四川盆地下寒武统竹寺组页岩储层特征及演化

四川盆地下寒武统竹寺组页岩储层特征及演化

0陆棚环境发育海相黑色页岩四川盆地下寒武统玉竹寺组发育优质有机岩，厚度可达100m以上，coc含量高。四川盆地下寒武统筇竹寺组下部沉积在全面海侵时期至海退时期缺氧的深水陆棚环境发育海相黑色页岩本文基于前人研究成果和认识，以岩性和地球化学参数等资料为基础，利用四川盆地内42口钻井资料，结合峨边葛村剖面、城口红坪村剖面、南江沙滩剖面、石柱县板凳沟等剖面资料，对筇竹寺组的沉积环境差异进行了对比研究，划分了沉积相，研究了各地区的沉积特征差异。通过连井对比分析，明确四川盆地不同构造背景下筇竹寺组的沉积特征，建立不同构造背景下的沉积体系，形成对四川盆地筇竹寺组沉积特征差异的系统认识并分析了沉积特征差异的构造意义。1早寒武世构造格局四川盆地震旦系和寒武系构造运动频繁，造成上震旦统灯影峡阶、下寒武统梅树村阶和筇竹寺阶沉积构造环境复杂，也造成了四川盆地寒武系至震旦系的构造—古地理格局复杂。四川盆地自震旦纪以来，以下陷接受沉积为主，在桐湾期上扬子地区整体抬升，四川盆地发育拉张断裂，灯影峡阶地层为海侵退积式的沉积序列，中国南方古陆地的范围减小，川西—川中、川东等地发展成广阔的台地，川北地区为台缘浅滩环境，川东北地区为台缘斜坡环境，南秦岭地区为被动大陆边缘盆地环境四川盆地早寒武世筇竹阶各地区构造格局差异巨大，构造—古地理格局情况复杂。川北地区紧邻摩天岭古陆、汉南古陆，总体古地理格局为滨岸海滩—陆棚。川西地区紧邻泸定古陆、滇中古陆，总体古地理格局也为滨岸海滩—陆棚。四川盆地在西、北侧的古陆包围下，总体为浅水陆棚的古地理环境。但四川盆地内西部—中部地区发育南北向绵阳—长宁陆棚内凹陷四川盆地早寒武世筇竹寺阶地层沉积在灯影组高低起伏的岩溶古地貌之上，沉积地层情况复杂，同时期还有水井沱组、郭家坝组、牛蹄塘组、九老洞组等组别前人对四川盆地早寒武世构造特征及演化的大量研究表明，四川盆地各地区下寒武统筇竹寺组沉积特征差异巨大，其中各地区的构造环境差异是影响其构造—古地理格局的重要原因。川东北在被动大陆边缘及克拉通盆地影响下形成的浅水缓斜坡区、川东南向深部过渡的浅水陆棚区、川西—川中地区陆棚内凹陷区等是影响四川盆地早寒武世沉积的重要构造区域。需要对不同构造区域的下寒武统筇竹寺组沉积特征差异进行系统刻画和对比。2岩石组合类型本文通过对筇竹寺组岩性组合类型研究，认为四川盆地不同地区的岩性组合具有明显差异。主要识别出以下4种不同的岩性组合类型，其特征如下。2.1泥质储质页岩互层非对称快速退积型岩性组合以下降半旋回远远大于上升半旋回的不对称性发育为特征，岩性主要为粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、碳质页岩互层（图2a）。非对称快速退积型岩性组合在四川盆地陆棚内凹陷区、川东北浅水缓斜坡区、川东南浅水陆棚区筇竹寺组中均广泛发育。非对称快速退积型反映沉积环境水体快速上升、缓慢（或持续）下降的变化过程，沉积物粒度由粗到细变化迅速。2.2含粉砂泥岩的岩性非对称快速进积型岩性组合以下降半旋回远远小于上升半旋回的不对称性发育为特征，岩性主要为含粉砂泥岩、泥灰岩与粉砂岩、粉砂质泥岩—灰岩（图2b）。非对称快速进积型岩性组合在川东北浅水缓斜坡区发育。非对称快速进积型岩性组合反映沉积环境水体缓慢（或持续）上升、快速下降的变化过程。2.3碳质页岩/泥灰岩对称退积—进积型岩性组合以上升半旋回和下降半旋回近对称发育为特征，岩性主要为碳质页岩、泥灰岩（图2c）。对称退积—进积型岩性组合在陆棚内凹陷区中部、川东南浅水陆棚区发育。对称退积—进积型岩性组合代表基准面持续上升之后又持续下降的沉积过程，反映了沉积环境水体浅—深—浅的变化过程。2.4沉积体系及岩性组合类型进积—进积型岩性组合以两个或两个以上的下降半旋回纵向叠置发育为特征，岩性主要为泥岩与泥质粉砂岩、粉砂岩互层，自下而上泥岩层厚度变小，泥质粉砂岩与粉砂岩层厚度变大、且砂质粒度变粗。进积—进积型岩性组合样式在四川盆地西部葛村滨岸海滩—陆棚环境的筇竹寺组下部发育。进积—进积型岩性组合通常反映沉积水体不断下降、水体持续变浅的沉积环境。对四川盆地筇竹寺组岩性组合识别及分布规律研究发现，四川盆地筇竹寺组岩性组合总体以非对称快速退积型岩性组合为主（图3），反映了早寒武世筇竹寺期四川盆地总体的快速海进—缓慢海退的沉积背景，富有机质页岩在岩性组合底部发育，全区可对比性强。但在各构造分区岩性组合及其反映的沉积环境也有一定差异：川东北浅水缓斜坡区紧邻古陆、前陆盆地及被动大陆边缘，水体深度变化大，本地区部分岩性组合表现为非对称快速进积型；而陆棚内凹陷区和川东南浅水陆棚区的部分区域岩性组合表现对称退积—进积型；川西滨岸海滩—陆棚地区靠近泸定古陆，受海侵影响较少，在海退时水体不断下降、水体持续变浅，本地区部分剖面显示筇竹寺组下部表现为进积—进积型的岩性组合。3早寒武世盆地沉积环境整个四川盆地筇竹寺组岩性组合均以非对称快速退积型岩性组合为主，判断早寒武世四川盆地的重要沉积环境为全区域的快速海进—缓慢海退。在此沉积环境背景基础上，结合岩性、沉积构造等特征进行沉积相划分。3.1权利环境分析滨岸相围绕古陆，在陆棚内凹陷区的西部、北部发育。根据其沉积环境和沉积物特征可划分近滨亚相和远滨亚相。滨岸相水动力较强，发育氧化—弱还原环境，发育灰绿色和紫红色粉砂岩、细砂岩（图4a），有机质含量低。障壁型滨岸也较为发育，钙质含量较高，盐度略高于广海地区。在障壁滨岸的局部闭塞环境也发育黑色页岩（图4b）。沉积构造表现为较强的水动力条件，可见波状层理、交错层理、平行层理，也可见砂纹层理。3.2半深水陆棚沉积相陆棚相主要在四川盆地广泛发育，由浅水陆棚亚相、半深水陆棚亚相、深水陆棚亚相、棚内裂谷亚相组成。浅水陆棚发育在低潮线以下至风暴浪基面附近的区域，具有明显的波浪改造特征，发育砂泥混坪和泥坪微相。岩性为绿灰色、灰绿色页岩，见砂质纹层、波状层理、交错层理（图4f,g）。半深水陆棚沉积为深水陆棚和浅水陆棚的过渡沉积环境，主要发育在风暴浪基面附近，基本不受波浪影响的静水环境，泥质含量比浅水陆棚高。半深水陆棚的岩性以灰黑色薄层粉砂质泥岩、泥页岩与泥灰岩的夹层为主。深水陆棚沉积发育在水体深度较大的陆棚上，风暴浪基面以下的静水环境，局部发育浊积砂，还原性较强，有机质丰度普遍较高，发育在海侵序列中。岩性为页岩、碳质页岩和粉砂质页岩，颜色为灰黑色至黑色，沉积构造以不发育明显层理的块状构造为主，局部可见水平层理、包卷层理，以及黄铁矿团块（图4）。棚内裂谷沉积主要发育在陆棚内凹陷区深水陆棚沉积之下，水体深，还原性强，有机质丰度高，岩性为黑色页岩、碳质页岩。4主微量元素及稀土元素含量对古环境的影响不同构造区域沉积环境的差异能表现在主量元素、微量元素及稀土元素的含量上，因此沉积物中主量元素、微量元素、稀土元素的含量及其组合关系常用来进行古环境分析。前人在四川盆地南缘永善肖滩4.1古气候分析指标筇竹寺组沉积环境的氧化还原条件可以依据V/（V+Ni）、V/Cr、Ni/Co等指标进行分析古气候控制着沉积作用，也一定程度上控制着沉积岩中微量元素的含量Mo是随有机质一起沉淀下来的，与水体的有机碳通量有关，受后期的变化影响较少，在黑色页岩和缺氧海相盆地沉积物中有机质含量与Mo浓度存在正相关关系，Mo能反映古生产力大小4.2氧化还原条件川东北浅水缓斜坡区为非对称快速进积型岩性组合发育，长期发育深水陆棚沉积。由V/（V+Ni）指示的氧化还原条件显示总体上为由强变弱的还原环境，有5个氧化还原性变化的周期，但各周期比其他分区变化波动小；由Sr/Cu指示的古气候显示早期为稳定的潮湿、温暖气候，在晚期迅速变得干旱、炎热；由Mo指示的古生产力显示前期激增后迅速衰竭到极低。4.3古气候条件分析川东南浅水陆棚区以非对称快速退积型岩性组合为主，水体较深且变化较小。由V/（V+Ni）指示的氧化还原条件显示克拉通盆地区筇竹寺时期长期处于缺氧的强还原环境中；由V指示的古气候显示从早期稳定的潮湿、温暖气候，向干旱、炎热周期性变化；由Mo指示的古生产力显示前期古生产力较高，后期减少到较低水平。4.4原性波动大，古生产力水平较低陆棚内凹陷区西外侧以滨岸相为主，发育持续进积型岩性组合，水体深浅变化大，氧化—还原性波动大，古生产力水平较低。陆棚内凹陷区岩性组合主要以非对称快速退积型为主，部分地区也发育对称退积—进积型岩性组合，快速退积时期为深水陆棚沉积，沉积较厚的黑色页岩，水体较深，处于贫氧环境，古生产力水平较高，而进积时期则发育半深水陆棚和浅水陆棚。5盆地不同构造背景下沉积体系划分对研究区不同分区的钻井及野外剖面的沉积亚相对比研究（表2），结合不同构造区域岩性组合、古环境特征差异，对四川盆地不同构造背景下沉积体系进行划分。四川盆地筇竹寺组发育陆棚内凹陷区沉积体系、滨岸海滩—陆棚沉积体系、川东南浅水陆棚区沉积体系、川东北浅水缓斜坡区沉积体系4种类型。5.1陆棚内凹陷区岩性组合早寒武世筇竹寺组沉积时期，由于四川盆地中西部绵阳—长宁陆棚内凹陷（拉张槽）的存在，发育陆棚内凹陷为主的沉积。该沉积体系发育滨岸相和陆棚相，以及近滨、远滨、浅水陆棚、半深水陆棚、深水陆棚、棚内裂谷6类沉积亚相（图8）。陆棚内凹陷区有快速海侵、缓慢海退的特征，海侵时期陆棚内凹陷区内发育厚层黑色页岩，水体深且贫氧，古生产力高。该区内筇竹寺组岩性组合常为泥页岩—泥质粉砂岩—泥页岩—泥质粉砂岩（泥质灰岩），靠近绵阳—长宁陆棚内凹陷中心的泥页岩厚度和泥页岩占比明显增大（表2、图8）。在川西至川中地区，陆棚内凹陷是影响筇竹寺组沉积环境的重要因素。在此构造区域，根据岩性组合对比，显示经历两次海侵，海平面周期变化，发育两个完整的中期旋回。陆棚内凹陷区内筇竹寺组沉积厚度可达500m。陆棚内凹陷区深水沉积与浅水沉积厚度比例可达1∶1，陆棚内凹陷区西内侧深水沉积与浅水沉积厚度比例在1∶2左右。陆棚内凹陷区东侧深水沉积物较少，与浅水沉积物厚度之比小于1∶2。5.2滨岸人类活动的古环境早寒武世筇竹寺组沉积时期，四川盆地西侧由于临近四川盆地西缘、北缘古陆，有物源供给时间长、沉积物以粒度较粗的砂岩为主、持续海退、氧化—还原性波动大、水动力变化频繁、古生产力水平低等特征。滨岸海滩—陆棚沉积体系分布区位于四川盆地西部、绵阳—长宁陆棚内凹陷（拉张槽）西侧和北侧，该沉积体系下发育滨岸、浅水陆棚、深水陆棚3类亚相。除障壁滨岸含钙质外，此沉积体系的浅水陆棚相也普遍含灰质，并且从四川盆地东北地区向盆地外缘，灰质占比增高，泥页岩占比减小（图8）。5.3竹寺组沉积环境在早寒武世筇竹寺组沉积时期，四川盆地东南部浅水陆棚区与川东鄂西、湘黔深水陆棚相接，以非对称快速退积型岩性组合为主，水体较深且变化较小，处于缺氧环境，有机质保存条件好，气候由潮湿、温暖变为干旱、炎热，古生产力迅速增大后变小，筇竹寺组沉积厚度较小，平均厚度为150m（图9）。川东南浅水陆棚区沉积体系分布区域在四川盆地川东、川东南克拉通盆地边缘区，在此体系下主要发育浅水陆棚和深水陆棚亚相。本区域浅水陆棚亚相发育灰黑色泥页岩、粉砂质泥页岩，具水平层理、波状层理，有机质丰度相比陆棚内凹陷和滨岸沉积体系的浅水亚相均要高；本区域深水陆棚亚相发育黑色水平层理、块状层理碳质泥页岩。5.4沉积相与环境在早寒武世筇竹寺沉积时期，四川盆地东北部临近被动大陆边缘，水体较深且变化小，长期发育深水陆棚沉积，气候干旱、炎热逐渐变为温暖、潮湿，古生产力迅速增大后变小，长期处于缺氧的强还原环境，有机质保存条件好，临近古陆，沉积物粒度大，筇竹寺组沉积厚度大，普遍厚度可达400m，同时此地区深水沉积的黑色页岩的比例也较大。川东北浅水缓斜坡区沉积体系分布区域在川东北地区，在此体系下主要发育浅水陆棚和深水陆棚亚相（图10）。浅水陆棚亚相分布范围较小，发育灰黑色泥页岩、粉砂质泥页岩，具水平层理、波状层理；深水陆棚在本区域分布广泛，稳定发育较厚的黑色水平层理、块状层理碳质泥页岩。6张槽、砂底沉积特征四川盆地受震旦纪和寒武纪多幕桐湾运动的影响，灯影峡阶、梅树村阶、筇竹寺阶常遭受不同程度剥蚀。同时早寒武世四川盆地具有的特殊的古陆环绕、处于被动大陆边缘、发育陆棚内凹陷等特殊构造位置，在不同构造区域的筇竹寺组沉积特征差异清晰的记录了构造位置对其的影响。陆棚内凹陷是对四川盆地中部地区筇竹寺沉积最大的构造，前人成功揭示川中绵阳—长宁陆棚内凹陷（拉张槽）的存在在川东北地区，筇竹寺组发育受控于古陆与前陆盆地，本地区水体深度由浅水环境到深水环境的突变，处在浅水缓斜坡区北东部的落人洞剖面筇竹寺组厚度116m，处在浅水缓斜坡区中部的城口红坪村剖面厚度624m，而浅水缓斜坡区南西部的鸡心岭剖面筇竹寺组厚度1342m，是斜坡构造位置下沉积厚度显著变化的直接显示。在川东北由于临近汉南古陆，有机质来源广，保存条件好，沉积物粒度大，富有机质页岩在整个筇竹寺组占比较大。在川东南地区浅水陆棚地区，筇竹寺沉积物厚度小幅度增加，氧化还原性显示本地区长期处于强缺氧环境。本地区古生产力水平较高、有机质更为富集，这与川东南地区浅水陆棚临近热水沉积区密切相关，在本地区沉积物中元素含量的变化中得到体现。在川西地区，筇竹寺组发育受控于古陆，同时长期处于滨岸海滩—浅水陆棚环境，筇竹寺组下部岩性段常常不发育，筇竹寺组沉积厚度仅有200m左右。有机质富集程度相较川中陆棚内凹陷区和川东北地区均较低。同时本地区沉积物中元素含量的变化，指示了在海退时，水体深度降低，古生产力水平下降比较明显。这些沉积特征差异均与川西地区受古陆和陆棚内凹陷影响，长期处于滨岸海滩—浅水陆棚沉积环境的构造位置密切相关。7山地竹寺组沉积特征(1）四川盆地筇竹寺时期川东北浅水缓斜坡区发