劉辰生，郭建華

坳拉槽層序地層學(xué)：以湘中坳陷為例

劉辰生1, 2，郭建華1, 2

(1. 中南大學(xué)有色金屬成礦預(yù)測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點實驗室，湖南長沙，410083；2. 中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南長沙，410083)

錫礦山組沉積期是湘中坳拉槽最發(fā)育的時期，根據(jù)巖性、沉積構(gòu)造及古生物等沉積相鑒別標(biāo)志，可識別出深水臺盆相、淺水臺盆相、局限臺地相、滑塌灰?guī)r相和濱岸相等。從錫礦山組可識別出4個三級層序邊界，劃分出3個三級層序。從這3個層序均可識別出海侵體系與和高位體系域，海侵體系域為淺水臺盆相和深水臺盆相沉積，而高位體系域為淺水臺盆相、局限臺地相和濱岸相沉積；坳拉槽層序在發(fā)育過程中受到構(gòu)造活動、物源和氣候等因素的控制，其中構(gòu)造是主控因素。SQ1層序沉積期邊界斷裂活動性最強，烴源巖也最發(fā)育。

坳拉槽；錫礦山組；層序地層學(xué)；構(gòu)造活動；烴源巖

2013年川中古隆起起發(fā)現(xiàn)了安岳震旦系—寒武系特大型氣田，探明含氣面積為779.9 km2，探明地質(zhì)儲量為4 403.8×108m3。該特大型氣田的烴源巖分布在川中“德陽—安岳”古裂陷槽內(nèi)[1]，這也使坳拉槽再次成為地質(zhì)學(xué)研究者關(guān)注的焦點。20世紀(jì)60年代，朱夏[2]指出今后尋找油氣資源的工作重點將轉(zhuǎn)向2類盆地：一類是阿爾卑斯期(中新生代)的盆地，另一類則是受阿爾卑斯運動體制改造了的早期(古生代)盆地。孫樞等[3]指出坳拉槽與油氣和礦產(chǎn)資源存在密切關(guān)系，應(yīng)加大對坳拉槽的地質(zhì)勘探工作。但隨著我國東部陸相油氣田的成功勘探，研究重點轉(zhuǎn)向陸相斷陷盆地的構(gòu)造、沉積和成藏等方面，而對坳拉槽的地質(zhì)研究逐漸減少。目前，隨著頁巖氣和南方油氣勘探的興起，亟待對坳拉槽的沉積建造過程、構(gòu)造活動期次以及坳拉槽的油氣勘探潛力等進行研究。湘中坳拉槽廣泛發(fā)育上泥盆統(tǒng)泥頁巖烴源巖，該烴源巖以腐泥型為主，平均殘余有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.36%，有機質(zhì)成熟度(o)為1.8%~2.5%，表明湘中坳拉槽烴源巖具有很強的生烴能力，且已經(jīng)處于生氣階段。統(tǒng)計表明，湘中坳陷90%以上的油氣顯示均分布在坳拉槽發(fā)育的區(qū)域(圖1)，因此，坳拉槽對湘中坳陷油氣具有明顯的控制作用。雖然湘中坳拉槽具有很強的油氣勘探潛力，但對于該坳拉槽的沉積建造過程以及構(gòu)造活動對沉積的影響等方面的認(rèn)識有待深入。湘中坳陷基底為下古生代褶皺基底。寒武紀(jì)—晚奧陶世湘中坳陷為上揚子大陸邊緣盆地?深水緩坡沉積區(qū)，發(fā)育巨厚層暗色泥頁巖[4?5]。在晚奧陶世—中、晚志留世，湘中坳陷為前陸盆地沉積區(qū)，廣泛發(fā)育砂泥巖沉積。在志留紀(jì)末期湘中坳陷受廣西運動的影響，全區(qū)隆起為陸，地層受到剝蝕。在中泥盆世，研究區(qū)受拉張應(yīng)力作用，形成北北東向裂陷槽，并受到西南方向海侵的影響。湘中坳拉槽在晚泥盆世達到全盛時期，海侵規(guī)模最大，泥頁巖最發(fā)育[6?7]，同時，坳拉槽邊緣廣泛發(fā)育生物礁和邊緣淺灘沉積。在晚泥盆世末期，湘中坳拉槽受到熱沉降的影響轉(zhuǎn)變?yōu)檑晗菪团璧兀昀蹖Τ练e的控制作用減弱。

圖1 湘中坳拉槽和油氣顯示點分布

1 沉積相類型

上泥盆統(tǒng)錫礦山組沉積期是湘中坳拉槽最發(fā)育的時期之一，也是烴源巖最發(fā)育的時期。錫礦山組可劃分為4個段，自下而上分別是陶塘段、兔子塘段、泥塘里段和馬牯腦段(見圖2)。陶塘段以灰黑色鈣質(zhì)頁巖為主，夾薄層泥質(zhì)條帶灰?guī)r和含生物碎屑灰?guī)r。兔子塘段下部為灰色中—厚層具鐵質(zhì)斑點生物碎屑灰?guī)r和瘤狀灰?guī)r，鐵質(zhì)斑點多呈紅褐色；中部為灰色和灰黑色鈣質(zhì)頁巖夾灰色瘤狀灰?guī)r；上部為灰色中層瘤狀灰?guī)r和含生物碎屑灰?guī)r。泥塘里段以灰色鈣質(zhì)頁巖及棕紅色薄—中層鐵質(zhì)砂巖為主(局部為赤鐵礦)，該鐵礦層中常發(fā)育大量斜層理及生物介殼，鐵礦層厚度穩(wěn)定，平均厚度為20 m，是標(biāo)志層。馬牯腦段下部為灰色薄層鈣質(zhì)頁巖、瘤狀灰?guī)r、灰質(zhì)砂巖和含生物碎屑灰?guī)r，中部為灰黑色鈣質(zhì)頁巖，上部為灰黑色薄層鈣質(zhì)頁巖、瘤狀灰?guī)r和厚層含生物碎屑灰?guī)r。

圖2 湘中坳拉槽層序地層劃分方案

根據(jù)巖性、沉積構(gòu)造及古生物等沉積相鑒別標(biāo)志，研究區(qū)錫礦山組可識別出深水臺盆相、淺水臺盆相、滑塌灰?guī)r相、局限臺地相和濱岸相等。

1) 深水臺盆相。巖性以灰黑色鈣質(zhì)頁巖為主。鈣質(zhì)頁巖中常夾有薄層含生物碎屑灰?guī)r和泥質(zhì)條帶灰?guī)r。鈣質(zhì)頁巖中常含完整的珊瑚化石，珊瑚化石平均長約8 cm，直徑為0.2~1.5 cm，為臺地邊緣生物礁滑塌沉積。深水臺盆相限制在2條邊界斷裂之間，是邊界斷裂強烈活動期深水沉積。深水臺盆相分布在陶塘段、兔子塘段和馬牯腦段。

2) 淺水臺盆相。巖性以灰色中—厚層狀泥灰?guī)r和瘤狀灰?guī)r為主，少見生物碎屑。淺水臺盆相是邊界斷裂弱斷陷期沉積，水體深度較深水臺盆相小。該相常與下伏深盆臺地相鈣質(zhì)頁巖組成向上變淺的準(zhǔn)層序。該相在陶塘段、兔子塘段、泥塘里段和馬牯腦段均有發(fā)育。

3) 滑塌灰?guī)r相。巖性以泥質(zhì)條帶灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r和瘤狀灰?guī)r為主。生物碎屑灰?guī)r中生物屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)在40%以上，生物顆粒間以泥晶膠結(jié)物為主，發(fā)育滑塌角礫巖和斜層理、沖刷面。瘤狀灰?guī)r常為薄至中層，泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，滑塌變形構(gòu)造發(fā)育，常見完整的珊瑚和腕足類化石。該相在陶塘段、兔子塘段、泥塘里段和馬牯腦段均發(fā)育。

4) 局限臺地相。巖性以灰色厚層含生物碎屑灰?guī)r和泥晶灰?guī)r為主。生物碎屑粒徑小，平均粒徑小于 5 mm，生物碎屑分選差，含生物碎屑灰?guī)r泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高。局限臺地相主要分布在錫礦山組馬牯腦段。

5) 濱岸相。巖性以鐵質(zhì)砂巖和鮞粒赤鐵礦(即“寧鄉(xiāng)式赤鐵礦”)為主。鐵質(zhì)砂巖中含有大量的生物碎屑，且斜層理發(fā)育。濱岸相僅分布在泥塘里段，沉積期水體淺，水動力條件強。

2 層序劃分

2.1 層序邊界識別

研究區(qū)層序邊界識別主要依據(jù)沉積相類型的變化和準(zhǔn)層序疊置樣式的改變。研究區(qū)錫礦山組共識別出4個層序邊界，自下而上分別命名為B1，B2，B3和B4(圖2)。

B1位于錫礦山組底部，界面之下為佘田橋組局限臺地相，而B1界面以上為錫礦山組陶塘段深水臺盆相，界面上、下沉積相存在缺失。B2位于陶塘段與兔子塘段交界處，其下為陶塘段滑塌灰?guī)r相，其上為兔子塘段淺水臺盆相和局限臺地相，層序界面上下沉積相類型發(fā)生明顯變化。B3界面位于泥塘里段和馬牯腦段交界處，界面之下為濱岸相，界面之上為淺水臺盆相，界面上下沉積相類型出現(xiàn)突變。B4界面位于馬牯腦段頂部，界面之下為局限臺地相，界面之上為石炭系邵東組濱岸相。界面上下沉積相類型發(fā)生突變，且界面為侵蝕面。

2.2 層序劃分

根據(jù)B1，B2，B3和B4等4個層序界面，劃分出3個三級層序，自下而上為SQ1，SQ2和SQ3層序(圖2)。

2.2.1 SQ1層序

該層序包括陶塘段，該段以鈣質(zhì)頁巖為主，根據(jù)巖性、沉積環(huán)境的變化和準(zhǔn)層序疊置樣式的改變可識別出海侵體系域和高位體系域。海侵體系域巖性包括薄層狀泥灰?guī)r、鈣質(zhì)頁巖夾薄層生物碎屑灰?guī)r。海侵體系域由2個準(zhǔn)層序形成退積準(zhǔn)層序組，每個準(zhǔn)層序下部為深水臺盆相沉積的鈣質(zhì)頁巖和薄層泥灰?guī)r，上部為淺水臺盆相沉積的薄層泥質(zhì)條帶灰?guī)r，準(zhǔn)層序自下而上水體深度逐漸減小。該體系域平均厚度達 130 m。

高位體系域分布在陶塘段上部，巖性以薄層鈣質(zhì)頁巖和泥質(zhì)條帶灰?guī)r為主。高位體系域由2個準(zhǔn)層序組成進積準(zhǔn)層序組。每個準(zhǔn)層序下部為深水臺盆相薄層泥灰?guī)r，上部為淺水泥質(zhì)條帶灰?guī)r。該體系域與海侵體系域相比較，生物化石質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯增大，而泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯減小。

2.2.2 SQ2層序

該層序包括兔子塘段和泥塘里段。兔子塘段巖性包括瘤狀灰?guī)r、鈣質(zhì)頁巖和生物碎屑灰?guī)r，泥塘里段為鈣質(zhì)頁巖和鐵質(zhì)砂巖。該層序可識別出海侵體系域和高位體系域，低位體系域不發(fā)育。

海侵體系域包括兔子塘組中、下部，巖性為厚—巨厚層含生物碎屑灰?guī)r、具鐵質(zhì)斑點含生物碎屑瘤狀灰?guī)r和鈣質(zhì)頁巖。由下至上，沉積相類型依次為局限臺地相、滑塌灰?guī)r相、淺水臺盆相和深水臺盆相，體現(xiàn)了水體深度逐漸變深、可容納空間逐漸增大的趨勢。該體系域由3個準(zhǔn)層序疊置組成1個退積準(zhǔn)層序組。每個準(zhǔn)層序下部均為深水臺盆相，上部為局限臺地相或開闊臺地相。

高位體系域包括兔子塘段上部和泥塘里段。兔子塘段上部巖性包括深水臺盆鈣質(zhì)頁巖和滑塌灰?guī)r相瘤狀灰?guī)r以及局限臺地相含生物碎屑灰?guī)r，而泥塘里段巖性為淺水臺盆相鈣質(zhì)頁巖和濱岸相鐵質(zhì)砂巖。該體系域由2個準(zhǔn)層序疊置形成1個進積準(zhǔn)層序組。每個準(zhǔn)層序下部均為臺盆相，而上部則漸變?yōu)榛規(guī)r相、局限臺地相或濱岸相。

2.2.3 SQ3層序

該層序包括馬牯腦段，可識別出海侵體系域和高位體系域，見圖3。海侵體系域分布在馬牯腦段下部，巖性包括濱岸相灰質(zhì)砂巖、局限臺地相含生物碎屑灰?guī)r、滑塌灰?guī)r相瘤狀灰?guī)r、淺水和深水臺盆相鈣質(zhì)頁巖等。海侵體系域由2個準(zhǔn)層序疊置形成退積準(zhǔn)層序組，每個準(zhǔn)層序下部均由臺盆相鈣質(zhì)頁巖沉積，上部為滑塌灰?guī)r相、局限臺地相或濱岸相等淺水沉積。

高位體系域分布在馬牯腦段上部，巖性包括深水臺盆相鈣質(zhì)頁巖、中層瘤狀灰?guī)r和含生物碎屑灰?guī)r等。該體系域可識別出2個準(zhǔn)層序，每個準(zhǔn)層序組下部為臺盆相鈣質(zhì)頁巖沉積，向上漸變?yōu)榛規(guī)r相瘤狀灰?guī)r和局限臺地相含生物碎屑灰?guī)r等沉積。這2個準(zhǔn)層序頁巖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)向上減少，灰?guī)r厚度逐漸增大，整體表現(xiàn)為向上可容納空間逐漸減小，因此，這2個準(zhǔn)層序疊置形成進積準(zhǔn)層序組。

2.3 湘中坳拉槽沉積演化

研究區(qū)錫礦山組各段巖性復(fù)雜，既有碳酸鹽巖，又有碎屑巖。復(fù)雜的巖石類型表明研究區(qū)沉積相類型豐富。通過巖性和沉積構(gòu)造研究表明研究區(qū)沉積相類型包括深水臺盆相、淺水臺盆相、局限臺地相和濱岸相等。錫礦山組陶塘段(SQ1層序)以深水臺盆相鈣質(zhì)頁巖沉積為主，頁巖中夾有薄層泥質(zhì)條帶灰?guī)r，泥質(zhì)條帶灰?guī)r中滑塌常發(fā)育滑塌變形構(gòu)造。雖然兔子塘段(SQ2層序中下部)仍然發(fā)育鈣質(zhì)頁巖，但鈣質(zhì)頁巖的厚度明顯減小，灰?guī)r的規(guī)模增大，表明兔子塘段以淺水臺盆和局限臺地相為主，而深水臺盆相沉積期較短。泥塘里段(SQ2層序上部)沉積期主要為淺水臺盆相泥頁巖和濱岸相等沉積，因此，該段沉積期水體進一步變淺。馬牯腦段(SQ3層序)沉積期鈣質(zhì)頁巖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，至該段中部頁巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到最大，該段上部灰?guī)r質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，而頁巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小。該段沉積相類型由淺水臺盆相和局限臺地相過渡到深水臺盆相，至該段上部復(fù)變?yōu)闇\水臺盆相和局限臺地相。因此，根據(jù)沉積相類型的變化，可以總結(jié)認(rèn)為：自陶塘段至泥塘里段，主要沉積相類型由深水臺盆相變?yōu)闇\水臺盆相、局限臺地相和碎屑濱岸相，水體由深變淺。

圖3 錫礦山組SQ3層序沉積特征

泥塘里段至馬牯腦段沉積相類型由濱岸相復(fù)變?yōu)樯钏_盆相和局限臺地相，因此，水體由淺變深再變淺。

3 坳拉槽層序控制因素

研究區(qū)層序明顯受到構(gòu)造活動、物源和氣候的控制，其中構(gòu)造活動是其主要的控制因素。

3.1 構(gòu)造因素

構(gòu)造活動規(guī)律控制了層序內(nèi)部構(gòu)成、沉積體系類型和分布。泥盆紀(jì)，華南海發(fā)生了明顯的陸內(nèi)裂陷作用，桂中、桂東北、桂西、黔南地區(qū)出現(xiàn)臺間坳拉 槽[8?10]，中泥盆世坳拉槽逐漸向北東方向擴展，并達到湘中地區(qū)。該時期在湘中地區(qū)形成廣泛的碳酸鹽臺地和臺盆相間分布的格局[11?13](圖4)。臺盆是分布在碳酸鹽巖臺地間的深水沉積區(qū)，并受到坳拉槽邊界斷裂的控制，海水深數(shù)十米至幾百米不等。整體而言，錫礦山組沉積早期是坳拉槽邊界斷裂最活躍的時期，并控制著整個坳拉槽主要烴源巖的沉積。錫礦山組沉積晚期，坳拉槽邊界斷裂的活動性明顯減弱，并趨于停止，烴源巖厚度也減薄。雖然邊界斷裂總體經(jīng)歷了由強到弱的轉(zhuǎn)變，但在各層序沉積期邊界斷裂又體現(xiàn)出獨特的幕式性。

圖4 湘中坳拉槽沉積演化

SQ1層序沉積期是邊界斷裂活動最強烈的時期，該層序沉積體系包括深水臺盆相和少量的滑塌灰?guī)r相，巖石類型以深水臺盆相沉積的鈣質(zhì)頁巖為主。在SQ2層序沉積期，雖然邊界斷裂活動性減弱，但在最大海泛面附近仍然發(fā)育厚度較大的深水臺盆相鈣質(zhì)頁巖，這表明SQ2層序弱斷陷期仍然發(fā)育了次一級斷裂強烈活動。該層序高位期斷陷活動停滯，沉積相以碎屑濱岸相為主。SQ3層序沉積期邊界斷裂再次活動，海侵體系域沉積期坳拉槽內(nèi)依次沉積了局限臺地相、淺水臺盆相和深水臺盆相。該層序厚度較大的鈣質(zhì)頁巖分布在最大海泛面上下，對應(yīng)邊界斷裂最活躍的時期。在高位體系域沉積期，邊界斷裂活動強度減弱，坳拉槽內(nèi)依次沉積滑塌灰?guī)r相和局限臺地相。由SQ1至SQ3層序，坳拉槽邊界斷裂的活動規(guī)律總體表現(xiàn)為強—弱—較強—弱，而各層序沉積水體相應(yīng)的變化規(guī)律為深—淺—較深—淺，相應(yīng)的鈣質(zhì)頁巖的厚度為厚—薄—較厚—薄。

3.2 物源因素

研究區(qū)坳拉槽在沉積過程中受到周緣物源的影響，尤其是SQ2層序受碎屑物源的影響最大。在SQ1層序沉積期，坳拉槽水體最深；在海平面最廣，坳拉槽周圍物源遠離坳拉槽，因此，坳拉槽內(nèi)以深水臺盆相鈣質(zhì)頁巖沉積為主。在SQ2層序沉積期，陸源碎屑對研究區(qū)產(chǎn)生明顯的影響，尤其是在SQ2層序高位體系域廣泛發(fā)育濱岸相鐵質(zhì)砂巖。這也是湘中地區(qū)坳拉槽沉積區(qū)別于廣西和貴州地區(qū)泥盆系坳拉槽的根本特征：雖然它們?yōu)橥粋€三叉裂谷體系形成的坳拉槽，但廣西和貴州坳拉槽均為深水臺盆和碳酸鹽巖臺地相，不發(fā)育碎屑巖沉積。碎屑巖發(fā)育規(guī)模直接影響到坳拉槽頁巖氣開發(fā)以及常規(guī)油氣的聚集和成藏。

3.3 氣候因素

氣候?qū)有虻目刂谱饔帽憩F(xiàn)為對沉積物構(gòu)成和沉積體系分布等方面。SQ1沉積期氣候濕潤，沉積物以深灰色鈣質(zhì)頁巖為主，沉積相類型變化較小。SQ2層序海侵體系域沉積期氣候變?yōu)榘霛駶櫋敫珊?，沉積物中含有干旱氣候特有的棕紅色鐵質(zhì)斑點和棕紅色泥質(zhì)斑點。同時，沉積相類型也較SQ1層序豐富，包括局限臺地相、淺水臺盆相和深水臺盆相等，沉積相縱橫向變化快。SQ2層序高位體系域沉積期變?yōu)楦珊禋夂?，沉積物類型也以棕紅色鐵質(zhì)砂巖為特征，且橫向分布穩(wěn)定。SQ3層序氣候變?yōu)榘霛駶櫋敫珊担练e物類型以瘤狀灰?guī)r和含生物碎屑灰?guī)r為主，但瘤狀灰?guī)r中仍然發(fā)育棕紅色鐵質(zhì)和泥質(zhì)斑點。

4 結(jié)論

1) 錫礦山地區(qū)錫礦山組可識別出4個層序邊界，劃分出3個三級層序。SQ1包括陶塘段，SQ2層序包括兔子塘段和泥塘里段，SQ3層序包括馬牯腦段。

2) SQ1層序以深水臺盆相和少量淺水臺盆相沉積為主；SQ2層序以淺水臺盆相、局限臺地相和濱岸相為主，夾少量深水臺盆相；SQ3層序下部為深水臺盆相沉積，至該段上部變?yōu)闇\水臺盆相和局限臺地相。

3) 臺間海槽層序充填樣式受構(gòu)造作用、物源和氣候的影響，其中構(gòu)造作用是層序的主控因素。SQ1沉積期構(gòu)造活動最強烈，深水臺盆相鈣質(zhì)頁巖烴源巖最發(fā)育；SQ2層序沉積期構(gòu)造活動減弱，烴源巖的規(guī)模也較SQ1層序小得多；SQ3層序邊界斷裂重新活動，沉積體系以淺水臺盆相和局限臺地相為主，該層序沉積期是烴源巖較發(fā)育時期。

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(編輯 陳燦華)

Sequence stratigraphy of aulacogen:taking Xiangzhong depression as an example

LIU Chensheng1, 2, GUO Jianhua1, 2

(1. Key Laboratory of Metallogentic Prediction of Nonferrous Metals and Geological Environment Monitoring of Ministry of Education, Central South University, Changsha 410083, China;2. School of Geosciences and Info-physics, Central South University, Changsha 410083, China)

Aulacogen develops best during Xikuangshan formation deposition. According to lithology, sedimentary structure and paleonotology, restricted platform facies, deep water inter-platform, shallow inter-platform and coastal facies can be identified. Four third-order sequence boundaries can be identified, and three third-order sequences can be divided. All of sequence can be subdivided into transgressive system and high stand system. Facies of transgressive system include shallow inter-platform and deep inter-platform. Facies of high stand system include shallow inter-platform, restricted platform and coastal facies. The sequences evolution of Xikuangshan formation is controlled by structure and climate factors, and structure is the major controlling factor. Activity of boundary fault is the strongest during deposition of SQ1, and the source rock develops the most.

aulacogen; Xikuangshan formation; sequence stratigraphy; structure activity; source rock

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.08.019

TF112.21

A

1672?7207(2017)08?2113?06

2016?09?10；

2016?11?21

湖南省自然科學(xué)基金資助項目(2017JJ1034)(Project(2017JJ1034) supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province)

劉辰生，博士，從事層序地層學(xué)和沉積學(xué)研究；E-mail：Lcsjed@163.com