四川前陆盆地须家河组物源物源分析

四川前陆盆地须家河组物源物源分析

0川前陆盆地须家河组物源区和沉积模式上三叠纪徐家河群是四川盆地主要油气产层之一，但储层性质总体较差。其中大部分为砂质低孔低渗和特低孔低渗裂缝少孔储层，只有一些低渗和中孔低渗发育，受到沉积、岩石形成和构造等因素的控制。在此背景条件下,深入认识作为主要油气勘探目的层的须家河组的沉积物源方向、物源区构造背景、不同物源对砂体的空间展布规律以及不同碎屑来源物质对油气聚集带的控制就显得尤为重要。近年来,前人对四川前陆盆地须家河组物源进行了多方面的研究。谢继容等利用岩性特征、矿物组合和沉积演化等方面的资料并结合区域背景、构造事件的综合分析,对四川盆地上三叠统须家河组的物源及其对沉积的影响进行了分析。施振生等通过重矿物分布特征和组合规律,分析了源区母岩类型、沉积物搬运路径及其纵向演化。晚三叠世须家河期四川前陆盆地的沉积具有多物源的特点:一是盆地周缘存在多个造山带,包括西北部的龙门山造山带、东北部的米仓山—大巴山造山带、东南部的雪峰古陆及西南部的康滇古陆和南部的峨眉—瓦山古隆起等,它们都可以向盆地内部提供碎屑沉积物;另外,龙门山造山带和米仓山—大巴山造山带周期性的强烈逆冲推覆活动和持续隆升,加大了北西和北东两方向物源的供给。这种多源区也明显反映在须家河组砂岩的岩石类型及主要组分的空间变化、重矿物组合类型的分区性、地球化学分布规律等方面。前人研究基本没有涉及多碎屑三角图解分析和沉积地球化学分析。笔者拟通过砂岩碎屑组分、重矿物分布特征、沉积地球化学3种方法综合对须家河组物源进行分析,探讨前陆盆地边缘造山带构造运动对物源的控制。1龙门山地区干草原区盆地现今四川盆地的构造格局于印支运动后期开始出现雏形,经燕山至喜山运动的多次叠加改造后才得以定形:即以龙门山断裂为西界、七曜山断裂为东界、城口断裂为北界、峨眉—瓦山断裂为南界的菱形构造兼地貌盆地,面积约18×104km2(图1)。已有研究成果表明,该盆地是位于扬子地块西部的一个多旋回构造叠合盆地,在中三叠世末发生的印支早幕构造运动中,构造挤压使扬子地块西部西缘和北缘开始缓慢上升,从岛链逐渐演化为强烈逆冲推覆的造山带。晚三叠世初期,组成四川类前陆盆地沉积基底的中、下三叠统海相碳酸盐岩地层发生构造隆升和遭受强烈剥蚀,在结束上扬子地块被动大陆边缘盆地海相沉积史的同时,于晚三叠世早期逐渐进入挤压构造背景条件下的陆内会聚盆地、即类前陆盆地演化阶段,相继发生晚三叠世马鞍塘组、小塘子组和须家河组由海相到陆相的沉积超覆作用,并延续到早侏罗世—晚白垩世的红层碎屑岩建造。2砂岩组及物源分析2.1岩石组成特征根据野外露头的观察描述及室内的薄片鉴定结果(图2):四川前陆盆地上三叠统须家河组砂岩以岩屑石英砂岩为主,广泛分布于川中隆起地区,约占统计岩石的56%;其次是岩屑砂岩和长石岩屑砂岩,广泛分布于川西北、川北和川中地区,分别占统计岩石的31%和11%;岩屑长石砂岩占2%以下,仅见于川西南和川中隆起合川炭坝地区。研究区须家河组砂岩样品的石英、长石和岩屑三端元组分占全岩质量分数的平均值分别为63.6%、4.2%和16.5%,具有相当高的石英碎屑含量和相当低的长石碎屑含量,并含有大量的岩屑。石英碎屑主要以单晶石英为主,其次为多晶石英。除极个别单晶石英来自于岩浆岩外,大多数具波状消光的石英来自变质岩,多晶石英主要见于沉积岩的燧石岩屑,石英质量分数从盆地边缘向川中隆起逐步增加。长石质量分数一般占全部碎屑的0%~14%。大多数砂岩中长石含量普遍很低,仅占岩石总量的5%以下,以斜长石和微斜长石最为常见,有少量正长石。岩屑在研究区须家河组砂岩中常见,岩屑质量分数占全部碎屑的5%~49%,具有分布广、组分较为复杂的特征。从岩屑的组成上看大致呈现如下规律:在川西坳陷以沉积岩岩屑为主;在川东北坳陷和川中隆起则以变质岩岩屑为主;而川东南坳陷则以沉积岩岩屑+变质岩岩屑为主。岩屑总含量呈现出以下3个方向逐渐递减的趋势:川西北→川中、川东北→川中和川南→川中,说明研究区须家河组物源具有来自盆地边缘多个造山带的特点。2.2颗粒的计数碎屑组分分析是对结构和组成基本保持不变的砂岩在偏光显微镜下进行石英、长石和岩屑百分含量统计。较长时期以来国外基本上采用Dickinson计点法来完成,本次研究采用相同技术方法对每件样品碎屑颗粒统计均超过300粒。然后利用Baedke和Thompson编制的TriPlot2.0版本三角图软件,将这些碎屑组分含量的数据投点到广泛应用于砂岩的物源区分析的Dickinson三角图图解上,以便进行物源区构造背景解释。2.2.1岩浆岩岩屑物源区的识别在研究区上三叠统须家河期Dickinson的QmF-Lt三角图解(图3a)上可看出,须二段砂岩的碎屑物源成分主要落在石英再旋回造山带和克拉通内部的范围内。其中大部分落在石英再旋回造山带的范围内,少量落在过渡再旋回带。Dickinson的辅助图解Qt-F-L三角图解(图3b)显示了全部样品集中在再循环造山带物源区。Qp-Lv-Ls三角图解(图3c)显示出基本相同的特征,反映物源区板块构造具有完全一致的特点。岩屑类型和石英成因分析表明物源区以沉积岩和变质岩物质为主,这与再旋回造山带和混合区的构造地层组成特点相符。须二期川西坳陷砂岩投点和川中前陆隆起砂岩投点有一定的区别(图3)。在Qt-F-L三角图上,川西坳陷有大部分落在克拉通内部,投点较为分散;在Qp-Lv-Ls三角图上,川西坳陷砂岩和前陆隆起砂岩投点都落在“褶皱-逆掩带”之上,但川西坳陷砂岩更靠近混合造山带砂岩附近。由此可见:川西坳陷砂岩的物源更为复杂,这与印支早幕构造运动和龙门山逆冲带在须二期开始逆冲推覆、为研究区提供了部分沉积物,并在逆冲带形成过程中伴随大量岩浆喷发致使须二段出现大量岩浆岩岩屑的认识是相互符合的;而川中前陆隆起砂岩投点相对集中,物源提供相对简单,主要来自石英再旋回带,说明川中前陆隆起为一继承性的古隆起,来自南部方向的物源通过前陆隆起向川中和川西坳陷沉积。2.2.2龙门山中段须六段储层砂岩物质组构特征在研究区上三叠统须家河期Dickinson的QmF-Lt三角图解(图4a)上可看出,须四段砂岩的碎屑物源成分几乎都落在了石英再旋回造山带范围内,仅少量落在克拉通内部。Dickinson的辅助图解Qt-F-L三角图解(图4b)显示了全部样品集中在再循环造山带物源区。Qp-Lv-Ls三角图解(图4c)全部落在褶皱-逆掩带,反映了物源区板块构造完全一致的特点。与须二段相比,川西坳陷须四段落在克拉通带的点明显减少,大量的砂岩投点落于“褶皱-逆掩带”之上,这些都表明该期龙门山的逆冲推覆运动逐渐增强,并为研究区提供了大量的物源。在龙门山北段,须四段砂岩的岩屑主要还是以沉积岩岩屑为主,质量分数最高的为碳酸盐岩岩屑,局部地区可高达95%以上。须四段底部发育了巨厚层的砾岩,砾石成分主要为碳酸盐岩(以灰岩为主)。在广元工农镇和彭州狮山剖面,须四段底部同样也发育了大套的砾岩层,砾石成分也主要是灰岩及白云岩。研究分析表明,这些砾石的时代主要为D—T2。与须二段相比,须四段岩屑含量明显增加。川西地区北部须四段储层砂岩主要为岩屑砂岩,石英和长石质量分数很低,平均分别为46%和2%左右,而岩屑质量分数异常高,平均为35%左右;川西地区南部须四段储层砂岩也主要为岩屑质量分数异常高的岩屑砂岩;在龙门山南段,未见砾石层发育,须四段砂岩岩屑也主要是沉积岩岩屑,但主体为粉砂岩与泥页岩组合,总体反映出龙门山中段是南、北两段的“过渡带”。与须二段三角图解相比,川中前陆隆起投点无明显的变化,砂岩物质组分以长石岩屑与岩屑石英砂岩为主,岩屑含量增加,但没有川西坳陷明显,由此可见安县运动对川中影响较川西坳陷小得多。川中前陆隆起须四段物源继承了须二段的格局。2.3川东北凹陷期沉积体系须二期沉积格局受龙门山逆冲推覆影响,四川盆地沉积-沉降中心位于川西坳陷,最大沉积厚度约500m,以发育河流-辫状河三角洲-湖泊相沉积为主;米仓山—大巴山造山带在该时期处于相对稳定的低幅隆升状态,川东北坳陷局部沉积厚度可达600m;川中沉积较薄,最大沉积厚度约240m;川东南在该时期以剥蚀为主,仅发育小范围的三角洲沉积(图5a)。主要物源来自川西、川东北和川南。须四期龙门山和米仓山—大巴山造山带进入强烈逆冲推覆作用,川西坳陷最大沉积厚度可达700m,川东北沉积厚度约300m,川东南和川南沉积厚度约160m,区域上以发育冲积扇-扇三角洲-辫状河三角洲-湖泊相沉积为主,其中冲积扇、扇三角洲和辫状河三角洲沉积体系发育在盆地边缘(图5b)。该时期物源包括川西、川东北、川东南和川南,与须二期相比,川东南沉积面貌大为改观,发育大面积辫状河三角洲。2.4晚三叠世四川前陆盆地须片段zt指数分布重矿物是判断物源方向及物源分区的最重要标志。研究区须家河组砂岩的重矿物鉴定资料统计结果表明,重矿物种类有锆石、电气石、磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿、白钛矿、绿泥石、石榴子石、绿帘石、黝帘石和硬绿泥石等。从ZTR指数(重矿物组合成熟度的一个度量值)等值线图(图6)中可以看出,晚三叠世四川前陆盆地主要发育四大物源体系,须二段和须四段ZTR指数分布特征具有继承性特征。须二段发育4个ZTR指数低值分布区,分别位于川西北、川东北、川东南和川南(图6a);须四段发育5个ZTR指数低值分布区,分别位于川西南、川西北、川东北、川东南和川南(图6b)。这种分布格局表明了须家河期四川前陆盆地主要受西北、东北和东南方向的物源控制,即主要存在西北(主要影响川西北和川北地区)、东北(主要影响川东北和部分川中地区)和南部—东南部(主要影响川中大部和川南、川东南地区)三大主要物源供给区和供给方向。3岩石地球化学特征通过野外详细调查,本次工作在四川盆地不同构造分区选取了具有代表性的16件新鲜岩石样品进行了地球化学分析,主要岩性为砂岩。样品分析在中国科学院青岛海洋研究所分析与检测中心完成,所用仪器为电感耦合等离子体质谱(ICP-MS),测试标准为DZ/T0223-2001,分析精度优于5%。测试结果如表1所示。3.1稀土残渣3.1.1稀土及微量元素特征四川盆地须家河组样品的稀土元素分析结果表明:在龙门山逆冲推覆带附近的工农镇、彭州狮山、什邡金河等地稀土总量(质量分数)(不包括Y)为86.16~172.54mg/kg,平均值为129.68mg/kg;在川中隆起的威远、广元、龙女、潼南等地稀土总量为72.28~168.99mg/kg,样品平均值为122.78mg/kg;在川东北坳陷樊哙剖面,稀土总量为103.96~111.27mg/kg,样品平均值为107.61mg/kg;在川东南坳陷古蔺剖面,稀土总量为207.06mg/kg;在平面上以川东南坳陷含量最高为特征。稀土元素样品采用Leed球粒陨石标准化后,绘制配分模式曲线。从图7可以看出:样品的球粒陨石标准化配分模式曲线相似,为轻稀土元素富集、重稀土元素亏损型的特点;存在明显Eu负异常,Ce基本正常等特征;La—Eu段轻稀土配分曲线较陡、斜率较大,表现为明显的“右倾”,说明轻稀土元素之间的分馏程度较高;Gd—Lu段重稀土配分曲线较为平坦、斜率较小,重稀土元素之间分馏程度较低。3.1.2不同大地构造背景的盆地岩McLennan等和Bhatia等通过研究发现,来自上地壳的稀土元素具有轻稀土富集、重稀土含量稳定的特点,且稀土元素配分模式表现出明显负Eu异常。研究区须家河组稀土元素总体具有轻稀土富集、重稀土含量稳定、明显负铕异常等特征,从稀土元素配分模式可以判断出上三叠统须家河组砂岩与上地壳基本一致的分布模式;说明研究区三叠统须家河组沉积岩的原始物质应源自上地壳。但在不同的次级构造单元,轻稀土斜率具有一定区别,表明物源来自四川前陆盆地不同地区。苏本勋等、杨国臣等对四川盆地及松潘—甘孜地块前寒武—三叠系沉积地球化学研究显示,研究区川西坳陷的REE配分模式与三叠纪地层的REE配分模式十分接近,都显示出轻稀土富集、重稀土相对亏损的右倾型,存在明显Eu负异常,Ce基本正常,且稀土元素各种特征参数比值都很接近。Bhatia等通过对澳大利亚东部不同大地构造背景的沉积盆地中砂岩和泥岩的研究,总结出稀土元素在不同大地构造背景沉积盆地杂砂岩的分布特征表(表2)。该表系统地揭示了稀土元素分布特征所反映的沉积盆地的大地构造背景和物源区类型。本论文数据与参考数据对比显示研究区须家河组砂岩的物源区与大陆岛弧类型相近,说明须家河沉积早期四川盆地周缘造山带还未强烈隆升。四川盆地须家河组砂岩的δEu异常明显,大部分样品均表现出负异常,根据Bhatia等提出的La/Yb-∑REE图解,研究区的投点主要在沉积岩和花岗岩的交汇区,但有少数样品落在了大陆拉斑玄武岩和碱性玄武岩区(图8)。这说明沉积岩和花岗岩混合区为研究区须家河砂岩的主要物源区,但不排除局部有玄武岩成分的混入。其玄武岩成分很可能源于扬子板块西缘的松潘—甘孜地区晚二叠世发生的大面积玄武岩浆喷溢区,在后期的沉积过程中提供部分物源。3.2小型木材3.2.1地壳微量元素含量通过对须家河组16件砂岩样品Zn、Co、Ni、Ba、V、Cu、Sr、Pb、Th、Zr、Cr、Ga、Sc、La、U15种微量元素含量的测定,在与Bhatia等和McLennan等发表的大陆上地壳微量元素值对比后发现:研究区须家河组亲铁微量元素Co、Ni、Mo的丰度较大陆上地壳微量元素值高;亲石元素特别是Cr的丰度高于上地壳丰度,而Sr和Sc均低于上地壳丰度值;亲铜元素如Ga高于地壳丰度值,Zn低于上地壳丰度;而Ba和Cu低于地壳丰度值。3.2.2物源区构造背景Bhatia和Crook认为,砂岩的微量元素,尤其La、Th、Y、Zr、Ti、Co和Ni等在研究砂岩物源区和判别构造环境上作用很大,并提出了可以区分形成于海洋岛弧、大陆岛弧、活动大陆边缘和被动大陆边缘砂岩的图解。从研究区须家河组的构造环境判别图解(图9)可以看出:在w(Zr)-w(Th)图解(图9a)中,样品的投点分布较零散,大部分落在了大陆岛弧及相邻的不确定区域内,反映须家河组物源区具有复杂的构造背景条件;在La-Th-Sc图解(图9b)中,样品的投点很集中,主要落在活动大陆边缘+被动大陆边缘区域与大陆岛弧区域的结合部,反映物源区具有大陆边缘向大陆岛弧转化的构造演化特点;在Th-Co-Zr/10图解(图9c)中,样品的投点也很集中,主要落在大陆岛弧区域内。上述判别图解都一致证明四川盆地须家河组物源区具有大陆岛弧构造背景,与印之晚期龙门山的隆起和古特提斯海关闭构造背景条件相对应。据上述稀土元素与微量元素物源的判别,川西坳陷和川中隆起样品的配分模式具有一定差别。须家河组物源区的构造环境由大陆岛弧向活动大陆边缘转化。川西坳陷样品与松潘—甘孜地块三叠纪地层配分模式相近。据邓飞等对川西坳陷须家河组样品中的碎屑锆石年龄测定,其与松潘甘孜物源的年龄相当,且地层中重矿物以锆石、金红石为主;说明川西须家河组沉积物可能来自西部松潘甘孜的再旋回沉积。但须家河组样品中部分锆石年龄分布在951~1176Ma,该年龄段的锆石在邻近地区仅在龙门山地区彭灌杂岩沙坪花岗岩和兴文坪辉长岩以及康定杂岩花岗片麻岩中有报道;说明须家河组上部的物源包括了扬子陆块西缘龙门山,亦可能有康定杂岩。4物源区和主物源区上述对轻、重矿物和岩屑类型、稀土元素和微量元素地球化学特征的物源区分析表明,晚三叠世须家河期四川前陆盆地的沉积是多物源的,不仅存在“西北物源区(龙门山造山带)”和“东北物源区(米仓山—大巴山造山带)”两大主物源,同时也存在“东南物源区(雪峰古陆)”和南部物源区(峨眉—瓦山古隆起)。其中西北物源主要控制川西北和川北部地区,东北物源主要控制川东北地区,东南物源主要控制川东南地区,而川中前陆隆起物源主要来自南部峨眉—瓦山古隆起或黔中古陆。由碎屑岩物质组分特征、岩屑与重矿物组合类型分区性的空间变化和稀土和微量元素分析,总结出如图1