樊哙剖面位于川东北宣汉县樊哙镇锁口村附近, 上三叠统出露较完整(图 2)。底部小塘子组厚约18, m, 岩性以灰色粉砂岩与泥岩不等厚互层为主, 夹碳质泥岩。小塘子组与下伏雷口坡组呈不整合接触, 碎屑颗粒下细上粗, 反映了海平面持续下降、沉积物不断进积的过程。上覆的须家河组可划分为5段:须二段厚约120, m, 岩性为灰黄色、灰色中— 厚层状中粗砂岩, 属辫状河三角洲前缘沉积, 多期水下分流河道砂体叠置分布, 单层河道砂体厚度一般小于2, m, 主要介于1.0~1.5, m之间, 向上逐渐减薄, 且岩石粒径向上变细, 以正韵律为主; 水下分流河道砂体底部冲刷面发育, 砂体内发育块状构造、槽状交错层理、平行层理等, 见植物碎片。须三段厚约35, m, 下部岩性主要为灰色薄— 中层状粉细砂岩与泥岩互层, 上部为灰色中— 厚层状中粗砂岩, 以块状构造为主, 顶部发育约1.5, m厚暗色泥岩, 仍是辫状河三角洲前缘的水下分流河道与分流间湾沉积。须四段地层较厚, 约150, m, 与须三段之间为沉积相变接触; 底部以灰色中厚层状砾岩为主, 成分主要为硅质砾石和灰岩砾石, 砾径约5~25, cm, 呈定向排列; 中部主要为灰色、浅灰色中— 厚层状中粗砂岩, 以块状构造为主, 单层砂体厚度多小于2, m, 向上逐渐减薄, 岩石粒径也变细, 呈正韵律, 显多期水下河道砂体叠置特点; 上部岩性较粗, 主要为灰色、灰黄色厚层状中粗砂岩, 且河道砂体底部可见滞留砾岩沉积, 砾径一般小于20, cm, 呈明显定向排列, 见槽状交错层理, 应属较近源的冲积扇— 辫状河三角洲前缘沉积。须五段厚度较薄, 主要以暗色泥岩、粉砂质泥岩为主, 并见薄— 中层状粉砂岩, 整体属滨浅湖沉积。须六段厚度仅为40, m, 主要岩性为灰黄色、灰色中细粒岩屑砂岩, 砂体单层厚度较薄, 一般小于1.5, m, 呈正韵律, 底部可见多期冲刷面, 以块状构造为主, 顶部可见煤线, 属辫状河三角洲前缘沉积。须家河组顶部与侏罗系呈不整合接触。

图2

Fig.2

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	图2 川东北大巴山前樊哙剖面上三叠统综合柱状图Fig.2 Comprehensive column of the Upper Triassic of Fankuai section in front of Dabashan Mountain of northeastern Sichuan Province

川西北小塘子村上三叠统剖面为小塘子组和须家河组的定名剖面, 出露地层为小塘子组、须家河组二段至四段(图 3)。小塘子组厚约58, m, 底部与雷口坡组呈不整合接触, 属潮坪相沉积。该组下部岩性为碳质泥岩夹薄层灰黄色泥质粉砂岩和煤线; 中部岩性为灰色中细砂岩、泥质粉砂岩, 砂岩中见槽状交错层理, 具有向上变细的正韵律特征, 为潮下带的潮道沉积, 并见构造裂缝; 上部岩性为灰黄色泥页岩与粉砂岩互层, 平行层理发育, 见生物钻孔。须二段厚度为228, m, 与下伏的小塘子组呈平行不整合接触, 下部岩性为灰色中厚层状、块状中— 粗砂岩与粉细砂岩互层, 砂岩中见槽状交错层理和平行层理, 在多期叠置河道砂体的底部发育冲刷面, 单层砂体大多具正粒序特征, 厚度为3~8, m, 为辫状三角洲前缘沉积; 中部发育43, m厚的暗色泥岩、碳质泥岩并夹薄— 中层状粉细砂岩, 泥岩单层厚度可达14, m, 沉积环境为水下分流间湾沉积; 上部岩性为灰色、灰黄色中— 粗砂岩; 顶部为灰色中细砂岩, 多期分流河道砂体叠置, 单层河道砂体厚3~5, m左右。须三段厚107, m, 下部岩性为暗色泥岩、碳质泥岩夹薄层粉细砂岩, 属滨浅湖沉积; 上部具有下细上粗的反韵律特征, 向上泥岩层厚度减薄, 砂岩层厚度增大, 砂岩呈灰色、灰黄色, 由下部的粉砂岩向上部的中细砂岩递变, 单层砂体厚2~5, m; 顶部存在薄层砾岩沉积; 须三段整体上表现为典型的湖泊— 前三角洲— 远砂坝— 河口坝— 水下分流河道的变化特征(图 3)。须四段厚78, m, 以砾岩为主, 夹薄层砂岩, 砾石成分主要为灰岩, 呈灰色和深灰色、磨圆度好。须四段顶部与下侏罗统呈不整合接触。

图3

Fig.3

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	图3 川西北龙门山前小塘子村剖面上三叠统综合柱状图Fig.3 Comprehensive column of the Upper Triassic of Xiaotangzi section in front of Longmen Mountain of northwestern Sichuan Province

沉积岩中的微量元素特征不仅受控于其本身的物理化学性质, 而且受到古气候和古环境的极大影响, 因此可利用微量元素和某些常量元素的相对含量及其比值进行古气候与古水深等的恢复(Nesbitt and Young, 1982; 谭红兵和于升松, 1999; 陈建芳, 2002; Yang et al., 2006; 陶树等, 2009)。笔者运用美国生产的Innov-X手持型X射线荧光光谱仪对上述两条野外剖面开展了主、微量元素含量的实测工作。该仪器的基本工作原理是使高能量的X射线与测试对象中的原子发生碰撞, 产生电子跃迁并以X射线形式释放能量, 根据所释放射线的波长计算出该原子的序数, 进而判定该元素的种类, 并根据释放射线的强度可得出该元素的相对含量。运用该仪器, 在野外分别检测出Fe、Ca、Na、K、Mg等多种主量元素和Mn、Ti、Sr、Ba、Co、Cr、Ni等多种微量元素的含量, 同时也采集了部分岩石样品进行室内X射线荧光光谱分析。从主、微量元素分析结果的曲线变化趋势来看, 二者具有较好的相似性(白斌等, 2010)。

3.1.1 古气候特征

湖泊沉积物中的Fe、Mn、Ti、Ca、Na、K、Mg等元素的含量变化对于指示气候冷暖干湿波动有重要意义, 一般在温暖潮湿气候条件下, 湖水呈弱酸性, Mn、Ti、Co、Cr、Ni、V等元素活性增加, 迁移能力增大, 导致其在沉积区浓度相对富集; 而在干冷气候条件下, 由于风化作用减弱, 介质碱性增强, 生物活动降低, 从而使Fe、Mn、Cr、V、Co、Ni等元素活性降低, 导致其在沉积区含量降低(谭红兵等, 1999)。大陆上的化学侵蚀作用很大程度上受控于湿度和温度, 湿热的气候可以增强化学侵蚀作用。在化学侵蚀过程中, Ti被释放出来, 但在迁移之前就沉淀下来, 因此通常被认为是一种保守元素, 其与其他元素的比值可以作为元素化学侵蚀行为的示踪因子(王成等, 2007)。化学侵蚀作用的加强可以导致侵蚀产物中K含量增加, 因此, K/Ti的高值体现强的化学侵蚀, 低值体现弱的化学侵蚀, 故该元素比值可以指示源区古气候的变化, 即相对高的K/Ti值代表了较强的化学侵蚀以及更为湿热的气候(Nesbitt and Young 1982; 陈建芳, 2002; Yang et al., 2006)。

如图2所示, 大巴山前的樊哙镇小塘子组Mn含量介于500~3000 μ g/g之间, 水体呈弱酸性, 表明该沉积时期为温暖潮湿气候。随着米仓山— 大巴山造山带低幅隆升, 川东北坳陷稳定低幅沉降, 须二段下部Mn、Cr含量较高, 湖水同样呈弱酸性, 表明该时期为温暖潮湿气候。须二段中上部Mn含量小于1000 μ g/g, Cr含量也减小, 湖水呈弱碱性, 属较干冷气候的特征。须三段Cr元素含量增高至400 μ g/g, Mn含量也增大至2000 μ g/g左右, 表明须三段沉积时期古气候已变得潮湿温暖。安县运动发生后, 米仓山— 大巴山造山带强烈逆冲推覆并大幅度隆升, 川东北拗陷急剧大幅度沉降。须四段垂向上Mn、Cr含量偏低, 湖水呈弱碱性, 属较干冷气候的特征, 其中只在须四段中部泥岩较发育层段Mn含量有所升高, 表明可能存在短暂的温暖潮湿气候环境。须五段至须六段, Mn含量介于500~5000 μ g/g之间, Cr含量大多介于100~254 μ g/g之间, 湖水呈弱酸性, 表明该沉积时期为温暖潮湿气候特征。

3.1.2 古水深特征

微量元素Sr主要从海水中直接沉淀而来, Ba则极易被黏土及细碎屑沉积物以吸附的形式富集。在水动力条件变化较大的地带, 大量的Sr离子以生物堆积作用为主的方式沉淀, 形成较高的Sr/Ba值。随着沉积盆地水体不断加深, 黏土及细碎屑物质含量增加, 对Ba离子的吸附能力增强, 沉积物中Sr/Ba值降低(陶树等, 2009)。如图2所示, 川东北大巴山前的樊哙镇小塘子组Sr/Ba值介于0.068602~0.085149之间, 须二段中部Sr/Ba值增大到0.324675, 须三段Sr/Ba值最高可达0.292398, 表明随着米仓山— 大巴山造山带低幅隆升, 小塘子组至须三段随着泥岩的减少、砂岩的增多, 具有明显的水体变浅特征。之后发生的安县运动使米仓山— 大巴山造山带强烈逆冲推覆并大幅度隆升, 须四段底部至中部Sr/Ba值具明显降低趋势, 最低达0.034436。由于须四段沉积早期造山带强烈推覆, 致使川东北坳陷急剧大幅度沉降, 须四段中部Sr/Ba值转而降低, 表明须四段沉积中晚期水体变深。须五段上部至须六段, Sr/Ba值大多介于0.088272~0.257403之间, 表明须家河组沉积晚期水体较浅。

3.2.1 古气候特征

主、微量元素含量分析(图 3)显示, 川西北龙门山前在印支晚幕运动早期的小塘子组沉积时期, K/Ti值介于3.058~8.037之间, 与大巴山前古气候特征相近, 均为温暖潮湿气候。在须家河组二段沉积早期, 龙门山地区逆冲推覆构造已开始形成, 但构造幅度较低且逆冲席尚未暴露水面(陈竹新等, 2005), 此时期K/Ti值较高, 最高可达19.895, 表明须二段沉积早期仍处于温暖潮湿气候。在须二段中部砂泥岩沉积的过渡阶段, K/Ti值降低至0.799, 表明该时期属于较干冷气候。须二段上部K/Ti值又升高, 最高可达12.499, 属于温暖潮湿气候的特征。须三段上部K/Ti值变化较小, 一般为5.0左右, 表明须三段沉积时期仍是温暖潮湿气候。在安县运动发生后龙门山北段强烈隆升, 反映古气候特征的K/Ti值在须四段介于4.661~7.549之间, 表明该沉积时期仍为温暖潮湿气候。

3.2.2 古水深特征

由上三叠统Sr/Ba值曲线(图 3)可知, 小塘子组Sr/Ba值介于0.084~0.968之间, 但数据点左右摆动的幅度较大, 说明沉积水体深浅变化频繁, 较符合陆棚— 潮坪沉积环境。而须二段下部Sr/Ba值大多为0.4左右, 表明小塘子组至须二段下部随着泥岩含量的减少、砂岩含量的增多, 具有明显的水体变浅特征。须二段中部, 由于“ 腰带子” 泥岩的出现, 泥岩段底部Sr/Ba值降低至0.1左右, 表明沉积水体复变深。此后, Sr/Ba值随着须二段上部砂岩的增多而增大, 水体变浅。同样, 至须三段底部, 泥岩的Sr/Ba值又降低至0.1左右, 表明须三段沉积水体较须二段有所加深。整体上, 须三段— 须四段Sr/Ba值具有明显的向上增大的特征, 表明在安县运动发生后龙门山北段强烈隆升的背景下, 须四段沉积时期水体较浅。

3.2.3 古盐度特征

Sr/Ca值常用来推测古盐度。淡水的Sr/Ca值明显低于咸水, 即Sr/Ca值高, 沉积水体的盐度越高(陶树等, 2009)。川西北小塘子组— 须二段Sr/Ca值较高, 平均值一般为0.003, 表明在安县运动发生之前, 川西北沉积环境中水体古盐度较高。须三段顶部至须四段Sr/Ca值相对降低, 平均值仅为0.0015左右, 表明随着印支晚幕安县运动的发生, 沉积水体的古盐度也降低了很多, 川西北自须四段沉积时期开始主要以陆相的淡水沉积为主。

通过对樊哙剖面岩石薄片分析(薄片位置如图2)可知, 印支晚幕运动发生后小塘子组潮间带砂坪砂体的岩性为中细粒岩屑砂岩, 石英含量较高, 达62%, 岩屑成分主要为火山岩, 含量约为21%, 其余为变质石英岩、千枚岩及少量泥岩岩屑(图 4-A); 随着米仓山— 大巴山造山带低幅隆升, 川东北坳陷稳定低幅沉降, 须二段底部辫状三角洲前缘水下分流河道砂体岩性为细粒岩屑砂岩, 石英含量增高至65%, 与小塘子组潮坪砂体相比, 泥岩岩屑含量明显增加, 含量可达3%(图 4-B), 而火山岩岩屑含量则减少到16%, 表明随着造山带的持续隆升大巴山前物源也发生了变化。须二段顶部辫状河三角洲前缘水下分流河道砂体岩性为含泥中粒岩屑砂岩, 石英含量较须二段底部降低约15%, 且火山岩岩屑含量增高至32%, 泥岩岩屑很少(图 4-C); 须三段的水下分流河道砂体岩性为细砂质中粒岩屑砂岩, 与须二段顶部砂岩相比, 石英含量略有增加, 达58%, 火山岩岩屑含量仍很高, 可达25%左右, 并且已有泥岩岩屑出现, 呈现塑性挤压状态。随着安县运动的发生, 米仓山— 大巴山造山带强烈逆冲推覆并快速隆升, 须四段底部发育近源冲积扇沉积, 冲积扇中辫状河道砂体的岩性以砂砾岩为主(图 4-D), 砾石成分以火山岩为主, 砾间火山岩岩屑等填隙物含量较高。须四段顶部发育辫状河三角洲前缘水下分流河道砂体, 岩性为含泥中粒岩屑砂岩, 石英含量为51%, 火山岩岩屑含量可达32%(图 4-E), 其余为变质岩和少量泥岩岩屑等。须六段水下分流河道砂岩以泥质粉细砂岩为主, 岩石较致密(图 4-F)。

图4

Fig.4

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	图4 川东北大巴山前樊哙剖面上三叠统储集层微观特征Fig.4 Reservoir micro-texture characteristics of the Upper Triassic of Fankuai section in front of Dabashan Mountain, northeastern Sichuan Province

储集层岩石薄片分析表明, 小塘子村剖面小塘子组潮下带潮道砂体的岩性主要为中细粒岩屑砂岩, 石英含量达55%, 岩屑成分主要为火山岩, 含量约为18%, 灰岩等沉积岩岩屑含量较高(图 5-A, 5-B), 另有少量变质石英岩、千枚岩等岩屑。须二段发育辫状三角洲前缘水下分流河道砂体, 岩性为中细粒岩屑砂岩, 石英含量较小塘子组变化不大, 为58%。与小塘子组潮道砂体相比, 须二段下部灰岩等沉积岩岩屑含量明显降低, 岩浆岩与变质岩岩屑含量增加明显, 表明龙门山地区逆冲推覆作用虽然开始形成, 但构造幅度较低, 逆冲席尚未暴露水面, 因此, 须二段物源主要来自北部秦岭, 龙门山地区不提供物源或只提供少量物源。与须二段下部相比, 须二段上部灰岩等沉积岩岩屑含量增加明显(图 5-C, 5-D)。须三段顶部发育进积型辫状河三角洲前缘水下分流河道砂体, 岩性为含泥细粒岩屑砂岩(图 5-E), 石英含量较须二段有所降低, 为51%左右, 而变质岩岩屑含量增高至16%, 泥岩等沉积岩岩屑很少。印支晚幕安县运动不仅造成龙门山北段的强烈隆升, 而且龙门山中段也发生了逆冲推覆作用, 四川前陆盆地沉积中心由西北向东南迁移, 西北方向砾岩和砂岩大面积分布(施振生等, 2010), 小塘子村剖面须四段底部冲积扇辫状河道砂体较发育, 以中粒岩屑砂岩为主, 石英含量较须三段顶部有所增加, 可达56%, 岩屑成分主要为火成岩, 含量为19%, 白云岩、灰岩等沉积岩岩屑含量增加显著(图 5-F), 含量可达6%, 相应的变质岩岩屑含量降低, 同样表明随着安县运动的发生, 龙门山前物源发生了显著变化。

图5

Fig.5

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	图5 川西北龙门山前小塘子村剖面上三叠统储集层微观特征Fig.5 Reservoir micro-texture characteristics of the Upper Triassic of Xiaotangzi section in front of Longmen Mountain, northwestern Sichuan Province