黎虹玮, 唐浩, 苏成鹏, 陈虹宇, 刘宏, 胡广, 李凌, 谭秀成. (2015)四川盆地东部涪陵地区上二叠统长兴组顶部风化壳特征及地质意义[J]. 古地理学报, 17(4): 477-492
Li Hongwei, Tang Hao, Su Chengpeng, Cheng Hongyu, Liu Hong, Hu Guang, Li Ling, Tan Xiucheng. (2015)Characteristics of weathering crust at top of the Upper Permian Changxing Formation in Fuling area, eastern Sichuan Basin and its geological significance[J]. Journal Of Palaeogeography, 17(4): 477-492. DOI:10.7605/gdlxb.2015.04.039  
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四川盆地东部涪陵地区上二叠统长兴组顶部风化壳特征及地质意义
黎虹玮1,2, 唐浩1,3, 苏成鹏1,3, 陈虹宇1,3, 刘宏2,3, 胡广2,3, 李凌2,3, 谭秀成1,2,3
1 油气藏地质及开发工程国家重点实验室,西南石油大学,四川成都 610500
2 天然气地质四川省重点实验室,西南石油大学,四川成都 610500
3 中国石油碳酸盐岩重点实验室沉积-成藏研究室,西南石油大学,四川成都 610500

通讯作者简介 谭秀成,男,1970年生,教授、博士生导师,主要从事储层沉积学研究。E-mail: tanxiucheng70@163.com。

第一作者简介 黎虹玮,女,1991年生,硕士研究生,主要从事储层沉积学研究。E-mail: lihw1023@163.com。

收稿日期:2014-12-20
基金:四川省省属高校“天然气地质”科研创新团队建设计划资助
摘要

四川盆地东部(文中简称“川东”)上二叠统长兴组近顶部非礁相地层尚未见暴露剥蚀现象的报道。文中以川东涪陵地区二龙口长兴组顶部非礁相地层剖面为例,综合宏微观特征、矿物学特征及地球化学特征等分析发现,在长兴组顶部存在厚3~7 cm、垂向分带特征清晰的风化壳,自下而上可分为4层:泥晶生屑灰岩构成的基岩、微风化层、以富硅脱钙为特征的半风化层(由下至上分为3个微层:致密的半风化层、具晕圈的铁质夹层和疏松多孔的半风化层)和以富铁为特征的全风化层(由下至上分为3个微层:橙红色富铁质层、杂色纹层状黏土层、红色富铁质表层)。风化壳中黏土矿物几乎全是伊利石,未见到强风化阶段的次生矿物如高岭石、三水铝石,氧化铁矿物富集,总体体现出中等风化的特征,对应于风化壳演化的富铁锰阶段。进一步分析发现,该风化壳之上的飞仙关组底部存在厚约80 cm的泥页岩与灰岩韵律地层,并富含珊瑚、腕足类(欧姆贝)、苔藓虫及三叶虫等原位埋藏的典型二叠系宏体生物化石,反映了研究区在二叠纪末期曾发生抬升暴露;同时研究区长兴组野外露头和钻井岩心均发育较多垂直溶沟、溶洞等岩溶组构,并为离解的碳酸盐岩砂、角砾和碳质泥等混合充填,说明川东地区长兴组非礁相地层受到了表生岩溶的改造。川东地区二叠纪末期的海退事件不仅使台地区海水变浅,甚至长时间的大面积暴露,而且使长兴组碳酸盐岩普遍受到表生岩溶改造,甚至非礁相地层也可能被改造成为岩溶型储集层。这一结果不仅对二叠纪晚期海平面升降事件研究具有借鉴意义,而且指出了台地内受到表生岩溶改造的非礁相地层也可作为勘探有利区带,因而具有重要的勘探实践意义。

关键词: 长兴组; 古风化壳; 表生岩溶; 川东地区
中图分类号:P512.1+3 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2015)04-0477-16
Characteristics of weathering crust at top of the Upper Permian Changxing Formation in Fuling area, eastern Sichuan Basin and its geological significance
Li Hongwei1,2, Tang Hao1,3, Su Chengpeng1,3, Cheng Hongyu1,3, Liu Hong2,3, Hu Guang2,3, Li Ling2,3, Tan Xiucheng1,2,3
1 State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,Sichuan
2 Sichuan Province Key Laboratory of Natural Gas Geology,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,Sichuan
3 Branch of Deposition and Accumulation, PetroChina Key Laboratory of Carbonate Reservoir, Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,Sichuan

About the corresponding author Tan Xiucheng,born in 1970,is a professor and doctoral supervisor. Now he is mainly engaged in researches on reservoir sedimentology. E-mail: tanxiucheng70@163.com.

About the first author Li Hongwei,born in 1991,is a master degree candidate. Now she is mainly engaged in researches on reservoir sedimentology. E-mail: lihw1023@163.com.

Abstract

Whether there exists exposed erosion near the top of non-reef facies strata of the Upper Permian Changxing Formation in eastern Sichuan Basin has not been reported. In this paper,we take the non-reef strata at the top of Changxing Formation at Fuling area in eastern Sichuan Basin as an example,comprehensively studying the macro- and micro-features,mineralogical and geochemical elements characteristics. The result shows that there exists a weathering crust at the top of Changxing Formation. The weathering crust is 3-7 cm thick and shows very clear vertical zonation, i.e.,from bottom to top,it is divided into four zones:the bedrock(micritic bioclastic limestone),saprolite layer,partially-weathered layer which is characterized by enrichment of Si and decalcification,completely weathering layer which are characterized by enrichment of Fe.Since almost all the clay minerals available are illites, secondary minerals such as kaolinites and gibbsites of strong weathering stages have not yet been found, and iron oxide minerals are concentrated, it reflects an overall moderate weathering stage,corresponding to the ferromanganese-rich phase of weathering crust evolution stages. Further analysis reveales the presence of abundant typical Permian macroscopic fossils buried in situ,such as corals,brachiopods( Oldhamina),bryozoans and trilobites, etc., in the 80 cm thick interbed of shale and limestone at the bottom of Feixianguan Formation which directly overlies the weathering crust,indicating that the study area uplifted and exposed during the Late Permian. At the same time,outcrops and cores in the study area exhibit plenty of karst fabrics such as solution grooves and karst caves, which are filled by mixture of porous carbonate sands,breccias,bauxitic mudstones and carbonaceous mudstones,indicating that the non-reef facies strata are modified by supergene karstification. The regressive event in the Late Permian was not only of seawater shallowing,but may lead to the long-term exposure of platform area,which modified reefs and beach reservoirs, and even the non-reef facies strata of the Changxing Formation by supergene karstification. This result is not only a reference for the study of the Late Permian eustatic events,but also points out that non-reef facies modified by supergene karstification inside platforms may also be a favorable exploration zone,thus exhibits important practical significance for exploration.

Key words: Changxing Formation; palaeo-weathering crust; supergene karst; eastern Sichuan Basin

碳酸盐岩风化壳是在表生环境活跃的大气淡水(地下水、地表水)作用下, 可溶物质(CaCO3、MgCO3)淋失、不溶残余物质堆积及演化而形成的岩石表层部分(谢向荣, 1958; 王世杰等, 1999)。受地理纬度、气候(温度、降雨量)、风化时间等影响, 碳酸盐岩风化壳在不同的演化阶段产物不同, 依次形成黏土矿物(富硅铝脱钙镁阶段)、氧化铁锰矿物(富铁锰阶段)和氢氧化铝矿物(富铝脱硅阶段)(谢向荣, 1958), 且这些矿物自基岩带向上随风化程度的加剧依次出现, 形成不同的垂向分带(王世杰等, 1999)。在碳酸盐岩的岩溶作用研究中, 碳酸盐岩古风化壳通常作为表生岩溶的识别标志之一(钱一雄等, 2007; 张宝民和刘静江, 2009), 具有重要的研究意义。

四川盆地东部地区(文中简称“ 川东地区” )环开江— 梁平海槽的台地边缘礁、滩相地层一直是重点油气勘探层位(郭彤楼, 2011; 周刚等, 2013; 赵文智等, 2014), 而台地内部由于生物礁欠发育而较少受到关注。近年来, 在国内外尤其是中国南方地体的大量二叠系— 三叠系剖面(PTB剖面)中都识别出了二叠纪末存在1次较大规模海退的证据(Ezaki et al., 2003; Lehrmann et al., 2003; Krull et al., 2004; 吴亚生等, 2006; Wu et al., 2007, 2010; Chen et al., 2009; 杜永灯等, 2009; Song et al., 2009; 李飞和吴夏, 2012; Sun et al., 2012; 王海峰等, 2012; Yin et al., 2014), 如侵蚀面、干裂缝、褐铁矿、牙形石带缺失、表生岩溶现象等, 这一结论在川东地区台缘生物礁滩优质储集层主要集中的长兴组中上部的勘探中得到了很好印证(马永生等, 2005; 郭彤楼, 2011), 而上二叠统近顶部非礁相地层是否存在大面积暴露剥蚀目前尚未见报道, 这也制约了川东地区长兴组的勘探进展。鉴于此, 文中以重庆涪陵地区的二龙口上二叠统长兴组顶部非礁相剖面为例, 综合宏观和微观特征、矿物学特征及地球化学特征等分析发现, 在长兴组顶部存在厚3~7 cm、垂向分带特征清晰的风化壳, 且风化壳之下的非礁相地层存在较多表生岩溶现象, 指示区内非礁相地层可能发生了较长时间的暴露。该研究成果为长兴组非礁相地层的油气勘探提供了新的材料。

1 地质背景

川东涪陵地区构造位置处于现今川东南高陡褶断带(图 1-A), 二叠系— 三叠系在区内广泛发育。长兴期研究区处于扬子碳酸盐岩台地内部(图 1-B)(何幼斌和罗进雄, 2010), 总体为开阔台地环境, 但台内沉积水体相对较深, 岩性以泥晶灰岩、含泥灰岩、燧石结核灰岩为主, 为滩间海沉积, 此外在高水位体系域还发育规模较小的台内滩、台内点礁或点礁群, 能量较低, 多为泥晶基质充填(郭川等, 2011)。上覆的下三叠统飞仙关组底部为泥页岩与薄层泥灰岩、泥晶灰岩互层, 为潟湖沉积; 向上变为泥质泥晶灰岩和泥晶灰岩, 为开阔潮下沉积(郭彤楼, 2011)。

图1 四川盆地现今构造分区(A)及晚二叠世— 早三叠世岩相古地理格局(B) (B图据何幼斌和罗进雄, 2010; 刘丽静等, 2014; 有改动)Fig.1 Current tectonic subdivision(A)and lithofacies palaeogeographic pattern during the Late Permian and Early Triassic(B) in Sichuan Basin(Figure B modified from He and Luo, 2010; Liu et al., 2014)

本次优选出二叠系— 三叠系出露完整的2条剖面(二龙口剖面和角帮沟剖面)(图 1; 图2; 图3)进行研究, 这2条剖面可追踪对比, 并可按岩石学特征分为长兴组和飞仙关组。长兴组具有极好的成层性(图 2), 横向分布稳定, 不具有由高能环境生物礁、滩组成的正地貌特征, 主要发育灰黑色中层泥晶生屑灰岩, 为开阔台地相潮下亚相的低能生屑滩沉积。飞仙关组为土黄色、灰绿色、灰黑色极薄层黏土岩、泥页岩与褐灰色、深灰色薄层泥灰岩、泥晶灰岩不等厚互层(图2), 为混积潟湖沉积。其中二龙口剖面的长兴组顶部发育厚3~7 cm的、分带清晰的风化壳(图3, 第6层; 图4)。风化壳之上的飞仙关组不等厚互层的下部约80 cm的地层化石极其丰富, 主要为二叠纪的典型生物化石, 如珊瑚、海绵、腕足类(长身贝目欧姆贝属、石燕目)、双壳类、窗格苔藓虫、棘皮类、三叶虫、 及非 有孔虫等化石(图 5)。这些化石多产于极薄层灰质泥页岩中, 多为宏体且个体完整, 保存良好, 均为原位埋藏。自这套富集生物的地层向上, 生物门类及丰度骤减, 至第14层之上的地层几乎不产宏体化石。鉴于该剖面的牙形刺和宏体生物化石正在处理和鉴定, 本次工作暂把二叠系— 三叠系的年代地层界线定于宏体古生物面貌差异极大的第14层和第15层之间(图 3)。故本次新发现的风化壳实际位于二叠系长兴阶上部, 反映了长兴晚期发生过一次暴露。

图2 四川盆地东部涪陵地区角帮沟剖面全景图Fig.2 Panorama of Jiaobanggou section at Fuling area in eastern Sichuan Basin

图3 四川盆地东部涪陵地区二龙口剖面实测地层特征Fig.3 Stratigraphic characteristics of Erlongkou section at Fuling area in eastern Sichuan Basin

图4 四川盆地东部涪陵地区二龙口剖面风化壳宏观特征Fig.4 Macroscopic characteristics of weathering crust of Erlongkou section at Fuling area in eastern Sichuan Basin

图5 四川盆地东部涪陵地区二龙口剖面风化壳之上原位埋藏的二叠纪典型生物化石Fig.5 Typical Permian fossils buried in situ upon weathering crust of Erlongkou section at Fuling area in eastern Sichuan Basin

2 样品与方法

对二龙口剖面的风化壳进行了采样, 共采集5块宏体岩石手标本。样品均为剖面挖入30 cm处的新鲜露头样品, 样品采集后用蒸馏水进行了反复清洗, 确保无污染。此后进行了系统的岩石学和地球化学分析, 包括薄片鉴定(2张普通薄片, 2张大薄片)、全岩和黏土矿物分析(7件粉末样品, 30 g/件)、电子探针分析、化学元素分析(5件粉末样品, 10 g/件)。

其中, 全岩和黏土矿物分析由西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室完成, 采用X' Pert PRO X射线衍射仪, 在温度25~30 ℃、湿度不大于70%的条件下, 依据SY/T 5163-1995标准对风化壳矿物学特征进行研究。电子探针分析由杭州地质研究院完成, 分析仪器为JCXA-733超级电子探针仪, 测试条件为束电压15 kV、电流20 A, 元素定量检测范围为5× 10-4~10× 10-4。化学元素分析由成都理工大学完成, 采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES、美国PE 5300V)对风化壳的常量、微量元素进行检测, 此外还采用化学分析法进行了铁元素检测。

3 风化壳特征

二龙口剖面风化壳的厚度不均匀, 侧向变化快, 厚为3~7 cm, 分带特征异常清晰, 可以分出4个层:基岩(泥晶生屑灰岩)、微风化层、半风化层(致密的半风化层、具晕圈的铁夹层、疏松的半风化层)和全风化层(橙红色富铁质层、杂色纹层状黏土层、红色富铁质表层), 分别对应图4-E中的a、b、c-e、f-g层。

3.1 风化壳的垂向分带

1)基岩:灰黑色泥晶生屑灰岩(图 4-E中a)。

基岩为泥晶生屑灰岩, 生屑主要有腕足类、海百合茎、腹足类、海绵、 等, 镜下见生屑杂乱堆积, 无定向(图 6); 距风化壳底3~5 cm之下, 发育明显的水平岩溶组构(图 4-C, 4-D, 4-E; 图6-C), 推测其为水平状的层状岩溶系统受到近同期的、近原地的离散生屑和灰泥混和充填所致, 并具明显的流动特征。基岩中偶见不规则黑色铁矿零星分布。X射线衍射和常见元素检测结果显示, 基岩成分主要为方解石(表 1, 表2)。

图6 四川盆地东部涪陵地区二龙口剖面灰黑色泥晶生屑灰岩微观特征Fig.6 Microscopic characteristics of gray black micrite bioclast limestone from Erlongkou section at Fuling area in eastern Sichuan Basin

表1 四川盆地东部涪陵地区二龙口剖面风化壳和基岩的X射线全岩、黏土矿物定量分析 Table1 X-ray quantitative analysis of whole rock and clay minerals of weathering crust and bedrocks from Erlongkou section at Fuling area in eastern Sichuan Basin
表2 四川盆地东部涪陵地区二龙口剖面风化壳和基岩的常量元素含量 Table2 Content of main chemical elements of weathering crust and bedrocks from Erlongkou section at Fuling area in eastern Sichuan Basin

2)灰白色微风化层(图 4-E中b)。

微风化层为基岩之上厚度变化较大的过渡层, 与基岩呈渐变接触, 颜色较浅(图7-A), 其他特征与基岩大致相同。镜下(图 7-B)显示, 微风化层与基岩一样, 生屑原始轮廓得到了较好保存, 几乎不发育孔隙。X射线衍射显示, 微风化层中石英与方解石含量相当(表 1), 表明基质方解石优先溶蚀迁移, 基岩残余或开放性流体携带的硅质富集。

图7 四川盆地东部涪陵地区二龙口剖面微风化层宏、微观特征Fig.7 Macroscopic and microscopic characteristics of saprolite layer from Erlongkou section at Fuling area in eastern Sichuan Basin

3)半风化层(图4-E中 c、d、e)。

半风化层总体为白色, 受铁质轻微浸染呈浅黄色。厚度侧向变化大, 平均1 cm厚, 上界面轻微起伏, 下界面强烈起伏, 高差可达3 cm, 反映出基岩的差异性淋滤; 并具有疏松、多孔的特点。该带见1个生物壳体, 其穿过基岩、微风化层、半风化层, 轮廓整体较清晰, 并在半风化层中局部因淋滤而显得模糊(图 8-A)。此外, 还在层内多处见有较完整的生物介壳和灰黑色的、小于5 mm的基岩团块残余, 表明风化壳是原地淋滤成因。向下加厚的半风化层的凹坑中常有铁质夹层出现, 厚0.3~0.4 mm, 侧向连续性极差, 一般延伸2~5 cm; 具有晕圈结构, 中心为红褐色、砖红色, 向外颜色逐渐变浅为橙色(图 4-C, 4-D; 图8-B)。受上方铁质影响, 凹坑中铁夹层下方的半风化层常变得致密, 有时被铁质浸染为橙黄色(图 8-B)。

图8 四川盆地东部涪陵地区二龙口剖面半风化层宏、微观特征Fig.8 Macroscopic and microscopic characteristics of partly weathering layer of Erlongkou section at Fuling area in eastern Sichuan Basin

镜下见疏松的半风化层主要为不等大的隐晶— 微晶硅质颗粒杂乱分布(图 8-E)。铁夹层中铁矿团块密集, 铁质浸染四周, 较多微晶硅质团块和少量黏土矿物与铁矿团块混杂分布(图 8-D)。致密的半风化层接近基岩, 有较多方解石残余斑块(图8-C), 有的斑块见模糊的生屑外形, 见红褐色铁质浸染。X射线衍射与常见化学元素分析结果显示, 半风化层主要矿物为石英, 方解石含量小于30%, 铁夹层中的铁质主要为三价铁矿物(表 2)。

因此, 半风化层由下向上又可细分为3个小层:c.致密的半风化层; d.具晕圈的铁质夹层; e.疏松的半风化层(图 8-B)。

4)全风化层(图 4-E中 f、g、h)。

全风化层位于本次发现的风化壳的上部, 厚1~1.5 cm, 总体较致密, 起伏较弱。根据宏观上的颜色差异, 由下至上可细分为:f.橙红色富铁质层(图 4-E中f); g.杂色纹层状黏土层(图 4-E中g); h.红色富铁质表层(图 4-E中h)。f层厚度为0.2~0.3 mm, 侧向连续性不好, 只是局部发育(图 9-A中f); g层呈绿灰色、黄灰色, 厚度较稳定, 侧向连续性较好, 平均厚4~6 mm(图 9-A中g), 整体具有模糊的细纹层; h层平均厚2~3 mm, 表面凹凸不平, 由砖红色、橙色、浅黄色交错成斑杂状(图 9-A中h, 图9-B)。

图9 四川盆地东部涪陵地区二龙口剖面全风化层宏、微观特征Fig.9 Macroscopic and microscopic characteristics of completely weathering layer of Erlongkou section at Fuling area in eastern Sichuan Basin

镜下观察表明, 全风化层主要以黏土矿物为基质, 正交光下见铁质浸染黏土矿物, 铁质与黏土矿物近似互层分布, 纹层呈轻微波状起伏(图 9-C, 9-E, 9-F)。较多原始结构模糊的生屑仅保留铸模孔(图 9-D, 9-E), 有的生屑颗粒见石英交代方解石, 其中方解石菱形解理清晰可见(图 9-E), 被交代后颗粒为一级灰干涉色, 具波状消光(图 9-F)。通过镜下一级黄干涉色的黏土矿物(图 9-C, 9-D, 9-F)的电子探针能谱分析发现(图 10-A, 暗色区域, 检测点EDS 3), 其具有明显的钾元素峰(图 10-C), 明显有别于几乎不含钾的蒙脱石、绿泥石、高岭石等黏土矿物, 而与富钾的伊利石相符, 这一结果与表1的X射线衍射分析一致。对镜下黑色和红褐色物质(图 9-C, 9-D, 9-F)进行电子探针分析(图 10-A, 亮色区域, 检测点EDS 1)显示, 其具有明显的Fe、O元素峰(图 10-B), 结合其他分析结果(表 2), 确定该矿物为三价铁矿物。综合分析认为, 全风化层主要矿物为伊利石、石英和三价铁矿物(表 1; 表2; 图10), 而方解石含量小于10%。

图10 四川盆地东部涪陵地区二龙口剖面样品电子探针BSEI-背散射电子图像及能谱谱图Fig.10 Back scattered electron image (BSEI) and spectral spectrum images of samples from Erlongkou section at Fuling area in eastern Sichuan Basin

研究结果表明, f层主要为黏土矿物, 而h层和f层三价铁矿大量富集, 并浸染黏土和硅质生屑。因此, 全风化层3个小层由下向上分别为:h.红色富铁质表层; f.杂色纹层状黏土层; g.橙红色富铁质层(图 9-A)。

3.2 风化壳垂向变化特征

通过上述分析结果可以发现, 微风化层和半风化层主要体现为原生方解石的溶蚀残余和隐晶— 微晶硅质颗粒的堆积, 向上全风化层以黏土矿物(伊利石)为基质, 中部g层内铁质与黏土矿物交织成轻微波状纹层状, 硅质主要在生屑颗粒中(交代方解石或充填铸模孔), 铁质(团块和浸染条带)分别在f、h层富集。图11为结合表1、表2数据绘制的风化壳垂向变化特征示意图, 其垂向变化规律为:原生方解石含量向上不断减小, 石英含量向上先增加(半风化层)再减小(全风化层), 黏土矿物含量向上逐渐增加, 三价铁矿在不同层位富集。特别值得注意的是, 在全风化层的顶部富铁质层(h), 出现了方解石含量的轻微增加和硅质含量的降低(表 1, 表2), 反映了顶部富铁质层是地表条件下频繁干湿交替的产物:湿热条件下, 可溶物质不断淋出, 三价铁矿物不易迁移或相对短距离迁移而形成黄色的针铁矿; 而在干热条件下, 表面的铁的氢氧化物脱水而形成红色的赤铁矿, Ca也沉淀并相对下部黏土层富集, 由于反应不均一便形成了表层的红黄色斑杂分布的特征(图 9-B)。这些特征与徐则明等(2005)和Wei等(2014)研究的碳酸盐岩风化壳特征一致, 因此, 有理由认为二龙口剖面长兴组顶部存在风化壳。

图11 四川盆地东部涪陵地区二龙口剖面风化壳垂向变化特征示意图Fig.11 Schematic showing vertical variation characteristics of weathering crust of Erlongkou section at Fuling area in eastern Sichuan Basin

碳酸盐岩风化是在活跃的大气淡水作用下原岩矿物(主要是方解石)的破坏分解和次生矿物形成及演化的过程, 并明显地表现为黏土矿物(富硅铝脱钙镁阶段)、氧化铁锰矿物(富铁锰阶段)和氢氧化铝矿物(富铝脱硅阶段)的形成和演化阶段(谢向荣, 1958)。本次发现的风化壳厚度较小(3~7 cm), 黏土矿物几乎全是伊利石, 强风化阶段的次生矿物如高岭石、三水铝石还未形成, 氧化铁矿物富集, 总体体现出中等风化的特征, 对应于风化壳演化的富铁锰阶段。其形成于大气淡水作用下导致的方解石快速淋失和结构破坏, 依次形成了微风化层和疏松多孔的半风化层, 携带Al、Si、K、Fe等元素的地下水与半风化层上部残余的SiO2结合形成了伊利石层, 之后进一步风化, 基岩中原有的铁和黏土矿物溶蚀释放出晶格中类质同象的铁形成铁的氧化物和氢氧化物, 与伊利石交织成纹层状(Wei et al., 2014), 并在f、h层分别富集成铁质团块。

4 讨论

本次重庆涪陵地区二龙口剖面新发现的风化壳分带明显, 具有典型的风化作用特征, 是表生环境中在大气淡水作用下形成的古暴露面, 是海退最直观、最有力的证据, 其明确指示了涪陵地区曾发生过海退, 长兴组上部碳酸盐岩地层可能经历了较长时间的暴露, 这一结果不仅对二叠晚期海平面升降事件研究具有借鉴意义, 而且也指示了该区地层受到了表生期岩溶的改造。

4.1 对海平面升降事件的启示

二叠纪末的海退事件现已得到较多研究成果的支持(Ezaki et al., 2003; Lehrmann et al., 2003; Krull et al., 2004; 吴亚生等, 2006; Wu et al., 2007, 2010; Chen et al., 2009; 杜永灯等, 2009; Song et al., 2009; 李飞和吴夏, 2012; Sun et al., 2012; 王海峰等, 2012; Yin et al., 2014), 且海退不是发生在二叠系— 三叠系界线上, 而是位于长兴阶顶部地层内(Hallam and Wignall, 1999; Enzo et al., 2007; 杜永灯等, 2009; Yin et al., 2014), 二叠纪末期实为海退转换为海侵的初始海泛阶段(Yin et al., 2014)。本次发现的长兴组顶部的风化壳与前人研究成果一致, 即风化壳之上的80 cm厚的泥页岩与灰岩薄互层中识别出较多典型二叠纪生物化石, 如海绵、腕足类(长身贝目欧姆贝属、石燕目)、窗格苔藓虫、棘皮类、三叶虫、 及非 有孔虫等(图 3; 图5), 风化壳指示了长兴阶内部的1次海退, 二叠系— 三叠系界线为连续的海侵, 同时也表明PTB生物灭绝事件出现于长兴末期的初始海侵阶段。

此外, 侵蚀面、干裂缝、褐铁矿、牙形石带缺失、表生岩溶现象等典型的海退证据(吴亚生等, 2006; Wu et al., 2007, 2010; 杜永灯等, 2009; 李飞和吴夏, 2012; 王海峰等, 2012; Yin et al., 2014), 说明这次海退绝不仅仅是台地区海水变浅, 而是区域性海平面下降事件导致的上扬子台地大面积暴露, 并接受大气淡水的长时间改造, 因此, 预示了风化壳岩溶叠合改造是四川盆地重要的勘探层系— — 长兴组礁滩储集层的主控因素之一。

4.2 表生岩溶及对长兴组储集层形成的影响

针对川东地区长兴组礁滩储集层的成因, 一些学者认为台缘带由于古地形较高, 对海平面升降响应明显, 尤其是海平面下降时容易接近和短暂出露水面, 发生同生期和准同生期溶蚀作用和白云化作用, 为后期成岩改造奠定了基础, 故在礁、滩旋回的顶部常形成优质储集层(郑博等, 2011; 邹才能等, 2011; 赵文智等, 2014)。而非礁相中风化壳的发现指示了长兴晚期的区域性海平面下降事件, 不仅使长兴组近顶部礁、滩体广泛受到表生岩溶作用的叠合改造(图 12), 形成了垂直溶沟(图 12-A)、大型顺层溶洞(图 12-A)、非组构选择性溶洞(图 12-B, 12-C)、豹斑状岩溶系统(图 12-D)、囊状溶洞(图 12-E)等组构, 岩溶系统中的角砾(图 12-B, 12-F)、疏松碳酸盐岩砂(图 12-B)和异源的铝土质泥(图 12-F)、碳质泥(图 12-G)等也是表生暴露的最有力证据, 说明风化壳岩溶叠合改造是礁滩优质储集层的主控因素之一。

图12 四川盆地东部地区礁、滩相表生岩溶特征Fig.12 Supergene karst characteristics of reef facies and bank facies in eastern Sichuan Basin

涪陵地区二龙口剖面和角帮沟剖面长兴组皆为成层性好、横向分布稳定的非礁相剖面(图 2; 图3), 岩性主要为泥晶生屑灰岩, 为开阔潮下环境的低能生屑滩。露头观察表明其与礁、滩相一样, 发育不同类型的岩溶组构, 岩溶系统中充填物为离散的碳酸盐岩砂、角砾(图 13-A, 13-B, 13-C, 13-D)。此外, 在川东台地内的非生物礁井(板7井, 板东11井, 张21井等)中, 如低能环境的泥晶生屑灰岩、生屑泥晶灰岩、泥晶灰岩等中, 也同样显示了较多岩溶组构(图 13-E, 13-F, 13-G, 13-H), 表明非礁相也可以形成储集层。邻近研究区的蜀南地区长兴组台内非礁相地层钻探中有大量钻具放空现象, 长兴组二段上部地层的缺失, 岩心上溶沟、溶缝、溶洞及岩溶角砾广泛发育, 且蜀南地区长兴组已有较多工业气井(罗冰等, 2010), 表明受表生岩溶改造的台内非礁相区应具有较大的油气勘探潜力。

图13 四川盆地东部地区长兴组台地内非礁相地层表生岩溶特征Fig.13 Supergene karst characteristics of non-reef facies of the Changxing Formation in carbonate platform of eastern Sichuan Basin

涪陵地区长兴组顶部风化壳的存在及野外露头、岩心资料中表生岩溶组构的大量发育, 加上蜀南地区长兴组非礁相岩溶储集层勘探的显著效果, 表明长兴晚期上扬子台地发生了区域性海平面下降, 长兴组礁、滩储集层叠加风化壳岩溶的改造, 当基质岩性为非礁相沉积时, 可能发育风化壳岩溶型储集层。因此, 在四川盆地长兴组的油气勘探中, 按传统认识基于沉积模式寻找礁滩相储集层的同时, 在远离台地边缘的生物礁发育欠佳的盆地内部, 寻找受表生岩溶改造的非礁相储集层可能会为台地内油气勘探提供新的思路。

5 结论

1)综合宏微观特征、矿物学特征、化学元素特征等研究结果发现, 川东涪陵地区长兴组顶部(非礁相低能生屑滩)存在古风化壳, 是海退事件的有力证据, 指示区内长兴组碳酸盐岩地层存在较长时间的暴露。

2)风化壳之上80 cm厚的泥页岩与灰岩薄互层中识别出较多典型二叠纪生物化石, 指示了海退发生于长兴阶内部, 二叠系— 三叠系末为海退转换为海侵的初始海泛阶段, 同时也表明PTB生物灭绝事件出现于长兴末期的初始海侵阶段。

3)碳酸盐岩古风化壳的存在和川东野外露头及岩心资料显示了礁相和非礁相地层均有大量表生岩溶现象, 且蜀南地区非礁相岩溶储集层已取得显著生产效果, 表明二叠纪末期的海退事件不仅使台地区海水变浅并可能导致台地区较长时间的大面积暴露, 而且使长兴组碳酸盐岩储集层普遍受到岩溶改造, 甚至非礁相地层可改造成为岩溶型储集层。因此, 在生物礁欠发育的台地内寻找受表生岩溶改造的非礁相储集层可能会为油气勘探提供新的思路。

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