川西前陆盆地上三叠统须家河组辫状河三角洲沉积特征

川西前陆盆地上三叠统须家河组辫状河三角洲沉积特征

1成岩带及盆地沉积阶段西川前陆盆地（又称龙门山前陆盆地）是扬子板块与华北板块之间的中、晚三叠世陆冲突，发生了盆地转换，形成了扬子板块以西、斯罗亚弧以北的山系与克拉通之间的前陆盆地。川西前陆盆地指晚三叠世以来的四川盆地中西部地区,相当于四川盆地构造分区中的川西断褶带和川中地块区的西部。其西侧与龙门山造山带相接,向西过渡到松潘-甘孜褶皱系;北与米仓山-大巴山相接,向北过渡到南秦岭褶皱系;南与峨眉山、瓦山断块相邻;东与川中平缓褶皱带过渡。川西前陆盆地的沉积演化可以分为周缘前陆盆地和造山前陆盆地两个阶段。周缘前陆盆地阶段包括两个时期,安尼-拉丁期为雏型期和卡尼期为形成期。安尼-拉丁期以水下古前隆形成为标志,发育碳酸盐岩缓坡沉积;卡尼期以前隆隆升剥蚀,盆地沉积向前隆超覆以及双物源为特征。诺利后期-瑞替期,随着松潘-甘孜造山带不断向龙门山推进,龙门山崛起成为盆地边界,并向盆地提供物源,随着盆地沉降,沉积体系向盆地内部不断推进。自此,盆地演化进入了造山前陆盆地阶段,充填了上三叠统须家河组到白垩系磨拉石沉积。川西前陆盆地总面积约3.1×104km2,其中可供钻探面积约为2.3×104km2。须家河组总厚度达1000~2000m,是四川盆地石油与天然气的主要勘探层位之一,储集砂体主要为一套三角洲沉积体系。2陆相沉积相的沉积组通过对露头剖面、钻井岩心、测井和地震资料综合研究表明,上三叠统须家河组在岩性上分5段,其中须一段(俗称马鞍塘组和小塘子组)为一套海陆过渡相沉积,须二段到须五段为一套陆相沉积。该区总体上发育局限海湾、缓坡、冲积扇、辫状河、辫状河三角洲、湖泊等6种沉积体系(表1),其中以辫状河三角洲相和湖泊相沉积体系最为发育,三角洲砂体是研究区主要的骨架砂体。2.1陆源细碎屑岩缓坡相主要由一套深灰色薄层粉砂质泥岩、泥质岩夹泥灰岩、生物碎屑灰岩、鲕粒灰岩的陆源细碎屑岩夹碳酸盐岩沉积组成,在粉砂岩中发育小型浪成波痕。缓坡相沉积包括浅缓坡和深缓坡两个亚相。2.2上部小塘子组时期局限海湾相可划分为海湾灰岩亚相和海湾泥岩亚相,主要发育在诺利早期阶段,即须一段上部(小塘子组)时期。海湾泥岩亚相沉积主要为黑色泥页岩夹深灰色粉砂岩和灰黑色泥晶介屑灰岩,泥页岩发育水平层理、波状层理、脉状层理和透镜状层理,粉砂岩多出现波状层理。海湾灰岩亚相主要由浅灰色生物屑灰岩沉积组成,发育有板状或楔状交错层理。2.3岩性组合80%65%冲积扇相沉积主要分布在川西龙门山前缘一带(图1),冲积扇以砾石含量高和沉积厚度大为重要特点,扇体中砂岩结构成熟度和成分成熟度较低,岩屑含量一般为30%~40%,个别可高达80%~95%。岩石组合以黄灰-深灰色厚层块状石灰质砾岩、中粗粒含砾砂岩沉积为主,夹黄灰色厚层块状中粗粒钙质屑石英砂岩、粉砂岩和泥岩沉积。砾岩中砾石成分主要为石灰岩,次有燧石、砂岩、石英岩等,砾径一般2~3cm,最大可达10cm。粉砂岩、泥岩中含大量炭屑,产少量植物化石。冲积扇可细分出扇根、扇中、扇端3个亚相。由扇根至扇端亚相,砾石含量减少,而砂岩和泥岩含量增加,砾石由杂乱堆积渐变至略显叠瓦状排列,层理由块状递变至各类交错层理,分选性由差变好,虫管、干裂由少变多。冲积扇砾岩体向两侧及向盆地方向急剧变薄。2.4须家河组内缘海内缘结构辫状河沉积在区域分布上与冲积扇相邻,平面上主要分布在物源供给更为充沛的近龙门山、米仓山的西北部和北部的盆地边缘地区。纵向上主要出现于须家河组二段、四段等地层中。川西地区辫状河沉积具有较明显的垂向分带性和平面分区性分布特点,并明显受古地形控制,主要发育辫状河道和泛滥平原沉积。2.5全球范围内基性岩石学特征辫状河流是一种富砂的低弯度河流,河道宽而浅,河床坡降大、水流急、流量变化大,以河道径流广泛发育为特征。辫状河三角洲中分流河道不固定,冲刷、迁移和侧积作用强,砂体分布面积大,河口砂坝不发育或者限制性发育。研究区辫状河三角洲沉积极其发育,是川西前陆盆地须家河组占主导地位的沉积相类型,主要发育辫状河三角洲平原分流河道沉积、辫状河三角洲前缘水下分流河道沉积、席状砂坝沉积和前辫状河三角洲沉积。辫状分流河道沉积是辫状河三角洲平原的主体,以河道砂坝侧向加积而形成的沉积物为主,岩性较粗,为砾岩、含砾砂岩及砂岩,局部见泥岩。它们组成若干向上变细层序,一般从砾岩※含砾砂岩※砂岩,有时顶部出现一层薄泥岩层。单一层序的厚度一般为0.5~5m不等,层序底部为冲刷接触,冲刷面起伏不大,其上分布有河床滞留砾石沉积。层内见平行层理,大-中型板状交错层理及槽状交错层理,局部见滑塌构造。此外,砂坝侧向迁移加积形成的“侧积交错层”特别发育(图2)。这种侧积交错层是一种良好的指示沉积环境的标志,它指示河道或水下分流河道的快速侧向迁移,在富砂少泥环境中易于发育,是辫状河三角洲沉积中最主要的沉积构造。水下分流河道和席状砂坝沉积为辫状河三角洲前缘的主体(图3)。水下分流河道沉积分布于辫状河三角洲前缘靠陆一侧,沉积物粒度粗(较辫状河三角洲平原亚相中的分流河道稍细),为细砾岩、含砾砂岩及砂岩,砂岩中碳屑成分较平原亚相中的分流河道明显减少,同时砾石成分单一,全由泥砾组成。岩石呈颗粒支撑,基质含量少。河道底部为冲刷接触,冲刷面起伏不大,冲刷面分布着滞留砾石沉积。砂体中“侧积交错层”极发育,还可见平行层理及大-中型交错层理。席状砂坝沉积在沿岸波浪作用发育的地区,河口坝的砂质沉积物受湖水的冲刷作用发生侧向移动,使之沿三角洲前缘呈较宽的带状分布,从而形成薄而大的席状砂体。当湖水的波浪作用较强时,席状砂体可以和河口坝连片,如果波浪作用继续加强,河口坝可以完全消失,从而形成大面积分布的前缘席状砂的叠合体。川西地区须家河组大套厚层的砂体就属于此类成因,单一砂体厚度一般在2~10m(图3)。该套砂体以灰白色中-细粒长石石英砂岩为主,多见厚层块状层理,也发育平行层理、浪成沙纹交错层理、碟状层理等,极少见化石。前辫状河三角洲亚相位于辫状河三角洲前缘带向湖的较深水区,由灰绿色、深灰色及灰黑色薄层粉砂质泥岩、泥岩或页岩组成。沉积构造不发育,粉砂岩中可见浪成沙纹层理,泥岩中可见水平层理。2.6局部大厚度0.10m研究区须家河期湖泊沉积发育,分布广泛,厚度巨大,局部可达800m以上。湖泊相以滨浅湖、宽阔湖、水体较浅为特点。沉积物以粒度细、泥质岩丰富和虫管、水平层理发育为特点。3沉积相平方分布规律及纵向发展3.1须六段沉积期岩相古地理川西地区须家河组的沉积与龙门山的发展演化密切相关,属龙门山推覆体前陆盆地发展演化的产物,晚三叠世随着海水从龙门山南段西侧退出,四川泸州-开江一带形成古隆起,上扬子台地结束碳酸盐岩台地沉积阶段,进入陆相沉积盆地发展阶段。1)须一段沉积格局须一段经历了马鞍塘组期和小塘子组期沉积,主要为一套海陆交互相沉积,在研究区南部不发育,北部较为发育,且北部由海相向陆相过渡更为早些,北部主要为一套潮坪和三角洲前缘沉积,南部主要为一套局限海湾、缓坡和三角洲前缘沉积。马鞍塘组早期,受龙门山逆冲推覆挤压的影响,川西大部分地区被抬升暴露到地表遭受侵蚀。马鞍塘组中期,受龙门山造山的影响,沉积格局发生分异,构造运动增强加速了盆地沉降,海侵规模逐渐扩大,水体明显加深,研究区内主要发育了一套缓坡-浅海陆棚相沉积。小塘子组期,川西九顶山、摩天岭等地受构造运动影响已升起成山,使得川西地区形成了一个局限海湾环境。小塘子组期沉积物物源主要来自于盆地北部,由于沉积物堆集迅速,致使川西北部较早的改变了海湾环境,海湾逐渐被充填为陆相环境,海岸线随之向海西南方向退缩。2)须二段沉积格局小塘子组沉积之后的印支中幕运动使九顶山、摩天岭进一步抬升,形成所谓的“龙门山半岛”,并与北侧的米仓山、大巴山古陆一起,环绕于沉积盆地边缘,构成川西地区须二段期的主要物源供给区,海湾与外海的联系仅剩下位于康滇隆起之间的一个小峡口。川西北部近龙门山半岛前缘盆地基地沉降快,幅度大,坡度不断增大;川西南部盆地基底沉降幅度明显较弱,基本上维持了比较平缓的面貌。盆地南北基底形态的不对称性越来越明显,川西北部由于河流沉积物的充填和构造运动的影响,较早结束了海相沉积的历史,川西南部由于断断续续有海水侵入,局部为海陆过渡相沉积。由于研究区内水体总体较浅,湖平面较低,物源供给充分,沿物源的搬运方向,三角洲沉积向东南方向推进,因此研究区内大面积分布三角洲砂体沉积。沿着龙门山隆起发育冲积扇和三角洲平原亚相沉积,三角洲前缘亚相的分布达到了整个须家河时期最大的范围几乎占据研究区二分之一的面积,仅在研究区南部雅安、夹江、三台、仪陇一带为滨浅湖亚相沉积(图4)。3)须三段沉积格局须二段期末,前陆盆地构造运动趋于平静,川西大部分地区须三段与下伏须二段之间表现为连续沉积,并继承了须二段周边的古地理概貌。但龙门山、九顶山古陆范围略有扩大,与米仓山-大巴山古陆一起,构成了须三段期的主要物源区,并限制了须三段期的北部、东北部沉积边界。沉积厚度在龙门山前缘达1000m以上,其中以彭州、都江堰一带厚度最大向东、向南逐渐减薄,至南边的苏3井厚度仅190m左右,反映出极不对称的“箕状”盆地沉积特征。须三段主要岩性为泥质岩,反映了此期地壳相对稳定,物源的供应远不如须二期充足,盆地下降速度大于沉积物补偿速度,盆地呈饥锇状态。在邛崃、大邑、温江、彭州、德阳以西以三角洲平原沼泽为主,夹三角洲平原分流河道或河口砂坝沉积,岩性以深灰、灰黑色泥(页)岩夹灰色岩屑石英砂岩。该区以东,峨眉、眉山、金堂、中江及其以西为三角洲前缘分流河道、席状砂坝或河口砂坝沉积为主夹前三角洲沉积物(图5)。4)须四段沉积格局须三段沉积末发生的印支运动(安县运动),使龙门山在逆冲推覆作用下急剧抬升。龙门山、米仓山、大巴山联成一体,构成沉积盆地的西部和北部边界。大量的粗碎屑物质通过冲积扇向盆地内供给,在龙门山、米仓山前缘的广元、江油、安县一带形成以砾岩和含砾砂岩为主的冲积扇体。川西北绵竹、梓潼、苍溪一线的东侧,为三角洲平原河道-泛滥河平原沉积。河道砂体大多为含砾砂岩,呈透镜状,具大型板状斜层理、槽状层理。川西南段的邛崃、蒲江、新津一带,受造山带的逆冲推覆作用不大,继承了须三段期浅湖环境,为粉砂岩或细砂岩与泥质岩不等厚互层沉积。向盆地东南侧,可见泛滥平原沉积,沉积物为细-中粒长石石英砂岩、粉砂岩和泥质粉砂岩,沉积结构反映曲流河特征,河道上部的泛滥平原沉积保存较好。总体而言,须四段期川西北部为受龙门山逆冲推覆控制的冲积体系,向南逐渐过渡为滨湖-浅湖相。而盆地的东南部为泛滥平原,其物源已经受到东南物源的影响,前陆盆地的多物源特征开始出现(图6)。5)须五段沉积格局须五段期与须三段期一样,是地壳的一个相对宁静期,物源的供应远不如须四段期充足,沉积环境在须四段期的基础上继续发展,北部梓潼-绵阳地区主要为泛滥平原河道-湖沼沉积,岩性为泥页岩与砂岩间互层,局部夹砾岩和碳质页岩。川西南部主要为浅湖相、湖沼相,含偏顶蛤和云南蛤等半咸水湖相瓣鳃化石,岩性以黑色页岩、碳质页岩为主夹岩屑石英粉-细砂岩(图7)。总体上川西前陆盆地上三叠统须二-三段沉积期,湖水面积较小,湖盆沉积中心在盐亭-射洪一带,而沉降中心在灌县-彭县地区;须四-五段沉积时,湖水面积扩大,沉积中心在资阳-简阳一带,其沉积物主要来源于北侧的障壁岛链,而非东南侧的扬子古陆剥蚀区。而作为主力储集层的须二段具有北厚南薄的“楔状”特点,属三角洲相沉积体系,该期沉积已初具多物源特征。川西靠龙门山一侧,陆源物质补给仍主要来自西北的龙门山造山带,因而三角洲相发育。但向东南方向,由于川中出现剥蚀区,所以汉王场及龙泉山地区已有接受扬子古陆剥蚀区物源的迹象。3.2须3gs期湖平面变化及地质意义根据对川西地区须家河组沉积相平面展布特征分析表明,晚三叠世须家河组须一段沉积以后,古特提斯海水已不能够越过松潘甘孜褶皱带而进入盆地西部,从而使研究区进入湖泊环境的沉积演化阶段。须二段沉积时期,该区水体深度较浅,主要发育一套辫状河和三角洲沉积,湖泊沉积不发育;须三段沉积时期,该区水体开始加深,湖泊沉积发育;须四段沉积时期,水体又变浅,湖泊沉积面积变小,三角洲沉积发育;进入须五段演化阶段后,湖泊水体变深,湖泊沉积极其发育,该时期湖平面变化频繁,湖沼沉积广泛发育(图