馬騰霄,和 源,朱利東,楊文光,曹志超,羅紫云,嚴(yán) 威,周 剛,龍虹宇,黃茂軒,陳 曦,錢紅杉

(1.成都理工大學(xué) 沉積地質(zhì)研究院,成都 610059;2.中國(guó)石油西南油氣田分公司 勘探開發(fā)研究院,成都 610041;3.成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院,成都 610059)

四川盆地下寒武統(tǒng)滄浪鋪組(C-1c)天然氣勘探前景廣闊［1］,前人對(duì)其層序地層［2-4］、古生物特征［5-6］、沉積演化［7-9］、巖相古地理［10-11］以及成藏條件［12］等進(jìn)行了詳細(xì)的研究,而針對(duì)四川盆地寒武紀(jì)滄浪鋪期古氣候、古海洋環(huán)境等方面的研究較為薄弱,鮮見相關(guān)報(bào)道。海相碳酸鹽巖類在形成過程中能保存大量同期海洋原始化學(xué)信息［13-15］。因其記錄的碳、氧同位素特征能近似地反映地質(zhì)歷史時(shí)期古海洋碳、氧同位素組成［16-17］,故而被廣泛應(yīng)用于地層［14,18-21］、古環(huán)境［13,15,22-23］和成礦成藏［24-25］等方面的研究。

為探究四川盆地滄浪鋪期古氣候、古海洋環(huán)境特征,進(jìn)而為川中地區(qū)滄浪鋪組油氣勘探提供基礎(chǔ)地質(zhì)資料,本文對(duì)川中地區(qū)鹽亭縣風(fēng)險(xiǎn)探井——JT1井滄浪鋪組下段碳酸鹽巖樣品進(jìn)行連續(xù)、系統(tǒng)采樣,在鉆井資料和薄片研究的基礎(chǔ)上,開展碳、氧同位素測(cè)定,探討該地區(qū)滄浪鋪組下段碳酸鹽巖碳、氧同位素的組成特征,進(jìn)而探討滄浪鋪期古海洋環(huán)境,以期為該區(qū)沉積充填序列和油氣勘探提供基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

四川盆地是發(fā)育于上揚(yáng)子克拉通結(jié)晶基底上的大型疊合盆地,經(jīng)歷了多期次構(gòu)造演化［26］。研究區(qū)位于川中地區(qū)北部,區(qū)域構(gòu)造上屬于川中平緩構(gòu)造區(qū),主體處于樂山-龍女寺古隆起北斜坡。早寒武世筇竹寺期和滄浪鋪期,興凱地裂運(yùn)動(dòng)所形成的拉張槽處于壯年期至萎縮期,為填平補(bǔ)齊階段［27］。四川盆地寒武系發(fā)育齊全,下寒武統(tǒng)滄浪鋪組與下伏筇竹寺組(C-1q)呈整合接觸［28］。

筇竹寺期揚(yáng)子地塊在快速海侵的影響下,海平面快速上升,揚(yáng)子地臺(tái)整體進(jìn)入沉降階段［29］,沉積了一套厚度巨大的淺海陸棚相泥質(zhì)烴源巖［30］。滄浪鋪期四川盆地發(fā)生海退,川中地區(qū)水體普遍變淺,陸源碎屑供給充足［30］,滄浪鋪組表現(xiàn)為下段發(fā)育碳酸鹽巖夾部分碎屑巖、上段發(fā)育碎屑巖的淺水陸棚相沉積特征［12］。

風(fēng)險(xiǎn)探井JT1井位于四川盆地中部鹽亭縣(圖1-A),鉆井總深度達(dá)7 766 m,鉆遇燈影組四段。下寒武統(tǒng)筇竹寺組平行不整合于燈影組之上(其間缺失麥地坪組)。滄浪鋪組位于該井7 048～6 850 m深度,總厚度約200 m。滄浪鋪組下段主要出露大套灰?guī)r、白云巖,偶夾數(shù)層泥質(zhì)灰?guī)r、泥巖;滄浪鋪組上段巖石組合上主要包括泥巖、粉砂巖以及少量中砂巖(圖1-B)。上述巖石特征總體代表了淺水陸棚相沉積組合［12］。

圖1 四川盆地中東部大地構(gòu)造位置圖(據(jù)劉昭茜等［31］修改)及滄浪鋪組綜合地層柱狀圖Fig.1 Tectonic location map of central and eastern Sichuan Basin and comprehensive stratigraphic histogram of Canglangpu Formation

2 樣品采集與測(cè)試

川中地區(qū)鹽亭縣風(fēng)險(xiǎn)探井JT1井中,滄浪鋪組總沉積厚度約200 m。滄浪鋪組下段主要發(fā)育淺水陸棚相碳酸鹽巖類,并夾少量砂泥質(zhì)碎屑巖,沉積厚度約80 m。本文的研究針對(duì)滄浪鋪組下段采集的碳氧同位素樣品65件,其中灰?guī)r33件、白云巖27件、灰質(zhì)泥巖5件,平均采樣間距為1.0～1.5 m。樣品選取過程中盡可能保證樣品新鮮、無明顯蝕變現(xiàn)象。樣品的碳氧同位素測(cè)試分析工作由核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測(cè)試研究中心完成。測(cè)試采用碳酸鹽巖碳、氧同位素連續(xù)流分析測(cè)試方法,詳細(xì)處理分析流程見劉漢彬等［32］。測(cè)試結(jié)果以V-PDB為標(biāo)準(zhǔn),分別記為δ13CV-PDB和δ18OV-PDB,分析時(shí)采用碳酸鹽樣品GB04416、GB04417為標(biāo)樣進(jìn)行校準(zhǔn),精度優(yōu)于±0.1‰和±0.2‰。

3 結(jié) 果

3.1 巖石學(xué)特征

滄浪鋪組下段以碳酸鹽巖沉積與整合其下的筇竹寺組砂泥質(zhì)巖區(qū)別開,該段底部出現(xiàn)泥質(zhì)灰?guī)r(圖2-A)、砂屑灰?guī)r(圖2-B),其中孔隙多充填暗色瀝青。向上出現(xiàn)鮞粒灰?guī)r,鮞粒形態(tài)上多為放射鮞,鮞粒核心常為多晶或單晶方解石,個(gè)別細(xì)粒石英顆粒。鏡下特征顯示,部分鮞粒內(nèi)核發(fā)育孔洞,并充填暗色瀝青(圖2-C)。重結(jié)晶顆?；?guī)r中部分保留鮞粒形態(tài)殘余(圖2-D)。自底部向上,滄浪鋪組下段中白云質(zhì)含量逐漸增加,中上部以殘余鮞粒白云巖、粉-細(xì)晶白云巖為主,其中白云石(部分呈菱形)占整個(gè)巖石的95%以上,具粉-細(xì)晶結(jié)構(gòu),部分視域保留鮞粒殘余外形(圖2-F)。部分層位白云巖中含少量陸源石英碎屑,各礦物晶間孔隙中充瀝青(圖2-G、I)。整個(gè)滄浪鋪組下段灰質(zhì)泥巖、泥質(zhì)白云巖相對(duì)較少,主要呈夾層狀產(chǎn)出(圖2-E、H)。

3.2 碳氧同位素組成

川中地區(qū)JT1井中滄浪鋪組碳酸鹽巖碳氧同位素分析測(cè)試結(jié)果見表1。結(jié)果顯示,本文樣品具有相對(duì)均一的δ13C 組成,δ13C 值為-3.4‰～-0.4‰,平均為-1.4‰(圖3)。自滄浪鋪組下段底部(深度7 042 m)向上至6 969 m,樣品δ13C值為-2.1‰～-0.4‰,而這一結(jié)果與正常碳酸鹽巖δ13C在誤差范圍內(nèi)基本一致(0±2‰)［13］。自6 969 m深度向上,大量出現(xiàn)δ13C<-2‰,可能反映了古海洋穩(wěn)定同位素在組成上的細(xì)微變化,抑或是代表了古氣候、古環(huán)境(即成巖環(huán)境)的改變。

圖3 川中地區(qū)滄浪鋪組碳酸鹽巖δ13CV-PDB-δ18OV-PDB二元圖解Fig.3 Cross plots of δ13CV-PDB-δ18OV-PDB of carbonate rocks from the Cambrian Canglangpu Formation in central Sichuan Basin

相較于碳同位素,樣品氧同位素(δ18O)具有較大的變化范圍：-10.8‰～-5.9‰,平均為-8.6‰。其中,絕大多數(shù)樣點(diǎn)δ18O值處于大于-10‰范圍內(nèi),測(cè)試的65件樣品中,共11個(gè)樣點(diǎn)δ18O<-10‰(圖3)。圖解結(jié)果顯示,本次研究樣點(diǎn)碳、氧同位素具有較低的相關(guān)性(R2=0.109 5)。

4 碳氧同位素特征

4.1 數(shù)據(jù)有效性分析

碳酸鹽巖氧同位素組成主要受控于沉積水環(huán)境中水的同位素組成和沉積溫度,且極易受后期構(gòu)造、熱液及大氣降水等作用的影響［33］。因而,在運(yùn)用碳氧同位素進(jìn)行古環(huán)境恢復(fù)前須對(duì)其中保存的古海洋信息完整性進(jìn)行評(píng)定［34］。一般而言,碳酸鹽巖δ18O<-5‰時(shí),則表明巖石遭受到一定程度的沉積后蝕變,其中的碳、氧同位素組成仍能基本代表沉積時(shí)期的海水同位素組成［35］,而碳酸鹽巖δ18O<-10‰則表明可能受后期成巖作用影響較大［36］,數(shù)據(jù)已不可用。上文分析測(cè)試結(jié)果顯示,本文少數(shù)樣點(diǎn)δ18O在-10‰以下(-10.2‰～-10.8‰),暗示了一定程度的成巖蝕變。此外,研究表明,碳酸鹽巖碳氧同位素之間的相關(guān)性是判斷巖石是否經(jīng)歷成巖蝕變影響的又一特征指標(biāo)［37］：當(dāng)二者相關(guān)系數(shù)較低時(shí),說明受到的影響不大,基本保留了原始海水同位素組成的有效信息。本文研究碳酸鹽巖碳氧同位素之間相關(guān)性較低(R2=0.109 5,圖3),說明樣品受成巖蝕變影響較小。綜合考慮上述緣由,為保證討論結(jié)果的準(zhǔn)確性,本次研究在后文分析討論中扣除上述δ18O<-10‰樣點(diǎn)進(jìn)行(表1)。所選的54個(gè)樣品的碳、氧同位素基本保存了海水原始的同位素信息,可以用于古環(huán)境的研究。

4.2 碳、氧同位素特征

4.2.1 碳同位素特征

自然界碳基本儲(chǔ)藏于有機(jī)碳庫(kù)和無機(jī)碳庫(kù)之中［38］,在各種碳庫(kù)中,碳酸鹽巖碳同位素組成最高［39］。造成海相碳酸鹽巖δ13C值變化的原因復(fù)雜,多與區(qū)域性地質(zhì)事件相關(guān)［33-34］。腕足類化石被認(rèn)為是確定海相碳酸鹽巖原始同位素組成的最好標(biāo)準(zhǔn)［40］,前人采納的早寒武世時(shí)期海相腕足類化石的δ13CV-PDB和δ18OV-PDB同位素值分別為-2.5‰～1.5‰和-10.0‰～-7.0‰［41］。研究區(qū)樣品有效δ13CV-PDB值整體呈明顯負(fù)偏,介于-3.4‰～-0.4‰之間,平均值為-1.4‰(表1),整體具有先升高后降低的趨勢(shì),深度7 039 m處-2.1‰至7 024 m處-0.9‰為波動(dòng)較小;深度7 021～7 010 m處的碳酸鹽巖受到一定程度的成巖蝕變,不予討論;深度7 009～6 969 m處的碳同位素?cái)?shù)值整體波動(dòng)幅度不大,但相較下部波動(dòng)明顯;深度6 969～6 960 m處(即滄浪鋪組下段和滄浪鋪組上段界面)的碳同位素?cái)?shù)值波動(dòng)幅度十分明顯(圖4),絕大部分樣品δ13CV-PDB值處于同期海相腕足的δ13C值分布區(qū)間內(nèi),僅3件樣品δ13CV-PDB低于該時(shí)期海相腕足類化石的δ13CV-PDB值。然而,亦有相關(guān)文獻(xiàn)指出,寒武紀(jì)沉積初期至龍王廟組沉積前這段時(shí)間范圍內(nèi),海相碳酸鹽巖δ13C值為-6‰～0.4‰［42］。因此,研究區(qū)碳酸鹽巖樣品的有效δ13C值能夠反映該區(qū)域滄浪鋪組下段沉積期海水的碳同位素組成特征。

圖4 川中地區(qū)JT1井寒武系滄浪鋪組下段碳、氧同位素含量與古環(huán)境特征Fig.4 Carbon and oxygen isotope contents and paleoenvironmental characteristics of the lower member of Cambrian Canglangpu Formation in Well JT1,central Sichuan Basin

目前多數(shù)學(xué)者認(rèn)為,海相碳酸鹽巖碳同位素負(fù)偏的主要是復(fù)雜的地質(zhì)因素導(dǎo)致的海洋原始生產(chǎn)力降低引起［33-34,42-43］。就四川盆地寒武紀(jì)而言,導(dǎo)致海洋原始生產(chǎn)力變化的因素多認(rèn)為與海平面變化有關(guān)［13,25,33-34,42-45］。滄浪鋪組沉積初期,生物面貌相對(duì)繁盛［46］,四川盆地整體上呈“隆拗相間”的古地理格局［8］,受興凱運(yùn)動(dòng)影響,揚(yáng)子西緣快速隆升與大量剝蝕,相對(duì)海平面下降［47-49］。滄浪鋪組下段為海退環(huán)境下的碳酸鹽巖臺(tái)地-混積陸棚沉積［11］,因此樣品δ13C值整體表現(xiàn)為負(fù)值［43］,滄下段沉積末期,樣品δ13C值負(fù)偏更甚,可能反映了海平面的進(jìn)一步下降,為大套白云巖類形成提供理化環(huán)境。同時(shí),由于研究區(qū)為海陸過渡相沉積環(huán)境［11］,易受海平面變化影響,因此樣品δ13C值的相對(duì)變化趨勢(shì)可能反映了海平面整體下降背景下的相對(duì)升降波動(dòng)。

4.2.2 氧同位素特征

海相碳酸鹽巖氧同位素能一定程度上保留沉積環(huán)境的水環(huán)境組分特征,但成巖作用過程中的諸多地質(zhì)過程均會(huì)造成碳酸鹽沉積物δ18O值明顯變小,例如,白云巖化、重結(jié)晶作用以及淡水淋濾作用等［34］。上文分析結(jié)果顯示,滄浪鋪組下段碳酸鹽巖δ18OV-PDB值具有相對(duì)較大的變化范圍,介于-10.8‰～-5.9‰,平均值為-8.2‰,暗示一定程度的成巖期影響,其中,深度7 039～7 024 m處的碳酸鹽巖δ18O值波動(dòng)較小,在-10‰～-8.2‰之間;深度7 021～7 010 m處的樣點(diǎn)δ18O值在-10‰以下(-10.2‰～-10.8‰);深度7 009～6 969 m處的δ18O值為-10‰～-6.2‰,整體波動(dòng)幅度不大;深度6 969～6 960 m處(即滄浪鋪組下段和滄浪鋪組上段界面)的δ18O值波動(dòng)幅度也較為明顯。根據(jù)鏡下巖性鑒別結(jié)果,本次研究不同巖性巖石氧同位素具有一定差異：(含)灰質(zhì)泥巖氧同位素值平均為-8.3‰,灰?guī)r類樣品δ18O值平均為-9.7‰,且該值大于-10‰,均為灰?guī)r類,白云巖氧同位素值平均為-7.4‰,這一結(jié)果顯示本次白云石含量與δ18O值并不具明顯正相關(guān)性,亦即表明本次研究對(duì)象氧同位素的較大范圍可能并不是白云巖化的結(jié)果。同時(shí),發(fā)生顯著重結(jié)晶作用的灰?guī)r氧同位素均值為-9.4‰,與未經(jīng)歷重結(jié)晶作用的灰?guī)r類基本一致,故而我們認(rèn)為重結(jié)晶作用對(duì)本文研究樣品的氧同位素影響也并不明顯。而在鏡下顯微特征中,我們也未見到受淡水淋濾作用形成的指征特征(如滲濾粉砂等)。因此,本次研究在剔除上述δ18O<-10‰樣點(diǎn)后(表1),所選的54個(gè)樣品的δ18O值介于-10.0‰～-5.9‰之間,平均值為-8.2‰,所獲得的氧同位素基本可以代表古海洋理化條件。

5 古環(huán)境意義及討論

5.1 古海洋鹽度

碳、氧同位素值變化與沉積水體鹽度具有一定關(guān)聯(lián)性,能被用于區(qū)分陸相和海相沉積環(huán)境［50］?，F(xiàn)代海洋的δ13CV-PDB值為-1‰～-2‰,δ18OV-PDB值為零左右,不超過1‰;淡水的δ13CV-PDB值介于-5‰～-11‰,δ18OV-PDB值低于零,最低可達(dá)-50‰［51-52］。碳氧同位素地球化學(xué)行為復(fù)雜,在不同載體中數(shù)值具有差異性［36,39］,雖然不同環(huán)境下形成的碳酸鹽巖類碳、氧同位素值還存在一定爭(zhēng)議［53-56］,但已有大量文獻(xiàn)利用S.Epstein等［57］提出的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)不同時(shí)代的碳酸鹽巖形成時(shí)期的水體鹽度指數(shù)進(jìn)行討論［34,56］。公式為Z=2.048×(δ13C+50)+0.498×(δ18O+50),當(dāng)Z值小于120時(shí),指示淡水沉積環(huán)境,反之則指示海相或陸相咸化湖泊沉積環(huán)境。計(jì)算結(jié)果表明(表2),JT1井滄浪鋪組下段碳酸鹽巖類Z值為116～123,平均為120。古鹽度指數(shù)“Z值”顯示,研究區(qū)滄浪鋪下段沉積期水體鹽度較高。Yuan J.Y.等［58］認(rèn)為,“Z值”參數(shù)在判別海水成因和咸水湖泊成因碳酸鹽巖方面缺乏敏感度,因此對(duì)于“Z值”較高的碳酸鹽巖類沉積環(huán)境還應(yīng)結(jié)合其他參數(shù)進(jìn)一步討論分析。

表2 川中地區(qū)JT1井寒武紀(jì)滄浪鋪組古溫度、古鹽度數(shù)據(jù)Table 2 Data of paleotemperature and paleosalinity of the Cambrian Canglangpu Formation from Well JT1 in central Sichuan Basin

鹽度經(jīng)驗(yàn)公式S=δ18O+21.2/0.61被用于區(qū)分咸水湖相沉積和海相沉積［58-59］。計(jì)算結(jié)果表明(表2),研究區(qū)平均鹽度為26.6‰,為咸水湖沉積環(huán)境［59］。然而,前人研究表明,滄浪鋪組沉積期為典型海相沉積環(huán)境［1,9］。因此,直接利用鹽度經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算中生代以前地層的沉積水體鹽度可能存在一定誤差。由于蝕變作用,中生代以前的碳酸鹽巖中δ18O值會(huì)發(fā)生改變,因此在利用鹽度公式時(shí),一般會(huì)用第四紀(jì)海相碳酸鹽巖的δ18O平均值(-1.2‰)對(duì)樣品δ18O值進(jìn)行校正［34,60］。研究區(qū)碳酸鹽巖δ18O平均值為-8.2‰,與第四紀(jì)海相碳酸鹽巖δ18O平均值相差-7.0‰。因此,本次研究用δ18O=-7.0‰對(duì)樣品進(jìn)行校正,校正方法為δ18O校正=δ18O原始-(-7.0‰)。利用校正后的樣品δ18O計(jì)算可得,研究區(qū)平均鹽度為33.6‰,接近現(xiàn)代海水平均鹽度。

研究區(qū)樣品反映的古鹽度指數(shù)(Z值)與古鹽度(S)具有明顯的相關(guān)性,表明利用上述指標(biāo)能較好地反映地層沉積時(shí)期的海水鹽度變化。從Z值和S值計(jì)算結(jié)果來看,雖然整體變化范圍不大,但存在一定數(shù)值波動(dòng),海水鹽度在滄浪鋪早期較低,晚期較高(圖4)。前人研究表明,滄浪鋪下段沉積期,海平面波動(dòng)明顯［1,9］。因此,鹽度指數(shù)和鹽度數(shù)的低值可能是陸相淡水混入的結(jié)果。

5.2 古海洋溫度

碳酸鹽巖碳氧同位素組成不僅受水體鹽度影響,其成巖環(huán)境溫度亦是控制其穩(wěn)定同位素組分的重要因素之一［34,60］。盡管有學(xué)者認(rèn)為寒武紀(jì)時(shí)期碳酸鹽巖氧同位素組成對(duì)揭示古海洋環(huán)境的研究意義不大［42］,但由于δ18O值受溫度影響較大［60］,基于張秀蓮［61］對(duì)氧同位素值反映成巖環(huán)境溫度高低可行性的探討,碳酸鹽巖校正后的氧同位素值仍被用于探討沉積水體溫度［34,60］。

根據(jù)四川盆地寒武紀(jì)地層碳酸鹽巖運(yùn)用較廣的古水溫經(jīng)驗(yàn)公式t=16.9-4.2(δ18O校正+0.22)+0.13(δ18O校正+0.22)2計(jì)算［13,33-34,43,45］(表2),滄浪鋪組下段沉積期海水溫度為11.6～29.6 ℃,平均為21.3℃,表明該時(shí)期研究區(qū)可能處于溫暖或炎熱的亞熱帶氣候［13］。同時(shí),滄浪鋪組下段沉積期古水溫存在一定波動(dòng),沉積早期溫度相對(duì)較高,沉積晚期溫度波動(dòng)頻繁,且溫度有明顯降低的趨勢(shì)(圖4)。

6 結(jié) 論

通過對(duì)鉆井資料、鏡下薄片的基礎(chǔ)分析,以及川中地區(qū)下寒武統(tǒng)滄浪鋪組65個(gè)碳酸鹽巖樣品的碳、氧同位素測(cè)試結(jié)果分析,得出以下認(rèn)識(shí)：

a.川中地區(qū)北部寒武系滄浪鋪組總體代表了淺水陸棚相沉積組合,滄浪鋪組下段發(fā)育大套灰?guī)r、白云巖,偶夾數(shù)層泥質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖。

b.川中地區(qū)北部寒武系滄浪鋪組54個(gè)有效樣品δ13C值為-3.4‰～-0.4‰,平均為-1.4‰;δ18O值為-10.0‰～-5.9‰,平均為-8.2‰;碳同位素值整體呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì),底部、中上部為負(fù)值,變化幅度較小,頂部整體為負(fù)值,波動(dòng)范圍大。

c.寒武系滄浪鋪組下段沉積時(shí)期,海水溫度為11.6～29.6 ℃,平均為21.3℃,屬于溫暖或炎熱的亞熱帶氣候。古海洋平均鹽度為33.6‰,從古鹽度指數(shù)(Z值)與古鹽度(S)計(jì)算結(jié)果來看,雖然整體變化范圍不大,但存在一定數(shù)值波動(dòng),可能與海平面波動(dòng)、陸相淡水混入有關(guān)。