四川盆地加里東期構造運動幕次及油氣地質意義

汪澤成，謝武仁，姜 華，蘇 旺，黃士鵬，谷明峰，馬石玉，施亦做，江青春

1 中國石油勘探開發研究院；2 中國石油杭州地質研究院

0 前 言

早古生代是新元古代羅迪尼亞（Rodinia）超大陸裂解和晚古生代泛大陸（Pangea）聚合的重要承接時期，發生了具有全球性質的加里東運動［1］。我國南方揚子與華夏兩個陸塊全面拼接［2-3］，形成了華南加里東造山帶，而此次造山作用的影響范圍主要分布在雪峰山陸內造山帶以東區域［2］。華南地區加里東運動研究程度較高，一般認為加里東運動具多幕次特點［4-7］，其中寒武紀末期的郁南運動、晚奧陶世末期的都勻運動以及志留紀末期的廣西運動等3幕構造運動具有區域性特點。影響最廣的廣西運動使我國南方絕大部分地區隆升剝蝕，導致上、下古生界之間的角度不整合廣泛分布；其他運動主要發生在滇黔桂—浙閩粵地區［2-3］。

位于揚子陸塊西部的四川盆地，遠離華南加里東造山帶，對加里東多幕次構造運動在盆地內的構造-沉積響應，目前爭議較大，爭議的焦點為是否存在同沉積期古隆起［2-6,8］。同時，對加里東期古隆起形成演化過程的認識也有待進一步深化［8-10］。四川盆地在加里東期也發生了重要的構造變革。對樂山—龍女寺古隆起（川中古隆起）的研究認識及油氣勘探由來已久［9-11］，發育面積超過6.0×104km2的川中古隆起通常被認為是廣西運動的產物［12］。近年來，古隆起區震旦系燈影組、寒武系滄浪鋪組與龍王廟組等一系列新領域實現天然氣勘探重大突破。如何認識加里東運動及其形成的古隆起對油氣成藏條件的控制作用，成為制約下一步天然氣勘探區帶優選的重要瓶頸問題，有待進一步深化研究。

本文充分利用四川盆地深層鉆井、地震信息，分析下古生界的地層接觸關系，特別是不整合面類型及其分布，厘定加里東構造運動幕次及古隆起分布，分析構造運動對油氣成藏要素與成藏過程的影響，評價有利勘探領域。這項研究有助于全面理解我國南方地區的加里東運動，而且對下古生界油氣勘探潛力評價具有重要意義。

1 郁南運動與漢中—廣元古隆起

區域上，郁南運動是指寒武紀末—奧陶紀初發生在我國南方地區的造山運動［13］，為加里東運動Ⅰ幕，動力機制與揚子板塊以南的云開地塊、桂滇—北越地塊發生的擠壓作用有關［14］。郁南運動導致右江、云開、湘南地區、閩西地區褶皺隆升以及形成前寒武系地層中的近平臥褶皺和由南向北的推覆構造［13］，形成了橫貫廣西中部的大明山—大瑤山寒武系東西向線型褶皺帶，并可能導致云開大山地區下古生界混合巖、混合花崗巖的形成（552～487 Ma）［14］。郁南運動被認為僅發生在華南南部地區（滇黔桂—東南沿海）［7,13-14］。

周懇懇等［7］基于川南的雷波、滇東北的昭通、滇東南的個舊、黔中南的安龍—威寧等地區存在的寒武系洗象池組與奧陶系之間的不整合接觸現象，提出郁南運動在揚子陸塊西部有顯著響應，表現為發育一系列的古陸或古隆起，包括康滇古陸、牛首山古隆起、滇東古陸、龍門山古陸，并影響到川中古隆起。郁南運動還造成了上揚子西部晚寒武世—早奧陶世西高東低的古地理格局，總體表現為海岸線不斷向東遷移。早奧陶世特馬豆克期海岸線已遷移至宜賓—貴陽以西，區內普遍缺失下奧陶統桐梓組（圖1）。李偉團隊［15-16］利用碳氧同位素、巖性組合、電性等資料研究四川盆地上寒武統洗象池組層序地層，認為洗象池組下部的三段—四段(相當于芙蓉統)在盆地西部雅安—綿陽—廣元以西地區遭受剝蝕，與郁南運動有關。

圖1 上揚子西部寒武系與上覆地層接觸關系分布圖Fig.1 Distribution of contact relationship between Cambrian and overlying strata in western Upper Yangtze

為了進一步探索郁南運動對四川盆地的影響，本文重點關注四川盆地西北部寒武系與上覆地層的接觸關系。地層對比顯示，四川盆地西北部廣元—漢中一帶缺失上寒武統洗象池組和中下奧陶統，中寒武統高臺組與上奧陶統寶塔組呈假整合接觸（天星1 井鉆揭，圖2），表明晚寒武世至中奧陶世期間存在一個古隆起。以高臺組剝蝕尖滅線圈定該古隆起范圍，呈近東西向展布，面積近4×104km2，稱之為“漢中—廣元古隆起”（圖1）。古隆起東南翼斜坡區洗象池組僅殘存洗一段，殘厚僅為60～70 m，與中奧陶統湄潭組呈假整合接觸（川深1 井鉆揭，圖2）。圖3 為劍閣—九龍山三維地震剖面，將二疊系底界反射層拉平觀察，五峰組底強反射層表現出削截不整合面的特征，其下可見寒武系龍王廟組、洗象池組以及奧陶系寶塔組的地層尖滅點。區內地層接觸關系表明：漢中—廣元古隆起形成于寒武紀末期，是郁南運動的響應；早中奧陶世古隆起核部仍處于剝蝕狀態，直到晚奧陶世接受寶塔組沉積。

圖2 漢中—廣元古隆起寒武系—奧陶系地層對比剖面（位置見圖1）Fig.2 Stratigraphic correlation profile of Cambrian-Ordovician in the Hanzhong-Guangyuan paleouplift (location is shown in Fig.1)

圖3 劍閣—九龍山三維地震剖面反映的下古生界地層結構（二疊系底層拉平，位置見圖1）Fig.3 3D seismic profile showing the stratigraphic structure of Lower Paleozoic in Jiange-Jiulongshan survey(flattening the bottom of Permian.Location is shown in Fig.1)

需要指出，川中古隆起二疊系與下伏地層呈角度不整合接觸（圖1），依據地層接觸關系很難判斷寒武紀末期的郁南運動對川中古隆起的形成是否有影響。從川中古隆起區寒武系龍王廟組、高臺組、洗象池組的厚度變化及高能環境沉積的顆粒灘體分布看，各地層組厚度均表現出西薄東厚的特征，顆粒灘體平面分布表現出環古隆起帶狀分布、縱向上由老到新自西向東遷移的特征，表明在早寒武世晚期—晚寒武世，川中古隆起表現為水下同沉積古隆起，對地層、沉積作用控制作用明顯，同沉積古隆起區地層較薄、顆粒灘體發育。

2 都勻運動與川中古隆起形成

晚奧陶世至志留紀，揚子板塊與華夏板塊的板內碰撞作用［3,14,17］導致南方地區發生加里東運動Ⅱ幕，主要表現為奧陶系與志留系的地層接觸關系從南到北、從東到西由角度不整合過渡到微角度不整合、假整合。在廣西東南部稱為北流運動［10］，云開地區表現較為強烈，云開大山在郁南運動的基礎上繼續褶皺沖斷隆升，造成了上奧陶統與下志留統之間的沉積間斷。在湘贛地區稱為崇余運動［18］，導致該區寒武系—奧陶系強烈褶皺，下志留統“陽嶺礫巖”與下伏地層呈角度不整合［5,18］。在黔中、黔南地區稱為都勻運動，表現為奧陶系與志留系接觸關系呈假整合、微角度不整合，形成了黔中古隆起［2,18-20］。在湖南、湖北地區稱為宜昌上升［21］，造成奧陶系與志留系呈假整合接觸。對于上揚子地區奧陶系與志留系之間不整合面的成因機制，部分學者認為與奧陶紀末期全球冰川事件所導致的海平面下降有關［22］，是上揚子地臺從北到南大范圍發生較大規模的海退事件所致。

四川盆地川中古隆起早在20 世紀80 年代就已發現，前人稱之為“樂山—龍女寺古隆起”，并作為重要的油氣富集帶而被長期研究［23-24］。古隆起區志留系缺失，二疊系與下伏震旦系—奧陶系呈角度不整合接觸。多數學者認為該古隆起形成于志留紀末期的廣西運動［9,24］，也有學者認為該古隆起在桐灣運動時期就已有雛形、加里東期存在同沉積古隆起［25］。對于川中古隆起志留系大面積缺失為剝蝕成因還是缺失沉積，觀點不一。本文充分利用鉆井、地震信息，結合前人對志留系龍馬溪組頁巖氣的研究成果［26］，認為川中古隆起在志留系沉積前已定型，對志留系沉積有明顯的控制作用（圖4）。主要依據如下：

圖4 四川盆地志留紀古構造格局Fig.4 Paleotectonic background of Silurian in Sichuan Basin

（1）川中古隆起處于前陸盆地前隆部位

上揚子地區志留紀龍馬溪早期古構造格局表現為“兩隆夾一坳”：北部為川中古隆起，南部為黔中古隆起，兩古隆起之間為川東—蜀南坳陷。古構造格局控制了早志留世龍馬溪早期沉積：隆起區缺失沉積；隆起斜坡帶發育以粉砂質頁巖為主的濱岸—淺水陸棚沉積；坳陷區發育富筆石的硅質頁巖、碳質頁巖，厚度可達20～150 m，有機碳含量高，是頁巖氣富集的有利區。這一構造-古地理格局持續發展至志留紀末期。從盆地屬性看，川東—蜀南志留紀坳陷屬于前陸盆地：前淵位于瀘州—重慶—石柱一帶，志留系殘留厚度可達1 000～1 400 m；前淵斜坡帶呈環帶狀圍繞川中古隆起分布，位于威遠—廣安—廣元一帶，志留系殘留厚度為200～600 m。從成盆動力機制看，川東—蜀南前陸盆地的形成是滇東—黔中構造由南向北擠壓以及雪峰山構造自東向西擠壓的結果［27-28］，川中古隆起可以看成是川東—蜀南志留紀前陸盆地的前隆。

（2）川中古隆起斜坡帶志留系超覆沉積現象明顯

川中古隆起斜坡帶五峰組底地震反射層表現為連續的強反射特征，為上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組頁巖層與下伏碳酸鹽巖的反射界面（圖3）。其上可見前積反射特征，上超點明顯，為超覆沉積地層的地震響應。小河壩組表現為連續性較強的反射特征（龍探1 井標定），與龍馬溪組前積反射特征存在顯著差異，表明龍馬溪組與小河壩組之間存在沉積轉換面。對川中古隆起斜坡區地震剖面層位進行標定與解釋，將二疊系底界反射層拉平，可見古隆起斜坡區志留系地震上超現象明顯（圖5）。

圖5 川中古隆起斜坡帶志留系地震反射層超覆現象（二疊系底層拉平，剖面位置見圖4）Fig.5 Overlap characteristic of Silurian seismic reflection layer in the slope zone of the central Sichuan paleouplift(flattening the bottom of Permian.Location is shown in Fig.4)

（3）龍馬溪組下部富有機質頁巖段具穿時性

大量鉆井資料表明，四川盆地蜀南—川東地區龍馬溪組下部普遍發育富有機質黑色頁巖，其中TOC＞2.0%的頁巖厚度為20～100 m。有學者據此認為川中古隆起發育志留系，但后期被剝蝕殆盡，志留紀前陸盆地為無前陸隆起的統一坳陷［27］。在地震剖面上，這套富有機質的泥頁巖表現出連續強反射特征（圖3，圖5），而上超現象發生在強反射層之上，這是否意味著在富有機質泥頁巖沉積之后才發生“超覆沉積”？實際上，志留系底部的連續強反射層是泥頁巖層與下伏碳酸鹽巖的反射界面，只能說明泥頁巖層普遍分布，并不能說明泥頁巖具有等時性，而是可能存在穿時現象。王玉滿等［26］認為川南地區五峰組—龍馬溪組富有機質頁巖段自下而上具有從南向北遷移的特征：魯丹階主要分布在瀘州—長寧一帶，厚度為10～100 m；埃隆階向西北方向遷移到威遠地區，厚度為10～30 m；特列奇階主要分布在威遠地區，厚度僅為5～15 m。

3 廣西運動與川中古隆起改造定型

我國南方志留紀末期或志留紀與泥盆紀之交的廣西運動，是加里東多幕次構造運動的謝幕產物，為加里東運動Ⅲ幕。廣西運動不僅強烈，而且分布廣泛，使南方絕大部分地區褶皺隆升、剝蝕，在上、下古生界之間形成廣泛的角度不整合［2,4-5,6］，形成了南方地區古生代地層中最重要的構造界面。

廣西運動在四川盆地的響應特征顯著，造就了NE 向延伸、橫臥于盆地西南部的大型的川中古隆起（圖6）。從地層接觸關系看：川中古隆起泥盆紀前從西往東依次出露震旦系到志留系，與上覆中二疊統梁山組呈角度不整合接觸；盆地東北部的巴中—廣安—重慶以東地區石炭系與志留系呈平行不整合接觸；盆地西南緣及東北緣泥盆系與志留系呈平行不整合接觸。從構造變形看，川中古隆起在都勻運動形成的古隆起基礎上，發生了縱彎褶皺作用，形成了軸部位于雅安—廣安一線呈NEE 向傾伏的大型鼻狀構造，構造形態不對稱，呈東南翼陡、西北翼緩（圖7）。通過古隆起斜坡帶地震剖面解釋，發現在古隆起西北翼綿陽一帶發育向斜構造（圖8）。

圖6 四川盆地前泥盆系古地質圖Fig.6 Pre-Devonian geologic map of Sichuan Basin

圖7 四川盆地近南北向橫切川中古隆起的地震解釋剖面（二疊系底層拉平，剖面位置見圖6）Fig.7 The NS direction seismic interpretation profile(transverse to central Sichuan paleouplift)in Sichuan Basin(flattening the bottom of Permian.Location is shown in Fig.6)

圖8 川中古隆起北翼地震解釋剖面（二疊系底層拉平，剖面位置見圖6）Fig.8 Seismic interpretation profile in the north wing of central Sichuan paleouplift (flattening the bottom of Permian.Location is shown in Fig.6)

綜上所述，川中古隆起是一個長期繼承性發育的古隆起，其形成演化經歷了3個重要階段。

（1）加里東運動Ⅰ幕（郁南運動）形成同沉積古隆起。早寒武世筇竹寺晚期，德陽—安岳裂陷被填平補齊，裂陷衰亡。滄浪鋪期—洗象池期，發育西高東低古地理背景的同沉積古隆起（水下古隆起），對地層與巖相古地理有明顯的控制作用，表現為各層組的地層厚度環繞古隆起向外圍逐漸增厚，淺水高能環境沉積的顆粒灘體逐漸向外圍遷移［25,29］。該時期古地理變遷的機制，可能是寒武紀末期郁南運動的早期響應。

（2）加里東運動Ⅱ幕（都勻運動）川中古隆起形成。奧陶紀沉積期，四川盆地整體表現為西高東低古地理格局，同樣對奧陶紀地層與巖相古地理展布起控制作用。奧陶紀末期，受南向北、東向西的擠壓應力共同作用，在黔中古隆起以北、雪峰山古隆起以西形成前陸拗陷，沉積厚達1 000～3 000 m 的志留系。都勻運動的遠程效應，在四川盆地中西部形成了川中古隆起，古隆起高部位暴露剝蝕，志留系超覆沉積。

（3）加里東運動Ⅲ幕（廣西運動）川中古隆起改造定型。志留紀末的廣西運動導致川中古隆起褶皺隆升，古隆起表現為大型鼻狀復式褶皺隆起帶；在經歷了長達1.5 億年的剝蝕及夷平作用之后，接受中二疊統沉積。古隆起外圍構造低部位如龍門山與川東北地區，接受泥盆系、石炭系沉積。

4 加里東運動對油氣成藏富集的控制作用

優質烴源巖、規模儲層、大型古隆起是海相克拉通油氣成藏富集的三大關鍵要素［30］，也是有利勘探區帶評價優選的重要依據。加里東構造旋回，四川盆地沉積了厚達2 000～3 000 m 的海相地層，形成了2 個古隆起、2 套優質烴源巖和5 套規模儲層，為震旦系—下古生界豐富的天然氣資源奠定了重要物質基礎。下文重點探討加里東旋回的幕式運動對關鍵成藏要素形成與分布的控制作用。

4.1 古裂陷與前陸拗陷控制優質烴源巖

四川盆地下古生界發育下寒武統及上奧陶統—下志留統2套優質烴源巖。

下寒武統主力烴源巖的分布受克拉通內裂陷控制。早寒武世早期，在區域伸展構造環境下，四川盆地形成德陽—安岳克拉通裂陷［31-32］，控制了下寒武統優質烴源巖的分布［33］。麥地坪組烴源巖主要分布在裂陷內，為硅質頁巖、碳質泥巖等，厚度為30～50 m；有機質豐度較高，TOC介于0.52%～4.0%，平均值為1.68%；干酪根碳同位素組成為-36.4%～-32.0‰，平均值為-34.3‰，屬典型的腐泥型烴源巖。筇竹寺組烴源巖在盆地內廣泛分布，在裂陷內烴源巖更為發育。近期的研究表明：裂陷內筇竹寺組發育筇一段和筇二段2 套烴源巖，累計厚度為300～450 m，TOC為0.5%～4.8%，平均值為1.98%；相鄰的臺內僅發育筇二段烴源巖，厚度僅為50～100 m，TOC為0.4%～3.1%，平均值為1.68%。

上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組發育頁巖優質烴源巖，主要分布在川東—蜀南的前陸拗陷區，是頁巖氣主力勘探層系。與之相關的研究成果頗多，這里不再贅述。

4.2 古隆起、古侵蝕面、古巖溶控制規模儲層

碳酸鹽巖儲層成因機制多樣，但規模分布的儲層的形成與分布表現出明顯的相控+巖溶特征［34-36］。大量研究與勘探實踐表明，高能沉積環境發育的生物礁、顆粒灘（包括各類生物碎屑灘、鮞粒灘等），經過建設性成巖作用（尤其是準同生期、表生期的巖溶作用），可以形成規模分布的相對優質儲層，是勘探選區評價的重要考慮因素。

四川盆地川中古隆起在早寒武世晚期—晚寒武世、早奧陶世均具有水下古隆起特征，環繞古隆起的水體較淺的斜坡帶，發育大面積分布的緩坡顆粒灘，如川中北部的滄浪鋪組、川中—川西的龍王廟組以及川中東部的洗象池組。原始孔隙發育的顆粒灘體在沉積期或準同生期易受大氣淡水的淋濾作用，在成巖早期就能形成良好的孔滲系統，為后期的建設性成巖改造創造了有利條件。

加里東期3 個幕次的構造運動，形成了多個區域性古侵蝕面，有利于表生期巖溶儲層的形成與分布。川中古隆起經歷了3 幕構造運動的疊加改造，古隆起繼承性發育，在古隆起高部位以風化殼型巖溶作用為主，而斜坡區則以層間巖溶作用及順層巖溶作用為主，這導致古隆起及其斜坡帶多層系發育巖溶縫洞型儲層，為大氣田的形成創造了良好的儲集條件。目前，已在川中高石梯—磨溪地區發現了龍王廟組大氣田。在郁南運動形成的漢中—廣元古隆起的斜坡帶，洗象池組風化殼巖溶儲層發育，與德陽—安岳裂陷的下寒武統烴源巖構成良好的成藏組合，預示洗象池組具有良好的天然氣勘探潛力。

4.3 常規與非常規兩類天然氣資源有序分布

四川盆地震旦系—志留系發育2套優質烴源巖及多套儲層，蘊藏著豐富的天然氣資源，常規天然氣與頁巖氣有序分布（圖9）。

圖9 四川盆地震旦系—下古生界不同類型天然氣分布模式圖（據文獻［29］修改）Fig.9 Distribution pattern of different types of natural gas of Sinian-Lower Paleozoic in Sichuan Basin (cited from reference［29］,modified)

常規天然氣主要聚集在孔洞、孔隙發育的碳酸鹽巖儲層，氣藏類型在古隆起高部位以構造-巖性復合型為主，在古隆起斜坡帶以巖性氣藏為主。天然氣成藏與富集受成藏組合控制:筇竹寺組既是主力烴源巖又是燈影組的區域性蓋層，以此為界，分割兩個含氣系統，即震旦系燈影組含氣系統和寒武系—奧陶系含氣系統。震旦系含氣系統具有上生下儲的近源成藏組合特征；氣藏以常壓為主，壓力系數為1.06～1.13；天然氣組分中甲烷含量為91.22%～93.77%，硫化氫含量為1.00%～1.62%，二氧化碳含量為4.83%～7.39%，微含丙烷、氦氣和氮氣。寒武系—奧陶系含氣系統具有下生上儲的近源成藏組合特征，斷層是主要的運移通道。安岳氣田龍王廟組氣藏屬于高壓氣藏，磨溪區塊壓力系數為1.65，高石梯區塊壓力系數為1.5，龍女寺區塊壓力系數為1.67；天然氣組分中甲烷含量為95.10%～97.19%，硫化氫含量為0.26%～0.77%，二氧化碳含量為1.83%～3.16%。

頁巖氣資源主要蘊藏在下寒武統筇竹寺組和下奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組，其中五峰組—龍馬溪組目前是頁巖氣的主產層，埋深小于3 500 m、TOC大于2.0%的頁巖氣甜點區主要分布在威遠、長寧及焦石壩等區塊。在川中古隆起斜坡帶，埋深在4 500 m 以淺的區域分布廣，隨著工程技術的進步，頁巖氣開發潛力巨大。

5 結 論

（1）四川盆地加里東構造運動可劃分出3幕：寒武紀末期的加里東運動Ⅰ幕（郁南運動）在川西北地區形成漢中—廣元古隆起；晚奧陶世末期的加里東運動Ⅱ幕（都勻運動）形成川中古隆起；志留紀末期的加里東運動Ⅲ幕（廣西運動）導致川中古隆起最終定型。

（2）川中古隆起經歷了3 幕構造運動的疊加改造，形成了多個區域性古侵蝕面，有利于表生期巖溶儲層的形成與分布。古隆起高部位以風化殼型巖溶作用為主，斜坡區則以層間巖溶作用及順層巖溶作用為主。漢中—廣元古隆起斜坡帶發育下寒武統洗象池組風化殼巖溶儲層。

（3）四川盆地加里東期成盆演化與古隆起形成，造就了碳酸鹽巖儲層常規天然氣與頁巖氣兩類天然氣資源有序分布，勘探潛力巨大。