四川盆地是中国重要的含油气盆地之一, 四周被群山环绕:北为米仓山, 大巴山, 南为大凉山, 娄山, 西北为龙门山, 东南为七曜山(图 1).盆地内上三叠统须家河组地层厚度差异较大, 川西地区厚300~1000, m, 以成都以北地区为最厚; 川中--川南地区厚480~780, m, 以平泉1井--川3 井区为最厚; 在威远--自流井地区和潼南--合川110 井区一带最薄, 厚度小于550 m; 总体呈现由北西向南东逐渐减薄的趋势(朱如凯等, 2009).对于四川盆地须家河组的地层划分曾经存在较大争议(表 1), 本次研究采用目前四川石油管理局根据岩性所制定的统一的地层划分方案, 自下而上将须家河组分为须1段至须6段(T₃x¹~T₃x⁶)共6段.须家河组开始沉积时, 海水逐渐从盆地西南部退出.须1段尚为海陆交互相沉积, 之上5段均为陆相沉积.其中, 须1, 3, 5段主要发育泥页岩和煤层, 须2, 4, 6段以砂岩和粉砂岩为主, 须6段顶部还普遍发育一套细粒泥岩沉积(姜在兴等, 2007).四川盆地须家河组这种独具特色的砂--泥间互沉积结构(图 2)形成了有利的源--储接触关系, 为油气成藏提供了条件(侯方浩等, 2005; 赵文智等, 2008).

图1

Fig.1

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	图1 四川盆地上三叠统须家河组采样点位置Fig.1 Location of samples from the Upper Triassic Xujiahe Formation in Sichuan Basin

图2

Fig.2

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	图2 四川盆地须家河组综合柱状图及采样点层位(在广安102井基础上修改)Fig.2 Comprehensive column of the Xujiahe Formation and positions of samples in Sichuan Basin (modified on the base of Well Guangan102)

针对须家河组这种砂--泥间互沉积结构的成因, 有学者认为构造作用和沉积作用是主控因素, 尤以沉积作用为甚(郑荣才等, 2008a, 2008b; 朱如凯等, 2009), 而沉积作用则受古气候的重要影响(赵澄林和朱筱敏, 2001).文中作者综合利用多种分析方法恢复了该盆地古气候, 并探讨了其对地层沉积结构的影响.

分别在四川盆地6个地区进行采样(包括野外露头和钻井岩心)(图 1), 共采集44块泥岩样品.露头样品采样过程中, 注意选取风化程度小的新鲜暗色泥岩, 以尽量减少由于后期的风化作用对检测结果造成的干扰.在岩心样品采样过程中, 主要选取颜色较深的泥岩.如果一口井的泥岩样品不全, 则从邻近具有泥岩岩心的井中采样, 组成一个地区完整的钻井岩心采样系列.

样品的分析化验分别在中国石油勘探开发研究院石油地质实验中心(简称实验中心)和中国石油华北油田研究院(简称华北油田研究院)进行.其中, 实验中心采用X射线衍射分析方法, 按国家石油天然气行业标准SY/T5163-1995测定了黏土矿物的种类和相对含量.华北油田研究院则完成了孢粉的识别与鉴定和常量元素及微量元素的测试.孢粉鉴定时, 按照国家石油天然气行业标准SY/T5915-2000, 对泥岩样品进行物理, 化学方法处理, 使化石孢粉与岩石分离, 然后收集, 制片.采用双目生物显微镜(100~800倍)鉴定孢粉的形状, 轮廓及大小, 据此判定孢粉类型.元素分析采用X射线荧光光谱仪对全岩样进行分析, 得出各种元素的含量.

植物对气候和环境的改变较为敏感, 可有效地指示温度和湿度的变化.孢粉是植物的繁殖器官, 不同属种的孢粉对应不同类型的母体植物.依据孢粉母体植物与现代植物的对比, 可以"将今论古"推断古气候(高瑞琪, 2000).

中国最早利用孢粉恢复古气候的探索当属北京大学地质系古生物教研室于1956年对苏北地区古近纪气候的研究(周山富和杨方之, 2007).近年来也有学者对四川盆地北部地区晚三叠世须家河组沉积时期, 昆明盆地中更新世晚期和准噶尔盆地南缘三叠纪--侏罗纪之交的古气候进行了恢复, 取得了良好效果(黄其胜, 1995; 王全伟等, 2008; 许哲平等, 2009; 卢远征和邓胜徽, 2009).

经过鉴定, 本次研究共识别出蕨类植物孢子, 裸子植物花粉和藻类孢子3大类81属.其中, 蕨类植物孢子48属, 裸子植物花粉30属, 菌藻类3属.位于盆地西南部地区的威远黄石板剖面和东北部地区的华蓥观音溪剖面的泥岩样品中鉴定出的孢粉(图3)种类多, 个体完整, 而采自川西北地区的泥岩样品中只检测出少量的孢粉化石, 且个体不完整.因此, 以上述两个露头中检测出的孢粉化石来恢复四川盆地须家河组沉积时期的古气候情况.

通过对孢子和花粉化石分析鉴定可以发现:蕨类孢子(图4)占孢粉总数的绝大部分, 为74%.其中, 与双扇蕨科(Dipteridaceae)相关的孢子最为繁盛, 包括网叶蕨孢属(Dictyophyllidites), 凹边孢属(Concavisporites), 壕环孢属(Canalizonospora), 三角刺面孢属(Acanthotriletes)和弓堤孢属(Kyrtomisporis), 特别是Dictyophyllidites和Concavisporites占绝对优势, 两者之和占孢子总数的40%.另外, 其他含量较少的蕨类植物孢子化石还包括桫椤科的桫椤孢属(Cyathidites), 紫萁科的紫萁孢属(Osmundacidites), 莲座蕨科的合囊蕨孢属(Marattisporites), 卷柏科的拟套环孢属(Densoisporites), 稀释环孢属(Kraeuselisporites)和新叉瘤孢属(Neoraistrikia), 里白科的里白孢属(Gleicheniidites), 蚌壳蕨科的金毛狗孢属(Cibotiumspora), 波缝孢属(Undulatisporites), 海金砂科的刺毛孢属(Pilosisporites)等.

裸子植物花粉(图5)约占孢粉总数的25%, 含量最多的当属苏铁科的苏铁粉属(Cycadopites), 占到花粉总数的25%.其他含量较少的裸子植物花粉化石包括松科的阿里粉属(Alisporites), 双束松粉属(Pinuspollenites), 雪松粉属(Cedripites), 罗汉松科的罗汉松粉属(Podocarpidites).此外, 还包括云杉粉属(Piceaepollenites)和宽沟粉属(Chasmattosporites)等.

菌藻类孢子含量极少, 仅占孢粉总数的约1%, 包括菌孢属, 小菌孢属和光对裂藻属3属.

综合分析四川盆地上三叠统须家河组发现的孢粉类型, 认为其孢粉组合以网叶蕨孢属--凹边孢属--苏铁粉属(Dictyophyllidites-Concavisporites-Cycadopites)为特色.虽然这些孢粉化石所对应的古植物体大多数已经灭绝, 但属于本家族的现代植物仍有发育, 可以通过对现代同族植物所处环境来推断对应古植物体所处的古气候条件.例如, 蕨类植物中与双扇蕨科(Dipteridaceae)亲近的现代植物体双扇蕨属(Dipteris)仍有8种, 中国就有3种, 主要分布于华南, 西南及喜马拉雅山区, 也就是西藏, 云南, 贵州, 广西以及印度, 缅甸这些潮湿温暖的热带, 亚热带地区, 即喜马拉雅植物区系.裸子植物中与苏铁类花粉(Cycadopites)相关的现代苏铁科共有9属, 主要分布于热带, 亚热带的东非, 东亚和澳大利亚地区.

图3

Fig.3

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	图3 四川盆地上三叠统须家河组孢粉含量 A--威远黄石板剖面蕨类孢子含量; B--威远黄石板剖面裸子植物花粉含量; C--华蓥观音溪剖面蕨类孢子含量; D--华蓥观音溪剖面裸子植物花粉含量Fig.3 Sporopollen content in the Upper Triassic Xujiahe Formation of Sichuan Basin

图4

Fig.4

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图4 四川盆地须家河组主要孢子类型(全部化石照片放大800倍) 1--膨胀凹边孢Concavisporites toralis; 2, 3, 4, 6, 15--哈氏网叶蕨孢Dictyophyllidites harrisii; 7, 23--莫氏网叶蕨孢Dictyophyllidites mortoni; 5--舒安凹边孢Concavisporites shuanensis; 8--虚弱网叶蕨孢Dictyophyllidites infirmus; 9--雅致网叶蕨孢Dictyophyllidites charicis; 10--网叶蕨孢(未定种)Dictyophyllidites sp.; 11, 12--坑穴孢(未定种)Ischyosporites sp.; 13--内纹凹边孢Concavisporites intrastriatus; 14--莫氏网叶蕨孢(比较种)Dictyophyllidites cf. mortoni; 16--新叉瘤孢(未定种)Neoraistrickia sp.; 17--拟套环孢(未定种)Densoisporites sp.; 18--苏朗奇网叶蕨孢Dictyophyllidites surangei; 19--哈氏网叶蕨孢(比较种)Dictyophyllidites cf. harrisii; 20--穆尼多环孢 Polycingulatisporites mooniensis; 21, 22--赛诺里白孢Gleicheniidites senonicus; 24--锯齿多环孢 Polycingulatisporites crenulatusFig.4 Main types of spores in the Xujiahe Formation of Sichuan Basin(× 800)

图5

Fig.5

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图5 四川盆地须家河组主要花粉类型(全部化石照片放大800倍) 1--冷杉粉(未定种)Abiespollenites sp.; 2--美丽苏铁粉Cycadopites fomosus; 3--尖角苏铁粉Cycadopites acutus; 4, 5--卡城苏铁粉Cycadopites carpentieri; 6--舌状苏铁粉Cycadopites glottis; 7--光亮瘤囊粉Verrusaccus candidus; 8, 10--三角广口粉Chasmatosporites triangularis; 9, 19--阿里粉(未定种)Alisporites sp.; 11--敦普冠翼粉Callialasporites dampieri; 12--卡秋特粒面大单沟粉Granamegamonocolpites cacheutensis; 13--脑形粉(未定种)Cerebropollenites sp.; 14--微小雪松粉Cedripites minutulus; 15--脆弱苏铁粉Cycadopites fragilis; 16--澳大利亚阿里粉Alisporites australis; 17--清洁苏铁粉Cycadopites deterius; 18--圆形阿里粉Alisporites rotundus; 20--柔软原始罗汉松粉Protopodocarpus mollisFig.5 Main types of pollen in the Xujiahe Formation of Sichuan Basin(× 800)

黄其胜(1995)通过研究四川盆地川北地区须家河组6条基干剖面的孢粉资料, 共发现孢粉化石57属118种, 其中蕨类79种(占44%), 苏铁类39种(占33%), 认为晚三叠世植物群落以草本-灌木型的真蕨类, 苏铁类占优势, 须家河组沉积过程基本上处于热带--亚热带的临海, 滨湖三角洲或河湖沼泽环境.王全伟等(2008)在四川雅安天全剖面上发现属于晚三叠世的孢粉化石27属63种, 其中, 蕨类植物孢子占60%(以凹边孢和双扇蕨为主), 裸子植物花粉占40%(以松柏类, 苏铁类植物居多).在合川炭坝剖面须家河组发现孢粉化石36属43种, 其中, 蕨类植物孢子占64.4%(以双扇蕨科的网叶孢属和凹边孢属为主), 裸子植物花粉占35.6%(以苏铁类花粉为主).另外, 前人在四川广元须家河, 威远葫芦口和达县铁山等地须家河组中共发现孢粉化石124属228种, 以蕨类植物孢子占有优势, 计80属153种, 占孢粉总量的70%左右.裸子植物花粉计44属75种, 占孢粉总量的30%左右.其中, 蕨类孢子中以网叶蕨孢为主, 裸子花粉中以苏铁类花粉为主(黄其胜, 1995; 王全伟等, 2008).

综合以上学者的研究结果以及华南地区上三叠统的孢粉组合, 发现这些孢粉组合的属种类别及所占比例基本相同(王全伟等, 2008).因此, 根据四川盆地须家河组孢粉化石组合, 采用 "将今论古"的研究思路, 可以推断四川盆地晚三叠世须家河组沉积时期应属温暖--炎热, 潮湿的热带和亚热带气候.

黏土矿物包括高岭石, 伊利石, 蒙脱石和绿泥石, 可以作为良好的古气候指示参数.这是因为岩石的风化作用受到温度和湿度的控制, 不同的气候条件往往造成风化作用类型和土壤类型的差异, 从而导致土壤中所含黏土矿物组合及其结构特点等存在明显差异.高岭石主要由长石, 云母和辉石经过酸性淋滤作用形成, 常见于潮湿气候.伊利石则由长石, 云母等铝硅酸盐矿物风化脱钾形成, 常见于寒冷少雨的气候条件下(冯启等, 2007; 李祥辉等, 2008).

Prodip和Lee(1986)通过对北美科罗拉多二叠系Fountain组和印度半岛三叠系Gondwana组砂岩的研究, 发现其中的高岭石, 绿泥石, 伊利石等自生矿物呈规律性变化, 并认为这种变化是由气候控制下的大气水化学成分变化所引起的.蒙有言等(2005)对广西柳桥地区二叠系--三叠系界线处地层所含的黏土矿物进行了研究, 认为蒙脱石和伊利石含量高代表中低纬度的温和, 干--湿交替气候, 高岭石含量高代表温暖--炎热, 潮湿气候.曹珂等(2008)研究了四川盆地白垩纪陆相沉积盆地的黏土矿物组分, 认为蒙脱石和伊利石同时出现指示干冷与暖湿交替的气候环境, 而局部层段发育的伊利石则指示干冷气候.

国内外学者的研究均证实黏土矿物可用于古气候恢复, 但是, 黏土矿物从原始沉积到后期成岩过程中会发生变化(例如各种矿物之间的相互转化等), 其造成的黏土矿物含量变化给古气候恢复带来了多解性.为提高古气候恢复精度和可信度, 应综合分析4种黏土矿物的相对含量变化.笔者采用高岭石(K)与伊利石(I)的比值(K/I)来恢复古气候, K/I值高表示温度高, 湿度大; K/I值低表示温度低, 湿度小.

从44块泥岩样品中检测出含伊利石的样品36块, 含高岭石的样品32块, 含绿泥石的样品43块, 含伊蒙混层的样品44块, 未检测出蒙脱石.选择同时检测出高岭石和伊利石的样品, 取其比值分层段进行对比分析, 讨论其所表征的古气候.选取威远黄石板露头须家河组样品分析数据作为依据, 但由于单块样品检测结果具有较大误差, 不足以正确反映古气候变化, 因此, 分别求取采自同一层位数块样品的高岭石含量和伊利石含量的平均值, 然后将这两种矿物含量的平均值相除得到两者的含量之比(图 6).计算出的K/I值在0.47~3.23之间波动, 最低值出现在须6段, 最高值出现在须5段.其中, 须1, 3, 5段K/I值高, 须2, 4, 6段K/I值低.须1段到须4段的波动幅度较小(Δ K/I< 1), 须4段至须6段波动幅度明显变大(Δ K/I> 2).K/I值的这种高低变化反映了须家河组须1, 3, 5段沉积时期, 气候较为炎热潮湿; 须2, 4, 6段沉积时期, 气候较为温和干旱.其中, 须5段沉积时期较之其他时段明显更为暖湿, 而须6段沉积时期的温度和湿度则最低.整个须家河组沉积时期中, 须1段至须4段沉积时期气候变化幅度较小, 呈小幅振荡的态势; 须4段至须6段沉积时期的气候波动较为剧烈.

图6

Fig.6

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	图6 威远黄石板剖面须家河组高岭石/伊利石(K/I)值Fig.6 Ratio of Kaolinite/Illite(K/I) of the Xujiahe Formation in Huangshiban section of Weiyuan

沉积岩中含有的常量元素, 微量元素及其中某些元素的比值已经被广泛用于恢复古气候和判别沉积环境.岩石中所含元素的性质一方面受控于其本身的物理, 化学性质, 另一方面又受到古气候和古环境的影响, 这是利用特征元素相对含量及其比值恢复古气候的科学依据.

从44块泥岩样品中检测出15种元素, 其中, 常量元素5种(钠, 镁, 钾, 钙, 铁), 微量元素10种(硼, 钒, 铬, 锰, 镍, 铜, 锌, 镓, 锶, 钡).对采自包浅001-16井和威远黄石板露头的每一层段中的所有样品进行元素检测, 将检测出的钙, 镁, 锶, 钡含量求取平均值, 得到每个层段4种元素含量的平均值.然后, 分别求出各层段Ca/Mg和Sr/Ba值, 用于研究须家河组各段沉积期的温度和湿度(图 7, 图8).Ca/Mg值基本上可反映古温度的变化:高值指示气温相对较高, 低值指示气温相对较低.Sr/Ba值则是水体盐度的"指示剂":高值代表盐度高, 气候相对干燥, 低值则代表盐度相对较低, 气候相对湿润(陈敬安等, 1999; 田晓雪等, 2005).

图7

Fig.7

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	图7 包浅001-16井须家河组Ca/Mg比值Fig.7 Ca/Mg of the Xujiahe Formation in Well Baoqian 001-16

图8

Fig.8

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	图8 威远黄石板剖面须家河组Sr/Ba比值Fig.8 Sr/Ba of the Xujiahe Formation in Huangshiban section of Weiyuan

必须指出, 须家河组开始沉积时海水逐渐从四川盆地西南部地区退出(邓康龄, 1992; 郭正吾等, 1996), 须1段沉积时位于盆地西南部的包浅001-16井区和威远地区海水尚未完全退出, 为海--陆过渡相沉积环境.残余海水影响特征元素比值的检测结果, 给古气候恢复造成了干扰.包浅001-16井须1段异常低的Ca/Mg比值(图 7)和威远黄石板剖面须1段异常高的Sr/Ba比值(图 8)并不是原始沉积时古温度和古湿度的真实反映, 而是包含有残留海水的贡献(海水中Ca< Mg, Sr> Ba).结合前人对本区须1段古气候的研究成果(黄其胜, 1995), 应该对该段Ca/Mg和Sr/Ba值的实测值进行校正.图7和图8中推测的包浅001-16井须1段Ca/Mg值和威远黄石板剖面须1段 Sr/Ba 值应为古温度和古湿度的反映.

经过推测校正后, Ca/Mg值基本可以反映温度变化, 其规律比较明显:须1, 3, 5段沉积时期温度高, 须2, 4, 6段沉积时期温度低.其中, 须一至须4段沉积时期的温度表现为较为平缓的起伏变化, 而须5段沉积时期的温度则有大幅上升.Sr/Ba值所反映的湿度变化规律也很清楚:须1, 3, 5段数值较低, 表示气候潮湿; 须2, 4, 6段数值高, 表示气候干旱.对比分析Ca/Mg和Sr/Ba值所反映的古气候特征, 认为:须家河组1, 3, 5段沉积时期气候相对炎热, 湿度较大; 须2, 4, 6段沉积时期气候相对温和, 湿度较小.

采用3种方法恢复的四川盆地晚三叠世须家河组沉积时期古气候结果相互吻合, 相互印证.孢粉学证据反映了须家河组沉积时期炎热潮湿的热带--亚热带气候背景.但是, 植物对于环境的变化存在一个适应期, 在晚三叠世须家河组沉积时期所经历的约30, Ma中, 植物演化相对缓慢, 植被组合未发生重大变化.因此, 孢粉学方法难以全面反映气候变化的细节.其他两种方法则对须家河组各段沉积时期的温, 湿度相对变化比较灵敏, 将3种方法相结合可以比较真实, 可靠地恢复须家河组沉积时期的古气候.

综合3种方法的分析结果, 不难得出四川盆地晚三叠世须家河组各段沉积时期的古气候特征.须1段沉积时期, 四川盆地为海陆过渡相沉积, 气候整体表现为温度适中而湿度较大的热带, 亚热带海湾气候, 该结论与前人研究结论一致(黄其胜, 1995).须2段沉积时期, 海水已经基本退出, 全盆地而以陆相沉积为主.此时的温度比须1段沉积时期稍高而湿度则相对较低, 表现为温和干燥, 植物不太发育.由于湿度较小, 风化剥蚀作用以物理风化为主, 沉积了粗粒砂岩.须3段沉积时期, 随着龙门山的隆升, 四川盆地整体发育陆相湖泊沉积.此时的温度和湿度都比须2段沉积时期要高, 表现为炎热潮湿的气候, 沼泽发育.由于植物繁盛, 形成了须家河组主要的含煤层系.须4段沉积时期, 温度略有升高而湿度则大幅降低, 迎来了又一个干旱时期.低湿度造成物理风化占优势, 形成了须家河组又一段以砂质沉积为主的地层.须5段沉积时期, 温度和湿度均达到峰值, 气候最为炎热潮湿, 属于炎热潮湿的热带气候.沉积物主要是泥质岩类, 植物非常繁盛, 构成了须家河组第2套主要的含煤层系.到须6段沉积时期, 温度逐渐降至最低, 湿度也有所下降, 属于温暖干旱的气候条件, 植被不太发育.须6段沉积末期, 四川盆地局部地区温度和湿度又有回升的趋势.

对利用孢粉, 黏土矿物和特征元素3种方法恢复的四川盆地晚三叠世须家河组沉积时期的古气候综合对比, 最终得出了须家河组6个层段沉积时期的古气候特征.须家河组沉积时期整体表现为较为湿热的热带--亚热带气候, 其中:须1段沉积时期表现为热带, 亚热带海湾气候; 须2段沉积时期表现为温和干燥气候; 须3段沉积时期为湿热气候, 发育沼泽沉积; 须4段沉积时期表现为温和干旱; 须5段沉积时期则是最为炎热潮湿的热带--亚热带气候; 须6段沉积早期温度和湿度都趋于最低, 沉积末期则有向暖湿变化的趋势.这种冷热交替, 干湿更迭的气候演化特征控制了各个层段的沉积, 形成了须家河组砂--泥间互式的地层叠置模式.

致谢 选样, 送样过程中得到了中国石油勘探开发研究院石油地质实验中心胡国艺的大力帮助; 在实验和数据分析过程中得到了中国石油勘探开发研究院石油地质实验中心邓胜徽, 游建昌, 王晓梅和中国石油华北油田研究院韩春元和张金岩的指导和帮助, 在此一并致谢!