川中—川西北加里东期古隆起对比研究

2024-01-05李智武李金玺王自剑蔡鸿燕袁梦雨

沉积与特提斯地质 2023年4期

陈涛，李智武，李金玺，童馗，王自剑，蔡鸿燕，袁梦雨

（1.成都理工大学沉积地质研究院，四川成都 610059；2.成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川成都 610059；3.成都理工大学地球物理学院地球勘探与信息技术教育部重点实验室，四川成都 610059）

0 引言

克拉通盆地古隆起和古隆起的斜坡往往是形成大型油气藏的主要区域，是油气勘探的重要领域和方向（何登发等，2008）。四川盆地是以上扬子克拉通为基础而形成的叠合盆地，其基底为前震旦系变质岩，其上分别覆盖震旦纪—中三叠世的海相沉积地层和晚三叠世—第四纪的陆相沉积地层（刘树根等，2011；何登发等，2011；李皎等，2015），是我国重要的天然气生产基地（何登发等，2011；邹才能等，2014；杜金虎等，2014；刘树根等，2020；葛祥英等，2021）。

2015 年以来，中国石油陆续在川中古隆起高石梯、磨溪地区的震旦系灯影组、寒武系龙王庙组两个层系发现了多个大型的天然气藏。2020 年，对角探1 井的寒武系沧浪铺组、二叠系茅口组和蓬探1 井的震旦系灯影组等多个储气层位的测试结果表明川中古隆起北斜坡的风险勘探又取得了重大突破（Yan et al.,2021），与加里东古隆起相关的天然气勘探在四川盆地正扮演着越来越重要的角色（罗志立，1981；宋文海等，1996；Yu et al.,2013；刘树根等，2013；罗冰等，2015；Wei et al.,2015；杨跃明等，2016）。

本文研究的加里东期古隆起指位于川中的乐山-龙女寺古隆起和位于川西北的天井山古隆起。二者的构造演化均被基底隆起和基底断裂所控制（宋文海等，1987；何登发和伍顺利，2019；梁霄等，2020），在加里东构造期均经历了从雏形到定型的过程，并经历了多期次隆升剥蚀事件，表现出较为相似的形成演化过程（梅庆华等，2014；苏桂萍等，2020；李国辉等，2018；何登发和伍顺利，2019；梁霄等，2020）。何登发等（2008）认为两者在志留纪连成一片，联合隆升，但没有对其具体发生时间和形成演化过程进行详细地描述。

本文基于大量的钻井和地震资料，对川中、川西北地区震旦系—早古生代进行精细划分和地层对比（尤其是志留系），着重寻找两个古隆起的关联性以及约束两个古隆起隆升定型的具体时间，以期对四川盆地加里东古隆起高部位和斜坡带下一步的油气勘探部署提供新思路。

1 区域地质背景

四川盆地位于扬子板块西缘，是北东向延伸的菱形地貌盆地，兼具沉积盆地和构造盆地的双重属性（刘树根等，2015；Liu et al.,2020；罗改等，2021）。四川盆地面积约为18×104km2，盆地边界分别以北部米仓山冲断带、东北部大巴山冲断带、西部龙门山冲断带和松潘甘孜褶皱带、南部大凉山断裂带、东南部雪峰陆内构造系统为界限（刘树根等，2011；图1）。四川盆地经历了漫长的地质演化，从新元古代—古生代以交替的弱拉张-弱挤压体制下的海相碳酸盐岩沉积为主，至中三叠世转变为强挤压体制下的复合前陆盆地（刘树根等，2011，2018），积累了厚度巨大的陆相碎屑岩。在加里东构造期内，川中—川西北地区主要发生了灯影期—麦地坪期的桐湾运动（陈宗清，2013；汪泽成等，2014）、寒武纪末期的郁南运动（周恳恳和许效松，2016）、奥陶纪末期的都匀运动（孙冬胜等，2015）、志留纪末的广西运动（陈旭等，2012）等（表1）。

表1 四川盆地古生代构造运动界面划分及地层格架对比表（据李智武等，2019；张浩然等，2020 修改）Table 1 Comparison of interfaces of tectonic in the Paleozoic Era on the periphery of Sichuan Basin (modified after Li et al.,2019;Zhang et al.,2020)

四川盆地中西部和西北部在晚震旦世—晚志留世形成了两个受龙门山周缘隆起及川西—川中基底隆起控制下发育的不规则状古隆起（周文等，2007；袁玉松等，2013），习称为川中古隆起和川西北古隆起。两者在加里东期都经历了雏形期、发展期再到定型期的一个过程，并被后期的构造运动所改造（梅庆华等，2014，2015；姜巽，2019；李洪奎等，2019；何登发和伍顺利，2019；梁霄等，2020；苏桂萍等，2020）。

2 加里东期古隆起形态特征

川中—川西北古隆起是在二叠系之前形成的加里东古隆起。从二叠系沉积之前地层的构造面貌来看，川中古隆起呈现为向北东东向倾没的大型鼻状古隆起，其轴部位于雅安—资阳—岳池一线。从古隆起边缘向古隆起核部，奥陶系、志留系依次被剥蚀，在雅安附近更是已剥蚀至震旦系灯影组。川西北古隆起规模较小，从古隆起边缘向古隆起核部，石炭系、泥盆系、志留系、奥陶系依次被剥蚀，核部二叠系不整合于寒武系之上。本文将从钻井地层和地震剖面两个方面来分析加里东古隆起的形成演化过程。

2.1 钻井证据

从横贯四川盆地的北东-南西向的连井对比剖面图（图2）来看，将二叠系底部拉平后震旦系—下古生界表现为一个大型的古隆起，古隆起核部发育震旦系和寒武系，向周边依次出露奥陶系和志留系，泥盆系和石炭系缺失。从乐山地区的老龙1 井，过川中的金石1 井、资5 井、资4 井，到现今川西北地区的中江2 井、角探1 井、川深1 井，直至天星1 井的广元一带，下伏地层和上覆二叠系之间存在地层的缺失，其中川中地区资5、资4 井的西南方向，奥陶系、志留系均缺失，寒武系也遭受不同程度的剥蚀，表明该区域存在区域上的不整合接触。二叠系沉积之前，地层厚度总体呈现自北东向南西逐渐减薄的趋势。中江2 井被剥蚀至沧浪铺组，越往东北，角探1 井、川深1 井和天星1 井沉积地层越完整，从寒武系保留完整区域来看，天星1-川深1-角探1 井寒武系地层厚度分别为1 045 m、916 m、779 m，表现为从古隆起北东翼向隆起核部逐渐减薄的趋势，说明古隆起在寒武纪为同沉积古隆起。另外，资5 井缺失灯影组灯三—灯四段沉积，寒武系筇竹寺组直接沉积在灯二段之上，两者不整合接触，说明古隆起在晚震旦世就已经经历了一次隆升剥蚀，古隆起在晚震旦世已经发育雏形。

图2 四川盆地北东—南西向二叠纪前地层对比剖面Fig.2 NE-SW section showing the Pre-Permain strata in Sichuan Basin

2.2 地震剖面证据

合成地震记录是连接深度域的钻井、测井资料与时间域的地震资料之间的桥梁，地震资料的层位标定是整个研究区地层构造解释的基础和关键，合成地震记录的精度直接影响地震地质解释的准确度。本文对研究区多口深井制作合成地震记录进行层位标定。以天星1 井为例，对其典型的波组特征进行相关描述（图3）。

图3 天星1 井合成地震记录Fig.3 Synthetic Seismic Records of Well Tianxing 1

寒武系底界表现为强波峰特征，是地震波由寒武系底部相对速度较低的泥岩进入其下部速度较高的灯影组大套白云岩时形成的地震反射。该层位反射特征较稳定，同相轴连续，振幅较强，全区域稳定分布，因此在追层时将该层作为标志层位。

寒武系龙王庙组底界面表现为中等波谷特征，是地震波由龙王庙组相对速度较高的白云岩、灰岩层进入其下部速度较低的大套粉砂质页岩时形成的地震反射。该层位反射特征不稳定，同相轴不连续，振幅较弱。

奥陶系五峰组和志留系龙马溪组显示为一组连续性较好、振幅较强的同相轴，在追层时，将该层作为标志层位。

志留系小河坝组和韩家店组表现为弱波峰特征，连续性较差，追层时，以龙马溪组底界面和二叠系底界面两组的连续性较好、振幅较强的同相轴作为参照。

二叠系底界表现为强波谷特征，是地震波由二叠系栖霞组底界相对速度较高的底部灰岩层进入奥陶系相对速度较低的白云岩时形成的地震反射。在这个区域，该层位的反射特征较稳定，同相轴较连续，并稳定分布，因此在追层时将该层作为标志层位。

上二叠统底界表现为强波峰特征，是地震波由上二叠统龙潭组相对速度很低的粉砂与煤互层进入下二叠统茅口组相对速度较高的大套灰岩时形成的地震反射。该层位反射特征较稳定，同相轴连续，振幅较强，在全区稳定分布，因此在追层时将该层作为标志层位。

北西-南东向地震反射剖面AA＇贯穿了加里东古隆起。该剖面纵穿四川盆地，北西端始于成都市大邑县西部的花水湾镇，南东止于四川省合江县东部的自怀镇，全长约250 km（图4a）。将AA＇地震剖面二叠系底界面拉平（图4b），其表现为一个单斜构造，证明了二叠系沉积前古隆起的存在。古隆起区下古生界地层与上覆二叠系地层之间呈现为高角度的削截，在更大区域上，二者表现为不整合接触。寒武纪末期，受到郁南运动的影响，古隆起外围的川西地区和川北龙门山一带，部分寒武系被剥蚀（梅庆华等，2014；图4b）。在寒武系沉积完整区域，从古隆起东南翼向隆起核部，地层逐渐减薄。龙王庙和中上寒武统地层厚度从低洼处的2 700 ms 减到古隆起斜坡处的1 500 ms，到龙王庙组尖灭处，只剩下1 000 ms 左右；沧浪铺组也显示同样的趋势，在隆起东南斜坡有1 200 ms，到地层尖灭处只剩下500 ms 左右。结合在隆起东南斜坡寒武系的超覆现象（图4c），推断古隆起在早寒武世为同沉积古隆起（梅庆华等，2014；李洪奎等，2019；苏桂萍等，2020）。奥陶纪，古隆起继承性隆升，其控制了奥陶系的沉积展布，从古隆起凹陷处约2 500 ms，到桐梓组尖灭附近已减至500 ms。上奥陶统五峰组和下志留统龙马溪组构成的同相轴与上覆二叠系呈削截不整合接触，早志留世超覆在该同相轴上（图4d），这也说明川中古隆起在都匀运动期发生了一次剧烈的构造运动，并伴随着强烈的隆升剥蚀，古隆起初步成型（孙冬胜等，2015）。中二叠统底界面与上志留统呈低角度削截不整合接触（图4d），也说明志留纪末的广西运动细微调整了古隆起的构造形态。

图4 震旦纪—志留纪四川盆地加里东古隆起北西—南东向 AA＇剖面地震解释及局部地质现象Fig.4 Seismic interpretation and the key geological phenomena of NW-SE AA' Section from Sinian to Silurian Period

北东-南西向地震反射剖面BB＇贯穿了加里东古隆起。该剖面横贯四川盆地，南西端起于乐山市沙湾区西南部的龚嘴镇，北东端止于汉中市镇巴县西南部的渔渡镇，全长约520 km（图5a）。将BB＇地震剖面二叠系底界面拉平（图5b），可以看出川中地区整体形态为隆凹相间的背斜。威远附近的凹陷被剥蚀至志留系龙马溪组，凹陷内奥陶系向两侧超覆，志留系龙马溪组和上覆二叠系呈削截不整合接触（图6c），指示都匀运动在川中地区表现为隆拗作用。龙马溪组和小河坝组呈整合接触并超覆在龙马溪组底界面之上、韩家店组与上覆二叠系成低角度削截不整合接触（图5d），表明川中古隆起的构造形态在晚奥陶世和晚志留世都经历了调整。根据两次削截不整合的角度变化，可以判定都匀运动对加里东期古隆起的变形起着重要作用，广西运动对其调整较小。地震剖面解释结果显示，二叠系沉积在盆地内较为完整、分布稳定（图5b），说明四川盆地在经历了加里东期广泛的隆升后遭受大范围海侵，逐渐变为稳定的克拉通台地。

图5 震旦纪—志留纪四川盆地加里东古隆起北东—南西向 BB＇剖面地震解释及局部地质现象Fig.5 Seismic interpretation and the key geological phenomena of NE-SW BB' Section from Sinian to Silurian Period

图6 震旦纪—志留纪四川盆地加里东古隆起北东—南西向CC＇剖面地震解释及局部地质现象Fig.6 Seismic interpretation and the key geological phenomena of NE-SW CC' Section from Sinian to Silurian Period

地震剖面CC＇位于盆地西部，为一条北东南西走向的剖面，南西端起于雅安市雨城区南部的沙坪镇，北东止于广元市旺苍县北部的正源乡，全长约450 km（图6a）。将地震剖面CC＇二叠系底界面拉平（图7b），可以看出在二叠系沉积前，四川盆地西部呈现为向南西倾伏的单斜构造。基于地震剖面解析，在川西地区，龙王庙组和中上寒武统沉积厚度明显受到川中古隆起的控制，地层厚度从隆起北东翼向核部明显减薄，在斜坡处约120 ms，到地层尖灭附近已减至50 ms 左右（图6b），在该套地层内也识别出了上超等地质现象，进一步表明在该时期川中古隆起为同沉积古隆起。早寒武世筇竹寺组沉积期，古隆起可能为水下古隆起，隆起斜坡带上可以识别出向下寒武统筇竹寺组底界面的超覆（图6c）。与盆地中部的地震测线解释结果相同，志留系龙马溪组底界面与上覆二叠系呈削截不整合接触，并且下志留统超覆于龙马溪组底界面之上、上志留统韩家店组与上覆二叠系呈低角度削截不整合接触，同样说明都匀运动对加里东期古隆起的变形起着重要作用，广西运动对其调整较小（图6d）。

图7 震旦纪—志留纪四川盆地加里东古隆起东西向DD＇剖面地震解释及局部地质现象Fig.7 Seismic interpretation and the key geological phenomena of W-E DD' Section from Sinian to Silurian Period

地震剖面DD＇位于盆地西北部，为一条东西走向的剖面，全长约102 km（图7a）。将地震剖面DD＇二叠系底界面拉平（图7b），可以看出剖面为向西倾斜的单斜构造，奥陶系和寒武系厚度沿剖面由东向西明显减薄，川东地区相对较厚，其中奥陶系在斜坡低洼处约200 ms，到奥陶系底界面尖灭附近已减至80 ms 左右。寒武系则更为明显，沧浪铺组和中上寒武统的差异都达到了100 ms 以上。表明川西北地区从早寒武世开始便为一个构造高点并控制着中上寒武统和奥陶系的沉积；此外，上奥陶统五峰组和下志留统龙马溪组构成的同相轴与上覆二叠系呈削截不整合接触，小河坝组和龙马溪组则超覆于该同相轴之上，上志留统韩家店组与上覆二叠系则为低角度削截不整合接触（图7c），表明古隆起的构造形态在晚奥陶世和晚志留世都经历了调整，由两个不整合的削截角度推断都匀运动对加里东期古隆起的变形起着重要作用，广西运动对其调整较小。该测线关于志留系的解释结果与川中地区一致，因此推测川中古隆起与川西北古隆起在志留纪已经联合成一个大型加里东古隆起。

地震剖面EE＇位于盆地中部，为一条北西南东走向的剖面，全长约290 km（图8a）。拉平二叠系底界面（图8b），可以看出在早寒武世至奥陶纪，川中—川西北地区表现为一个隆凹相间的形态，两个古隆起之间夹杂着一个凹陷（图8c）。在南充附近，志留系龙马溪组底界面与上覆二叠系呈削截不整合接触，下志留统超覆于龙马溪组底界面之上，表明川中古隆起在早志留世为水下古隆起（图8d）。川中地区和川西北都在郁南运动和都匀运动构造期进行了隆升剥蚀，川中古隆起和川西北古隆起控制了奥陶系和寒武系的沉积，两者沉积厚度向川西北方向明显减薄，两个隆起之间相对凹陷，凹陷区被剥蚀至下奥陶统，且凹陷内下奥陶统超覆于两个隆起的斜坡上（图8c），说明川中古隆起与川西北古隆起在奥陶纪并未联合在一起，仍在差异隆升。上志留统韩家店组与上覆二叠系成低角度削截不整合接触（图8d），与川中地区保持一致，且凹陷区内无志留系沉积，推测川中—川西北古隆起在志留纪开始联合隆升。

图8 震旦纪—志留纪四川盆地加里东古隆起北西—南东向EE＇剖面地震解释及局部地质现象Fig.8 Seismic interpretation and the key geological phenomena of NW-SE EE' Section from Sinian to Silurian Period

3 古隆起形成演化过程对比分析

通过不整合面和层序分析，本文将川中—川西北加里东期古隆起分为“隆-凹”分异阶段（Z—∈1m）、隆起定型阶段（∈1q—S1）、联合隆升阶段（S2—C）、稳定埋藏阶段（P—T2）等4 个阶段。

3.1 “隆-凹”分异阶段（Z—∈1m）

早震旦世末，四川盆地经历了桐湾运动（陈宗清，2013；邢凤存等，2015）。前人通过划分区域地层和识别地层接触关系，将桐湾运动分为3 幕（汪泽成等，2014；邢凤存等，2015；武赛军等，2016）。桐湾运动I 幕使得资阳地区灯二段被剥蚀，表现为灯二段与灯三段不整合接触（武赛军等，2016），桐湾I 幕使得四川盆地“隆-凹”格局发育，隆起部位普遍遭受风化剥蚀（图5b，图6b）。桐湾运动II幕发生在灯四段沉积期末（邢凤存等，2015；武赛军等，2015，2016），此时“隆-凹”格局进一步差异升降，隆起部位继续隆升。川中—川西北地区的资5 井、资4 井和中江2 井灯四段均被剥蚀，“隆-凹”格局快速发育（图5b，图6b）。桐湾运动Ⅲ幕发生在麦地坪组沉积期，四川盆地整体弱抬升，资阳和高磨地区麦地坪组遭受剥蚀，“隆-凹”格局仍在进一步差异隆升（图5b；冯伟明等，2017）。

3.2 隆起定型阶段（∈1q—S1）

寒武世—中奥陶世，冈瓦纳大陆聚合期时澳大利亚板块和印度板块之间发生碰撞，板块碰撞的远程控制效应引发了郁南运动，影响了四川盆地这个时期的演化（张浩然等，2020）。早寒武世筇竹寺期，“隆-凹”格局继承性发育，拉张槽内沉积了巨厚的筇竹寺组（图5b，图6b，图8b）。在其后的沧浪铺组沉积期，相比于筇竹寺组沉积期所表现的“隆—凹”特征，其地层沉积厚度明显可见受到加里东古隆起所控制。从钻井地层看，从古隆起核心往外，资5 井、威117 井、高石17 井的沧浪铺组沉积厚度逐渐增加，分别为136 m、230 m、264 m。这些证据也说明拉张槽在此时被填平补齐，到了龙王庙组沉积期，拉张槽已被填平补齐，中晚寒武世的的沉积均表现为受川中和川西北古隆起控制，从古隆起两翼向古隆起核部逐渐减薄（图4c，图6b，图7b）。郁南运动在四川盆地表现为隆坳作用，寒武系与奥陶系产生了一系列不整合接触，可见上超、削截等现象（图4c，图5b）。此外，川中威远地区发育一个凹槽，凹槽内奥陶系向两侧超覆（图5c）。从连井对比剖面图可见，在川中和川西北地区寒武系完整保存区域，由隆起周缘向隆起核部沉积厚度均逐渐减薄，从地震剖面可见筇竹寺组、龙王庙组和中上寒武统均有超覆现象且地层分布厚度也是由隆起周缘向隆起核部逐渐减薄（图2，图4c，图6b，图7b），说明加里东期古隆起在寒武纪持续同沉积隆升。到奥陶纪，连井对比剖面图和地震解释结果均显示奥陶系由隆起周缘向隆起核部，沉积厚度均逐渐减薄（图2，图4b，图7b），说明加里东期古隆起在奥陶纪依然为同沉积古隆起。

晚奥陶世—早志留世，滇桂—北越板块和华夏板块与扬子板块之间挤压，四川盆地被都匀运动影响（杜远生和许亚军，2012；孙冬胜等，2015）。都匀运动在川中—川北地区表现为隆拗作用，川西北—川中地区相对隆升遭受剥蚀，川西和川东沉降坳陷（图4b，图5b，图5c，图6b，图7b，图8c）。早志留世，川中—川西北地区的地震剖面解释结果均显示下志留统超覆于龙马溪组底界面之上（图4d，图5d，图6d，图7c，图8d），说明在早志留世，古隆起为水下古隆起，其周缘仍经历着海侵上超。此间古隆起的构造形态没有改变，展布范围持续扩大。

3.3 联合隆升阶段（S2—C）

地震解释结果显示，上志留统韩家店组与上覆二叠系呈低角度单斜不整合接触（图4d，图5d，图6d，图7c，图8d），说明广西运动对加里东期古隆起的构造形态只是细微调整，古隆起在早志留世达到最大展布范围（图1）。广西运动使得川中川西北地区进一步抬升，导致四川盆地西北部大部分地区的上志留统被剥蚀，川中古隆起与川西北古隆起之间的凹陷被剥蚀至奥陶系（图8c），之后云南运动使盆地大规模抬升，川中古隆起与川西北古隆起均无泥盆系和石炭系沉积，古隆起持续隆升剥蚀（李伟等，2014），川西和川西北地区甚至被剥蚀至下寒武统，一直持续到二叠纪沉积之前，形成了北东向延伸、横卧于盆地的大型加里东期联合古隆起（陈旭等，2012；梅庆华等，2014，2015；李洪奎等，2019；张浩然等，2020；苏桂萍等，2020）。

3.4 稳定埋藏阶段（P—T2）

从拉平二叠系底部和二叠系顶部地震剖面上，可以看出盆地内部二叠纪厚度整体变化较小，川中和川西北地区也没有发现明显的不整合接触界面，这些证据都表明二叠纪沉积前加里东古隆起的展布范围已经确定。自二叠纪开始到中三叠世，四川盆地处于稳定沉降期，整体为陆表海碳酸盐台地发育过程，加里东联合古隆起被整体埋藏（刘树根等，2011；李忠权等，2011；李洪奎等，2019）。