四川盆地新元古界地质结构与构造演化

Neoproterozoic structure and tectonics of the Sichuan Basin, Yangtze Block

摘要

新元古代是地球演化历史的重要时期之一。受罗迪尼亚超级大陆拼合-裂解影响,扬子地块周缘大洋板片俯冲形成广泛分布的岩浆弧和杂岩体,但扬子地块内部四川盆地由于厚层沉积盖层覆盖,新元古界的地质结构不清,新元古代的构造演化还存在较大的争议。近年来,随着四川盆地超深层天然气勘探的发展,一批钻揭前寒武系钻井和高分辨率三维地震资料的采集,为四川盆地新元古界地质结构刻画和构造演化恢复奠定了坚实基础。钻井对比与区域格架地震剖面解释揭示,四川盆地拉伸系-成冰系与埃迪卡拉系陡山沱组表现为北东-南西向川中古隆起向两侧过渡为坳陷的隆-坳地质结构,埃迪卡拉系灯影组呈现碳酸盐岩台地-坳槽的地质结构。综合盆地内部与盆缘岩浆事件认为,四川盆地新元古代经历了四期演化:(1)约860~830 Ma,大洋板片在扬子西北缘高角度俯冲并在碧口地块、米仓山-汉南地块形成岩浆弧;(2)约830~820 Ma,俯冲板片变缓呈低角度或平板向四川盆地内部俯冲,在川中形成北东-南西向大陆弧;(3)约820~720 Ma,盆地内部俯冲板片发生拆沉,俯冲板片回撤至扬子西北缘继续俯冲,川中地区发生均衡隆升;(4)约720~635 Ma,扬子西北缘处于被动边缘环境,川中地区持续隆升剥蚀。川中大陆弧约1.85亿年的隆升剥蚀为两侧坳陷提供大量的碎屑物质和丰富的营养物质,为新元古界烃源岩形成提供了物质基础。川西北埃迪卡拉系陡山沱组是有利的勘探领域,川中古隆起周缘拉伸系-成冰系是潜在的勘探领域。

Abstract

The Neoproterozoic represents one of the key periods in Earth’s evolutionary history. Widespread magmatic arcs and complexes formed along the margins of the Yangtze Block due to oceanic plate subduction associated with the assembly and breakup of the Rodinia supercontinent. However, within the interior of the Yangtze Block, particularly the Sichuan Basin, Neoproterozoic geological structure remains poorly understood owing to thick sedimentary cover, leading to significant controversies regarding its tectonics. Recent advancements in ultra-deep natural gas exploration—including drillings penetrating the Precambrian and the acquisition of high-resolution 3D seismic data—have provided a solid foundation for identifying Neoproterozoic structures and reconstructing tectonic evolution. Well correlations and seismic interpretations reveal that the Sichuan Basin exhibits a geological framework of uplift and depression, with the NE-SW-trending central Sichuan Paleouplift flanked by depressions on both sides, spanning from the Tonian-Cryogenian to the Ediacaran Doushantuo Formation. In contrast, the Ediacaran Dengying Formation displays a carbonate platform-trough structure. Integrating intra-basinal and marginal magmatic events, we propose a four-phase evolution model for the Neoproterozoic Sichuan Basin: (1) Ca. 860-830 Ma: Magmatic arcs formed due to high-angle subduction along the northwestern margin (Bikou and Micangshan-Hannan terranes); (2) Ca. 830-820 Ma: Subduction transitioned to a low-angle mode, extending inward to form NE-SW-trending continental arcs beneath central Sichuan; (3) Ca. 820-720 Ma: Slab break-off occurred, with the subducted slab retreating to the northwestern margin for continued subduction, accompanied by regional uplift in central Sichuan; (4) Ca. 720-635 Ma: The northwestern margin evolved into a passive margin, while central Sichuan experienced persistent uplift and erosion. This prolonged (~185-million-year) uplift and erosion of the continental arcs supplied vast clastics and nutrients to the flanking depressions, providing the material basis for hydrocarbon source rock formation. Consequently, the Ediacaran Doushantuo Formation in the NW Sichuan Basin is a promising exploration target, while the Tonian-Cryogenian strata on the periphery of the central Sichuan Paleouplift represent a potential ultra-deep exploration domain.

Graphical abstract

关键词

四川盆地 / 新元古界 / 隆-坳结构 / 构造演化 / 勘探领域

Key words

Sichuan Basin / Neoproterozoic / uplift and depression structure / tectonic evolution / exploration domain

0 引言

新元古代是地球演化历史的重要时期之一,全球古构造、古环境与生命早期演化等一系列重要事件都发生在这一时期^[1-3]。该时期是罗迪尼亚超级大陆会聚-裂解主要时期,古地理恢复显示扬子地块新元古代位于罗迪尼亚超级大陆边缘位置^[4]。受罗迪尼亚超级大陆拼合影响,大洋板片在扬子地块西缘发生长期的俯冲,导致扬子地块周缘形成大面积分布的岩浆弧和杂岩体,前人常称其为攀西-汉南岩浆弧。

扬子地块西缘新元古代长期的大洋俯冲伴随着显著的岩浆爆发事件和地壳物质再循环。该区域的地壳物质循环主要通过两种机制实现:(1)俯冲板片将地壳物质(包括大洋板片和上覆沉积物)输送至地幔深度,通过脱水和熔融过程产生的熔体和(或)流体与地幔楔发生交代反应,从而导致原始弧岩浆表现出多样且富集的地球化学特征^[5-9];(2)近年来对扬子地块西缘新元古代深部地壳混合岩化作用的研究揭示,表壳火山-沉积岩系可在极短地质时限内被运移-底垫到下部地壳并发生深熔作用^[10-13],这种循环机制被认为发生在挤压环境,借助弧内大规模推覆断层系统进行^[12]。新元古代地壳物质循环形成的岩浆弧在后期隆升剥蚀过程中,富含营养元素的碎屑物质被搬运、沉积充填于周缘的坳陷中,有利于优质油气烃源岩的形成,对扬子地块新元古界油气成藏具有重要的控制作用。

四川盆地由埃迪卡拉系—中三叠统海相碳酸盐岩、上三叠统—白垩系陆相碎屑岩所组成,沉积充填地层厚度达10~12 km^[14]。巨厚沉积盖层的发育,导致盆地内部新元古界的地质结构认识不清。前人基于重力、航磁资料,认为四川盆地新元古界存在隆-坳地质结构,但不同学者刻画的隆-坳结构的平面分布差异明显^[15-18]。近年来,随着四川盆地天然气勘探向超深层拓展,一批钻井揭开埃迪卡拉系甚至盆地基底岩浆岩,在盆地内部采集了大面积连片高分辨率三维地震,为盆地内部新元古界地质结构的刻画和新元古代构造演化研究奠定了坚实基础。本文基于四川盆地钻揭基底钻井,结合最新采集的地震资料,刻画四川盆地新元古界的地质结构,恢复新元古代的构造演化过程,首次揭示川中新元古代大陆弧形成演化对烃源岩的物源贡献,并探讨新元古界油气成藏条件和天然气勘探潜力。

1 区域地质背景

四川盆地位于扬子地块西北部,周缘分别为龙门山褶皱-逆冲带、松潘-甘孜地块、碧口地块、米仓山-汉南地块和秦岭造山带所围绕^[19](图1)。龙门山褶皱-逆冲带呈北东-南西向展布,长约500 km,宽约50 km,其与四川盆地由灌县—安县断裂分隔,与碧口地块由平武—青川断裂所分隔。

龙门山褶皱-逆冲带的西南段、中段与北段分别出露康定杂岩^[20]与宝兴杂岩^[21]、彭灌杂岩^[22-23]和轿子顶杂岩^[24-25],这些杂岩体主要由新元古代的岩浆弧、火山岩和更古老的地层、岩体所组成^[26]。川西南与龙门山褶皱-逆冲带西南段、中段出露苏雄组、开建桥组、黄水河群火山岩与火山碎屑岩,其与上覆列古六组或陡山沱组不整合接触(图2)。碧口地块新元古界主要由南东侧的碧口群火山岩和北西侧的横丹群火山碎屑岩所组成^[27],在碧口地块北西边缘文县附近出露拉伸系-成冰系浅变质碎屑岩、冰碛砾岩,埃迪卡拉系陡山沱组深水碎屑岩-碳酸盐岩混积相沉积和灯影组深水相碳酸盐岩^[28](图2)。米仓山-汉南地块位于四川盆地北缘,古元古界由后河群片麻岩、变粒岩、斜长角闪岩组成^[29-30],中-新元古界火地垭群由麻窝子组浅变质大理岩夹薄层泥页岩、上两组浅变质泥板岩夹大理岩组成^[31],西乡群主要为一套火山-沉积岩系,火山-火山碎屑岩非常发育^[32]。米仓山南江杨坝地区火地垭群直接与上覆埃迪卡拉系陡山沱组角度不整合接触,而汉南地块周缘宁强左家湾剖面发育拉伸系厚层砂砾岩、成冰系含冰碛砾岩冰海相沉积和埃迪卡拉系以碳酸盐岩为主的混积相沉积^[28,33](图2)。扬子地块西北缘成冰系主要为一套含冰碛砾岩的碎屑岩沉积,火山岩不发育,总体反映被动大陆边缘沉积环境。

2 四川盆地新元古界地质结构

本文应用四川盆地周缘露头剖面、多口钻揭前埃迪卡拉系钻井及二维、三维高分辨地震资料,刻画四川盆地新元古界的地质结构。

2.1 钻井地层对比

2.1.1 北东-南西向地层对比剖面

为明确四川盆地新元古界地层岩性与接触关系,本文搭建两条区域钻井对比剖面。近北东-南西向剖面(老龙1—威117—施探1—蓬深4—蓬探1—高石1—女基井)全长约350 km(图3),陡山沱组厚度介于 20~60 m之间。该剖面陡山沱组底部分别与基底花岗岩、紫红色安山岩、紫红色流纹岩不整合接触,上部分别与灯影组含硅质白云岩、砂质白云岩、泥质白云岩等接触。该剖面显示陡山沱组厚度总体较薄,揭示陡山沱组沉积期该地区位于古地貌高部位接受较少的沉积。老龙1井陡山沱组底部为一薄层泥岩沉积,下部岩性以砂质白云岩为主,夹一薄层长石砂岩,为砂云坪沉积,上部以砂岩沉积为主,为砂坪沉积。威117井陡山沱组底部为一薄层砂质泥岩沉积,下部以灰绿色砂岩沉积为主(图4a,b),夹灰绿色泥质砂岩、含泥质白云岩,泥岩中发育砂岩透镜体,砂岩中偶见波痕,为砂泥坪沉积;上部以膏盐岩沉积为主(图4c),夹砂岩、白云岩、含泥质白云岩等,处于潟湖环境。施探1井整体为云质砂岩与粉砂岩互层,为砂坪沉积。蓬探1井沉积一套云质粉砂岩,高石1井沉积一套云质砂岩,均为砂坪沉积。女基井底部为泥质白云岩沉积,中下部以粉晶白云岩沉积为主,局部夹页岩,上部以粉砂岩、角砾岩、白云岩沉积为主,为云坪沉积。该剖面整体沉积环境以混积陆棚相沉积为主,至女基井逐渐过渡为清水碳酸盐岩台地沉积为主(图3)。

2.1.2 北西-南东向地层对比剖面

搭建的北西-南东向对比剖面(绵竹清平—施探1—蓬深4—蓬探103—高石1—荣昌1—宁1),全长约440 km,陡山沱组厚度介于 20~200 m之间(图5)。四川盆地周缘北西、南东两侧陡山沱组沉积厚度大,盆地中部地层沉积薄,仅约20 m,远小于周缘地层厚度,揭示陡山沱组沉积期盆地北西、南东两侧处于古地貌低部位,接受更完整的沉积充填。绵竹清平剖面陡山沱组下部以砂岩、粉砂岩与粉砂质泥岩、泥岩互层为主(图4d),上部以薄层云岩夹泥岩为主(图4e),为典型的斜坡相沉积。蓬探103井以砂质白云岩与云质砂岩互层沉积为主,为砂云坪沉积。高石1井沉积一套云质砂岩,为砂云坪沉积。荣昌1井以砂岩、泥质粉砂岩与云质砂岩互层沉积为主,为砂云坪沉积。宁1井沉积一套巨厚砂岩,为砂坪沉积。该剖面整体沉积环境以碎屑陆棚相、混积陆棚相沉积为主,至陡山沱组沉积晚期绵竹清平地区逐渐过渡为清水碳酸盐岩斜坡相沉积。

2.2 地震解释

在明确新元古界岩性和接触关系的基础上,本文应用高分辨率三维地震搭建两条区域地震大剖面。通过已钻井在地震剖面的层位标定和引层,应用盆地内二维与三维地震资料确定埃迪卡拉系陡山沱组与灯影组平面厚度变化,进一步刻画盆地新元古界的地质结构特征。

2.2.1 区域地震大剖面

剖面A-A'是沿灯影组底界拉平、近南北向贯穿整个盆地的区域地震大剖面,长约360 km(图6)。地震剖面显示四川盆地新元古界自下而上发育成冰系、埃迪卡拉系陡山沱组和灯影组,呈现由川中地区向北西、南东两侧逐渐过渡为沉积坳陷的地质结构。川中地区为一大型古隆起,北西侧为川西坳陷,南东侧为川东坳陷。以川中古隆起为中心,川西坳陷与川东坳陷大致对称,从两侧向中间逐渐超覆沉积。川西坳陷沉积了成冰系和埃迪卡拉系,埃迪卡拉系陡山沱组从北西向南东厚度逐渐减薄,地层内部反射轴可见上超特征。川东坳陷沉积了成冰系和埃迪卡拉系,陡山沱组从南东向北西厚度逐渐减薄,地层内部反射轴也可见上超特征。

剖面B-B'是沿灯影组底界拉平、近东西向的贯穿整个盆地的区域地震大剖面,长约338 km(图6)。该剖面地震反射特征与剖面A-A'类似,自下而上发育成冰系、埃迪卡拉系陡山沱组和灯影组。川中地区为一大型古隆起,向两侧过渡为沉积坳陷,西侧为川西坳陷,东侧为川东坳陷。以川中古隆起为中心,川西坳陷与川东坳陷大致对称,从两侧向中间逐渐超覆。川西坳陷沉积了成冰系和埃迪卡拉系,埃迪卡拉系陡山沱组自西向东上超特征明显。川东坳陷沉积了成冰系和埃迪卡拉系,成冰系、埃迪卡拉系陡山沱组自东向西逐渐超覆沉积。

2.2.2 地层厚度图

基于盆地内钻穿陡山沱组的钻井及覆盖盆地的二维、三维地震资料,本文编制四川盆地陡山沱组厚度平面分布图(图7),揭示陡山沱组在川中古隆起厚度薄、两侧坳陷厚度大的特征。四川盆地大部分地区缺失陡一段、陡二段,残留地层厚度一般为20~385 m。在乐山—资阳—广安—达州一线沉积厚度最薄,为川中古隆起发育区。川中古隆起两侧陡山沱组沉积厚度逐渐增加,至川西坳陷沉积厚度最大,普遍在260~380 m;陡山沱组在川东地区沉积厚度较大,超过200 m。

基于盆地内钻穿灯影组的钻井及覆盖盆地的二维、三维地震资料,本文编制四川盆地灯影组厚度分布图(图8)。四川盆地灯影组总体呈现碳酸盐岩台地-坳槽的隆-坳地质结构。四川盆地大部分地区灯影组发育比较齐全,残余地层厚度一般为8~1 300 m。在绵阳—施探1井地区沉积厚度最薄(8~30 m),为灯影组台内坳槽分布区。台内坳槽两侧灯影组厚度快速增加,东侧台缘带厚度可达1 200 m以上,西侧碳酸盐岩台地厚度可达900 m以上,川东宣汉-开江古隆起地区厚度在300~650 m^[34]。

埃迪卡拉系陡山沱组与灯影组厚度变化具有不同的成因机制。陡山沱组展布继承四川盆地前埃迪卡拉系地质结构,总体呈现北东-南西向地层薄,向两侧地层厚度增大的特征;灯影组厚度变化是由碳酸盐岩台地沉积形成的,在碳酸盐岩台地与台缘带地层厚度较大,在碳酸盐岩台内坳槽与古隆起地区地层厚度较薄。

2.3 新元古界地质结构

综合四川盆地周缘新元古界野外露头、盆地内钻揭基底钻井与大面积地震资料,本文认为四川盆地新元古界拉伸系-成冰系、埃迪卡拉系陡山沱组总体呈现由川中古隆起向两侧过渡为沉积坳陷的隆-坳地质结构(图9),至埃迪卡拉系灯影组沉积期,演变为碳酸盐岩台地-坳槽的地质结构。新元古界川中古隆起的分布范围主要依据川中强正磁异常的平面分布进行厘定^[35],主要由拉伸纪流纹岩、花岗岩、花岗闪长岩等中酸性岩浆岩和更古老的地层所组成(图9)。由川中古隆起向两侧过渡为川西坳陷和川东坳陷,坳陷内主要充填拉伸系-成冰系碎屑岩,沉积厚度由川中古隆起向两侧逐渐增加,沉积物主要源自川中古隆起长期持续隆升剥蚀,这些均被钻井和地震资料所证实。

3 四川盆地新元古代构造演化

钻井对比、航磁与地震解释、基底岩心年代学、岩石学和地球化学综合分析,揭示四川盆地中部存在约830~770 Ma、北东-南西向延伸近700 km长的大陆弧^[35]。综合四川盆地周缘新元古代的构造岩浆事件,认为四川盆地新元古代经历了四期构造演化(图10):

(1)约860~830 Ma,大洋板片在扬子地块西北缘高角度俯冲,在碧口地块、米仓山-汉南地块形成大面积展布的岩浆弧(图10a)。约860 Ma的辉长岩等基性岩浆岩在碧口地块白雀寺、米仓山-汉南地块东南缘广泛分布,全岩元素和锆石微量元素地球化学分析,揭示形成于俯冲大陆弧的构造背景^[26]。

(2)约830~820 Ma,俯冲板片变缓呈低角度或平板向四川盆地内部俯冲,在川中形成北东-南西向大陆弧(图10b)。四川盆地中部威117井、老龙1井钻揭拉伸纪约820~770 Ma的花岗岩,蓬探1井、蓬探103井、蓬深4井、荣昌1井等均钻揭拉伸纪约830~820 Ma的流纹岩,锆石微量元素地球化学分析揭示这些岩体形成于大陆弧的构造背景^[35]。

(3)约820~720 Ma,四川盆地内部俯冲板片发生拆沉,俯冲板片回撤至扬子西北缘继续俯冲,川中地区发生均衡隆升(图10c)。川中地区钻井显示埃迪卡拉系陡山沱组或灯影组与基底约820 Ma流纹岩不整合接触,两者之间存在至少185 Ma的沉积间断(图3,5),因此,该时期川中地区由于俯冲板片回撤而发生均衡隆升。俯冲板片回撤到扬子地块西北缘继续俯冲,形成分布范围广泛的中酸性侵入岩和火山岩(图9)。横穿四川盆地深反射地震剖面显示,川中地区曾经发生过板片俯冲过程^[36]。

(4)约720~635 Ma,扬子西北缘处于被动大陆边缘环境,川中地区持续隆升剥蚀(图10d)。该时期扬子地块周缘与四川盆地内部的岩浆活动均不活跃,总体处于被动大陆边缘环境。成冰纪,川中地区仍处于持续隆升剥蚀状态,而川中古隆起周缘地区接受碎屑沉积而充填成冰系冰碛岩等碎屑沉积。埃迪卡拉纪,全球气候变暖,冰川融化,海平面上升,在四川盆地沉积了陡山沱组碳酸盐岩-碎屑岩混积相、灯影组以碳酸盐岩为主的台地相沉积。

综上所述,拉伸纪(ca. 830~820 Ma)大洋板片在川中地区平板俯冲导致川中地区大陆弧的形成,当俯冲板片回撤至扬子地块西缘时,川中地区由于岩石圈均衡效应处于持续隆升剥蚀状态,川中地区隆升剥蚀的物质沉积充填于北西、南东两侧的沉积坳陷中,这样就形成了由川中古隆起、川东坳陷与川西坳陷组成的隆-坳地质结构。

4 四川盆地新元古界勘探潜力

四川盆地埃迪卡拉系灯影组天然气勘探获得万亿方大气田,证实了新元古界天然气巨大勘探潜力^[37]。四川盆地新元古界地质结构刻画揭示川中古隆起缺失拉伸系-成冰系,但由川中古隆起向周缘发育拉伸系-成冰系。川中古隆起大陆弧约1.85亿年的隆升剥蚀为两侧沉积坳陷提供大量的碎屑物质和丰富的营养物质,为新元古界优质油气烃源岩的形成提供了物质基础。综合研究认为,川西北埃迪卡拉系陡山沱组是有利的勘探领域,川中古隆起周缘拉伸系-成冰系是潜在的勘探领域。

4.1 埃迪卡拉系陡山沱组有利的勘探领域

埃迪卡拉系陡山沱组一般划分为四段,陡一段、陡三段以碳酸盐岩为主,陡二段、陡四段以碎屑岩为主。钻井揭示川中古隆起陡山沱组厚度较薄,但由川中古隆起向周缘陡山沱组的厚度逐渐增加,地层发育更加完整。四川盆地周缘多个野外露头揭示陡山沱组发育黑色泥页岩。例如,绵竹清平剖面陡山沱组顶部发育20多米厚的黑色泥岩(图11a,b)。宁强左家湾剖面陡二段发育近百米黑色泥岩(图11c),陡四段发育近8 m厚的泥岩与灰岩互层(图11d)。此外,川西北宁强左家湾剖面陡三段发育厚约30 m微生物纹层状白云岩(图11e,f),储集空间主要为顺层发育的溶蚀孔洞和晶间孔。因此,川西北陡山沱组发育陡二段、陡四段优质烃源岩,陡三段纹层状白云岩储层,形成下生上储有利的生储盖组合。

4.2 拉伸系-成冰系潜在的勘探领域

成冰系大塘坡组为一套间冰期沉积的富含锰元素的黑色页岩,在四川盆地周缘多个野外露头出露,但在盆地内是否发育,分布范围与烃源岩质量、成烃潜力还需要进一步评价。四川盆地西南部大兴场构造灯影组天然气勘探获得了重要突破,证实为富含氦气的天然气藏,有机地球化学分析揭示烃源岩可能为寒武系筇竹寺组与下伏前埃迪卡拉系烃源岩的综合贡献^[38-39]。川西南乐山金口河地区野外露头观察证实,峨边群发育厚度大于200 m的浅变质黑色页岩,页岩内黄色硫磺指示还原硫化环境(图12a,b),推测为优质烃源岩,该套烃源岩的分布范围、生烃质量和生烃贡献还需要深入研究。川北米仓山-汉南地块火地垭群麻窝子组主要以浅变质的碳酸盐岩为主,在底部发育一套厚约50 m的盆地-斜坡相黑色泥页岩(图12c,d),南江杨坝尖山村石墨矿钻井显示,麻窝子组浅变质大理岩的溶蚀孔洞或破碎带内见大量残留沥青(图12e,f),揭示麻窝子组曾经发生过油气成藏过程,为一套潜在的油气成藏组合。

5 结论

(1)四川盆地拉伸系-成冰系与埃迪卡拉系陡山沱组表现为北东-南西向川中古隆起向两侧过渡为坳陷的隆-坳地质结构,埃迪卡拉系灯影组呈现碳酸盐岩台地-坳槽的地质结构。

(2)四川盆地新元古代经历了四期演化:约860~830 Ma,大洋板片在扬子西北缘高角度俯冲并在碧口地块、米仓山-汉南地块形成岩浆弧;约830~820 Ma,俯冲板片变缓呈低角度或平板向四川盆地内部俯冲,在川中形成北东-南西向大陆弧;约820~720 Ma,盆地内部俯冲板片发生拆沉,俯冲板片回撤至扬子西北缘继续俯冲,川中地区发生均衡隆升;约720~635 Ma,扬子西北缘处于被动大陆边缘环境,川中地区持续隆升剥蚀。

(3)川中大陆弧约1.85亿年的隆升剥蚀为两侧坳陷提供大量的碎屑物质和丰富的营养物质,为新元古界烃源岩形成提供了物质基础。川西北埃迪卡拉系陡山沱组是有利的勘探领域,川中古隆起周缘拉伸系-成冰系是潜在的勘探领域。

感谢中国石油勘探开发研究院张宝民、罗平和厦门大学简星在野外工作中给予的指导和帮助!感谢两位审稿专家提出的宝贵修改意见,极大地提高了文章的质量。

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基金资助

中国石油重大科技专项(2023ZZ0201)

中国石油重大科技专项(2023ZZ1601)

国家科技重大专项(2025ZD1400400)