3]，但是一直未有重大油氣勘探突破。隨著四川盆地東北部晚二疊世“開江—梁平”斜列式伸入臺地內臺盆[4]的發現，其兩側礁灘相帶內相繼獲得普光、龍崗等超千億立方米探明儲量大型氣田的重大勘探突破[5?6]，自此掀開了四川盆地克拉通內裂陷構造—沉積分異及其對油氣地質條件控制作用研究的序幕；川中地區晚震旦世—早寒武世“綿陽—長寧”拉張槽的發現及其東側安岳氣田的重大發現[7]，更是將克拉通內裂陷控制有利成藏地質條件的認識推向了高潮；此后，川東北地區震旦紀萬源—達州克拉通內裂陷的提出開啟了“川東北裂陷邊緣臺緣帶”這一新的勘探領域[8]，使得油氣地質工作者更加堅信四川盆地海相克拉通內裂陷是尋找油氣勘探新區帶的重要靶區。

曹瑞驥等[9]、夏文杰等[10]在20世紀80—90年代就認識到震旦紀—早寒武世在中、上揚子交界地區發育“鄂西海槽”深水沉積，陳洪德等[11]也曾指出鄂西—渝東地區下組合臺地邊緣為油氣勘探有利區，而近期鄂西地區頁巖氣的油氣勘探突破[12?13]使得學者再次將目光投向了這一強烈構造—沉積分異區帶，也認識到鄂西—渝東地區可能存在的克拉通內裂陷對油氣勘探的重要意義[14?18]。地處四川盆地東緣強烈構造帶的鄂西—渝東地區，寒武系多處暴露地表（圖1），因此可從豐富的野外露頭資料中尋找裂陷發展演化的詳細地質記錄。基于此，本文結合野外露頭和鉆井資料，從沉積充填過程與形成演化機理的角度，對鄂西—渝東地區早寒武世克拉通內裂陷的發展演化過程及其對古地理的控制作用進行詳盡研究，以期為該地區的油氣勘探進行指導。

1 區域地質背景

鄂西—渝東地區在構造位置上主要隸屬上揚子區與中揚子區的交界區域，包括四川盆地東緣及其外緣部分地區（圖1）。揚子地塊自晉寧期（1.0～0.8 Ga）基底固結以來[19?21]，以整體陸塊穩定克拉通形式進入超級大陸離散—匯聚演化旋回，隨著羅迪尼亞大陸的裂解（825～600 Ma）[22]，揚子地塊經歷了從西特提斯解體向東特提斯的拼合，進入伸展背景，并由活動性質向穩定性質過渡。震旦紀至早寒武世揚子地塊經歷了一個完整的伸展—聚斂階段，逐漸進入相對穩定的地臺發展階段[23]。受興凱地裂運動影響，揚子陸塊形成多個裂谷盆地[24?25]，早寒武世初期伴隨強烈拉張裂陷作用與海平面上升，盆地周緣區域發育深水沉積，至早寒武世末，轉變為擠壓背景，則向淺水碳酸鹽巖沉積過渡[23]。

揚子地塊基底存在結晶基底和褶皺基底兩類，崆嶺群剛性基底主要分布于上揚子與中揚子的核心部位，冷家溪群、板溪群等塑性基底分布于剛性基底周圍[26]。位于中、上揚子過渡地帶的鄂西—渝東地區以塑性基底為主，其兩側剛性基底區域構造動力可在此集中釋放，為板內構造—沉積敏感地帶。因此研究區沉積充填演化過程在一定程度上能夠反映區域構造拉張—匯聚作用過程。

鄂西—渝東地區下寒武統自下而上可劃分為水井沱組、滄浪鋪組（石牌組、天河板組）及石龍洞組[27]（圖2）。水井沱組內以富含有機質的硅質泥巖及泥頁巖為主，滄浪鋪組巖石類型多樣，底部發育以砂巖、粉砂巖及泥巖為主的海相碎屑沉積，頂部發育以灰巖與泥巖為主的碳酸鹽沉積，石龍洞組則以泥粉晶白云巖為主，部分發育礫屑、鮞粒白云巖。

2 裂陷識別標志

克拉通內裂陷是克拉通盆地在拉張環境下構造分異形式的一種，通常受同沉積斷裂控制，且具規模小、早斷晚坳的特征[29?30]。鄂西—渝東地區在早寒武世繼承了震旦紀隆坳格局[31]，受相對海平面變化與克拉通內構造沉降活動的影響，裂陷區可容納空間逐漸減小。通過對野外露頭、鉆井和巖心資料的分析，結合區域構造背景與前人研究成果，認為鄂西—渝東克拉通內裂陷的主要識別標志分為地層厚度、巖相特征、同沉積斷裂三類。

2.1 地層厚度差異

等時地層厚度的變化可以反映當時的構造地形特征，常運用于古地貌格局印模中，對克拉通內裂陷邊界的刻畫具有重要的指示意義[31?32]，具體表現在裂陷區與其兩側臺地區存在的明顯地層厚度差異[33]。研究區早寒武世地層厚度等值線圖（圖3）顯示裂陷槽整體呈南寬北窄的“倒喇叭口”狀。中部地區鄂參1井—恩頁1井一帶沉積厚度可超過2 000 m，遠大于兩側區域（<1 000 m），指示沉降中心負向構造單元的存在。

2.2 典型巖相特征

克拉通內裂陷的發育導致沉積環境出現隆坳格局的分異，使得其中充填物質存在典型的差異，其差異主要體現在“次深水的斜坡”與“深水的盆地”相帶中，這也是指示裂陷發育的重要巖相標志。

2.2.1 深水盆地沉積巖相

深水盆地沉積在研究區主要表現為早寒武世初期海侵背景下形成的深色碳/硅質泥頁巖與粉砂巖[31]。神農架高橋河剖面水井沱組發育薄層炭質頁巖（圖4a）為主的深水陸棚沉積；湖北秭歸縣廟河村出露的水井沱組地層內可見底部炭質泥巖，中部粉砂質泥巖，頂部薄層碳質泥巖或粉砂質泥巖的垂向沉積序列（圖4b），表明裂陷在該處為深水及深水—淺水過渡的沉積背景；向南至鶴峰縣走馬鎮境內水井沱組露頭上仍可見指示深水沉積的薄層粉砂質泥巖發育（圖4c）；神農架下谷坪鄉河溝底露頭見“Z-?”界限，其上覆寒武系底部水井沱組地層同樣發育一套黑色—灰黑色炭質泥巖，為深水泥質陸棚沉積（圖4d）。

2.2.2 斜坡沉積巖相

斜坡相發育在臺地與盆地間的過渡相帶，根據巖石特征可將其分為陡斜坡和緩斜坡。陡斜坡常發育高密度重力流沉積，可見滑塌變形構造，而緩斜坡則缺乏此類特征[34]。在研究區野外露頭及巖心中識別出大量典型的斜坡沉積：石柱萬家堡剖面天河板組灰巖內見大量巨鮞及珊瑚化石，結合其所在位置推測該處為斜坡頂部臺地邊緣礁灘帶（圖5a，b）；湖南石門楊家坪地區天河板組—石龍洞組發育一套含大量泥質條帶及其風化后順層分布瘤狀構造的泥灰巖（圖5c，d，h），指示該處為緩斜坡沉積。此外，咸地1井水井沱組巖心段內可見角礫灰巖（圖5e）；湖北神農架下谷坪地區水井沱組碳質粉砂巖內可見大量灰色泥微晶白云巖滑塌角礫雜亂排布（圖5f），且具一定逆粒序；兩處皆證明該部位存在高角度坡折帶形成的水下滑塌扇體。據此建立裂陷東西兩側的陡、緩斜坡沉積模式（圖5），對恢復裂陷區沉積充填與裂陷演化過程具有重要意義。

2.3 同沉積斷裂識別

研究表明，同沉積構造活動（特別是同沉積斷裂）常引起活動區相帶及厚度的突變[18，35?36]。通過地層厚度圖（圖3）對同沉積斷裂的基本特征判斷：等值線最密集處的利1井高部位地層厚度顯著小于鄂參1井低部位地層，自水井沱組至天河板組斷距逐漸減小，可證實存在同沉積斷裂，且斷裂活動性從早寒武世初期開始不斷減弱，直至石龍洞組內完全消失。巖心資料顯示，咸地1井水井沱組炭質頁巖內存在大量泥質灰巖滑塌扇體，下谷坪地區類似，因強構造活動從右側高部位滑落至斜坡底部硅質頁巖內所成，而硅質頁巖本身為強構造活動下富硅流體運移至深海盆地沉積所致[37?39]。由此判定，該同沉積斷裂沿鄂參1井—咸地1井—神農架下谷坪連線方向展布。

3 裂陷沉積充填特征

中揚子地區石門楊家坪剖面下寒武統地層厚度可超過880 m（圖6），露頭顯示其水井沱組巖性以炭質頁巖為主，夾少量粉砂質泥巖，整體顏色較深，為深水陸棚相；滄浪鋪組底部100 m為硅質頁巖向泥質粉砂過渡，表現為由深水陸棚向淺水陸棚轉換，向上整體以夾泥質條帶灰巖或泥質灰巖為主，頂部可見瘤狀構造，為外緩坡沉積環境；石龍洞組底部以夾泥質條帶白云巖為主，瘤狀構造廣泛發育，仍體現外緩坡沉積環境，至頂部泥巖逐漸減少，以中厚層含泥白云巖為主，指示沉積環境逐漸轉換為開闊臺地。剖面揭示鄂西—渝東克拉通內裂陷下寒武統是一個完整的充填序列。

根據跨裂陷區的“利1井—鄂參1井—白果坪—楊家坪—宜地4井”東西向剖面來看（圖7），在西側同沉積斷裂活動控制下，鄂西—渝東克拉通內裂陷表現為西陡東緩的箕狀特征，并經歷了強拉張弱充填（水井沱期）、弱拉張強充填（滄浪鋪期）和拉張停止均一化充填（石龍洞期）的3個階段。裂陷內部深水區和兩側淺水區表現出明顯的沉積充填差異，淺水區表現為由混積陸棚向碳酸鹽巖臺地的過渡，深水裂陷區內則由陸棚向緩坡沉積過渡再向臺地轉變。

3.1 水井沱期（階段Ⅰ）

水井沱組沉積期裂陷內以碳質泥、頁巖為主，裂陷兩側發育頁巖或粉砂巖，整體巖性差異性較低，以陸棚沉積為主。裂陷內部在縱向上由深水陸棚逐漸轉變為混積陸棚，水體逐漸變淺。其中鄂參1井鄰近區域充填速率最大，累計沉積厚度可超過500 m；裂陷區兩側區域則以淺水陸棚為主，沉積厚度遠小于裂陷內部，裂陷槽東側沉積速率大于西側。水井沱組中晚期，受西側同沉積斷裂的強烈活動影響，在一定外力條件觸發下，沿西側陡坡在裂陷槽的箕狀斷陷帶形成滑塌扇堆積；至水井沱組末期，裂陷槽兩側邊緣地帶逐漸轉換為碳酸鹽巖沉積。

3.2 滄浪鋪期（階段Ⅱ）

滄浪鋪組沉積期之前的可容納空間逐漸被快速充填，水體進一步變淺，陸源碎屑物供給減少，碳酸鹽工廠逐漸開始工作。初期裂陷西側以粉砂巖與細砂巖互層的細粒陸源碎屑為主，裂陷內以頁巖與砂巖、粉砂巖為主，東側向遠離裂陷區方向，巖性由頁巖、碳質粉砂巖向粉砂巖、泥質灰巖過渡，總體仍以陸棚沉積為主。隨后向上轉變為云質灰巖與泥巖組合，反映沉積環境由混積陸棚向外緩坡沉積的轉變。裂陷區內部與兩側仍具有深淺水差異。整個滄浪鋪期裂陷內表現為深水—混積陸棚逐漸轉變為緩坡沉積。

3.3 石龍洞期（階段Ⅲ）

經滄浪鋪期快速充填，石龍洞期裂陷區逐漸被填平補齊，整體地層也相對平穩，無明顯斷裂活動影響，整體以白云巖為主，反映為臺地沉積環境。裂陷區兩側地層厚度相近，且均呈向遠離裂陷區逐漸減薄的特征，裂陷區內地層厚度仍為同時期最大。縱向上巖性為（云質）灰巖或泥質灰云巖夾中—厚層砂屑或鮞狀灰巖，整體表現為成熟的碳酸鹽巖開闊臺地相夾少量臺內粒屑灘。此外，裂陷西側見膏質泥粉晶云巖、泥粉晶云巖等，為蒸發環境膏質潟湖沉積。石龍洞期為碳酸鹽工廠高效工作階段，至末期裂陷區完全被填平補齊并消亡，形成大型臺地沉積環境。

4 裂陷演化過程及古地理特征

4.1 裂陷演化過程

結合沉積充填特征對裂陷空間展布格局的約束，以殘余地層厚度恢復研究區的隆坳格局，可將其分為裂陷（水井沱期）、坳陷（滄浪鋪期）、填平補齊（石龍洞期）3個階段（圖8）。水井沱期裂陷整體呈南北向分布，具南寬北窄、南深北淺的特征，北部未與南秦嶺洋連通，裂陷向南開口以“倒喇叭狀”展布，整體深度為200～800 m，以恩施地區恩頁1井附近為至深處，對應水井沱期沉降中心（圖8a）；滄浪鋪期裂陷整體形態與水井沱期相同，但整體形態呈向南收縮趨勢，東西向規模與前一時期相比也明顯減小，東部邊界向裂陷內收縮至慈利地區，沉積中心李2井附近厚度可達1 150 m，深水區及沉降中心均向西南遷移（圖8b）；石龍洞期裂陷區逐漸被填平補齊，原裂陷區地層厚度差異較小，直至裂陷消亡（圖8c）。

4.2 裂陷演化的地球動力學背景

克拉通的活動與超大陸旋回存在密切關系，超大陸的裂解常表現為巖漿活動及陸內裂谷的形成，超大陸的聚合則帶來克拉通增生與陸塊造山作用[40?42]。早寒武世恰處羅迪尼亞大陸裂解到岡瓦納大陸聚合的過渡階段，強烈拉張的背景在華南陸塊與東岡瓦納大陸的碰撞中逐漸結束，在早寒武世拉張與擠壓并存的環境下鄂西渝東克拉通內裂陷經歷了從形成到消亡的過程。裂陷的“開啟—閉合”受超大陸“裂解—聚合”的影響，華南陸塊與東岡瓦納大陸的碰撞產生的板片拖拽力與拱隆抬升改變了研究區的隆坳格局[9]，高部位風化產生的陸源碎屑在滄浪鋪期注入裂陷區，伴隨著拉張向擠壓背景的轉換，逐漸形成大型碳酸鹽臺地發育的有利環境。

4.3 構造—巖相古地理特征

水井沱沉積期，伴隨強烈拉張裂陷作用，裂陷區表現為以碳質頁巖為主的深水陸棚沉積，裂陷西側利1井與鄂參1井之間的同沉積斷裂活動強烈，控制了西側的深水重力流沉積；陸架淺水區域表現為淺水碎屑陸棚向混積陸棚的轉換。裂陷呈現出西側深東側淺的箕狀盆地特征，北端未與南秦嶺洋連通，向南深水范圍逐漸擴大，深水陸棚規模與裂陷形態相吻合。同沉積斷裂南端利川—咸豐附近在水井沱晚期發育大規模的深水濁積扇體（圖9a）。

滄浪鋪組沉積期，拉張活動相對減弱，裂陷主體進入充填階段，整體發育向上變淺的沉積旋回。此時物源供給加大，來自四川盆地西北部的物源輸入在研究區沉積形成一套碎屑巖質的潮坪，上揚子和中揚子的淺水區域以粉砂巖、泥巖和泥質灰巖組合的混積陸棚為主。裂陷槽內保持了先前的沉積格局，主體沉積泥頁巖和泥灰巖的深水組合。西北部城口地區深入陸架內部的次級洼陷完全充填消失，裂陷兩側邊緣持續發育的次級洼陷也趨于消亡（圖9b）。

進入石龍洞組沉積期，區域拉張活動減弱至完全停止階段，研究區進入了強烈碳酸鹽巖充填補齊階段，使得前期裂陷深水區域完全被填平補齊，整體演變為碳酸鹽巖臺地沉積。域內碳酸鹽巖臺地內全面淺灘化，沿早期邊緣高部位發育鮞粒和砂屑灘。在研究區西北側建深1井處部分發育膏云質潟湖（圖9c）。整體臺地區南北邊緣分別對應揚子東南緣和南秦嶺洋的被動大陸邊緣。

5 裂陷對古地理格局的控制

就研究區古地理格局而言，裂陷對其控制作用主要體現在古地貌分異特征、同沉積斷裂活動性以及海平面變化3個方面。

（1） 古地貌分異

古地貌是構造運動、沉積充填、風化剝蝕等共同作用下的結果[43]。中上揚子地區自震旦紀開始基本克拉通化，在相對穩定的構造背景下，裂陷的演化在很大程度上反映了古地貌的變化[44]。裂陷區水井沱組沉積期古地貌表現為自西北向東南的淺水—深水陸棚，整體呈現出西北淺、東南深的特點，受基底地貌及同沉積斷裂影響，深、淺水界限明顯；滄浪鋪期基本繼承了水井沱期的古地貌格局，裂陷規模進一步減少，地貌低部位接受沉積充填，使地勢高差減小，原五探1井處古隆起自晚震旦世以來受到剝蝕在該處形成潮坪；石龍洞期處于裂陷晚期，裂陷區整體處于填平補齊階段，古地貌差異顯著減少，主要表現為相較平緩的局限—開闊臺地，古地貌高點發育大量高能礁灘體，在裂陷區其分布特征與展布方向大多與裂陷方向一致。

（2） 同沉積斷裂活動

克拉通內裂陷對古地理格局的控制，常與控制裂陷的同沉積斷裂帶相關[29]。研究區繼承了前寒武裂谷發展形成的隆坳格局，在裂陷西側發育的走滑斷層使裂陷具有東陡西緩的特征[23]。斷裂在水井沱期斷距最大（約400 m），此時斷裂活動性最強，并控制了利川與巴東兩處的深水重力流沉積；滄浪鋪組斷裂活動有所減弱，沉積充填范圍逐漸增大，斷裂兩側深、淺水差異依舊明顯，控制著裂陷向南開口的基本特征；至石龍洞期內斷裂逐漸停止活動，原斷裂處發育數套北東向展布的灘體。總體而言，斷裂活動性與裂陷發展規模具明顯的正相關性，且斷裂在早寒武世繼承性活動引起的同沉積作用在很大程度上決定了盆地、斜坡、礁灘體等相帶的展布。

（3） 海平面變化

早寒武世整體是一個海侵—海退的二級旋回（圖2）[45]。水井沱期大規模海侵，全球海平面迅速上升，是水體最深的時期，裂陷區可容納空間迅速增長，沉積了大套黑色巖系，對應早寒武世初大洋缺氧事件，是重要的油氣與多金屬、非金屬富集層[46]，研究區形成北西、北東向南從淺水陸棚向深水陸棚過渡的古地理格局；滄浪鋪期受興凱運動影響，中上揚子整體抬升，研究區西側古陸受抬升剝蝕作用向東提供部分陸源碎屑，相對海平面下降[47]，沉積地層向上變淺，原淺水區以混積陸棚為主，裂陷區內從深水陸棚向混積陸棚過渡；經過滄浪鋪期陸源碎屑的填平補齊，裂陷區可容納空間減少；隨著剝蝕作用減弱，石龍洞期供源大量減少，海平面下降至淺水環境，為碳酸鹽巖臺地的發育提供了適宜的條件，碳酸鹽工廠高效工作，研究區逐漸轉變為大型碳酸鹽臺地，裂陷逐漸消亡。

6 裂陷指出的油氣勘探意義

鄂西—渝東克拉通內裂陷區內在早寒武世初期形成了一套優質烴源巖，具有分布范圍廣、累計厚度大、TOC 含量高的特點[48]，已陸續取得了重要的突破：渝東地區我國首個大型頁巖氣田——涪陵頁巖氣田的重要突破讓油氣工作者認識到深水陸棚相頁巖的發育是“成烴控儲”的基礎[49]；鄂西地區基于“古老隆起邊緣控藏模式”的指導在震旦系—早寒武世取得了“四層樓”式頁巖氣重大發現[12]，黃陵隆起南側的秭地2井與宜地4井，其水井沱組含氣量均大于1.2 m?/t[50]。

盆內勘探實踐證實，隆—坳沉積格局對儲層發育具明顯控制作用[23]。在鄂西渝東克拉通內裂陷作用下的地貌高部位在石龍洞組沉積期發育大量礁灘儲集體，原同沉積斷裂處形成的臺內灘相帶控制著優質儲層的展布。受古巖溶作用石龍洞組白云巖溶孔大量發育[51?52]，在宜地2井石龍洞組見兩套砂屑白云巖儲層共計54 m，溶孔大量發育，部分孔隙見瀝青充填（圖10a）；其北部秭歸芝麻坪剖面石龍洞組上段也發育兩套總厚約29 m的顆粒白云巖優質儲層，溶蝕孔洞同樣發育（圖10b，c）。

7 結論

（1） 中上揚子地區交界在早寒武世強烈拉張背景下發育了鄂西—渝東克拉通內裂陷，總體呈北東—南西向展布，南部向湘桂海盆開口，順北東向逐漸變窄直至裂陷兩側邊緣交匯，西側邊緣坡度較陡而東側較緩，整體為不對稱的箕狀裂陷槽。

（2） 依據野外露頭、鉆井資料，建立了地層厚度差異、深水與斜坡巖相標識和同沉積斷裂3類裂陷識別標志：裂陷受同沉積斷層控制，其內部深水區與邊緣斜坡部位發育多期次重力流沉積，裂陷不同位置巖相特征與厚度均表現出明顯的分異性，至早寒武世末分異減弱，裂陷槽逐漸閉合。

（3） 鄂西—渝東克拉通內裂陷在西側同沉積斷裂活動作用下經歷了強拉張弱充填（水井沱期）、弱拉張強充填（滄浪鋪期）和拉張停止均一化充填（石龍洞期）3個階段。其兩側淺水區與內部深水區表現出明顯的沉積充填差異。

（4） 鄂西—渝東克拉通內裂陷的“開啟—閉合”伴隨著與羅迪尼亞大陸裂解到岡瓦納大陸的聚合，可劃分為裂陷（水井沱期）、凹陷（滄浪鋪期）、填平補齊（石龍洞期）3個階段；裂陷演化對研究區古地理格局具明顯控制作用，主要表現為：古地貌起伏對深淺水界限及高能礁灘體展布的控制、同沉積斷裂活動強弱對沉積中心位置與裂陷深淺變化的控制、海平面升降對裂陷區沉積充填和碳酸鹽臺地發育環境的控制。

（5） 裂陷發育早期強烈拉張作用控制了早寒武世初烴源巖的形成，裂陷控制下的沉降區制約著烴源巖的分布；同沉積斷裂控制了裂陷填平補齊階段有利儲層區帶的展布，裂陷沉積充填過程及其差異性控制了優質儲層的發育。

致謝 感謝成都理工大學古強博士、喻顯濤碩士對本文提出的建議。評審專家及編輯部老師對本文提出了寶貴的修改意見，在此表示衷心的感謝！