川东北地区上三叠统须家河组物源分析

薄尚尚，田继先，李曜良，王晔桐，王 昊，孙国强

（1.中国科学院西北生态环境资源研究院，兰州 730000；2.中国科学院大学地球与行星科学学院，北京 100049；3.中国石油勘探开发研究院，北京 100083）

0 引言

四川盆地及周缘各造山带在空间上相互依存、物质上相互转化，形成了一个典型的复合盆山体系［1］。晚三叠世四川前陆盆地周边火成岩年代学数据丰富［2］，但物源分析多局限在川西近龙门山一带［3］，对川东北地区的研究相对薄弱且有较大分歧。川东北地区晚三叠世受控于秦岭构造带、米仓山—大巴山逆冲推覆带和川东弧形褶皱带，构造十分复杂［4-6］。川东北地区须家河组具有多物源性［7］，源岩可能含有再旋回物质。以往学者［4，8-9］通过野外剖面、重矿物、碎屑组分、古水流等的分析以及锆石的U-Pb，Lu-Hf 特征，对川东北地区须家河组物源进行了研究，认为扬子板块北缘与秦岭—大别造山带为主要物源区；李双建等［10］则认为物源主要来自华北地块南缘和北秦岭造山带；也有学者［5，11-12］认为龙门山北段、米仓山和大巴山物源提供了阶段性供给。川东北地区须家河组仅接受北东及北西方向物源供给是否合理以及其是否接受了江南—雪峰断褶带东南方向的物源供给还有待进一步研究。

在解析川东北地区须家河组沉积剖面、古水流方向、地层展布厚度及重矿物分布特征的基础上，结合碎屑锆石形态学、年代学内涵，统计四川盆地周缘地质体年龄数据，结合构造背景、沉积盆地构造格局，探讨川东北地区须家河组与物源区的配置关系及物源区经历的构造事件，以期为川东北地区须家河组“源—汇”系统的研究提供一定理论依据。

1 地质概况

四川盆地位于扬子板块、华北板块、松潘—甘孜地块和印度支那地块的交汇地带，是一个多旋回海-陆相叠合盆地［13-14］，其形成时间为晚三叠世—新生代［15］。盆地周缘被造山带所围限，平面形态大致呈NE—SW 走向的矩形展布，其北为米仓山，北西和北东分别为龙门山和大巴山，南西和南东分别是康滇断褶带和江南—雪峰断褶带［16］（图1a）。川东北地区须家河组为一套砂泥岩含煤层系，全盆地均有分布，与下伏雷口坡组、上覆自流井组整合接触，发育须一段—须六段（图1b）［17-18］，以灰色砂岩、细砂岩和深灰色泥岩为主，局部含薄层煤［19］，且向北东、南东方向厚度减小。须一段在部分地区不发育，须二段、须四段、须六段沉积相对活跃，发育砂岩夹少量薄煤层，而须三段、须五段沉积时期，处于相对平静期，以泥质、煤系为主［20］。

图1 四川盆地构造位置（a）及川东北地区上三叠统岩性地层综合柱状图（b）（据文献［2，9，21］修改）Fig.1 Tectonic location of Sichuan Basin（a）and stratigraphic column of Upper Triassic（b）in northeastern Sichuan Basin

2 样品及实验方法

对四川盆地宣汉县七里乡、复平镇黑天池、朱衣镇黄井水库和大巴山地质公园等出露较好的野外地质剖面进行观察和描述，样品均采自川东北地区上三叠统须家河组新鲜、未风化的砂岩和含砾砂岩，对其中6 件样品进行重矿物分析，4 件样品进行锆石U-Pb 定年（表1）。

表1 川东北地区样品采集情况Table 1 Sample collection status in northeastern Sichuan Basin

重矿物鉴定步骤：将样品无污染破碎后，进行重液分离、磁选和镜下鉴定，在偏光显微镜下进行鉴定、统计并计算出应用较广泛的石榴子石、辉石、锆石、电气石、磁铁矿、磷灰石及金红石等重矿物的含量［22］。

锆石测试流程：首先经过破碎、浮选和电磁选等方法处理后，从4 件样品中各随机选取150 颗锆石制靶并打磨抛光，采集反射光、透射光、阴极发光图像，锆石U-Th-Pb 同位素分析采用LA-ICP-MS测试方法。上述步骤均在兰州大学西部环境教育部重点实验室完成，LA-ICP-MS 激光剥蚀系统为德国MicroLas 公司生产的GeoLas200M，ICP-MS 为美国Agilent 公司生产的Agilent7 500 a。详细的实验原理、流程及仪器参数参考文献［23-24］。利用Glitter 程序对测试数据进行处理，普通Pb 校正方法及原理参考文献［25］，校正后的数据用Isoplot4.15程序绘制谐和图和年龄频谱图。

3 沉积特征

宣汉县七里乡剖面位于四川盆地东北部，该剖面须家河组各层段较为完整，自南东向北西倾斜，依次出露须二段—须六段（图2），各层段岩性差异大，且界限明显，须二段、须四段、须六段主要为厚层灰色砂岩，须二段厚度最大且夹煤线，说明其为水下沉积环境；须三段、须五段为暗色泥岩夹薄层砂岩，发育水下分流河道、分流间湾和席状砂。朱衣镇黄井水库剖面位于齐岳山和大巴山山前带，须家河组平行不整合于巴东组之上，出露须一段黑色泥岩和须二段砂岩夹泥岩、薄层底砾岩，须一段发育沼泽，须二段主要发育分流河道。大巴山地质公园剖面位于川东北地区与大巴山南缘的结合地带，该剖面须一段泥页岩直接平行不整合上覆于中三叠统雷口坡组石灰岩；须二段主要产出砂岩夹薄层砾岩、砂泥岩交替发育，镜下薄片鉴定为石英砂岩、岩屑砂岩，发育球枕构造，反映其靠近物源，水动力强、沉积作用快。总体来说，川东北地区须家河组在山前带以辫状河三角洲平原沉积为主，在腹部以辫状河三角洲前缘为主，由山前向腹部，砾岩含量减少、泥质含量增加，沉积物由粗粒转为细粒（图2）。

图2 川东北地区上三叠统须家河组典型剖面及沉积相对比Fig.2 Typical profile and sedimentary facies comparison of Upper Triassic Xujiahe Formation in northeastern Sichuan Basin

由图3 可看出，自四川盆地腹部向大巴山和江南—雪峰断褶带方向，须家河组地层厚度逐渐减小，说明该时期的沉积中心位于盆地腹部。南大巴山前缘万源地区发育厚达30 余m 的须家河组砾岩，经地层复平后的古流向指示物源来自北东方向的大巴山核部［26］；重庆万州和云阳地区须家河组剖面显示受到了多个古水流影响，主要来自北部及东南部2 个方向，尤其以北部物源占主导地位［27-28］。谢继容等［31］认为江南—雪峰古陆对四川盆地须家河组的供源作用一直持续整个晚三叠世。由此认为，川东北地区晚三叠世须家河组沉积期的物源来自北东和南东2 个方向。

图3 四川盆地上三叠统须家河组残余厚度等值线图（据文献［29-30］修改）Fig.3 Contour map of residual thickness of Upper Triassic Xujiahe Formation in Sichuan Basin

4 物源分析

4.1 重矿物分析

4.1.1 重矿物组合特征

碎屑岩中的重矿物组合特征能在一定程度上反映源岩岩性，不同的重矿物组合代表了不同的源岩类型［32］（表2）。川东北地区须二段和须六段重矿物组合主要为锆石、白钛矿、磷灰石、锐钛矿、钛铁矿和金红石，通过对比不同源岩的重矿物组合，判断源岩主要为再旋回的沉积岩和岩浆岩。

表2 不同源岩类型的重矿物组合特征［32］Table 2 Heavy mineral assemblages of different types of source rocks

川东北地区须二段碎屑重矿物（图4a）：宣汉县七里乡剖面样品以锆石、石榴子石、白钛矿、黄铁矿和锐钛矿为主，锆石质量分数高达近40.00%，稳定重矿物质量分数为77.20%；复平镇黑天池剖面样品以锐钛矿、锆石、白钛矿、金红石为主，稳定重矿物质量分数为87.58%；大巴山地质公园剖面样品以白钛矿、磷灰石、金红石、锆石和电气石为主，稳定重矿物质量分数为62.14%。相比之下，大巴山地质公园的稳定重矿物较少，说明其更靠近物源。

图4 川东北地区上三叠统须二段（a）、须六段（b）重矿物组合特征及ZTR 指数分布（c）Fig.4 Characteristics of heavy mineral assemblages of the second（a）and sixth（b）member of Upper Triassic Xujiahe Formation and ZTR index distribution（c）in northeastern Sichuan Basin

川东北地区须六段碎屑重矿物（图4b）：宣汉县七里乡剖面样品以赤褐铁矿、锆石、磷灰石、电气石为主，稳定重矿物质量分数为35.59%；复平镇黑天池剖面样品以钛铁矿、黄铁矿、锆石、白钛矿为主，稳定重矿物质量分数为24.43%；大巴山地质公园剖面样品以白钛矿、磷灰石、金红石、锆石为主，稳定重矿物质量分数为46.14%。相比之下，复平镇黑天池的稳定重矿物较少，说明其更靠近物源。无论是须二段还是须六段，宣汉县七里乡剖面样品稳定重矿物质量分数均为中间值，这可能是沉积物由东北部大巴山地质公园和东南部复平镇黑天池联合汇入七里乡所导致。

4.1.2 重矿物ZTR分布

锆石、电气石、金红石是碎屑矿物中最稳定的3 种矿物，其占重矿物的质量分数记作“ZTR”，高ZTR指数指示较高的矿物成熟度和较远的搬运距离，而低ZTR指数则指示低成熟度和靠近物源区［33］。

川东北地区须家河组重矿物的ZTR值变化较大，须二段复平镇黑天池剖面样品ZTR值为35.26%，大巴山地质公园剖面样品ZTR值为38.56%，均小于宣汉县七里乡剖面样品的ZTR值45.76%，说明在须二段沉积时期，大巴山地质公园和复平镇黑天池可能比七里乡地区更靠近物源区。须六段的ZTR值小于须二段，大巴山地质公园剖面样品ZTR值为25.20%，复平镇黑天池剖面样品ZTR值为14.37%，宣汉县七里乡剖面剖面样品ZTR值为29.99%（图4c）。根据须六段3 个地区样品的ZTR值分布可以推断宣汉县七里乡沉积物可能是经由东北部大巴山地质公园和东南部复平镇黑天池流入盆地腹部，这也进一步证实了川东北地区晚三叠世须家河组沉积期的直接物源来自北东和南东2 个方向，但由于源区物质在经历多次沉积旋回后仍能在汇聚区沉降下来，故原始的物源还需进一步判断。

4.2 碎屑锆石U-Pb测年

4.2.1 锆石测试结果

阴极发光图像能够反映锆石的生长环境、表面微量元素含量及部分晶格缺陷，发光强度越弱，说明微量元素含量越高。由图5 可看出，川东北地区上三叠统须家河组锆石发光强度不一，说明锆石的微量元素含量具有较大差异。研究区锆石的来源复杂多样，颗粒以半自形为主，样品com-1，com-8及com-14 的锆石颗粒有明显的核幔结构和震荡环带，样品com-17 锆石环带结构不明显或无环带，说明这类锆石在形成后发生了变质作用，属于变质成因锆石。总体来看，4 件样品的锆石分选性均较好，除样品com-8 部分颗粒粒径达200 μm，样品com-17部分颗粒粒径不足50 μm 以外，大部分锆石粒径约为100 μm，磨圆度一般，主要呈圆形和次圆形，少部分为次棱角状，暗示着锆石可能经历了远距离的搬运或再旋回沉积作用。

图5 川东北地区上三叠统须家河组碎屑锆石阴极发光图像Fig.5 Cathodoluminescence images of detrital zircons of Upper Triassic Xujiahe Formation in northeastern Sichuan Basin

经过铅校正、年龄及谐和度计算，对于年龄小于1 000 Ma 的锆石颗粒，取206Pb/238U 年龄；对于年龄大于1 000 Ma 的锆石颗粒，取207Pb/206Pb 年龄。去掉谐和度小于90%和大于110%的数据点后，得到有效数据，4 件样品分别获得了197～2 570 Ma，202～2 608 Ma，170～2 640 Ma，189～2 946 Ma 等年龄区间，其中个别数据点年龄小于地层时代，可能是上覆侏罗系样品混入的原因。从锆石U-Pb 年龄谐和图（图6）可看出，4 件样品的大部分数据点均在谐和曲线上，说明样品的U-Pb 体系基本保持封闭［34］，受后期热事件的影响较小，这些年龄可近似代表锆石结晶年龄。

图6 川东北地区上三叠统须家河组锆石U-Pb 年龄谐和图及频谱图Fig.6 Zircon U-Pb age harmonic and spectral maps of Upper Triassic Xujiahe Formation in northeastern Sichuan Basin

从4 件样品的锆石U-Pb 年龄频谱图来看（图6），样品com-1 的年龄主峰为200～315 Ma，峰值为～282 Ma，次级峰为1 502～1 739 Ma，峰值为～1 563 Ma；样品com-8 的主峰为202～320 Ma，峰值为～228 Ma，次级峰为1 525～2 006 Ma，峰值为～1 778 Ma；样品com-17 的主峰为200～326 Ma，峰值为～264 Ma，次级峰为1 567～1 981 Ma，峰值为～1 651 Ma，而样品com-14 只有一个明显的谱峰，峰值为～210 Ma，突出这一阶段的物源供给。总体来看，4 件样品的年龄主峰相差较小，与以往研究结果基本一致［2，4，9］。川东北地区须家河组210～282 Ma，400～500 Ma，650～850 Ma，1 500～2 000 Ma，2 265～2 600 Ma 这5 个年龄区间的锆石占总数的72%，其中，210～282 Ma 年龄段的锆石占22%，400～500 Ma 年龄段的锆石占5%，650～850 Ma 年龄段的锆石占9%，1 500～2 000 Ma 年龄段的锆石占30%，2 265～2 600 Ma 年龄段的锆石占6%（图7a）。根据U-Pb 碎屑锆石年代学研究，认为研究区须家河组沉积年龄应不早于213 Ma。

图7 川东北地区与其附近沉积区上三叠统须家河组锆石U-Pb 频谱对比Fig.7 Zircon U-Pb spectra of Upper Triassic Xujiahe Formation in northeastern Sichuan Basin and nearby sedimentary areas

相比四川盆地其他区域，川东北地区须家河组的锆石U-Pb 频谱的～213 Ma 谱峰偏高，可能与中—晚三叠世古特提斯洋自东向西剪刀式闭合、秦岭造山带发生斜向俯冲、自东向西穿时性碰撞有关［35］，～427 Ma 和～725 Ma 峰值年龄区间的谱峰均不显著且高度明显偏低，说明川东北地区与四川盆地其他区域可能具有不同的物源体系［2-3，9-10，36-38］（图7）。

4.2.2 碎屑锆石测年对物源的指示

川东北地区须家河组样品的碎屑锆石年龄构成的时间为新太古代早期—中生代早期，其物源区在～213 Ma，～427 Ma，～725 Ma，～1 694 Ma，～2 352 Ma 这5 个地质时期有重要的岩浆活动。川东北地区须家河组最年轻的测年结果为210～282 Ma，略早于晚三叠世龙门山的大幅度隆升，说明龙门山不是川东北地区须家河组的主力物源区。孙建勋等［35］认为黔北普宜地区二桥组（与须家河组同期）具有多物源特征，推测物源主要来自江南造山带梵净山地区新元古代再旋回沉积区。田洋等［29］认为鄂西南齐岳山地区须家河组形成于被动大陆边缘（为主）与活动大陆边缘环境，其物源来自东南的雪峰造山带（为主）与北侧的秦岭造山带。川东北地区须家河组的锆石U-Pb 年龄频谱特征与黔北普宜地区二桥组和鄂西南齐岳山地区须家河组极为相似（图7a—7b），说明三者的物源组成类似，因此，研究区须家河组物源可能主要为秦岭造山带和江南—雪峰造山带。

210～282 Ma 是研究区须家河组最年轻、最重要的物源年龄段，峰值为～213 Ma。由图8 可看出：北秦岭增生造山带发育完整的沟-弧-盆体系，发育自东向西的复合岩浆弧杂岩带，测得年龄为400～500 Ma［39-40］；沿勉略带及其北侧的南秦岭造山带发育系列俯冲碰撞型花岗岩、蛇绿岩，同位素年代集中于200～345 Ma，尤其是俯冲碰撞型花岗岩同位素年代集中于205～220 Ma，表明勉略带在中三叠世已发展到陆-陆碰撞造山阶段［41］；南秦岭抬升阻挡了华北板块南缘物质进入四川盆地，故排除华北板块南缘为川东北地区须家河组在210～282 Ma 年龄段提供主力物源的可能性。通过与潜在源区年龄谱对比（图9），并结合以往学者［2，4，8，41］对构造环境的解释及对重矿物、碎屑组分、古水流方向的分析，认为210～282 Ma 这一年龄段与勉略碰撞缝合带总体形成事件（200～345 Ma）相对应［41］，南秦岭在这一阶段处于抬升状态遭受剥蚀并为川东北沉积区提供沉积物质。

图8 川东北地区周缘地质体测年数据（据文献［39，43-48］修改）Fig.8 Geological dating data of northeastern Sichuan Basin

图9 川东北地区上三叠统须家河组碎屑锆石U-Pb 年龄谱与潜在源区年龄谱对比图［2，4，9，57-58］Fig.9 Comparison of U-Pb age spectra of detrital zircons of Upper Triassic Xujiahe Formation in northeastern Sichuan Basin with age spectra of potential source areas

李雅倩等［42］根据典型剖面的岩石学、地球化学、同位素等方面的分析，研究了北秦岭造山带早古生代构造演化，尤其是对商丹洋的俯冲关闭时间进行了限定，约为420 Ma，故川东北地区须家河组年龄为～427 Ma 的碎屑锆石有可能源自北秦岭增生造山带。

650～850 Ma 的新元古代年龄组峰值为～725 Ma，可能代表晋宁期构造岩浆热事件，这一时期的锆石通常被认为与Rodinia 超大陆裂解导致的巨量岩浆事件有关［49-51］。江南—雪峰造山带西段古生界沉积物和扬子陆块、川东北地区须家河组具有相似的该年龄区间谱峰形态。此外，区域测年数据（图8）显示，研究区东南部的江南造山带西段岩体，东部的武当杂岩体、神农架岩体，西部的碧口地块、汉南杂岩及米仓山岩体也测得了～800 Ma 的锆石年龄。在晚三叠世及之前，这些形成于～800 Ma 的岩体被强烈抬升剥蚀。以上数据与本文测得的年龄相符，因此这些地质体均可能成为该年龄段锆石的物源。

1 500～2 000 Ma 的中元古代—古元古代可能对应Columbia 超大陆的拼合（2 000～1 600 Ma）与裂解（1 500～1 300 Ma）［52-53］。这一年龄阶段的锆石在华北板块、扬子板块、秦岭—大别造山带、江南造山带西段（图9）均可找到，谱峰较宽，与江南造山带西段形态最为相似，可能代表古元古代末的中条运动或吕梁运动，主要源区应为华北板块南缘和江南造山带西段等稍远的外源区［3，9］，也可能来自东北部扬子北缘和秦岭—大别造山带［32］。

最老的2 265～2 600 Ma 年龄段，谱峰强度最小，峰值不明显，反映出新太古代—古元古代的碎屑锆石来自周边多个板块地壳物质的再循环，主要与扬子板块、华北板块、秦岭构造带的岩浆活动有关。

5 石油地质意义

物源供给是“源-汇”系统发育的根本要素，也是沉积砂体存在的物质基础［54-55］。沉积特征、重矿物和碎屑锆石年代学等证据表明，川东北地区须家河组接受北东和南东2 个方向的物源供给，储层主要发育于两大物源供给体系下的辫状河三角洲—滨浅湖沉积体系中，受有利相带、溶蚀和微裂缝等因素控制。2 个方向的物源控制着储层岩石类型的发育情况（图10a），致使不同地区发育不同类型的储层，进而使得各储层中的易溶组分和含量也不相同，导致各地区储层孔隙发育及规模也不同［11，56］。

图10 川东北地区上三叠统须家河组主要岩石类型（a）［11］及须六段沉积相和优质砂岩储层预测（b）Fig.10 Distribution of main rock types of Upper Triassic Xujiahe Formation（a），sedimentary facies and high-quality sandstone reservoir prediction of Xu-6 member（b）

川东北地区须家河组东北部主要受北东向大巴山物源的影响，岩石类型主要为岩屑砂岩，孔隙类型以基质溶孔为主，少量为粒内溶孔；东南部主要受南东向江南—雪峰断褶带物源的影响，岩石类型主要为长石岩屑砂岩，发育基质溶孔和粒内溶孔；腹部受2 个方向物源体系叠加，多见长石岩屑石英砂岩、长石砂岩，发育粒间溶孔和粒内溶孔［11］。

川东北地区须家河组优质储层以辫状河三角洲前缘水下分流河道砂体为主，储集性能好，在须六段沉积时期水体变浅、向盆地中心退去，东南部发育广泛的辫状河三角洲前缘沉积，优质储层范围扩大（图10b）。明确须家河组物源体系将有助于在川东北地区须家河组寻找油气储层拓展新的领域，对寻找有利储盖组合具有重要意义。

6 结论

（1）川东北地区上三叠统须家河组由山前带的辫状河三角洲平原沉积向腹部的辫状河三角洲前缘沉积过渡，沉积物粒度由粗变细。研究区须家河组沉积期的物源来自北东和南东2 个方向，腹部宣汉县七里乡地区须家河组沉积物是物源区剥蚀物经由东北部大巴山地质公园和东南部复平镇黑天池汇入。

（2）研究区须家河组碎屑锆石呈现出以～213 Ma，～427 Ma，～725 Ma，～1 694 Ma，～2 352 Ma 为峰值的5 个主要年龄区间，地层沉积年龄应不早于～213 Ma。～213 Ma 与勉略缝合带形成相对应，主要源自南秦岭造山带；～427 Ma 与商丹洋俯冲关闭相对应，主要源自北秦岭造山带；～725 Ma 与Rodinia超大陆裂解有关，江南造山带西段最可能成为该年龄段的物源；～1 694 Ma 年龄段锆石主要来自华北板块南缘和江南造山带西段等外源区；～2 352 Ma的锆石占比很小，来自再旋回物源。

（3）研究区须家河组储层主要发育于北东和南东两大物源供给体系下的辫状河三角洲—滨浅湖沉积体系中，2 个方向的物源控制着储层岩石类型和孔隙发育情况，使其具有较强的区域性。东北部近大巴山物源区发育岩屑砂岩、基质溶孔；东南部近江南—雪峰断褶带物源区发育长石岩屑砂岩、基质溶孔和粒内溶孔；腹部受2 个方向物源体系叠加，发育长石岩屑石英砂岩、长石砂岩、粒间溶孔和粒内溶孔。