和源, 文龙, 罗冰, 周刚, 王启宇, 李堃宇, 贾敏, 陈友莲, 白晓亮. (2021). 四川盆地开江地区WT1井震旦系陡山沱组物源分析及构造背景判断* [J]. 古地理学报, 23(4): 683-702.
He Yuan, Wen Long, Luo Bing, Zhou Gang, Wang Qi-Yu, Li Kun-Yu, Jia Min, Chen You-Lian, Bai Xiao-Liang. (2021). Source and tectonic background analysis of the Sinian Doushangtuo Formation in Well WT1 in Kaijiang area,Sichuan Basin[J]. Journal Of Palaeogeography, 23(4): 683-702.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2021.04.045
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四川盆地开江地区WT1井震旦系陡山沱组物源分析及构造背景判断*
和源1, 文龙1, 罗冰1, 周刚1, 王启宇2, 李堃宇1, 贾敏1, 陈友莲1, 白晓亮1
1 中国石油西南油气田分公司勘探开发研究院,四川成都 610041
2 中国地质调查局成都地质调查中心,四川成都 610081
通讯作者简介 罗冰,男,1982年生,博士,高级工程师,主要从事沉积储集层方面的石油地质研究工作。E-mail: lb2001@petrochina.com.cn。

第一作者简介 和源,男,1991年生,硕士,主要从事石油地质综合研究工作。E-mail: heyuan2017@petrochina.com.cn。

收稿日期:2020-08-10 改回日期:2021-01-14
基金资助:*国家科技重大专项课题(编号: 2016ZX05004-005)与中国石油西南油气田分公司科技项目(编号: 20200301-06)联合资助
摘要

为厘清四川盆地开江地区WT1井震旦系陡山沱组地层发育的构造背景,重塑其原型沉积盆地,为重建古地理及油气进一步勘探部署工作提供科学依据,利用岩石学、岩石地球化学及碎屑锆石U-Pb年代学手段对该井陡山沱组物源进行了分析。岩石地化结果表明WT1井陡山沱组沉积物源岩为中基性火山岩类且经历了中等程度化学风化作用;碎屑锆石U-Pb年龄主要记录了915~850Ma、794~714.5Ma以及622~700Ma 3个阶段的构造岩浆活动,与扬子克拉通北缘及邻区Rodinia超大陆的裂解演化过程有关,该构造活动背景下的中基性火山岩是WT1井陡山沱组沉积的主要物质来源。结果表明四川盆地开江地区的陡山沱组发育于拉张伸展构造背景,属克拉通内裂陷盆地沉积,有利于烃源岩层的发育;同时为Rodinia超大陆的裂解演化过程提供了重要的年代学演化证据。该成果对深入认识四川盆地的地质结构、沉积-构造演化以及油气勘探的战略部署等具有极为重要的科学意义。

关键词: 碎屑锆石U-Pb年代学; 物源分析; 构造背景; 陡山沱组; WT1井; 开江地区; 四川盆地
中图分类号:P595 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2021)04-0683-20
Source and tectonic background analysis of the Sinian Doushangtuo Formation in Well WT1 in Kaijiang area,Sichuan Basin
He Yuan1, Wen Long1, Luo Bing1, Zhou Gang1, Wang Qi-Yu2, Li Kun-Yu1, Jia Min1, Chen You-Lian1, Bai Xiao-Liang1
1 Exploration and Development Research Institute,PetroChina Southwest Oil & Gas Field Company,Chengdu 610041,China
2 Chengdu Center of China Geological Survey,Chengdu 610081,China
About the corresponding author Luo Bing,born in 1982,doctor,senior engineer,is mainly engaged in petroleum geology research of sedimentary reservoirs. E-mail: lb2001@petroChina.com.cn.

About the first author He Yuan,born in 1991,master,is mainly engaged in the comprehensive research of petroleum geology. E-mail: heyuan2017@petrochina.com.cn.

Fund:Co-funded by the National Science and Technology Major Project of China(No. 2016ZX05004-005)and the Science and Technology Project of PetroChina Southwest Oil & Gas Field Company(No. 20200301-06)
Abstract

The clarification of the geologic tectonic background of the Doushantuo Formation in Well WT1 in Kaijiang area,Sichuan Basin,and reconstruction of its archetypal sedimentary basin,will provide scientific basis for the palaeogeography reconstruction and the further exploration and development of oil and gas. Petrology,petrogeochemistry and U-Pb geochronology of detrital zircons were used to analyze the provenance of Doushantuo Formation. The petrogeochemical results show the source rocks of Doushantuo Formation in Well WT1 are intermediate-basic volcanic rocks and have undergone moderate chemical weathering. The detrital zircon U-Pb ages mainly record three stages of tectonic magmatic activity,including 915-850Ma,794-714.5Ma and 622-700Ma,which are mainly related to the disintegration and evolution of the Rodinia supercontinent in the northern margin of Yangtze Craton and its adjacent area. The intermediate-basic volcanic rocks in this tectonic background are the main source of the Doushantuo Formation deposition in Well WT1. The results show that the Doushantuo Formation in Kaijiang area of Sichuan Basin is developed in the extensional tectonic setting and belongs to the craton inner rifting basin deposits,which is favorable for the development of hydrocarbon source rocks. At the same time,this work provides important chronologic evidence for the break up evolution of the Rodinia supercontinent. This study is of great scientific significance in understanding of the geological structure,tectono-sedimentary evolution and the strategic development of oil and gas exploration in the Sichuan Basin.

Key words: detrital zircon U-Pb geochronology; provenance analysis; tectonic setting; Doushangtuo Formation; Well WT1; Kaijiang area; Sichuan Basin

开放科学(资源服务)标识码(OSID)

1 概况

2018年, 在四川盆地东北部开江地区完成了1口风险探井WT1井(图 1), 目的是探索达州— 开江古隆起及其周缘震旦系— 下古生界储集层发育及其含油气性。该井设计目的层位为陡山沱组, 预计井深7570m, 最终钻至井深8060m。钻井岩心岩石地层序列及组合、地震— 测井、露头剖面地层对比、碎屑锆石U-Pb年代学以及化学地层等多方面证据表明, WT1井7590m为震旦系灯影组底界, 界线之下的7590~8060m段地层归属于震旦系陡山沱组。这也是四川盆地内部首口钻至震旦系陡山沱组的深井。近年来由于陡山沱组中页岩气取得重大勘探突破, 掀起了四川盆地及周缘有关陡山沱组发育的构造格架重建、古地理恢复及其油气地质条件研究热潮(李智武等, 2019; 周晓峰等, 2020), 但其研究的对象始终局限在盆地边缘, 缺乏来自盆地内部的资料。WT1井的完成以及陡山沱组归属的确定, 为四川盆地内部及盆缘震旦系的对比研究提供了极为珍贵的素材, 是盆地内部新元古界研究不可多得的地质实体。

图 1 四川盆地东北部开江地区及邻区地质简图(据牟传龙等, 2008; 陈超等, 2018; 有修改)Fig.1 Geological sketch map in Kaijiang area of northeastern Sichuan Basin(modified from Mou et al., 2008; Chen et al., 2018)

从“ 构造控盆、盆地控相、相控油气基本地质条件” 的观点出发(牟传龙和许效松, 2010), WT1井首先要进行的研究应是厘清WT1井陡山沱组物质来源及其发育的构造背景, 为重塑其原型沉积盆地类型提供约束, 进而重建其古地理格局, 为全盆地特别是川东北地区陡山沱组古地理的空间展布研究提供依据。这也是探讨潜在深层油气层系基本地质条件的基础和必要前提。已有的研究表明, 四川盆地及邻区陡山沱组沉积时期为拉张伸展构造背景, 其在基底格局控制下形成了隆坳相间的格局。但此类隆坳相间沉积格局的具体分布还存在一定的争议, 特别是盆地内部是否发育南华系裂谷的问题一直悬而未决(谷志东等, 2016; 杨跃明等, 2016; 赵文智等, 2017; 李智武等, 2019), 这也直接制约着对川东北地区陡山沱组沉积时期构造背景及原型沉积盆地类型的认识。杨跃明等(2016)和谷志东等(2016)等认为川东北地区发育震旦系灯影组沉积时期的古隆起; 而赵文智, 等（2017）则认为可能发育裂陷槽, 且范围较大。李智武等(2019)则认为川东北地区存在隆坳相间的格局, 但裂陷发育的范围主要在川北地区, 而WT1井所处地区则为古隆起。当前, 构造背景研究是深入对比盆地内部与盆缘沉积-构造演化、盆内外深层油气基本地质条件差异的关键, 制约着下一步油气勘探工作, 特别是深层油气勘探工作的科学部署。

盆地内部开江地区WT1井陡山沱组充填序列, 可能记录着新元古代以及之前时期四川盆地演化历程中盆缘陡山沱组所不具有的其他丰富信息。通过详细物源分析及构造背景研究, 不仅可以为重塑四川盆地开江地区陡山沱组沉积时期的原型沉积盆地类型提供依据, 而且还可以为整个四川盆地构造演化历史恢复或构造格架的建立提供依据(牟传龙等, 1990), 进而精准恢复全盆的岩相古地理。这对整个四川盆地的地质结构认识与重建、沉积-构造演化分析以及新的天然气勘探领域拓展具有极为重要的科学研究和勘探实践意义。

2 地质背景和样品采集

WT1井位于四川省开江地区, 构造位置位于川北低陡褶皱带— 川东高陡褶皱带的过渡部位, 盆地外围有勉略— 城口断裂分隔盆地与米仓山、大巴山构造; 向北以宁陕— 湘河左行走滑剪切进入南秦岭造山带腹地, 以商丹缝合带与北秦岭造山带分隔。现有研究成果表明, 陡山沱期原型四川盆地主要发育于克拉通背景。其北部、西北部为被动大陆边缘盆地, 周缘是原特提斯洋体系, 西部为川西— 滇中裂谷盆地, 南部为滇黔桂陆缘海盆地, 东南部— 东北部宜昌— 石门一线发育克拉通内裂陷盆地(图 1-a)。WT1井所处盆地内部出露侏罗系— 白垩系碎屑岩, 向北盆地边缘出露前寒武系碎屑岩— 变质岩、寒武系— 志留系碳酸盐岩、二叠系— 三叠系碎屑岩、碳酸盐岩。南秦岭地区广泛出露前寒武系变质杂岩体、岩浆岩及泥盆系。

前寒武系的岩浆岩主要出露酸性侵入岩及中基性侵入岩脉, 其次为火山岩层(图 1-b)。黄陵地区的黄陵杂岩体、米仓山地区的米仓山杂岩体、十堰地区的武当群及耀岭河群、大洪山地区的大洪山群等都可以作为扬子克拉通的基底物质。整体上, WT1井所处区域地质构造相对复杂, 地层出露齐全, 岩浆岩出露丰富, 沉积-构造演化研究及油气勘探成果丰硕(马永生等, 2007; 牟传龙等, 2008; 牟传龙和许效松, 2010; 郭旭升等, 2020)。

本次研究共采集149个钻井岩屑样品, 用于岩石地球化学分析与测试。无论是在磨制薄片还是在进行地球化学分析之前, 均利用特殊试剂进行清洗, 并进行严格挑选, 避免样品受到钻井液的影响或受到挑选的影响。薄片磨制及岩石地化测试委托西南油气田分公司勘探开发研究院实验中心完成。3件锆石样品采集分别位于7594m(WT1-2), 7665m(WT1-3)以及8057m(WT1-4), 测年委托北京锆年领航实验室完成, 锆石的阴极发光图像在场发射环境扫描电子显微镜JSM 510上完成, 激光剥蚀系统为ESI NW R193nm, ICP-MS为Analytikjena PlasmaQuant MS Elite ICP-MS。对分析数据的离线处理采用软件ICPMSDataCal完成。详细的仪器操作条件和数据处理方法同Liu等(2008)。锆石样品的U-Pb年龄谐和图绘制和年龄权重平均计算均采用Isoplot/Ex-ver3完成(Ludwig, 2003)。

3 分析结果
3.1 岩石学特征

WT1井陡山沱组主要为一套灰色、深灰色、局部灰黑色的泥页岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩组合, 局部层段夹灰色薄层状泥粉晶白云岩(图 2)。依据镜下特征可进一步识别出细粒岩屑砂岩、泥质粉砂岩、泥岩以及白云岩等(图 3)。其中, 细粒岩屑砂岩具细粒砂状结构, 块状构造。岩屑呈次圆— 次棱角状, 以安山岩和流纹岩屑为主, 在热液蚀变和构造作用联合控制下, 已难以清晰观察其内部矿物组成, 平均含量约36%。石英呈无色透明, 以次圆状、次棱角状为主, Ⅰ 级灰白干涉色, 平均含量约52%。长石呈棱角状、次棱角状, 以钾长石为主, 发生明显的黏土化现象, 平均含量约12%。另外可见绿泥石、黏土矿物、碳酸盐矿物和不透明暗色矿物等。绿泥石推测为凝灰质物质蚀变而成。而泥岩具泥质结构, 块状构造, 主要由黏土矿物组成, 平均含量约70%。(含)粉砂质泥岩中石英含量在17%~25%之间。另外, 镜下发现有较多的凝灰质成分, 为黄褐色隐晶质的火山灰。在WT1井底部可见硅质岩、磷块岩以及含硅质结核、铁锰质结核、硅磷质条带等特征夹层(图 2)。

图 2 开江地区WT1井陡山沱组钻井岩心柱状图以及特征岩性夹层宏微观特征Fig.2 Core histogram and macro-micro characteristics of lithologic interlayers in the Doushantuo Formation of Well WT1 in Kaijiang area

图 3 开江地区WT1井陡山沱组岩心镜下特征
a— 细粒岩屑砂岩, 10× 10(+), 井深7615m; b— 凝灰岩, 10× 10(-), 井深7630m; c— 泥粉晶云岩, 5× 10(-), 井深7668m; d— 灰质细粒长石岩屑砂岩, 10× 10(-), 井深7680m; e— 凝灰质泥岩, 5× 10(-), 井深7685m; f— 泥岩, 见有机质, 5× 10(+), 井深7838m; g— 含云质细粒岩屑长石砂岩, 5× 10(+), 井深7842m; h— 粘结云岩, 5× 10(-), 井深7862m; i— 含粉砂 质泥岩, 5× 10(-), 井深7890mFig.3 Microscope characteristics of core in the Doushantuo Formation of Well WT1 in Kaijiang area

3.2 地球化学特征

从表 1地球化学元素录井换算得出, WT1井陡山沱组主量元素中, SiO2含量为41.76%~80.97%, 平均值为71.47%; TiO2含量为0.27%~1.44%, 平均值为1.01%; Al2O3含量为13.6%~40.66%, 平均值为31.64%; FeO含量为1.28%~8.10%, 平均值为5.38%; Fe2O3含量为2.85%~18.01%, 平均值为11.96%; MgO含量为1.30%~17.5%, 平均值为4.39%; CaO含量为3.61%~24.62%, 平均值为10.87%; Na2O含量为0.01%~0.48%, 平均值为0.27%; K2O含量为3.22%~8.61%, 平均值为6.97%。总体来看, 149件样品的平均化学成分与上地壳平均值(Taylor and McLennan, 1986)相比总体偏高。平均化学成分与澳大利亚后太古宙平均页岩(PASS)相比较, 除TiO2及Na2O含量总体稍微偏低外, 大都具有较高的SiO2、CaO、K2O、Al2O3、FeO、Fe2O3、MnO含量特征。在主量元素相关性指数中, SiO2与Al2O3、$Fe_{2}O_{3}^{T}$等具有较为明显的正相关关系, 与MgO呈负相关关系。整体上, 主量元素特征与沉积环境的变化相匹配, 成熟度越高, 不稳定组分含量越低。但局部含碳酸盐岩夹层较多层段例外。

表 1 WT1井陡山沱组地球化学元素录井结果(部分)(主量元素: wt%; 微量元素: 10-6) Table1 Geochemical element logging results from the Doushantuo Formation in Well WT1(major elements: wt%; trace elements: 10-6)

WT1井陡山沱组微量元素中大离子亲石元素Rb、Ba及Sr含量变化中等— 较大(表 1列举部分数据, 文中数值来自全部数据分析结果), 分别在37.7× 10-6~91.92× 10-6、206.84× 10-6~952.25× 10-6、77.52× 10-6~245.86× 10-6之间; 平均值分别为57.93× 10-6、501.55× 10-6以及131.06× 10-6, 相对于澳大利亚后太古宙平均页岩(PASS)值都偏低。其中, Rb与K2O具有明显的正相关关系, Sr、Ba与K2O具有明显的负相关关系, 表明WT1井陡山沱组碎屑沉积岩中富K的黏土矿物(伊利石、云母)对Rb元素具有一定的控制作用, 对Sr、Ba等元素没有明显的影响(Taylor and McLennan, 1986)。亲镁铁矿物元素Cr、Ni、Co的含量分别为32.67× 10-6~90.28× 10-6、9.28× 10-6~44.41× 10-6、0.96× 10-6~22.79× 10-6之间, 平均值分别为53.82× 10-6、22.52× 10-6及9.43× 10-6, 3个元素的平均值都低于上地壳平均值(Taylor and McLennan, 1986)。WT1井陡山沱组碎屑岩中Cr、Ni 之间具正相关性, 表明两者在风化成岩过程中未发生明显的分异。高场强元素Zr、Nb、Y、Th、U含量分别为71.34× 10-6~237.71× 10-6、12.93× 10-6~21.37× 10-6、17.19× 10-6~26.45× 10-6、9.23× 10-6~14.69× 10-6、1.89× 10-6~2.58× 10-6, 平均值分别为148.77× 10-6、15.89× 10-6、19.95× 10-6、11.32× 10-6、2.2× 10-6。除Zr元素值变化相对较大外, 其余元素值变化较小且大都接近地壳平均值(Taylor and McLennan, 1986), 但含量总体上偏低, 表明源区性质并非为酸性。WT1井陡山沱组碎屑岩中Y与Nb之间呈良好的正相关性, 是2种元素经历了相似的地球化学过程的体现, 也是高场强元素在沉积过程中受化学风化影响相对较小、具有相对稳定特征的一种体现。另外, Nb、Y 与SiO2有较弱的正相关性, Zr与SiO2有明显的正相关性, 表明重矿物在沉积过程中没有发生明显的分选和聚积, 是沉积物源区物质的表现。

3.3 锆石U-Pb年龄

WT1井灯影组共采集碎屑锆石样品1件, 陡山沱组采集了3件, 样品井深分别为7580m(WT1-1), 7594m(WT1-2), 7665m(WT1-3), 8057m(WT1-4)。每个样品300粒锆石CL图大都表现出韵律环带特征, 少部分具有板状结构以及变质增生边。锆石磨圆一般为中等, 大都保持着锆石原始结晶时的晶体形态(图 4)。锆石微量元素含量结果显示, 4个样品的Th/U值大都大于0.4(图 4; 表 2), 是典型的岩浆成因锆石, 只有少量的变质成因锆石。锆石的形态和成因皆一定程度上能够反映原岩源区特征。

图 4 WT1井陡山沱组碎屑锆石典型形态、年龄分布及锆石Th/U值Fig.4 Typical morphology, age distribution and Th vs. U diagram of detrital zircons in Doushantuo Formation of Well WT1

表 2 WT1井陡山沱组碎屑锆石的U-Pb同位素数据(部分数据) Table2 U-Pb isotopic data for detrital zircon from clastic sedimentary rocks of the Doushantuo Formation in Well WT1

碎屑锆石定年结果表明, WT1-1(灯影组)样品直方分布图上出现3个峰值, 陡山沱组3个样品结果详见表2和图5:WT1-2样品直方分布图上出现4个峰值(图 5-a, 5-b), WT1-3样品直方分布图上出现5个峰值(图 5-c, 5-d), WT1-4样品直方图上出现有4个峰值(图 5-e, 5-f)。4个样品年龄峰值段与区域构造岩浆活动时限是相对应的, 间接说明其原岩物源区特征。

图 5 WT1井陡山沱组3个碎屑锆石U-Pb年龄谐和图及直方分布图
a— WT1-2碎屑锆石U-Pb年龄谐和图; b— WT1-2碎屑锆石U-Pb年龄频谱图; c— WT1-3碎屑锆石U-Pb年龄谐和图; d— WT1-3碎屑锆石U-Pb年龄频谱图; e— WT1-4碎屑锆石U-Pb年龄谐和图; f— WT1-4碎屑锆石U-Pb年龄频谱图Fig.5 U-Pb age harmonic and vertical distribution of three detrital zircons in the Doushantuo Formation of Well WT1

4 物源及构造背景分析
4.1 沉积物源区分析

4.1.1 岩石矿物特征对沉积环境的指示

碎屑岩成分是源区岩石类型最直接的反映标志, 其相对含量的不同是碎屑岩沉积物物源区的直接体现。所以, 研究碎屑岩的成分能够恢复源区岩石类型及构造背景(牟传龙等, 1990)。WT1井陡山沱组中的砂岩主要成分为岩屑和石英, 少量钾长石。而岩屑类型主要为火山岩岩屑, 少量变质岩岩屑, 暗示着这套碎屑岩沉积时物源区相对单一。Dickinson(1982)研究得出砂岩的物质源区主要来自大陆板块、岛弧以及再旋回造山带3类。从WT1井陡山沱组碎屑成分组合特征来看, 其物源区应兼具大陆板块和岛弧的双重性质。

另外, 陡山沱组沉积时还受到热液作用的显著影响, 在陡山沱组底部8040~8044m取心井段可见硅质岩、磷块岩等典型热液沉积产物。这也与陡山沱组中岩屑砂岩镜下安山岩和流纹岩岩屑显示出明显受热液蚀变作用的特征相吻合。从沉积物质组合方面来看, 底部发育硅质岩、硅质泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩组合, 可见软沉积变形以及撕裂状泥砾(图 2), 是典型重力流沉积的标志之一, 与城口、镇巴地区陡山沱组露头剖面显示出的重力流沉积特征相似(李智武等, 2019)。区域资料表明, 陡山沱期该地区外围裂陷构造活动强烈, 区域同沉积断裂发育。而WT1井陡山沱组从碎屑成分、岩石组合、沉积环境特征方面, 也表现出与区域构造和沉积相似的特征, 即发育于裂陷构造活动下的相对深水热液沉积环境。这也是其碎屑成分中火山岩岩屑含量较高的原因。

岩石学及沉积序列组合特征表明, WT1井陡山沱组与盆缘、特别是盆地北缘拉张伸展构造背景下沉积产物是一致的。说明陡山沱组沉积时期盆缘发育的裂陷构造活动是延伸至现今盆地内部的, 这与赵文智等(2017)区域裂陷槽观点相似。

4.1.2 岩石地球化学的指示

沉积岩的组分受到风化作用、搬运分选、沉积成岩和变质作用等影响(Taylor and McLennan, 1986; Fedo et al., 1995; 杜利林等, 2013), 地球化学指标会表现出显著的不同, 进而影响利用地球化学指标和相关图解判断其物源区的准确性。所以, 在利用地球化学判别图解进行物源区分析之前, 需对沉积岩沉积过程中受到的物理作用、化学作用等因素进行分析, 从而判断相关组分是否可以代表沉积物的源区特征。

首先是风化作用。碎屑岩的主量元素含量变化, 能够揭示风化作用对沉积岩物源区及其沉积过程中碎屑组分的影响, 主要的反映指标则是化学风化指数(CIA)。WT1井陡山沱组CIA值变化范围在61.2~82.0之间, 平均值为72.1。处于中等化学风化阶段(CIA=60~80)。另外, A-CN-K图解也能反映碎屑岩的化学风化特征, 图解中理想的风化趋势是近于平行A-CN边(Fedo et al., 1995; 杜利林等, 2013)。WT1井陡山沱组A-CN-K图解中显示出其风化程度中等, 大都处于平均页岩风化趋势区间, 少量进入高级风化趋势区间, 由蒙脱石风化为伊利石、绿泥石等, 具高风化之趋势(图 6)。可见, WT1井陡山沱组碎屑岩沉积的源岩经历过中等风化作用。结合区域地质构造背景推测其风化作用较强的原因, 可能受到区域变质作用或者热液的影响, 如受后期基底间断性、差异性构造隆升与受同时期撕裂状的泥砾以及硅质岩、硅磷质条带等相对深水且局部发育重力流沉积事件的共同影响。

图 6 WT1井陡山沱组化学风化图解(底图据Fedo et al., 1995)Fig.6 Analysis of chemical weathering of the Doushantuo Formation in section 7590~8060m of Well WT1(after Fedo et al., 1995)

除化学风化作用的影响外, 沉积后期的分选作用和再循环过程也会影响到物源区的分析。WT1井陡山沱组碎屑岩中的Rb与K2O具有明显的正相关关系, Sr、Ba与K2O具有明显的负相关关系, 表明WT1井陡山沱组碎屑沉积岩中伊利石、云母等富K的黏土矿物具有一定的比重, 指示着中等— 较强的风化作用, 这可能是由于区域变质或热液的影响。Cr、Ni亲镁铁矿物元素之间具正相关性, 表明两者在风化成岩过程中未发生明显的分异。Zr、Nb、Y、Th、U等高场强元素值总体上相对地壳平均值偏低, 表明源区性质并非全为酸性; Zr的含量相对较低, 也与WT1井碎屑岩主要为泥质岩、粉砂质泥岩类的岩石学特征符合, 因为Zr等重矿物会在粗粒碎屑岩中表现出相对富集的特征(Taylor and McLennan, 1986)。WT1井陡山沱组碎屑岩高场强元素中的Y与Nb之间具良好的正相关性, 表明它们在沉积过程中具有相似的地球化学过程, 且在此过程中未发生明显的分异, 受化学风化的影响相对较小, 可以代表沉积物的源区特征。同时, Nb、Y与SiO2有较弱的正相关性, Zr与SiO2有明显的正相关性(图 7)。高场强元素表现出的较大的差异性, 推测有2种可能性: 第1种是陡山沱组碎屑岩在沉积过程中的确发生了较为明显的重矿物分选和聚积, 可能是再旋回造山带产物, 对沉积物的源岩判断影响较大, 可能代表不了沉积物源区特征。这种情况下, 高场强元素应该具有较为统一的变化趋势, 但实际上只是部分高场强元素具有此特征。第2种可能是由于WT1井所处的特殊构造位置, 现有资料及研究成果显示, 在WT1井邻区可能存在一个宣汉— 开江古隆起(谷志东等, 2016; 杨跃明等, 2016), 与WT1井地区陡山沱组沉积时期匹配形成隆坳相间的沉积格局, 这种近源的沉积会不间断地造成碎屑沉积物重矿物元素的差异性分选, 其中Zr就是典型的例子, 是WT1井陡山沱组主为细粒沉积物岩石组合类型的体现。也充分体现出了沉积-构造演化的匹配性, 其碎屑沉积物更体现出WT1井陡山沱组沉积时期的源岩和构造背景。笔者认为第2种可能性较大, 其并非是后期分选和再循环过程的产物, 而是物源区的直接产物。

图 7 WT1井陡山沱组7590~8060m段Nb、Zr、Y-SiO2相关性图(底图据Roser and Korsch, 1988)Fig.7 Correlation figure of Nb、Zr、Y vs SiO2 of Doushantuo Formation in section 7590~8060m of Well WT1 (base map after Roser and Korsch, 1988)

综上所述, WT1井陡山沱组碎屑岩在沉积过程中受到了弱— 中等的风化作用、不明显的沉积分异以及再旋回作用, 其地球化学指标能够代表沉积物的源区特征。如主量元素指标, 在F1-F2图解中(Roser and Korsch, 1988), 显示其物源主要为中基性火山岩, 极少量的长英质火山岩(典型代表为花岗岩)及沉积岩。在Rb-K判别图解中(Floyd and Leveridge, 1987), 显示其物源区源岩同样是中基性火山岩(图 8)。2个图解具有极好的一致性, 都指示着WT1井陡山沱组沉积源岩为中基性火山岩类。这也与高场强元素表明的非酸性物质来源吻合。

图 8 WT1井陡山沱组源岩判别图(a底图据Roser and Korsch, 1988; b底图据Floyd and Leveridge, 1987)Fig.8 Discrimination diagrams for provenance signature of clastic sedimentary rocks in the Doushantuo Formation of Well WT1 (basic maps a after Roser and Korsch, 1988; b after Floyd and Leveridge, 1987)

数据分析表明WT1井陡山沱组沉积时期主要的物质来源是中基性火山岩类, 其经历过弱— 中等的化学风化作用, 不明显的分异以及再旋回作用产物。部分地化指标表现出强风化作用, 可能与宣汉— 开江古隆起以及拉张伸展构造活动有关, 亦与近源重力流沉积作用有关。研究结果支持WT1井陡山沱组是拉张伸展构造活动背景下的物质记录结论。

4.1.3 锆石年龄记录的指示

碎屑锆石中记录的年龄信息可以直接或间接地作为碎屑岩物源区源岩示踪研究, 进而分析其原岩的特征及发育的构造背景, 为区域对比研究、古地理重建及厘清构造演化历史提供帮助(Cawood and Nemchin, 2000; Cawood et al., 2007; Cawood et al., 2012)。WT1井陡山沱组碎屑锆石特征及U-Pb年龄数据分布特征的统计分析显示(图 5; 表 2), 3个井深段的碎屑锆石U-Pb年龄记录了多个岩浆活动的记录, 物源来源较丰富。归纳起来可以概括为915~850Ma、794~714.5Ma以及622~700Ma 3个阶段的岩浆物质记录, 都集中在新元古代内。从区域岩浆活动记录来看, 整个华南板块广泛发育新元古代岩浆活动, 它们都是与Rodinia超大陆的聚合与裂解过程相关, 只是不同地区延续时间以及构造背景具有一定的差异性(李献华等, 2002; 凌文黎等, 2006; Li et al., 2008; 杨钊, 2008; 王瑞瑞等, 2013)(表 3; 图 9)。

表 3 四川盆地东北部— 南秦岭地区岩浆活动年龄统计 Table3 Statistics of age of magmatic activity in northeastern Sichuan Basin and South Qinlin area(Partly)

图 9 四川盆地东北部— 南秦岭地区岩浆活动年龄分布(据Li et al., 2008; 王瑞瑞等, 2013; 有修改)Fig.9 Age distribution of magmatic activity in northeastern Sichuan Basin and South Qinlin area (modified from Li et al., 2008; Wang et al., 2013)

1)850~915Ma年龄段的岩浆记录。WT1井陡山沱组3个碎屑锆石最老的年龄峰值分别为: 915.1± 7.1Ma(MSWD=0.02)、883.1± 6.4Ma(MSWD=0.045)以及844.6± 4.3Ma(MSWD=0.053), WT1灯影组的为856.7± 4.9Ma(MSWD=0.032)。此区间的碎屑锆石多数为岩浆成因锆石年龄组成, 总体上约58颗; 锆石90%以上具有岩浆锆石典型的韵律环带以及板状形态。该期的岩浆记录可能对应着Grenville造山活动时期。研究表明整个华南地区可能只在扬子地块的北缘和西缘存在Grenville期构造活动(王丽娟等, 2008; Yu et al., 2008)。

另外, 在华夏地块南部可能存在一个与Grenville期造山带相邻地块, 而传统认为的江南造山带则与该期活动无关(王自强等, 2012; 伍皓等, 2013)。该时期也可能对应着华夏板块与扬子板块的聚合— 裂解时期的某一个阶段(舒良树, 2012)。而在扬子北缘地区, 有研究表明该地区早于800Ma的岩浆活动大大地弱于扬子地块的其他地区(胡蓉等, 2016), 但也存在峰期为845Ma的岩浆活动, 与Rodinia的汇聚过程或者是开始拉张裂解活动有关, 代表的岩体有西乡群(凌文黎等, 2002)、碧口群火山岩(凌文黎等, 2002; 李永飞等, 2007)、米仓山断块侵入岩以及扬子内部的黄陵岩体等(图 9)。以上信息表明, WT1井陡山沱组该区间年龄可能记录了Grenville造山以及与Rodinia汇聚或拉张有关的岩浆活动, 综合分析认为其物质来源于Grenville造山带的可能性更大, 主要方向应为北缘与西缘。

2)794~714.5Ma年龄段的岩浆记录。WT1井陡山沱组3个碎屑锆石年龄峰值分别为: 794.2± 2.6Ma(MSWD=0.031)、724.3± 3.6Ma(MSWD=0.044)、714.5± 5.1Ma(MSWD=0.05)、765.1± 3Ma(MSWD=0.083)、785.1± 4.2Ma(MSWD=0.046)。此区间段的碎屑锆石年龄最为广泛, 有170颗, 95%的锆石具有弱的韵律环带以及板状形态, 少量的锆石具一定的磨圆, 为典型的岩浆锆石, 能够代表岩浆活动的记录。该期岩浆活动在整个扬子陆块主要记录的是与Rodinia超大陆汇聚与裂解有关的构造活动。

其主要与伸展相关的岩浆和沉积记录, 表现为广泛的裂谷岩浆活动(李献华等, 2002; Yan et al., 2004; 李永飞等, 2007; 凌文黎等, 2007)。广泛的裂谷岩浆活动在扬子陆块内部主要集中在820Ma, 而扬子北缘则在750Ma左右最为强烈(李献华等, 2002; 郑永飞, 2003), 前者的代表为黄陵花岗岩, 后者如汉南地体的侵入岩(Dong et al., 2012); 小磨岭、陡岭、铁瓦殿岩体大量~750Ma的侵入岩(胡蓉等, 2016)以及南秦岭地区的武当群、耀岭河群等也见较多此区间的岩浆活动记录(图 9)。当然, 除侵入体外, 南秦岭武当群、耀岭河群与小磨岭基性岩类同为南秦岭新元古代基底火山岩, 地化特征指示其形成于大陆裂谷构造环境。城口火山岩年龄为712Ma(杨钊, 2008), 地化特征指示其形成于板块俯冲的构造环境之中。以上信息共同表明扬子北缘南秦岭中一新元古代基底形成并不是在单一的扩张背景下持续演化的, 而是中元古代末— 新元古代晋宁期形成的统一扬子陆块, 在新元古代初经历了块体的裂解、洋盆发育及俯冲消减作用过程, 并延续至新元古代晚期。扬子北缘南秦岭区在新元古代处于俯冲与裂解共存、并以裂解为主的动力学背景下; 也可能是Rodinia 超大陆开始张裂和最终裂解2个演化阶段的岩浆记录(李献华等, 2002; 郑永飞, 2003; Yan et al., 2004; 凌文黎等, 2007; 王瑞瑞等, 2013)。扬子板块内部沉积物源地化分析指示其源岩主要为中基性岩, 结合其岩浆锆石记录, 推断该时期扬子北缘及其内部的裂陷背景下发育的中基性火山岩为WT1井陡山沱组提供了大部分的物质来源。

3)622~700Ma年龄段的岩浆记录。WT1井陡山沱组3个碎屑锆石年龄峰值分别为: 643± 10Ma(MSWD=0.16)、654.5± 7.1Ma(MSWD=0.11)、622.3± 4.8Ma(MSWD=0.042)、683.7± 7.3Ma(MSWD=0.026)。该区间段锆石年龄所占比例最小, 有38颗。锆石形态同样具典型岩浆锆石特征, 其年龄值记录了扬子北缘及邻区新元古代晚期的岩浆活动。该区间段的岩浆年龄记录在华南地区的记录较少, 或者说在扬子克拉通除扬子北缘及南秦岭地区外的其他地区基本未见报道(蔡志勇等, 2007; 凌文黎等, 2007; 聂虎, 2016; 陈超等, 2018)。这也进一步印证了“ 扬子北缘存在广泛发育的岩浆作用, 但晚于700Ma的岩浆活动记录仅仅出露于扬子北缘” 的观点(Wang et al., 2008; 王瑞瑞等, 2013)。在扬子北缘及南秦岭地区新元古代岩浆活动从950Ma一直延续到新元古代晚期620Ma都有连续的记录(聂虎, 2016), 其中第3期岩浆活动的年龄范围在620~700Ma, 峰期为685Ma。WT1井陡山沱组该区间段的年龄值与已有研究成果基本一致(表 3; 图 9), 特别是底部的WT4碎屑锆石最年轻的峰值683.7± 7.3Ma(MSWD=0.026)与之基本相同。该期次的岩浆多为碱性基性超基性岩浆岩, 与陡山沱组岩石地化得出的其物质来源源岩为中基性岩的结果再次一致吻合, 是WT1井陡山沱组物质来源之一。典型的代表如侵入到武当地块武当群中的基性岩脉以及小磨岭地区的角闪石辉长岩(凌文黎等, 2007)。

4.2 构造背景分析

WT1井陡山沱组岩石学特征及沉积序列反映其沉积环境为相对深水, 与盆缘新近研究成果体现出的隆坳相间的构造格局相吻合(赵文智等, 2017; 李智武等, 2019)。

岩石地化的主量元素在不同大地构造背景中也具有不同的元素分布特征, 也可以有效地判别碎屑沉积岩的构造环境(Bhatia, 1984; Roser and Korsch, 1988)。主量元素构造判别图中(图 10), TiO2-($Fe_{2}O_{3}^{T}$(全铁)+MgO)图解中样品主要落入大洋岛弧环境。Al2O3/SiO2-$Fe_{2}O_{3}^{T}$(全铁)+MgO图解(图 10)中样品同样主要落入大洋岛弧环境。与物源分析得出的源岩构造背景相吻合。微量元素判别图解中主要落入活动大陆边缘及大陆岛弧之中(图11), 可解释为大陆壳内裂谷或者弧后盆地。

图 10 WT1井陡山沱组碎屑岩主量元素构造环境判别图(据Bhatia, 1984; Roser and Korsch, 1988)
A— 海洋岛弧; B— 大陆岛弧; C— 活动大陆边缘; D— 被动大陆边缘Fig.10 Major elements discrimination diagrams for clastic sedimentary rocks of the Doushantuo Formation in Well WT1 (after Bhatia, 1984; Roser and Korsch, 1988)

图 11 WT1井陡山沱组碎屑岩微量元素构造环境判别图
OIA-海洋岛弧; CIA-大陆岛弧; ACM-活动大陆边缘; PM-被动大陆边缘(据Bhatia, 1984; Roser and Korsch, 1988)Fig.11 Trace elements discrimination diagrams for clastic sedimentary rocks of the Doushantuo Formation in Well WT1(after Bhatia, 1984; Roser and Korsch, 1988)

而碎屑锆石年龄记录指示着WT1井陡山沱组的物质来源主要是扬子北缘— 南秦岭地区有关Rodinia超大陆裂解过程中的中基性火山岩, 少量的俯冲— 碰撞造山过程中的岩浆活动记录。

证据表明: WT1井陡山沱组碎屑岩沉积的物源主要来自于与Rodinia超大陆裂解过程有关的中基性火山岩物质, 发育的构造背景为拉张伸展作用下的裂谷(陷)盆地沉积。WT1井的地层厚度(大于400m)和沉积序列亦与盆缘城口地区陡山沱组相同。综合研究成果认为, 四川盆地东北部地区在陡山沱组沉积期发育克拉通内裂陷盆地沉积, 其裂陷槽的延伸深入到现今四川盆地的内部。

5 结论及意义

1)岩石地化结果表明四川盆地开江地区WT1井陡山沱组沉积物质源岩经历了弱— 中等化学风化作用, 其源岩为中基性火山岩类; 碎屑锆石U-Pb年龄主要记录了915~850Ma、794~714.5Ma以及622~700Ma 3个阶段的构造岩浆活动, 主要与扬子克拉通北缘及邻区Rodinia超大陆的裂解演化过程有关。该构造活动背景下的岩浆岩是WT1井陡山沱组沉积主要的物质来源。

2)WT1井陡山沱组碎屑锆石记录着扬子克拉通北缘— 南秦岭地区丰富的岩浆活动记录, 可识别出3期主要的岩浆事件, 与Grenville造山活动以及Rodinia超大陆的汇聚— 裂解演化过程有关, 为Rodinia超大陆的裂解演化过程提供了重要的年代学演化证据。

3)四川盆地内部陡山沱组沉积期处于拉张伸展构造背景, 原型沉积盆地类型为克拉通内裂陷盆地。

该研究不仅可为Rodinia超大陆在扬子克拉通北缘的演化过程提供了盆地内部的关键性年代学演化证据, 显示出了诸多演化历程中的关键信息, 为解决四川盆地及周缘前寒武系长期争议的构造背景及盆地动力学机制提供了珍贵的材料, 更为当前存在争议的宣汉— 开江古隆起发育时代和范围提供了限定。WT1井所处的开江地区在陡山沱组沉积时期应为扬子克拉通北缘— 南秦岭地区拉张伸展构造作用下延伸入盆地内部的一个裂陷槽, WT1井所处的开江地区应不属于宣汉— 开江古隆起的范围。WT1井陡山沱组发育的构造背景及原型沉积盆地类型研究、物源分析, 有利于四川盆地内部烃源岩的研究及规律性认识。同时, 进一步深入的研究对精细刻画四川盆地的地质结构、沉积-构造演化以及油气勘探的战略部署等, 具有极为重要的科学意义。

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