DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2017.08.019

坳拉槽层序地层学：以湘中坳陷为例

刘辰生^{1, 2}，郭建华^{1, 2}

(1. 中南大学 有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室，湖南 长沙，410083；

2. 中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙，410083)

摘要：锡矿山组沉积期是湘中坳拉槽最发育的时期，根据岩性、沉积构造及古生物等沉积相鉴别标志，可识别出深水台盆相、浅水台盆相、局限台地相、滑塌灰岩相和滨岸相等。从锡矿山组可识别出4个三级层序边界，划分出3个三级层序。从这3个层序均可识别出海侵体系与和高位体系域，海侵体系域为浅水台盆相和深水台盆相沉积，而高位体系域为浅水台盆相、局限台地相和滨岸相沉积；坳拉槽层序在发育过程中受到构造活动、物源和气候等因素的控制，其中构造是主控因素。SQ1层序沉积期边界断裂活动性最强，烃源岩也最发育。

关键词：坳拉槽；锡矿山组；层序地层学；构造活动；烃源岩

中图分类号：TF112.21             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2017)08-2113-06

Sequence stratigraphy of aulacogen:taking Xiangzhong depression as an example

LIU Chensheng^{1, 2}, GUO Jianhua^{1, 2}

(1. Key Laboratory of Metallogentic Prediction of Nonferrous Metals and Geological Environment Monitoring of

Ministry of Education, Central South University, Changsha 410083, China;

2. School of Geosciences and Info-physics, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: Aulacogen develops best during Xikuangshan formation deposition. According to lithology, sedimentary structure and paleonotology, restricted platform facies, deep water inter-platform, shallow inter-platform and coastal facies can be identified. Four third-order sequence boundaries can be identified, and three third-order sequences can be divided. All of sequence can be subdivided into transgressive system and high stand system. Facies of transgressive system include shallow inter-platform and deep inter-platform. Facies of high stand system include shallow inter-platform, restricted platform and coastal facies. The sequences evolution of Xikuangshan formation is controlled by structure and climate factors, and structure is the major controlling factor. Activity of boundary fault is the strongest during deposition of SQ1, and the source rock develops the most.

Key words: aulacogen; Xikuangshan formation; sequence stratigraphy; structure activity; source rock

2013年川中古隆起起发现了安岳震旦系—寒武系特大型气田，探明含气面积为779.9 km²，探明地质储量为4 403.8×10⁸ m³。该特大型气田的烃源岩分布在川中“德阳—安岳”古裂陷槽内^[1]，这也使坳拉槽再次成为地质学研究者关注的焦点。20世纪60年代，朱夏^[2]指出今后寻找油气资源的工作重点将转向2类盆地：一类是阿尔卑斯期(中新生代)的盆地，另一类则是受阿尔卑斯运动体制改造了的早期(古生代)盆地。孙枢等^[3]指出坳拉槽与油气和矿产资源存在密切关系，应加大对坳拉槽的地质勘探工作。但随着我国东部陆相油气田的成功勘探，研究重点转向陆相断陷盆地的构造、沉积和成藏等方面，而对坳拉槽的地质研究逐渐减少。目前，随着页岩气和南方油气勘探的兴起，亟待对坳拉槽的沉积建造过程、构造活动期次以及坳拉槽的油气勘探潜力等进行研究。湘中坳拉槽广泛发育上泥盆统泥页岩烃源岩，该烃源岩以腐泥型为主，平均残余有机碳质量分数为0.36%，有机质成熟度(R_o)为1.8%~2.5%，表明湘中坳拉槽烃源岩具有很强的生烃能力，且已经处于生气阶段。统计表明，湘中坳陷90%以上的油气显示均分布在坳拉槽发育的区域(图1)，因此，坳拉槽对湘中坳陷油气具有明显的控制作用。虽然湘中坳拉槽具有很强的油气勘探潜力，但对于该坳拉槽的沉积建造过程以及构造活动对沉积的影响等方面的认识有待深入。湘中坳陷基底为下古生代褶皱基底。寒武纪—晚奥陶世湘中坳陷为上扬子大陆边缘盆地-深水缓坡沉积区，发育巨厚层暗色泥页岩^[4-5]。在晚奥陶世—中、晚志留世，湘中坳陷为前陆盆地沉积区，广泛发育砂泥岩沉积。在志留纪末期湘中坳陷受广西运动的影响，全区隆起为陆，地层受到剥蚀。在中泥盆世，研究区受拉张应力作用，形成北北东向裂陷槽，并受到西南方向海侵的影响。湘中坳拉槽在晚泥盆世达到全盛时期，海侵规模最大，泥页岩最发育^[6-7]，同时，坳拉槽边缘广泛发育生物礁和边缘浅滩沉积。在晚泥盆世末期，湘中坳拉槽受到热沉降的影响转变为坳陷型盆地，坳拉槽对沉积的控制作用减弱。

图1  湘中坳拉槽和油气显示点分布

Fig. 1  Distribution of Xiangzhong aulacogen and petroleum show points

1  沉积相类型

上泥盆统锡矿山组沉积期是湘中坳拉槽最发育的时期之一，也是烃源岩最发育的时期。锡矿山组可划分为4个段，自下而上分别是陶塘段、兔子塘段、泥塘里段和马牯脑段(见图2)。陶塘段以灰黑色钙质页岩为主，夹薄层泥质条带灰岩和含生物碎屑灰岩。兔子塘段下部为灰色中—厚层具铁质斑点生物碎屑灰岩和瘤状灰岩，铁质斑点多呈红褐色；中部为灰色和灰黑色钙质页岩夹灰色瘤状灰岩；上部为灰色中层瘤状灰岩和含生物碎屑灰岩。泥塘里段以灰色钙质页岩及棕红色薄—中层铁质砂岩为主(局部为赤铁矿)，该铁矿层中常发育大量斜层理及生物介壳，铁矿层厚度稳定，平均厚度为20 m，是标志层。马牯脑段下部为灰色薄层钙质页岩、瘤状灰岩、灰质砂岩和含生物碎屑灰岩，中部为灰黑色钙质页岩，上部为灰黑色薄层钙质页岩、瘤状灰岩和厚层含生物碎屑灰岩。

图2  湘中坳拉槽层序地层划分方案

Fig. 2  Division of aulacogen of Xiangzhong depression

根据岩性、沉积构造及古生物等沉积相鉴别标志，研究区锡矿山组可识别出深水台盆相、浅水台盆相、滑塌灰岩相、局限台地相和滨岸相等。

1) 深水台盆相。岩性以灰黑色钙质页岩为主。钙质页岩中常夹有薄层含生物碎屑灰岩和泥质条带灰岩。钙质页岩中常含完整的珊瑚化石，珊瑚化石平均长约8 cm，直径为0.2~1.5 cm，为台地边缘生物礁滑塌沉积。深水台盆相限制在2条边界断裂之间，是边界断裂强烈活动期深水沉积。深水台盆相分布在陶塘段、兔子塘段和马牯脑段。

2) 浅水台盆相。岩性以灰色中—厚层状泥灰岩和瘤状灰岩为主，少见生物碎屑。浅水台盆相是边界断裂弱断陷期沉积，水体深度较深水台盆相小。该相常与下伏深盆台地相钙质页岩组成向上变浅的准层序。该相在陶塘段、兔子塘段、泥塘里段和马牯脑段均有发育。

3) 滑塌灰岩相。岩性以泥质条带灰岩、生物碎屑灰岩和瘤状灰岩为主。生物碎屑灰岩中生物屑质量分数在40%以上，生物颗粒间以泥晶胶结物为主，发育滑塌角砾岩和斜层理、冲刷面。瘤状灰岩常为薄至中层，泥质质量分数高，滑塌变形构造发育，常见完整的珊瑚和腕足类化石。该相在陶塘段、兔子塘段、泥塘里段和马牯脑段均发育。

4) 局限台地相。岩性以灰色厚层含生物碎屑灰岩和泥晶灰岩为主。生物碎屑粒径小，平均粒径小于5 mm，生物碎屑分选差，含生物碎屑灰岩泥质质量分数高。局限台地相主要分布在锡矿山组马牯脑段。

5) 滨岸相。岩性以铁质砂岩和鲕粒赤铁矿(即“宁乡式赤铁矿”)为主。铁质砂岩中含有大量的生物碎屑，且斜层理发育。滨岸相仅分布在泥塘里段，沉积期水体浅，水动力条件强。

2  层序划分

2.1  层序边界识别

研究区层序边界识别主要依据沉积相类型的变化和准层序叠置样式的改变。研究区锡矿山组共识别出4个层序边界，自下而上分别命名为B1，B2，B3和B4(图2)。

B1位于锡矿山组底部，界面之下为佘田桥组局限台地相，而B1界面以上为锡矿山组陶塘段深水台盆相，界面上、下沉积相存在缺失。B2位于陶塘段与兔子塘段交界处，其下为陶塘段滑塌灰岩相，其上为兔子塘段浅水台盆相和局限台地相，层序界面上下沉积相类型发生明显变化。B3界面位于泥塘里段和马牯脑段交界处，界面之下为滨岸相，界面之上为浅水台盆相，界面上下沉积相类型出现突变。B4界面位于马牯脑段顶部，界面之下为局限台地相，界面之上为石炭系邵东组滨岸相。界面上下沉积相类型发生突变，且界面为侵蚀面。

2.2  层序划分

根据B1，B2，B3和B4等4个层序界面，划分出3个三级层序，自下而上为SQ1，SQ2和SQ3层序(图2)。

2.2.1  SQ1层序

该层序包括陶塘段，该段以钙质页岩为主，根据岩性、沉积环境的变化和准层序叠置样式的改变可识别出海侵体系域和高位体系域。海侵体系域岩性包括薄层状泥灰岩、钙质页岩夹薄层生物碎屑灰岩。海侵体系域由2个准层序形成退积准层序组，每个准层序下部为深水台盆相沉积的钙质页岩和薄层泥灰岩，上部为浅水台盆相沉积的薄层泥质条带灰岩，准层序自下而上水体深度逐渐减小。该体系域平均厚度达130 m。

高位体系域分布在陶塘段上部，岩性以薄层钙质页岩和泥质条带灰岩为主。高位体系域由2个准层序组成进积准层序组。每个准层序下部为深水台盆相薄层泥灰岩，上部为浅水泥质条带灰岩。该体系域与海侵体系域相比较，生物化石质量分数明显增大，而泥质质量分数明显减小。

2.2.2  SQ2层序

该层序包括兔子塘段和泥塘里段。兔子塘段岩性包括瘤状灰岩、钙质页岩和生物碎屑灰岩，泥塘里段为钙质页岩和铁质砂岩。该层序可识别出海侵体系域和高位体系域，低位体系域不发育。

海侵体系域包括兔子塘组中、下部，岩性为厚—巨厚层含生物碎屑灰岩、具铁质斑点含生物碎屑瘤状灰岩和钙质页岩。由下至上，沉积相类型依次为局限台地相、滑塌灰岩相、浅水台盆相和深水台盆相，体现了水体深度逐渐变深、可容纳空间逐渐增大的趋势。该体系域由3个准层序叠置组成1个退积准层序组。每个准层序下部均为深水台盆相，上部为局限台地相或开阔台地相。

高位体系域包括兔子塘段上部和泥塘里段。兔子塘段上部岩性包括深水台盆钙质页岩和滑塌灰岩相瘤状灰岩以及局限台地相含生物碎屑灰岩，而泥塘里段岩性为浅水台盆相钙质页岩和滨岸相铁质砂岩。该体系域由2个准层序叠置形成1个进积准层序组。每个准层序下部均为台盆相，而上部则渐变为滑塌灰岩相、局限台地相或滨岸相。

2.2.3  SQ3层序

该层序包括马牯脑段，可识别出海侵体系域和高位体系域，见图3。海侵体系域分布在马牯脑段下部，岩性包括滨岸相灰质砂岩、局限台地相含生物碎屑灰岩、滑塌灰岩相瘤状灰岩、浅水和深水台盆相钙质页岩等。海侵体系域由2个准层序叠置形成退积准层序组，每个准层序下部均由台盆相钙质页岩沉积，上部为滑塌灰岩相、局限台地相或滨岸相等浅水沉积。

高位体系域分布在马牯脑段上部，岩性包括深水台盆相钙质页岩、中层瘤状灰岩和含生物碎屑灰岩等。该体系域可识别出2个准层序，每个准层序组下部为台盆相钙质页岩沉积，向上渐变为滑塌灰岩相瘤状灰岩和局限台地相含生物碎屑灰岩等沉积。这2个准层序页岩的质量分数向上减少，灰岩厚度逐渐增大，整体表现为向上可容纳空间逐渐减小，因此，这2个准层序叠置形成进积准层序组。

2.3  湘中坳拉槽沉积演化

研究区锡矿山组各段岩性复杂，既有碳酸盐岩，又有碎屑岩。复杂的岩石类型表明研究区沉积相类型丰富。通过岩性和沉积构造研究表明研究区沉积相类型包括深水台盆相、浅水台盆相、局限台地相和滨岸相等。锡矿山组陶塘段(SQ1层序)以深水台盆相钙质页岩沉积为主，页岩中夹有薄层泥质条带灰岩，泥质条带灰岩中滑塌常发育滑塌变形构造。虽然兔子塘段(SQ2层序中下部)仍然发育钙质页岩，但钙质页岩的厚度明显减小，灰岩的规模增大，表明兔子塘段以浅水台盆和局限台地相为主，而深水台盆相沉积期较短。泥塘里段(SQ2层序上部)沉积期主要为浅水台盆相泥页岩和滨岸相等沉积，因此，该段沉积期水体进一步变浅。马牯脑段(SQ3层序)沉积期钙质页岩的质量分数增大，至该段中部页岩质量分数达到最大，该段上部灰岩质量分数增大，而页岩质量分数减小。该段沉积相类型由浅水台盆相和局限台地相过渡到深水台盆相，至该段上部复变为浅水台盆相和局限台地相。因此，根据沉积相类型的变化，可以总结认为：自陶塘段至泥塘里段，主要沉积相类型由深水台盆相变为浅水台盆相、局限台地相和碎屑滨岸相，水体由深变浅。

图3  锡矿山组SQ3层序沉积特征

Fig. 3  Deposition features of SQ3 in Xikuangshan formation

泥塘里段至马牯脑段沉积相类型由滨岸相复变为深水台盆相和局限台地相，因此，水体由浅变深再变浅。

3  坳拉槽层序控制因素

研究区层序明显受到构造活动、物源和气候的控制，其中构造活动是其主要的控制因素。

3.1  构造因素

构造活动规律控制了层序内部构成、沉积体系类型和分布。泥盆纪，华南海发生了明显的陆内裂陷作用，桂中、桂东北、桂西、黔南地区出现台间坳拉槽^[8-10]，中泥盆世坳拉槽逐渐向北东方向扩展，并达到湘中地区。该时期在湘中地区形成广泛的碳酸盐台地和台盆相间分布的格局^[11-13](图4)。台盆是分布在碳酸盐岩台地间的深水沉积区，并受到坳拉槽边界断裂的控制，海水深数十米至几百米不等。整体而言，锡矿山组沉积早期是坳拉槽边界断裂最活跃的时期，并控制着整个坳拉槽主要烃源岩的沉积。锡矿山组沉积晚期，坳拉槽边界断裂的活动性明显减弱，并趋于停止，烃源岩厚度也减薄。虽然边界断裂总体经历了由强到弱的转变，但在各层序沉积期边界断裂又体现出独特的幕式性。

图4  湘中坳拉槽沉积演化

Fig. 4  Deposition evolution of Xiangzhong aulacogen

SQ1层序沉积期是边界断裂活动最强烈的时期，该层序沉积体系包括深水台盆相和少量的滑塌灰岩相，岩石类型以深水台盆相沉积的钙质页岩为主。在SQ2层序沉积期，虽然边界断裂活动性减弱，但在最大海泛面附近仍然发育厚度较大的深水台盆相钙质页岩，这表明SQ2层序弱断陷期仍然发育了次一级断裂强烈活动。该层序高位期断陷活动停滞，沉积相以碎屑滨岸相为主。SQ3层序沉积期边界断裂再次活动，海侵体系域沉积期坳拉槽内依次沉积了局限台地相、浅水台盆相和深水台盆相。该层序厚度较大的钙质页岩分布在最大海泛面上下，对应边界断裂最活跃的时期。在高位体系域沉积期，边界断裂活动强度减弱，坳拉槽内依次沉积滑塌灰岩相和局限台地相。由SQ1至SQ3层序，坳拉槽边界断裂的活动规律总体表现为强—弱—较强—弱，而各层序沉积水体相应的变化规律为深—浅—较深—浅，相应的钙质页岩的厚度为厚—薄—较厚—薄。

3.2  物源因素

研究区坳拉槽在沉积过程中受到周缘物源的影响，尤其是SQ2层序受碎屑物源的影响最大。在SQ1层序沉积期，坳拉槽水体最深；在海平面最广，坳拉槽周围物源远离坳拉槽，因此，坳拉槽内以深水台盆相钙质页岩沉积为主。在SQ2层序沉积期，陆源碎屑对研究区产生明显的影响，尤其是在SQ2层序高位体系域广泛发育滨岸相铁质砂岩。这也是湘中地区坳拉槽沉积区别于广西和贵州地区泥盆系坳拉槽的根本特征：虽然它们为同一个三叉裂谷体系形成的坳拉槽，但广西和贵州坳拉槽均为深水台盆和碳酸盐岩台地相，不发育碎屑岩沉积。碎屑岩发育规模直接影响到坳拉槽页岩气开发以及常规油气的聚集和成藏。

3.3  气候因素

气候对层序的控制作用表现为对沉积物构成和沉积体系分布等方面。SQ1沉积期气候湿润，沉积物以深灰色钙质页岩为主，沉积相类型变化较小。SQ2层序海侵体系域沉积期气候变为半湿润—半干旱，沉积物中含有干旱气候特有的棕红色铁质斑点和棕红色泥质斑点。同时，沉积相类型也较SQ1层序丰富，包括局限台地相、浅水台盆相和深水台盆相等，沉积相纵横向变化快。SQ2层序高位体系域沉积期变为干旱气候，沉积物类型也以棕红色铁质砂岩为特征，且横向分布稳定。SQ3层序气候变为半湿润—半干旱，沉积物类型以瘤状灰岩和含生物碎屑灰岩为主，但瘤状灰岩中仍然发育棕红色铁质和泥质斑点。

4  结论

1) 锡矿山地区锡矿山组可识别出4个层序边界，划分出3个三级层序。SQ1包括陶塘段，SQ2层序包括兔子塘段和泥塘里段，SQ3层序包括马牯脑段。

2) SQ1层序以深水台盆相和少量浅水台盆相沉积为主；SQ2层序以浅水台盆相、局限台地相和滨岸相为主，夹少量深水台盆相；SQ3层序下部为深水台盆相沉积，至该段上部变为浅水台盆相和局限台地相。

3) 台间海槽层序充填样式受构造作用、物源和气候的影响，其中构造作用是层序的主控因素。SQ1沉积期构造活动最强烈，深水台盆相钙质页岩烃源岩最发育；SQ2层序沉积期构造活动减弱，烃源岩的规模也较SQ1层序小得多；SQ3层序边界断裂重新活动，沉积体系以浅水台盆相和局限台地相为主，该层序沉积期是烃源岩较发育时期。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2016-09-10；修回日期：2016-11-21

基金项目(Foundation item)：湖南省自然科学基金资助项目(2017JJ1034)(Project(2017JJ1034) supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province)

通信作者：刘辰生，博士，从事层序地层学和沉积学研究；E-mail：Lcsjed@163.com