四川盆地中部地區侏羅系沙溪廟組沉積體系演化及砂體發育特征

楊躍明 王小娟 陳雙玲 文 龍 吳長江 關 旭 韋騰強 楊曦冉

1.中國石油西南油田公司 2. 中國石油西南油田公司勘探開發研究院

0 引言

近年來，在川中地區沙溪廟組陸相致密砂巖氣勘探取得重大新進展，累計提交探明儲量達千億立方米，展現出區內侏羅系沙溪廟組致密氣廣闊勘探開發前景，也使得沙溪廟組成為四川盆地油氣勘探的一個新熱點[1-3]。但由于此前四川盆地的油氣勘探主要聚焦于震旦系—下古生界等地層，對侏羅系沙溪廟組的勘探研究程度較低。2018年以來立足川中地區，建立沙溪廟組等時格架，將沙溪廟組劃分為3個三級與5個四級基準面旋回，識別出23個砂組[3]。盆地物源體系的研究主要集中在川西地區，表明盆地龍門山短軸物源和東北部的米倉山—大巴山的長軸物源影響著盆地西部[4-5]，但對盆地中部的影響程度還不明確。沙溪廟組沉積時期湖泊底層水體總體上為中等分層的含氧環境[6]，整體表現為溫暖干旱,由早到晚干旱程度逐漸加強[7]。前人對不同區塊的研究存在爭議，但整體上認為是一套河流—三角洲—湖泊體系[8-10]。目前，針對川中地區沙溪廟組沉積相的研究相對薄弱，其沉積微相類型、沉積體系演化和砂體發育規律亟待研究。本文綜合利用測錄井、地震和巖心等資料，系統分析了四川盆地沙溪廟組古地理背景，在此基礎上重點對川中地區沉積特征和砂體分布特征進行了厘定，建立了沉積和砂體發育模式，對下步四川盆地侏羅系沙溪廟組致密氣規?？碧介_發推進具有一定的現實意義。

1 地質概況

四川盆地位于古揚子板塊的西緣，是基于上揚子克拉通發展起來的多旋回疊合盆地，四川盆地中三疊世以來，先后受到印支運動、燕山運動和喜馬拉雅運動的影響，形成現今的構造格局。四川盆地周緣主要被龍門山褶皺帶、大巴山褶皺帶、米倉山隆起帶、大相嶺斷褶帶、大婁山斷褶帶所環繞[11]，本次的重點研究區如圖框所示，位于四川盆地中部（圖1）。

圖1 四川盆地構造及地層發育特征圖（據肖富森等[3]有修改）

沙溪廟組為四川盆地中侏羅統發育的一套厚度為600～2 800 m的巨厚紅色地層，主要以暗紫紅色泥巖為主，間夾中厚層塊狀砂巖[12]，由山前至盆內，沙溪廟組依次發育河流—三角洲—湖泊沉積。目前，常以其內部的“葉肢介頁巖”為界線，將沙溪廟組自下而上劃分為沙一和沙二兩個段，該頁巖段多為厚3～5 m的黑色、灰綠色以及黃綠色頁巖，富含雙殼類以及葉肢介等古生物化石組合。沙溪廟組自下而上，依次發育23期河道，累計證實13期河道含油氣，沙一段的2、3、4和沙二段的6、7、8號是主要的建產目標砂組。

2 盆地沉積背景及充填方式

2.1 古構造格局

影響四川盆地形成與演化的構造帶主要為西部的松潘—甘孜褶皺帶與龍門山沖斷帶、北部的秦嶺造山帶與米倉山—大巴山沖斷帶以及東南緣的雪峰山褶皺帶。顯生宙以來，四川盆地主要經歷了3大演化階段：震旦紀—中三疊世伸展背景下的差異升降和被動大陸邊緣階段、晚三疊世—晚白堊世擠壓背景下的褶皺沖斷和復合前陸盆地階段、晚白堊世以來的構造盆地階段[13]。沙溪廟期，西部的松潘—甘孜褶皺帶與龍門山沖斷帶，東南部的雪峰古隆均已隆起，可為盆地內提供物源[14]。

本文利用井震結合恢復了四川盆地須家河組、自流井組、涼高山組和沙溪廟組的地層厚度特征，分析了沉降中心的展布特征。須家河期四川盆地受東西向的擠壓構造應力，發育龍門山山前前陸盆地；自流井組和涼高山組時期，沉降中心有逐漸向東和東北方向遷移；到中侏羅沙溪廟早期，沉降中心主要位于大巴山山前一側，沙溪廟組晚期沉降中心逐漸向西側米倉山一側遷移（圖2）。前人在米倉山—大巴山三疊統須家河組以及下侏羅統白田壩組地層中均發現有大套厚層礫巖，表明南秦嶺造山帶（與米倉山—大巴山沖斷帶）與揚子地塊碰撞閉合的時間為晚三疊世。沙溪廟沉積時期，四川盆地整體表現為北東南西向的大巴山山前陸盆地[15]。四川盆地沙溪廟組地層厚度具有北東厚南西薄的特點，地層厚度變化較為緩慢，整體表現為一個寬緩的斜坡，表明沉積期整個四川盆地地勢較為平緩（圖3）。

圖2 四川盆地須家河—沙溪廟組沉降中心遷移特征圖

圖3 四川盆地侏羅系中統沙溪廟組地層厚度圖

2.2 古湖泊和古氣候特征

沙溪廟組地層的泥巖多具有為紅色、灰綠色和雜色，表明其形成于富氧的環境，但沉積期是否存在穩定的水體，是砂體成因解釋和預測的關鍵。川中地區多口井的巖心資料揭示沙一段和沙二段分界處往往發育一套厚度相對穩定的含葉肢介的黑色泥頁巖，為沙溪廟組的湖泛期沉積。巖心中常見典型的水平層理，表明其形成于一定水深的還原條件下。綜合測錄井資料和野外露頭資料，編制了全盆地葉肢介泥頁巖的平面分區圖，可以明顯地發現，不同顏色的頁巖明顯具有環帶狀的特點，整個川中地區和南部地區都表現為水下的特征，在北東部的劍閣—巴中—廣安和南西方向的綿陽—資陽附近逐漸過渡為灰綠色，靠近盆緣則逐漸變為紅色（圖4）。

圖4 四川盆地沙溪廟組一段頂部“葉肢介頁巖”平面分布圖

川中沙溪廟組的河道砂巖中發現了大量的綠泥石包殼和海綠石等指向性的礦物（圖5）。綠泥石包殼圍繞顆粒發育，主要形成于早成巖階段早期，其形成需要同沉積的富鐵沉積物，在沉積盆地中，河流會帶來豐富的溶解鐵，如風化和搬運過程中黑云母等暗色礦物水化析出的鐵，在河口砂壩和遠砂壩等沉積環境中因電解質的加入發生絮凝而形成含鐵沉積物，一般而言，自生綠泥石發育的砂巖層段，常被學者們解釋為三角洲前緣沉積環境[16-17]。海綠石主要以顆粒狀發育于長石和石英顆粒間，為典型的指向性礦物，主要發育于淺海以及湖泊等穩定水體之下的還原環境，且難以在遠距離搬運過程中保存下來[18-19]。從平面上來看，海綠石主要集中出現在川中的秋林、金淺和磨溪等井區，海綠石的集中出現表明這些砂巖沉積期處于水下還原環境，且沉積水體較為穩定，其平面分布與代表湖泛期的葉肢介頁巖的平面展布特征相符（圖4），表明川中地區在沙溪廟組發育穩定的湖相沉積。

圖5 沙溪廟組砂巖中綠泥石包殼及海綠石微觀特征

通常情況，在溫暖濕潤、降水量大的環境下，地表徑流量大，地表侵蝕能力強，促使更多的Sr元素進入到沉積盆地，往往造成沉積物中Rb/Sr值的變??；反之，在寒冷干燥，且降水量少的環境下，Rb/Sr會增大。Fe在潮濕的湖相環境中，會快速以膠體顆粒Fe(OH)3形式沉淀，所以在沉積物中Fe/Mn值高指示為溫暖濕潤氣候，Fe/Mn值較低反映為干熱氣候。礦物吸附有V、Co、Ni、Cr 等微量元素，在還原條件下V較易被吸附而沉淀，氧化條件下Co、Ni、Cr相對較易富集，所以V/Cr常被作為判別沉積水體氧化還原環境的有效指標[7]。

本文對川中地區YQ1井沙一段和沙二底部進行了全井段的元素測量，利用Rb/Sr、Fe/Mn和V/Cr比值，結合沉積特征和測井曲線疊置特征對進行了古氣候和古氧化還原條件進行了系統恢復。沙一段泥巖段的Rb/Sr和Fe/Mn整體變化較為頻繁，表明沉積期古氣候呈快速變化的特點?？偟膩碚f，從底部向上具有先增大后降低的趨勢，表明氣候由整體的溫暖潮濕過渡為寒冷干燥的氣候，最后轉變為溫暖潮濕氣候；到沙二段，氣候逐漸過渡為持續的寒冷干燥。YQ1井全井段V/Cr比整體含量相對較低，只有在支流間灣微相中出現少量比值增高的現象。說明沙溪廟組沉積物以氧化沉積環境為主，伴隨部分還原環境中的產物，在葉肢介泥巖發育段V/Cr較低（圖6）。

圖6 YQ1井沙溪廟組元素比值特征及古氣候分析圖

2.3 古物源體系

砂巖中的巖屑發育特征受物源區母巖、風化作用、搬運方式等因素的影響，但仍可基本保持母巖中的特征，因此砂巖中的巖屑特征可作為物源分析的依據。通過對鉆井巖心、野外剖面砂巖樣品巖屑特征的統計，表明沙溪廟組砂巖中的沉積巖、變質巖和火成巖巖屑均較為發育，但根據巖屑發育類型特征，可將研究區劃分出5個巖屑類型區域（圖7）。四川盆地西南部區域，以TQ2-1為代表的砂巖中發育的巖屑以高巖漿巖和低變質巖為特征，推測其物源主要來自于龍門山南段；盆地西部的中段地區的砂巖巖屑則以高沉積巖和中高變質巖為特征，物源可能主要來自龍門山中段；盆地北部區域的砂巖巖屑主要以高變質巖和中低沉積巖為特征，物源來自北部的米倉山；而盆地東北部區域以及中部區域的砂巖巖屑則以高沉積巖和中高巖漿巖巖屑為特征，由于盆地中部地區的砂巖巖屑組分特征與東北部大巴山區域的巖屑特征相似，推測其主要受大巴山物源區的影響?？傮w而言，沙溪廟組沉積期，主要發育北部大巴山、米倉山，西部龍門山，東南部雪峰山等多個物源，川中地區的沉積物源主要受大巴山以及米倉山的影響，造成砂體多呈北東南西向展布的特點。

圖7 四川盆地侏羅系沙溪廟組砂巖巖屑組分分區圖

2.4 盆地充填發育模式

前陸盆地主要有兩種沉積充填模式，分別是欠補償模式和過補償模式，而兩種沉積模式指示的匯水中心結果可能有截然相反的差異[20]。根據前述沉積背景的分析，四川盆地沙溪廟期應屬于過補償充填模式，即伴隨著大巴山—米倉上的逐漸隆升，北東—南西向前陸盆地的沉降中心和沉積中心不一致，北部物源體系供給較強，影響著川中的沉積格局（圖8）。主要有以下幾個方面的證據：①從地層厚度圖來看，川北及川東北的旺蒼、南江、萬源等地區為四川盆地沙溪廟期的沉降中心，沉積最厚約2 500 m相對較淺，北東向的河流長距離搬運較細粒的沉積物，利于淺水三角洲的形成。

圖8 四川盆地沙溪廟組沉積充填模式

3 川中沙溪廟組沉積特征

（圖3），但從盆地鉆井和錄井數據來看，該地區主要以陸相河流沉積的砂巖以及紅色泥巖為主，陸源碎屑發育且供應量充足，反映了沉積物沉積速率大于地殼的沉降速度，為沉積“過飽和態勢”；②由于晚三疊世以來盆地北部和東部強烈上升，逐漸封閉了湖盆的東出水通道，沙溪廟期盆地的匯水方向主要為北東向南西方向匯集，川中地區砂體的來源與北部物源體系相似（圖5），并且測錄井、砂地比以及地震資料都顯示出盆地中部以及南部的水體能量相對于北部及東部更弱，顯示出盆地的沉積中心可能并不在東北部；③“葉肢介頁巖”為沙一段末期較為穩定的淺湖沉積，雖然沉積時期較短，頁巖厚度僅為數米，但顏色更深的“葉肢介頁巖”在四川盆地的中部以及南部更為發育（圖6），川中地區砂巖中海綠石礦物較為常見，也表明沙溪廟期湖盆的沉積中心（匯水中心）可能主要位于盆地的中部以及南部區域。川中地區湖盆水體

3.1 巖石學特征

沙溪廟組巖石類型多樣，礫巖、砂巖、泥巖均有發育，暗紫紅色泥巖是研究區最主要的巖石類型，其次為細砂巖。沙溪廟組泥巖主要呈暗紫紅色，少量灰色，僅在沙一段頂部出現，厚度3～5 m（圖9-a），代表了短暫的湖泛期。部分早期形成于水下的綠色，后期暴露與地表，最終向古土壤轉變（圖9-b、c）。礫巖整體較少，僅在部分河道底部見到，分選較差，磨圓中等；砂巖中泥礫為主，可進一步分為暗紫紅色泥礫與灰色泥礫，不同顏色的泥礫可以間接的反應砂體沉積時是處于水下還是陸上，對沉積環境的判斷有指向意義（圖9-d、e）。細砂巖主要呈灰綠色和淺灰色，分選較好，磨圓次棱—次圓。巖石學特征反映沙溪廟組沉積期主要發育持續暴露或淺水的富氧的沉積環境，局部發育偏還原沉積環境，以炎熱干旱的氣候為主。

圖9 川中核心建產區沙溪廟組巖石學特征圖

3.2 沉積構造特征

沙溪廟組沉積構造種類多樣，較粗的含礫砂巖和細砂巖中常見各類反映河道沖刷充填的沉積構造，最常見的是水平層理、槽狀交錯層理、板狀交錯層理，定向排列泥礫等（圖10-a、b），部分砂巖發育反應快速堆積的塊狀層理。厚層砂巖內部往往以沖刷面為界，向上往往具有正粒序特征，底部常見泥礫，頂部常見植物碳屑（圖10-c、d）；在粉細砂巖中，可見弱水流條件下的小型浪成沙紋層理、反粒序（圖10-e～g），表明其經歷過湖浪的淘洗，但粉砂巖的厚度較小，且泥質含量高（圖10-h），表明湖盆水體較淺，湖浪淘洗的過程相對短暫，各類生物擾動現象較為常見。沙溪廟組砂巖中沿層面常見云母的大量富集，指示河道的卸載沉積作用要強于沖刷作用，沉積環境更趨向于三角洲[9]。

圖10 川中核心建產區沙溪廟組沉積構造特征及相標志

3.3 礦物組構特征

從礦物含量上看，川中地區沙溪廟組砂巖中石英含量較高，長石次之而巖屑含量較低，顆粒的分選也較好，磨圓程度為次棱—次圓，顆粒之間基本為點、線接觸，砂巖具有成分成熟度低，結構成熟度中等的特點，粒間孔較為發育。砂巖的粒度概率曲線圖主要以兩段式為主，跳躍總體含量較高，也有一定量的懸浮總體，反映淺水牽引流沉積特點。以上特征均反應砂巖具有三角洲前緣水下分流河道成因。

3.4 地震反射特征

結合測錄井資料和巖心資料，根據地震反射樣式、振幅和頻率特征，在川中地區沙溪廟組識別出3類地震相：Ⅰ類地震相在整個沙一段時期相對一致，反射同相軸表現為亞平行、連續性中等、強振幅、中等頻率等特點，反映了強水動力條件下的高能沉積環境，對應三角洲前緣河道和河口壩沉積；Ⅱ類地震相在沙一段時期表現為中振幅、高頻率，同相軸連續性較差、內部反射較雜亂，對應三角洲前緣席狀砂沉積環境。Ⅲ類地震相在整個沙一段時期特征較穩定，變化不大，反射同相軸振幅在全工區內能量最弱，表現為弱振幅、中高頻的特征，同相軸連續性變好，反映水動力逐漸降低的沉積環境，對應濱淺湖沉積（圖11-a）。

圖11 川中建產區沙溪廟組地震相發育特征

除此之外，在地震剖面中還能見到寬緩疊瓦狀前積反射特征，代表斜坡區淺水環境中的水流進積作用，是三角洲的典型特征。前積體的頂積層和底積層不發育，可能由于湖盆水體淺，水流過度沖刷作用有關。反射同相軸表現為強振幅、連續性中等，表現為“斷續強亮點”（圖11-b）。反映川中地區可能受北東向和南西向物源的共同影響。

4 川中沉積相類型及其垂向演化

淺水三角洲發育的基本條件包括：穩定的構造背景、較大的盆地面積、較緩的古地形坡度、湖平面頻繁升降變化、水體淺及物源供給充分[21-24]?；诖ㄖ猩诚獜R組沉積背景和沉積特征的分析，本文認為沙溪廟組主要的沉積相類型包括淺水三角洲和湖相沉積兩種。

4.1 淺水三角洲

淺水三角洲與正常三角洲相比，主要在于湖泊水體淺，且湖泊水體不穩定，造成以河道砂體為主，河口砂壩所占比例較低。川中地區YQ3井的取心段中，發育典型的淺水三角洲。沙一段內部自下而至上發育3套砂體，多表現為箱型結構，僅在中部的砂體內見到明顯的代表反粒序的漏斗形特征。砂體間被中厚層的紅色泥巖所分割，在砂巖底部紅色泥巖向上逐漸過渡為綠色和淺灰色泥巖，灰色泥巖與上覆砂巖間常見沖刷面構造。這一特征表明沉積期整體氣候較為干旱，主要為泛濫平原沉積，隨著氣候的潮濕，河流徑流增大，造成湖平面快速上升，河流攜帶沉積物入湖形成了淺水三角洲；之后湖平面快速下降，發育代表干旱期的紅色泛濫平原，這表明頻繁的氣候變化是控制砂體垂向發育的關鍵（圖12）。

圖12 YQ3井沙一段單井沉積相分析圖

本文將淺水三角洲劃分為三角洲平原和三角洲前緣，其中淺水三角洲平原沉積主要發育分流河道和泛濫平原微相，分流河道為淺水三角洲平原砂體的主體類型，巖性以含灰褐色泥礫砂巖和中—細砂巖為主。河道沉積底部沖刷面明顯，含較多的暗紫紅色泥礫，自下而上粒度變細，呈現多期河道疊置特征，測井曲線往往為齒化箱形，常發育槽狀交錯層理、板狀交錯層理等（圖10-b）。

淺水三角洲前緣則主要發育水下分流河道微相以及河口壩微相。水下分流河道砂體是淺水三角洲前緣的沉積主體，由于水體較淺，河道水體能量強、淺水三角洲水下分流河道砂體延伸更遠，巖性以灰色中細砂巖為主，發育槽狀交錯層理以及板狀交錯層理等（圖10-a、c）。河口壩微相則由于水體較淺、分流河道水體能量強，相對正常三角洲而言發育較少，且前期發育的河口壩多被后期的分流河道沖刷破壞，較少被保存下來，在少量鉆井巖心上見到殘余的河口壩沉積物，主要為淺灰色、淺灰褐色細粒砂巖、粉砂巖，分選中等，自下向上也常表現反韻律的特征（圖10-e～g），測井曲線通常呈漏斗形或由于分流河道沖刷與其形成復合韻律，主要發育浪成砂紋層理和塊狀層理等。

4.2 湖泊

根據巖性特征，可識別出淺湖砂壩和淺湖泥兩種沉積微相。淺湖砂壩微相，巖性以灰色粉砂巖為主，夾薄層粉砂質泥巖和泥巖，可見一些植物化石，主要發育在濱淺湖中水動力條件較強的區域（圖10-h）。淺湖泥微相主要發育灰色、灰黑色泥巖，具有水平層理，含大量的葉肢介化石，分布較為局限（圖 9-a）。

4.3 沉積微相展布特征

本文主要利用巖心和測錄井資料，結合地震屬性等資料，系統恢復了沙一段和沙二1亞段的沉積微相平面展布特征。發現沙一段和沙二1亞段發育的淺水三角洲存在較為明顯的差異?？偟膩碚f，沙一段底部氣候相對潮濕，川中地區存在相對穩定的湖泊，淺水三角洲朵體較為發育，單期河道砂體規模較大，河口砂壩發育規模較大；沙二1亞段的淺水三角洲形成于相對干旱的沉積環境，湖泊發育不穩定，時常干涸，平面上河道化特征較為明顯，單期河道砂體的規模較小，且發育不穩定，相互切割，河口砂壩發育規模較小，僅僅分布在河道入湖的末端，巖心中主要見塊狀層理，泥質含量較高，表明其為快速卸載成因，且后期被波浪改造相對較弱（圖 13、14）。

圖13 川中地區沙一1亞段沉積微相分布圖

圖14 川中地區沙二段8砂組沉積微相分布圖

沙一段時期發育典型的潮濕期淺水三角洲，川中地區受多個方向的物源體系影響，三臺和鹽亭地區主要受北西向物源發育三角洲前緣，儀充和公岳廟地區受北東向物源影響發育三角洲前緣，由早至晚北部物源的影響范圍逐漸增大，湖泊主要分布在東部金堂地區和西部的南充，廣安和營山等地。沙二段時期為干旱型淺水三角洲，川中地區湖泊僅僅發育在簡陽北部地區，湖區面積較小，且時常干涸。平面上發育廣覆式的細窄河道，且河道間互相切割明顯，表明河道的不穩定。北東物源供給較強，向西南延伸較遠，而北西向物源和南部物源交匯于YQ1等井區，河口砂壩相對發育（圖12）。

5 沉積模式及砂體發育特征

沙溪廟組氣候逐漸變得炎熱干旱，湖泊面積萎縮、水體變淺，發育淺水三角洲沉積。氣候的干濕變化，對淺水三角洲平面展布特征和砂體分布起到明顯的控制作用。

在相對干旱氣候條件下，湖泊水體面積小，水體淺，河流攜帶陸源碎屑物長距離搬運，往往形成枝狀分流河道型淺水三角洲，主要的微相類型為水下分流河道，其在凹陷內的延伸距離一般較遠。砂體呈現出窄條狀的特征。三角洲各朵體相對孤立分布,造成朵體間連通性相對較差（圖15、16）。

圖15 川中地區沙二段干旱氣候條件下淺水三角洲沉積發育模式圖（修改自張莉等[25]）

圖16 川中地區沙二段干旱氣候條件下淺水三角洲砂體發育特征剖面圖

在相對濕潤氣候條件下，湖泊面積增大且水體穩定，受湖泊水體的改造，河道頻繁分叉改道，易于形成網狀疊置河道三角洲，分流河道延伸距離短，分流砂壩單個厚度和發育數量上明顯增大，在平面上多呈現朵狀和片狀分布（圖17、18）。朵體之間則主要發育局部的支流間灣微相。

圖17 川中核心建產區沙一段濕潤氣候條件下淺水三角洲沉積發育模式圖

圖18 川中地區沙一段濕潤氣候條件下淺水三角洲砂體發育特征剖面圖

6 結論

1）四川盆地在沙溪廟期為大巴山前陸盆地發育期，盆地的沉降中心位于盆地的東北部，而沉積中心則位于盆地的南部，為典型的過補償盆地；其中沉積物源主要來自于盆地東北部的大巴山、北部的米倉山、西部的龍門山中段以及南段，東部的雪峰山北段，川中地區的沉積物源主要受大巴山以及米倉山物源體系的影響。

2）川中地區的侏羅系沙溪廟組地層暗紫紅色泥巖發育，生物擾動較為強烈，間夾中厚層砂巖，巖性整體較細，以細砂巖為主，砂巖中常見各種槽狀交錯層理，垂向上多表現為多期正粒序河道的疊置，巖心觀察主要發育分流河道、水下分流河道以及席狀砂，河口壩發育規模較小。

3）淺水三角洲沉積相帶分布范圍寬廣，三角洲平原與三角洲前緣，前三角洲在平面上平緩相接，無明顯的轉折，由三角洲平原至前緣，分流河道規模逐漸減小，河口壩保存程度逐漸變好。

4）受氣候干濕變化的影響，造成研究區沙一段主要發育分流砂壩型三角洲，沙二1亞段主要為枝狀淺水三角洲的交替發育，兩者在砂體成因類型和分布特征上存在較大差異。