新元古代埃迪卡拉纪(635~541 Ma), 全球构造格局发生了重大变化。此时, 罗迪尼亚超大陆裂解, 全球处于离散环境阶段, 发育多个裂陷槽(断陷槽)。扬子克拉通作为超大陆的重要组成部分, 在板块活动中长期位于北半球^{[1, 2]}, 随着罗迪尼亚超大陆裂解^{[3, 4, 5, 6]}, 沉积生成大量的富有机质页岩及良好储层。2015年以来, 扬子北部黄陵背斜周缘针对陡山沱组(635~551 Ma)的页岩气勘查获得了工业气流, 这是继四川盆地灯影组安岳特大型气田震旦纪— 寒武纪常规天然气突破之后^[7], 在四川盆地之外复杂构造区获得的首次古老层系页岩气勘查重大突破^[8], 证实了震旦系陡山沱组页岩具有较大的调查潜力和勘探前景。

上世纪通过地层学研究, 刘鸿允^[9]、王鸿桢等^[10]编制了中国震旦纪古地理图集, 首次描述了中国震旦纪古地理特征, 本世纪随着油气田勘探的发展, 马永生等^[11]、郑和荣等^[12]分别编制了《中国南方构造-层序地层岩相古地理图集(震旦纪— 新近纪)》和《中国前中生代构造层序-岩相古地理图集》。随着研究的进展, 周晓峰等^[13]重建了扬子克拉通震旦系陡山沱组构造-岩相古地理。然而, 目前对于陡山沱组的沉积环境还存在不同认识, 如陡山沱组内部是否存在暴露面及关键层序界面的识别标志仍然不清楚, 在侵蚀槽和裂陷槽沉积机理上尚有争议^{[14, 15]}。本研究在中扬子地区获得新勘查资料的基础上, 收集了上扬子地区钻井、物探和地质调查资料, 重点分析了陡山沱组的沉积特征和沉积相, 以鄂西断陷槽和德阳— 安岳断陷槽为重点, 研究中上扬子地区陡山沱组沉积大地构造环境, 并讨论了其油气勘探意义。研究成果可促进震旦系— 寒武系页岩气重大突破的实现, 为新一轮找矿突破提供了参考。

扬子地区较为经典的陡山沱组剖面位于三峡地区黄陵背斜南缘, 陡山沱组一般由4个岩性段组成, 从下到上分别为: 陡一段盖帽白云岩, 普遍具有原生或成岩重晶石扇、帐篷构造、角砾等特殊构造^{[16, 17, 18, 19, 20, 21, 22]}; 陡二段灰黑色泥页岩夹泥质白云岩; 陡三段碳酸盐岩, 具有竹叶状构造等特征; 陡四段黑色页岩夹碳酸盐岩, 整体上呈现两层碳酸盐和两层页岩互层的特征^{[23, 24]}。在整个扬子地区, 陡山沱组岩性主要为碎屑岩和碳酸盐岩, 但不同剖面间地层厚度差异较大, 部分剖面显示存在垮塌角砾、滑塌褶皱等构造, 因此陡山沱组可能存在较为复杂的隆凹古地理格局^[25] (图1)。

图1

Fig.1

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	图1 扬子板块震旦纪晚期沉积古地理图(据文献[21]修改)Fig.1 Paleogeographic map of the terminal Sinian in Yangtze Block (modified after reference [21])

基于火山灰锆石U-Pb定年, 陡山沱组内部3个较精确的年龄为: ①(635.2± 0.6) Ma, 位于盖帽白云岩内部; ②(632.5± 0.5) Ma, 位于盖帽白云岩底部之上9.5 m; ③(551.1± 0.6) Ma, 位于陡四段顶部, 因此, 目前一般认为陡山沱组的沉积时限为635~551 Ma, 时间跨度84 Ma^{[25, 26]}。

从沉积序列上看, 震旦系陡山沱组整合或平行不整合于南华系南沱组冰碛杂砾岩之上, 在宜昌地区与上覆灯影组白云岩为整合接触(图2(a), (b))。其上, 灯影组上部与牛蹄塘组富有机质页岩平行不整合接触(图2(c)), 在鄂西地区牛蹄塘组相当于由岩家河组和水井沱组两套层序组成(图2(d))。

图2

Fig.2

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	图2 鄂西地区震旦纪-寒武系露头照片Fig.2 Outcrops photos of Sinian-Cambrian in the western Hubei Province

在鄂西峡东地区陡山沱组发育较完整, 陡一段和陡三段以白色白云岩为主, 陡二段和陡四段为黑色页岩, 整体上具有“ 两黑两白” 的特征(图3)。

图3

Fig.3

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	图3 鄂阳页1井陡山沱组综合柱状图Fig.3 Comprehensive histogram of Doushantuo Formation in Well E'Yang1

陡山沱组一段为盖帽白云岩, 以灰白色、浅灰色中— 厚层灰质白云岩, 含砾灰质白云岩为标志层, 在三峡地区厚度3.28~16.7 m。陡一段作为全球可对比的盖帽白云岩, 以出现多种沉积构造样式, 蒋干清等^[22]将峡东地区陡山沱组划分为3段, 第一段为扰动非常强烈的胶结层, 第二段为1~1.9 m 中等纹层, 具有帐篷构造, 第三段为粉砂质泥质灰岩和白云岩, 具有薄的纹层。陡一段发育层状平顶晶洞构造、帐篷构造、层状裂隙、胶结角砾、柱状构造和重晶石冲积扇等沉积构造^{[27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41]}, 有关这些构造的成因仍有争议, 存在四种不同的地质模型。①雪球地球假说: 大气中的CO₂通过硅质碎屑岩和碳酸盐岩风化而形成碳酸盐沉积, 温室效应减弱, 最终演变成雪球地球, 冰期后CO₂释放, 形成全球分布的碳酸盐并伴随重晶石扇和柱状构造^{[19, 27]}; ②上升流模式: 冰期后, 海水温差较大, 上升流或海平面上升将富 HCO3-的深部海水携带至大陆架及其内部盆地, 沉积广泛分布的盖帽白云岩^{[42, 43, 44]}; ③甲烷释放模式: 极端寒冷的冰期之后, 甲烷在碳酸盐过饱和海洋中被氧化, 并沉积形成碳酸盐, 保留帐篷构造等沉积构造特征^{[31, 34]}; ④淡水分层假说: 低盐度冰雪融水中的微生物活动发育, 沉积广泛发育的碳酸盐沉积, 而扇状文石晶簇被认为是冰融之后缺氧海水与淡水混合的证据^[41]。

陡山沱组二段为碳质页岩和碳质灰岩互层, 厚75.57~235.4 m, 含有硅质结核, 也被称为含围棋子状硅质结核碳质泥岩, 水平层理发育, 发育硅质结核、磷质结核。该段富含有机质, 鄂西宜昌地区陡山沱组二段是页岩气勘查的主要层系^[8], 并可以细分为多个层序^[45]。

陡山沱组三段主要为灰色薄层— 薄板状白云岩, 夹薄层硅质条带和硅质结核, 在三峡地区该段厚35.84~64.73 m。其下部岩性为灰白色厚层砾屑、砂屑白云岩夹中层状细晶白云岩, 夹薄层状、透镜状硅质条带及少量含泥质白云岩, 局部层段可见薄— 中层状塌积岩或潮坪相砾屑白云岩。上部岩性为灰白色薄层状含灰质白云岩、白云质灰岩, 间夹灰白— 灰黄色极薄层— 薄层状含云质泥岩、粉砂质泥岩。

陡山沱组四段为含有“ 锅底灰岩” 的碳质泥岩, 水平层理发育。顶部发育2 m厚灰黑色薄层状含磷含铁硅质岩夹灰黑色极薄层状硅质页岩、紫红色薄层状含磷含铁硅质岩。岩层灰黑色含碳页岩夹锅底状白云质灰岩透镜体, 锅底直径5~50 cm, 层间普遍夹紫红色铁质薄膜(图3)。

目前中上扬子地区震旦纪— 寒武纪油气勘探集中在上扬子地区的德阳— 安岳断陷槽和中扬子地区的鄂西断陷槽^{[8, 46]}。上扬子地区德阳— 安岳断陷槽已经获得灯影组、龙王庙组常规油气重大突破^[46], 而中扬子地区鄂西断陷槽获得了震旦系陡山沱组页岩气重大突破, 灯影组和清虚洞组仍然处于勘查阶段。前人研究和扬子地区油气勘探资料表明, 上扬子地区的德阳— 安岳断陷槽和中扬子地区的鄂西断陷槽在震旦纪及其后同处于扬子板块, 均具有正断层发育的特征^[7], 而且灯影组和下寒武统牛蹄塘组在厚度上均有互补特征, 因此, 两个断陷槽中的陡山沱组具有很好的可对比性, 以下分别讨论两个地质单元的沉积特征。

3.1 德阳— 安岳断陷槽

德阳— 安岳裂陷槽位于四川盆地内部, 大致呈SN向分布(图1), 震旦纪— 寒武纪在拉张背景下, 受同沉积断裂控制, 形成克拉通内裂陷槽(断陷槽)。该裂陷槽近SN向延伸, 裂陷槽内的下寒武统碎屑岩将裂陷槽填平补齐, 发育麦地坪组和筇竹寺组优质烃源岩, 为灯影组常规天然气提供了优质烃源岩^{[47, 48, 49, 50]}。而区内钻穿陡山沱组的钻井仍然较少, 其勘探潜力仍然值得探索, 其中W117井和女基1井等钻井显示该断陷槽在陡山沱组沉积时期可能为古隆起(图4)。

图4

Fig.4

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	图4 德阳— 安岳断陷槽及邻区陡山沱组等厚图[49]Fig.4 Isopach map of Doushantuo Formation in Deyang-Anyue rift and its adjacent areas[49]

W117井位于上扬子震旦纪— 寒武纪德阳— 安岳断陷槽的西缘, 完钻井深3 746 m, 钻遇陡山沱组厚度约为41 m, 其底部与花岗岩呈不整合接触^[51], 顶部和灯影组平行不整合接触, 灯影组岩性为含泥白云岩(图5)。W117井钻遇地层显示, 该区缺失陡一段盖帽白云岩和陡四段黑色页岩, 仅发育陡二段、陡三段。自下向上, 陡二段厚度约为10 m, 发育灰绿色白云质泥岩和白云质粉砂岩, 夹泥质粉砂岩和含砾砂岩, 泥岩中发育砂岩透镜体, 砂岩中可见波痕沉积构造, 判断为砂泥坪沉积^[51]。陡三段厚度约31 m, 可细分为下部和上部, 下部为含石膏泥质白云岩夹石膏层、白色石膏层夹薄层石膏质白云岩, 根据石膏发育的特征, 判断为瀉湖环境; 上部发育灰白色粉晶— 泥晶白云岩夹含泥云岩, 局部可见藻纹层沉积构造, 判断为白云岩潮坪环境。从其整体沉积特征上判断, 在陡山沱组沉积之前, W117井应该处于隆起区, 陡一段并未接受沉积, 陡二段开始接受沉积, 但是为近源浅水沉积, 该区因抬升剥蚀而缺乏陡四段沉积。

图5

Fig.5

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	图5 德阳— 安岳断陷槽陡山沱组AA'连井剖面柱状图Fig.5 AA′ stratigraphic column of Doushantuo Formation in Deyang-Anyue rift

高石17井位于断陷槽内部, 下寒武统牛蹄塘组(麦地坪组和筇竹寺组)厚度较大, 为695 m, 未钻穿灯影组。高石1井位于断陷槽东部边缘, 陡山沱组底部与英安岩基底接触, 发育陡二段和陡三段沉积, 缺乏中扬子地区陡四段的碎屑岩沉积。女基1井陡山沱组厚18.8 m, 为台地内部沉积, 在陡山沱组一段、二段和三段沉积时期可能为古陆, 仅发育陡三段局限台地碳酸盐岩沉积(图5)。

3.2 鄂西断陷槽

鄂西地区陡山沱组下伏南沱组冰碛砾岩发育, 指示了鄂西地区为大陆冰川沉积, 具有冰湖相沉积的特征, 沉积厚度略厚于大陆^[5]。陡山沱组在宜昌西部和安康南部沉积厚度较大(图6), 而在鄂西地区发育断陷槽, 也被称为“ 鄂西海槽” 。陡山沱组之上沉积灯影组碳酸盐岩和下寒武统牛蹄塘组页岩, 灯影组沉积末期发育具有断陷相关的正断层, 从沉积厚度上看与德阳— 安岳断陷槽类似, 下寒武统牛蹄塘组在厚度上与该区灯影组具有互补的特征, 下寒武统发育厚度较大的富有机质页岩, 通过勘查获得了复杂构造区下寒武统页岩气突破^[8], 在沉积充填角度上看, 牛蹄塘组碎屑岩也具有填平补齐的特征(图7)。

图6

Fig.6

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	图6 鄂西断陷槽地区陡山沱组等厚图Fig.6 Isopach map of Doushantuo Formation in the western Hubei rift

图7

Fig.7

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	图7 鄂西地区BB′连井地震剖面Fig.7 BB′ seismic profile in the western Hubei Province

位于鄂西断陷槽西侧的李2井, 陡山沱组厚度46.9 m, 咸2井陡山沱组厚度59.19 m, 断陷槽内部白果坪剖面695 m, 东侧秭地1井厚度为220.25 m。从地层厚度上看, 呈现了单侧断陷的结构(图8)。秭地1井位于三峡地区, 其底部陡一段为盖帽白云岩, 厚度为8.3 m; 陡二段为富有机质页岩, 厚度为151.66 m; 陡三段为泥质白云岩, 厚度为58.24 m; 陡四段, 厚度2.05 m, 为富有机质页岩。

图8

Fig.8

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	图8 鄂西地区陡山沱组连井CC′剖面Fig.8 CC′ profile of Doushantuo Formation in the western Hubei Province

震旦纪初期, 扬子地区自从南沱组冰期后气候变暖, 海平面快速上升, 形成了广泛分布的陆表浅海, 在冰碛物之上沉积了一套厚度不大的碳酸盐, 即盖帽白云岩, 构成了陡山沱期的第一个海侵体系域(图3)。此后, 扬子地区经历了多个海进— 海退沉积旋回, 主要由碎屑岩和碳酸盐岩组成。

陡山沱组底部在扬子地区大多具有明显的超覆特征, 中扬子地区北缘神农架、京山等地常见陡山沱组底部沉积了古风化壳的铁锰矿床, 平行不整合覆于南沱组之上, 在峡东地区及崇阳、通山等地可见厚层含砂白云岩平行不整合于南沱组之上。陡山沱组沉积中、晚期, 扬子地区古地理环境发生了急剧变化, 不同地区形成了特征明显的深水、浅水沉积物, 如在湘西北大庸四都坪、田坪等地出现了代表较深水斜坡环境的碳酸盐滑塌沉积, 说明古地理环境的变化明显, 使中扬子地区在陡山沱期除了发育广阔的碳酸盐台地相区外, 还发育了斜坡和台缘盆地相区。古地理环境发生剧烈变化的原因可能与此时超大陆裂解而拉张形成可容空间有关。

按照沉积优势相, 结合周晓峰等^[13]最新编制的扬子克拉通震旦系陡山沱期构造岩相古地理图, 扬子地区古地理隆凹格局总体上表现出西高东低、北高南低的特征。从沉积环境上看具体有4个古陆、3个台地和4个盆地的沉积格局(图9)。

图9

Fig.9

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	图9 陡山沱组沉积相图(据文献[13]修改)Fig.9 Sedimentary facies map of Doushantuo Formation (modified after reference[13])

扬子地区4个古陆, 即汉南古陆、康滇古陆、牛首山古陆和江南古陆(图9), 分布在扬子周缘地区, 古陆存在开始于成冰纪时期, 在陡山沱组沉积时期后, 逐步被海水覆盖, 呈现了从古陆周缘向内部的超覆沉积特征, 这些小范围残余古陆为陡山沱组碎屑岩提供了主要的碎屑物源^[51]。

扬子地区的台地陡山沱组优势相区主要分布在滇东、川西、渝西、鄂、皖中、浙北等地(图9), 3个台地分别为上扬子台地、中下扬子台地和浙北台地。台地地区以发育局限— 开阔台地相为主, 岩性为白云岩、泥质白云岩和泥质灰岩沉积。台地区沉积厚度差异较大, 介于20~660 m, 可能发育多个台内凹陷而沉积碎屑岩。

扬子地区的4个盆地分别位于东北万源— 达州、鄂西断陷槽、扬子东南缘和扬子东北缘(图9), 从盆地性质上看, 前二者属于克拉通内断陷, 范围较小; 后二者属为被动陆缘拗陷, 范围和面积较大^[6]。2个克拉通内断陷盆地区主要发育台缘斜坡和陆棚相, 从盆地边缘到盆地内部, 从斜坡相泥质白云岩和碳质泥岩, 逐渐过渡为陆棚相大套泥页岩夹泥质碳酸盐岩。克拉通内断陷盆地区陡山沱组厚度一般介于100~300 m。湘鄂西地区白果坪剖面陡山沱组厚度可达695 m, 且发育深水滑塌沉积, 说明陡山沱组以陆棚相深灰色泥岩和灰色粉砂岩韵律互层沉积为特征。2个被动陆缘拗陷表现出往海盆方向水体逐渐变深的特征, 拗陷盆地区陡山沱组厚度一般为50~100 m。

从优势相区上看, 震旦纪陡山沱期扬子处于碳酸盐台地发育初期阶段, 主要特征为滨浅海陆源碎屑岩与碳酸盐岩混合沉积。

(1)通过研究中上扬子地区两个断陷槽内陡山沱组露头、钻井和地球物理资料, 对比分析了两者的沉积特征和沉积环境, 中上扬子地区陡山沱组沉积时期古地理在地形上具有西高东低的特征。西部德阳— 安岳断陷槽地区陡山沱组海拔较高, 早期为古陆, 后期为台地; 而鄂西断陷槽海拔较低, 有更大的容积空间, 能够沉积更厚的沉积物。

(2)陡山沱组沉积早期, 上扬子地区仍然大面积为古陆, 而中扬子地区在下部具有台地、瀉湖、陆棚和盆地的沉积特征。中扬子地区陡山沱组发育较完整的沉积, 而上扬子地区地层较薄, 陡山沱组中后期才接受沉积。

(3)陡山沱组是在整体拉张环境下形成的产物, 均为台内断陷, 上扬子德阳— 安岳裂陷槽形成时间较晚, 陡山沱组主要沉积碳酸盐岩沉积, 中扬子鄂西裂陷槽形成较早, 沉积页岩夹碳酸盐岩。

(4)鄂西断陷槽沉积富有机质陡山沱组, 在保存好的构造单元有望获得页岩气新突破, 并可以为灯影组提供天然气烃源岩, 在生储盖匹配地区有望获得常规油气新突破。

致谢: 感谢匿名审稿专家对本文提出的宝贵意见。

(责任编辑: 王晗)