川西地区中部存在泥盆系—石炭系吗？<br/>——一个不整合面的地质属性推论

川西地区中部存在泥盆系—石炭系吗？
——一个不整合面的地质属性推论

2020-10-15吕其彪刘红爱

天然气工业 2020年9期

刘殊王浩吕其彪董霞刘红爱孙玮

1.中国石化西南油气分公司 2.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·成都理工大学

0 引言

四川盆地上扬子板块西侧的龙门山裂谷内泥盆系厚度超过4 000 m，发育巨厚的台地边缘礁滩相，油气生、储条件俱佳[1]。龙门山断褶带北段天井山古隆起泥盆系存在着“古油藏”[2]；川西坳陷北部双鱼石构造泥盆系发育礁滩相白云岩气藏[3]。这些勘探成果表明：川西坳陷西侧泥盆系有可能成为大型油气藏的重要储集层位。在川西坳陷中部，由于埋藏深度大、研究程度较低，是否存在泥盆系残余地层长期存疑。通常认为[1,4-6]，加里东期乐山—龙女寺古隆起大幅度隆升；在古隆起西缘，中寒武统—石炭系或被剥蚀殆尽、或为古陆未接受沉积，二叠系直接覆盖在寒武系之上。Y1井证实[7]：川西古拗拉槽西南侧二叠系下伏地层为下寒武统沧浪铺组，中—上寒武统及以上地层奥陶系—石炭系均缺失。

近期的研究发现，川西坳陷中部二叠系底不整合面之下、寒武系底不整合面之上，还存在着一个特征清晰的角度不整合面，其上发育一系列上超点。在该不整合面之上，地层残余厚度较大、有礁滩相地震相特征，其形态呈断陷槽特征。因资料限制，不能直接确认该不整合面的地质属性。为此，在广泛调研的基础上，结合中国石油西南油气田公司提供的泥盆系—石炭系残余地层尖灭线分布图以及研究区北侧的一条地震剖面（该剖面与陈竹新等[8]展示的剖面平行），依据地表露头、区域构造演化、川西坳陷北部泥盆系—石炭系残余地层分布和地震反射结构特征，间接确认该不整合面可能为泥盆系底界面；通过详细对比、追踪泥盆系底不整合面，描述泥盆系—石炭系残余地层在川西坳陷中部的分布；依据区域地质和川西坳陷北部地区等相关资料，修正编制二叠纪前古地质图；再结合加里东秦祁洋的演化历史[9]，探讨断陷槽的形成机理；依据地震反射波组反射结构特征，探讨该区泥盆系—石炭系礁滩相的分布规律，结合川西古坳拉槽内发育巨厚烃源岩（生烃中心）[7]，认为该不整合面之上的泥盆系—石炭系有可能扩展为川西坳陷中部的油气勘探层系，具有发现大型油气藏的勘探前景。

1 震旦纪—古生代构造运动界面

川西坳陷位于扬子台地西缘[1]，为加里东期乐山—龙女寺古隆起与龙门山裂谷的过渡带。龙门山断褶带及其前陆坳陷（川西坳陷）具有分段性：安县以北为川西坳陷北部，安县—都江堰之间为川西坳陷中部，都江堰以南为川西坳陷南部（图1）。

四川盆地存在着多个不整合面（表1）[1,10-12]。震旦纪—早古生代有澄江、桐湾、云贵（或称兴凯地裂Ⅱ幕[10]）、郁南（冶里）、广西（晚加里东）等5次以上的构造运动[5-6,12-13]，形成多个不整合面（表1、图1）。

澄江运动：晋宁运动后，元古宇板溪群遭到严重剥蚀，扬子地台板块形成；早震旦世下震旦统南沱组沉积后，扬子地台板块整体抬升为陆，史称澄江运动[1,12]。下震旦统遭受剥蚀，只在四川盆地内部有残存，形成上震旦统与下震旦统之间的不整合界面[1,12-13]。

桐湾运动：早震旦世末，印度板块和欧亚板块向北俯冲和向东碰撞，在龙门山大断裂薄弱地带，青藏板块向东逆覆于扬子地台板块之上[12]。盆地各地均遭到长期暴露剥蚀[1,6,12]，在盆地内形成了灯影组顶暴露剥蚀面，形成与下寒武统邛竹寺组底之间的不整合面。

云贵运动[11]（或称兴凯运动Ⅱ幕[10]）：早寒武世末，龙门山断褶带中—南段及川西坳陷西北部抬升，天井山一带下寒武统遭受剥蚀，地层厚度减薄，形成下寒武统顶的不整合面；川中地区下寒武统龙王庙组顶有明显剥蚀[14]。

郁南（冶里）运动：为扬子板块受东南侧构造挤压动力作用，在扬子陆块西部有显著表现，龙门山、康滇等刚性基底产生阻挡形成多个古隆起[15]。该次运动形成了奥陶系与寒武系之间的不整合界面。

都匀运动：奥陶纪晚期、加里东中期的构造运动，具明显造山与挤压褶皱特征。扬子地块与华夏地块之间挤压碰撞[9,13]，形成“江南古陆”及川东—湘鄂西前陆盆地；乐山—龙女寺古隆起地区隆升[6,16]，川中和川西地区中奥陶统宝塔组地层上、下存在明显的角度不整合。主要表现为下志留统与上奥陶统之间的假整合（上奥陶统大部缺失）。

广西运动：志留纪末、加里东晚期的构造运动，扬子板块与华夏板块聚合，地壳全面隆升[9,12-13]，扬子地台普遍发育平行不整合，乐山—龙女寺加里东古隆起形成[1]。川西坳陷西侧为龙门山裂谷，该裂谷于早震旦世形成龙门山裂谷带，奥陶系—石炭系发育为龙门山—锦屏山拗拉槽[9]。

晚加里东运动形成四川盆地最重要的一个不整合面，受到广泛关注，川中地区的研究尤其深入[4-6]，川西坳陷北部地区的资料也逐渐增多[3,8]。川西坳陷中部，由于资料缺乏，整体仍属推测。依据最新的研究成果，再次编制川中—川西地区二叠纪前古地理图（图 1）。川中地区资料依据王世谦等[4]、梅庆华[5]、李伟等[6]、杨跃明等[14]研究成果，结合中国石化西南油气分公司资料确认下寒武统龙王庙组地层尖灭线；川北地区依据沈浩等[3]、陈竹新等[8]的研究成果，以及调研成果修正泥盆系—石炭系地层尖灭线；川西坳陷中部依据连片三维地震资料及部分二维资料修正编制。从图1可见，川西坳陷中部泥盆系—石炭系可能有较大范围的分布。

图1 四川盆地中ü西部二叠系沉积前古地质图

2 川西坳陷中部未明不整合面地质属性

寒武系底（震旦系顶）地震反射为区域标准反射波，从川中地区引入；二叠系底标准反射波用Y1井确定。将二叠系底拉平后发现，在川西坳陷中部，二叠系底之下、震旦系灯影组顶之上，存在一个明显的角度不整合面（以下简称为X不整合面），用3条地震剖面描述该不整合面特征。

2.1 X不整合面特征

AA'剖面（图2）位于安县—江油之间、川西坳陷中部—北部，走向NE，其典型特征为：①江油地区发育一个大型古隆起，寒武系—上震旦统大幅度减薄，甚至完全剥蚀；依据地表天井山古隆起的位置、特征[2,17]，推测该古隆起为天井山古隆起的原地部分。②二叠系底与寒武系底之间存在一个清晰的不整合面（X不整合界面），其上地层南厚北薄、呈楔形，发育多个上超点，超覆在天井山古隆起上。③X不整合面上覆地层内有一个明显的凸起地震相，凸起内的反射具有低频特征，其两侧有披盖（图2内黄色方框）。

BB'剖面（图3）位于金堂—安县地区，贯穿川西坳陷中部。从图3可以看出，在震旦系拉张槽之上叠置一个洼陷；在洼陷两侧，X不整合面上有清晰的上超点；文星地区有礁滩相特征（图3内黄色方框），两侧有披盖、其内部为低频杂乱的地震相特征。

表1 川西坳陷中ü北部震旦纪ü二叠纪构造旋回与地层序列表

CC'剖面（图4）贯穿川西坳陷东部。老关庙地区发育一条拉张断层，为主边界断层，断面上可见清晰超覆点。主边界断层产生的掀斜断块，使得X不整合面与主边界断层构成一个箕状断陷。中江地区X不整合面上存在明显的礁滩相地震异常：两侧有披盖、其内部为低频杂乱的地震相特征（图4内黄色方框），与文星地区的礁滩相地震异常呈北西—南东对称分布（图3）。

上述3条剖面具有相同的地震相特征：①X不整合面之上地层的地震反射频率较低，其下伏地层的地震反射频率较高；②上覆地层有明显礁滩相特征，即两侧披盖、呈凸起、内部低频杂乱反射；③洼陷两侧对称分布礁滩异常地震相。洼陷边缘，特别是在天井山古隆起、老关庙断陷边缘，X不整合面之上可见清晰上超。

2.2 X不整合面地质属性

如上所述，X不整合面的上覆地层有明显的礁滩相地震相。如能确认其地质属性，可为礁滩相油气藏勘探提供技术支撑。由于下古生界地层中的不整合面较多（表1），X不整合面存在多种可能：或为下寒武统沧浪铺组与中—上寒武统不整合面[5]，或为奥陶系顶或者底的不整合面[4,6]。笔者依据露头资料、参考文献[3,8]和调研成果，对X不整合面进行推测、论证。

2.2.1 地表露头和Y1井证据

图2 川西坳陷北部ü中部X不整合面特征地震剖面图

图3 川西坳陷中部X不整合面特征地震剖面图

图4 川西坳陷东部X不整合面特征地震剖面图

川西坳陷中部南北两侧缺失中—上寒武统、奥陶系、志留系地层。龙门山断褶带北段天井山古隆起水跟头剖面的地层接触关系自下而上为[8,17]：寒武系、泥盆系—石炭系、二叠系，巨厚的泥盆系直接覆盖在寒武系上；龙门山推覆带中段龙王庙露头地层接触关系自下而上为：下寒武统沧浪铺组、上泥盆统唐王寨群、二叠系；龙门山推覆带中段的苏保露头地层接触关系自下而上为：下寒武统沧浪铺组、志留系、泥盆系、二叠系，志留系残余地层很薄。Y1井揭示：二叠系下伏地层为下寒武统沧浪铺组，中寒武统—石炭系均缺失。南北两侧均缺失中寒武统—石炭系。据此推论，川西坳陷中部也可能缺失中寒武统—奥陶系；志留系残余地层很薄，可能难以延伸至盆地内。X不整合面不大可能是寒武系龙王庙组顶或者奥陶系顶及志留系顶的不整合面。

2.2.2 川西坳陷北部泥盆系—石炭系残余地层可延伸至中部

川西坳陷北部泥盆系—石炭系残余地层可延伸至中部，该成果认识几乎是直接证据，基本可确认X不整合面为泥盆系底。ST3井揭示，石炭系残余厚度为13.5 m，中泥盆统残余厚度为59.0 m[3,8]；地震剖面上，二叠系下方一个相位即为泥盆系底反射。泥盆系—石炭系的残余地层分布特征为：泥盆系—石炭系残余地层的尖灭线呈北东向展布，由东北向西南延伸，进入川西坳陷中部[8]（图1）。江油地区泥盆系—石炭系残余地层厚度急剧加厚到数百米[8]。

2.2.3 区域构造演化证据

四川盆地拉张旋回有两个高峰期：第一期为“兴凯地裂运动旋回”（兴凯地裂）[10,18]，巨大的“古中国地台”解体，昆仑、秦岭、龙门山和天山等地槽逐步扩张；扬子板块北缘发育秦祁洋裂谷系，其西侧为龙门山裂陷海槽[8,19]，次一级的裂谷向扬子板块延伸[20]，即为川西古拗拉槽[7]。第二期为峨眉地裂，刘宝珺等[9]认为龙门山古拗拉槽始于奥陶纪，志留纪—泥盆纪最强，石炭纪结束；罗志立等[18,21]认为中泥盆世扬子板块开始张裂，晚二叠世峨眉山玄武岩喷发达到高潮；曾庆等[22]认为：加里东运动以后，四川克拉通西缘开始新一轮的裂解，江油轿子顶杂岩与天井山古隆起之间在早泥盆世快速扩展拉开；刘文均等[23]研究认为：泥盆纪为一个北东向的不对称裂谷盆地，呈箕状断陷。由此可见，震旦纪—二叠纪，川西坳陷西侧的龙门山裂谷一直处于拉张环境，泥盆纪拉张最强，其形态呈箕状断陷。X不整合面上，泥盆系—石炭系残余地层呈明显的箕状断陷（图4、5），与泥盆纪拉张背景最为吻合。

2.2.4 沉积相证据

如图2～4所示（图内黄色方框），X不整合面上覆地层有礁滩相特征，且厚度较大。这些地层中只有泥盆系发育厚度巨大的生物礁滩沉积[1]；中—上寒武统和奥陶系在Y1井和露头上都缺失；奥陶系内没有厚大的礁滩相，中—上奥陶统为厚层块状石灰岩夹泥质条带[1]；志留系基本上为陆相砂岩、泥岩沉积，只有中部发育鲕粒灰岩，有礁沉积，但规模小。综合分析礁滩相的地震相特征，推测为泥盆系最为合理。

综上所述，存在于二叠系底之下、寒武系底之上的不整合面可基本确认为泥盆系底界。结合龙王庙露头缺失石炭系、苏保露头石炭系很薄的地质现象，认为该不整合面上覆地层主要为泥盆系残余地层，石炭系残余地层厚度可能较小。

3 泥盆系—石炭系断陷槽特征及其形成机理

3.1 断陷槽特征

对比追踪泥盆系底不整合面（图2～4），可得到泥盆系—石炭系残余厚度（图5），其形态为一个箕状断陷（图4）。在新场—绵竹一带，存在一个鞍部；以鞍部相接，川西坳陷中部可能存在川西和龙王庙两个断陷槽（图5）。

3.1.1 川西断陷槽

川西断陷槽以绵阳为中心，分布在绵竹—安县—老关庙—中江—金堂一带，断陷呈箕状（图4、5），断陷槽中心最大残余厚度超过500 m，四周为剥蚀区。断陷槽北侧安县—江油一带为天井山古隆起，泥盆系—石炭系以上超的方式向古隆起超覆（图2～4），泥盆系—石炭系向北逐渐减薄、直到完全尖灭。断陷槽南侧马井—金堂以南为龙泉山古隆起，二叠系直接覆盖在沧浪铺组上，缺失中寒武统—石炭系。中江以东为断陷槽的西南边界，为乐山—龙女寺古隆起主体部分，中上寒武统—石炭系全部缺失。

3.1.2 龙王庙断陷槽

龙王庙断陷槽分布在绵竹—龙王庙一带。在地震剖面上，绵竹以西泥盆系—石炭系急剧加厚，不整合面特征清晰（图5、6）。泥盆系底不整合面上的反射波超覆在天井山古隆起上，由此形成一个断陷槽。

依据现有资料推测，石炭纪—泥盆纪沉积期，川西坳陷发育多个裂陷槽。除川西和龙王庙两个断陷槽外，坳陷南部还发育一个断陷槽，坳陷北部草坝地区也可能存在一个较小的断陷槽（称之为草坝断陷槽）。陈竹新等[8,24]已经注意到这一特征。由于资料很少的限制，方水场—老关庙以北、中江以东的地区，断陷槽的特征可能和实际有一定误差。

综上所述，泥盆纪时期，在乐山—龙女寺古隆起西侧的川西地区，由于龙门山裂谷的拉张作用，川西坳陷内可能分布多个断陷槽；断陷槽内泥盆系—石炭系残余地层厚度较大，是下一步油气勘探的关注目标。

图5 川西坳陷泥盆系ü石炭系断陷盆地示意图（泥盆系—石炭系残余厚度）

图6 川西坳陷龙王庙泥盆系ü石炭系断陷槽地震剖面图

3.2 川西坳陷断陷槽的形成机理

川西坳陷断陷槽的形成可能与秦祁洋的拉张有关[9]。如图7所示，扬子板块西侧，奥陶纪—石炭纪，扬子板块相对华北板块作左行侧向运动（图7内红色箭头），形成龙门山裂谷[9,20]，其次一级拉张方向为近东西向，形成向扬子地块延伸的、次一级的断陷[20]。在川西坳陷内，如此拉张可形成多个泥盆系—石炭系的拉张断陷槽。

4 泥盆系—石炭系油气勘探远景

泥盆系—石炭系油气勘探远景一直受到重视[1]，直到近期才获得突破。在川西坳陷北部双鱼石构造，泥盆系—石炭系的储层较好、含气性也较好，但厚度较小[3]。双鱼石构造南部的江油地区，其泥盆系—石炭系有可能加厚很多，且有较典型的礁滩相特征[8]，与川西坳陷中部特征较为一致（图8-a、b）。双鱼石构造南部ST9井揭穿泥盆系，在泥盆系钻遇厚度为50 m的白云岩，其位置在陈竹新等[8]展示的HH'剖面图附近。江油地区泥盆系—石炭系的地震相频率相对较高，可能以滩相为主，与ST9井的钻井成果大致吻合。据此预测，泥盆系—石炭系礁滩相有较好油气远景。

首先，泥盆系—石炭系有较大规模、特征突出的礁滩相异常。图8-a为图3剖面文星礁滩相剖面的局部放大，可见清晰的礁滩相特征：两侧披盖、中间凸起、内部空白反射。与双鱼石构造南部江油地区礁滩相地震相大致相同（图8-b），但文星礁滩相特征更加突出。在最新处理的地震资料上，文星礁滩相异常至少存在两个大型条带，面积超过1 000 km2；时间厚度介于100～150 ms，厚度应超过450 m。

其次，泥盆系—石炭系有更好的成藏条件。川西坳陷中部发育大型古拗拉槽，为生烃中心。Y1井于中二叠统钻遇火成岩储层，油气显示好、但未能获得工业气流；中国石油西南油气田公司部署的YT1井，于2018年钻遇中二叠统火成岩储层获得22h104m3/d的工业气流。川北地区已有多口钻井获得日产百万立方米的天然气流。由此表明，川西坳陷总体具有较好的成藏条件。由于泥盆系—石炭系更为靠近烃源岩，川西坳陷中部位于生烃中心，具有更好的成藏条件。

最后，与二叠系礁滩相叠置，川西坳陷泥盆系—石炭系可形成多层系立体勘探格局（图8-a），能有效降低勘探风险。川北地区中二叠统已取得油气勘探重大突破，江油—安县一带发育中二叠统栖霞组台缘浅滩[3,8]，川西坳陷中部也有滩体异常（图8-a），地震剖面具有明显的凸起、两侧有披盖、凸起内杂乱反射等特征。由于泥盆系—石炭系埋藏深度较大，在现有技术条件下，以二叠系、泥盆系为目的层，油气勘探风险能得到有效控制、经济效益会更好。