川東北地區上三疊統須家河組物源分析

薄尚尚，田繼先，李曜良，王曄桐，王 昊，孫國強

（1.中國科學院西北生態環境資源研究院，蘭州 730000；2.中國科學院大學地球與行星科學學院，北京 100049；3.中國石油勘探開發研究院，北京 100083）

0 引言

四川盆地及周緣各造山帶在空間上相互依存、物質上相互轉化，形成了一個典型的復合盆山體系［1］。晚三疊世四川前陸盆地周邊火成巖年代學數據豐富［2］，但物源分析多局限在川西近龍門山一帶［3］，對川東北地區的研究相對薄弱且有較大分歧。川東北地區晚三疊世受控于秦嶺構造帶、米倉山—大巴山逆沖推覆帶和川東弧形褶皺帶，構造十分復雜［4-6］。川東北地區須家河組具有多物源性［7］，源巖可能含有再旋回物質。以往學者［4，8-9］通過野外剖面、重礦物、碎屑組分、古水流等的分析以及鋯石的U-Pb，Lu-Hf 特征，對川東北地區須家河組物源進行了研究，認為揚子板塊北緣與秦嶺—大別造山帶為主要物源區；李雙建等［10］則認為物源主要來自華北地塊南緣和北秦嶺造山帶；也有學者［5，11-12］認為龍門山北段、米倉山和大巴山物源提供了階段性供給。川東北地區須家河組僅接受北東及北西方向物源供給是否合理以及其是否接受了江南—雪峰斷褶帶東南方向的物源供給還有待進一步研究。

在解析川東北地區須家河組沉積剖面、古水流方向、地層展布厚度及重礦物分布特征的基礎上，結合碎屑鋯石形態學、年代學內涵，統計四川盆地周緣地質體年齡數據，結合構造背景、沉積盆地構造格局，探討川東北地區須家河組與物源區的配置關系及物源區經歷的構造事件，以期為川東北地區須家河組“源—匯”系統的研究提供一定理論依據。

1 地質概況

四川盆地位于揚子板塊、華北板塊、松潘—甘孜地塊和印度支那地塊的交匯地帶，是一個多旋回海-陸相疊合盆地［13-14］，其形成時間為晚三疊世—新生代［15］。盆地周緣被造山帶所圍限，平面形態大致呈NE—SW 走向的矩形展布，其北為米倉山，北西和北東分別為龍門山和大巴山，南西和南東分別是康滇斷褶帶和江南—雪峰斷褶帶［16］（圖1a）。川東北地區須家河組為一套砂泥巖含煤層系，全盆地均有分布，與下伏雷口坡組、上覆自流井組整合接觸，發育須一段—須六段（圖1b）［17-18］，以灰色砂巖、細砂巖和深灰色泥巖為主，局部含薄層煤［19］，且向北東、南東方向厚度減小。須一段在部分地區不發育，須二段、須四段、須六段沉積相對活躍，發育砂巖夾少量薄煤層，而須三段、須五段沉積時期，處于相對平靜期，以泥質、煤系為主［20］。

圖1 四川盆地構造位置（a）及川東北地區上三疊統巖性地層綜合柱狀圖（b）（據文獻［2，9，21］修改）Fig.1 Tectonic location of Sichuan Basin（a）and stratigraphic column of Upper Triassic（b）in northeastern Sichuan Basin

2 樣品及實驗方法

對四川盆地宣漢縣七里鄉、復平鎮黑天池、朱衣鎮黃井水庫和大巴山地質公園等出露較好的野外地質剖面進行觀察和描述，樣品均采自川東北地區上三疊統須家河組新鮮、未風化的砂巖和含礫砂巖，對其中6 件樣品進行重礦物分析，4 件樣品進行鋯石U-Pb 定年（表1）。

表1 川東北地區樣品采集情況Table 1 Sample collection status in northeastern Sichuan Basin

重礦物鑒定步驟：將樣品無污染破碎后，進行重液分離、磁選和鏡下鑒定，在偏光顯微鏡下進行鑒定、統計并計算出應用較廣泛的石榴子石、輝石、鋯石、電氣石、磁鐵礦、磷灰石及金紅石等重礦物的含量［22］。

鋯石測試流程：首先經過破碎、浮選和電磁選等方法處理后，從4 件樣品中各隨機選取150 顆鋯石制靶并打磨拋光，采集反射光、透射光、陰極發光圖像，鋯石U-Th-Pb 同位素分析采用LA-ICP-MS測試方法。上述步驟均在蘭州大學西部環境教育部重點實驗室完成，LA-ICP-MS 激光剝蝕系統為德國MicroLas 公司生產的GeoLas200M，ICP-MS 為美國Agilent 公司生產的Agilent7 500 a。詳細的實驗原理、流程及儀器參數參考文獻［23-24］。利用Glitter 程序對測試數據進行處理，普通Pb 校正方法及原理參考文獻［25］，校正后的數據用Isoplot4.15程序繪制諧和圖和年齡頻譜圖。

3 沉積特征

宣漢縣七里鄉剖面位于四川盆地東北部，該剖面須家河組各層段較為完整，自南東向北西傾斜，依次出露須二段—須六段（圖2），各層段巖性差異大，且界限明顯，須二段、須四段、須六段主要為厚層灰色砂巖，須二段厚度最大且夾煤線，說明其為水下沉積環境；須三段、須五段為暗色泥巖夾薄層砂巖，發育水下分流河道、分流間灣和席狀砂。朱衣鎮黃井水庫剖面位于齊岳山和大巴山山前帶，須家河組平行不整合于巴東組之上，出露須一段黑色泥巖和須二段砂巖夾泥巖、薄層底礫巖，須一段發育沼澤，須二段主要發育分流河道。大巴山地質公園剖面位于川東北地區與大巴山南緣的結合地帶，該剖面須一段泥頁巖直接平行不整合上覆于中三疊統雷口坡組石灰巖；須二段主要產出砂巖夾薄層礫巖、砂泥巖交替發育，鏡下薄片鑒定為石英砂巖、巖屑砂巖，發育球枕構造，反映其靠近物源，水動力強、沉積作用快。總體來說，川東北地區須家河組在山前帶以辮狀河三角洲平原沉積為主，在腹部以辮狀河三角洲前緣為主，由山前向腹部，礫巖含量減少、泥質含量增加，沉積物由粗粒轉為細粒（圖2）。

圖2 川東北地區上三疊統須家河組典型剖面及沉積相對比Fig.2 Typical profile and sedimentary facies comparison of Upper Triassic Xujiahe Formation in northeastern Sichuan Basin

由圖3 可看出，自四川盆地腹部向大巴山和江南—雪峰斷褶帶方向，須家河組地層厚度逐漸減小，說明該時期的沉積中心位于盆地腹部。南大巴山前緣萬源地區發育厚達30 余m 的須家河組礫巖，經地層復平后的古流向指示物源來自北東方向的大巴山核部［26］；重慶萬州和云陽地區須家河組剖面顯示受到了多個古水流影響，主要來自北部及東南部2 個方向，尤其以北部物源占主導地位［27-28］。謝繼容等［31］認為江南—雪峰古陸對四川盆地須家河組的供源作用一直持續整個晚三疊世。由此認為，川東北地區晚三疊世須家河組沉積期的物源來自北東和南東2 個方向。

圖3 四川盆地上三疊統須家河組殘余厚度等值線圖（據文獻［29-30］修改）Fig.3 Contour map of residual thickness of Upper Triassic Xujiahe Formation in Sichuan Basin

4 物源分析

4.1 重礦物分析

4.1.1 重礦物組合特征

碎屑巖中的重礦物組合特征能在一定程度上反映源巖巖性，不同的重礦物組合代表了不同的源巖類型［32］（表2）。川東北地區須二段和須六段重礦物組合主要為鋯石、白鈦礦、磷灰石、銳鈦礦、鈦鐵礦和金紅石，通過對比不同源巖的重礦物組合，判斷源巖主要為再旋回的沉積巖和巖漿巖。

表2 不同源巖類型的重礦物組合特征［32］Table 2 Heavy mineral assemblages of different types of source rocks

川東北地區須二段碎屑重礦物（圖4a）：宣漢縣七里鄉剖面樣品以鋯石、石榴子石、白鈦礦、黃鐵礦和銳鈦礦為主，鋯石質量分數高達近40.00%，穩定重礦物質量分數為77.20%；復平鎮黑天池剖面樣品以銳鈦礦、鋯石、白鈦礦、金紅石為主，穩定重礦物質量分數為87.58%；大巴山地質公園剖面樣品以白鈦礦、磷灰石、金紅石、鋯石和電氣石為主，穩定重礦物質量分數為62.14%。相比之下，大巴山地質公園的穩定重礦物較少，說明其更靠近物源。

圖4 川東北地區上三疊統須二段（a）、須六段（b）重礦物組合特征及ZTR 指數分布（c）Fig.4 Characteristics of heavy mineral assemblages of the second（a）and sixth（b）member of Upper Triassic Xujiahe Formation and ZTR index distribution（c）in northeastern Sichuan Basin

川東北地區須六段碎屑重礦物（圖4b）：宣漢縣七里鄉剖面樣品以赤褐鐵礦、鋯石、磷灰石、電氣石為主，穩定重礦物質量分數為35.59%；復平鎮黑天池剖面樣品以鈦鐵礦、黃鐵礦、鋯石、白鈦礦為主，穩定重礦物質量分數為24.43%；大巴山地質公園剖面樣品以白鈦礦、磷灰石、金紅石、鋯石為主，穩定重礦物質量分數為46.14%。相比之下，復平鎮黑天池的穩定重礦物較少，說明其更靠近物源。無論是須二段還是須六段，宣漢縣七里鄉剖面樣品穩定重礦物質量分數均為中間值，這可能是沉積物由東北部大巴山地質公園和東南部復平鎮黑天池聯合匯入七里鄉所導致。

4.1.2 重礦物ZTR分布

鋯石、電氣石、金紅石是碎屑礦物中最穩定的3 種礦物，其占重礦物的質量分數記作“ZTR”，高ZTR指數指示較高的礦物成熟度和較遠的搬運距離，而低ZTR指數則指示低成熟度和靠近物源區［33］。

川東北地區須家河組重礦物的ZTR值變化較大，須二段復平鎮黑天池剖面樣品ZTR值為35.26%，大巴山地質公園剖面樣品ZTR值為38.56%，均小于宣漢縣七里鄉剖面樣品的ZTR值45.76%，說明在須二段沉積時期，大巴山地質公園和復平鎮黑天池可能比七里鄉地區更靠近物源區。須六段的ZTR值小于須二段，大巴山地質公園剖面樣品ZTR值為25.20%，復平鎮黑天池剖面樣品ZTR值為14.37%，宣漢縣七里鄉剖面剖面樣品ZTR值為29.99%（圖4c）。根據須六段3 個地區樣品的ZTR值分布可以推斷宣漢縣七里鄉沉積物可能是經由東北部大巴山地質公園和東南部復平鎮黑天池流入盆地腹部，這也進一步證實了川東北地區晚三疊世須家河組沉積期的直接物源來自北東和南東2 個方向，但由于源區物質在經歷多次沉積旋回后仍能在匯聚區沉降下來，故原始的物源還需進一步判斷。

4.2 碎屑鋯石U-Pb測年

4.2.1 鋯石測試結果

陰極發光圖像能夠反映鋯石的生長環境、表面微量元素含量及部分晶格缺陷，發光強度越弱，說明微量元素含量越高。由圖5 可看出，川東北地區上三疊統須家河組鋯石發光強度不一，說明鋯石的微量元素含量具有較大差異。研究區鋯石的來源復雜多樣，顆粒以半自形為主，樣品com-1，com-8及com-14 的鋯石顆粒有明顯的核幔結構和震蕩環帶，樣品com-17 鋯石環帶結構不明顯或無環帶，說明這類鋯石在形成后發生了變質作用，屬于變質成因鋯石。總體來看，4 件樣品的鋯石分選性均較好，除樣品com-8 部分顆粒粒徑達200 μm，樣品com-17部分顆粒粒徑不足50 μm 以外，大部分鋯石粒徑約為100 μm，磨圓度一般，主要呈圓形和次圓形，少部分為次棱角狀，暗示著鋯石可能經歷了遠距離的搬運或再旋回沉積作用。

圖5 川東北地區上三疊統須家河組碎屑鋯石陰極發光圖像Fig.5 Cathodoluminescence images of detrital zircons of Upper Triassic Xujiahe Formation in northeastern Sichuan Basin

經過鉛校正、年齡及諧和度計算，對于年齡小于1 000 Ma 的鋯石顆粒，取206Pb/238U 年齡；對于年齡大于1 000 Ma 的鋯石顆粒，取207Pb/206Pb 年齡。去掉諧和度小于90%和大于110%的數據點后，得到有效數據，4 件樣品分別獲得了197～2 570 Ma，202～2 608 Ma，170～2 640 Ma，189～2 946 Ma 等年齡區間，其中個別數據點年齡小于地層時代，可能是上覆侏羅系樣品混入的原因。從鋯石U-Pb 年齡諧和圖（圖6）可看出，4 件樣品的大部分數據點均在諧和曲線上，說明樣品的U-Pb 體系基本保持封閉［34］，受后期熱事件的影響較小，這些年齡可近似代表鋯石結晶年齡。

圖6 川東北地區上三疊統須家河組鋯石U-Pb 年齡諧和圖及頻譜圖Fig.6 Zircon U-Pb age harmonic and spectral maps of Upper Triassic Xujiahe Formation in northeastern Sichuan Basin

從4 件樣品的鋯石U-Pb 年齡頻譜圖來看（圖6），樣品com-1 的年齡主峰為200～315 Ma，峰值為～282 Ma，次級峰為1 502～1 739 Ma，峰值為～1 563 Ma；樣品com-8 的主峰為202～320 Ma，峰值為～228 Ma，次級峰為1 525～2 006 Ma，峰值為～1 778 Ma；樣品com-17 的主峰為200～326 Ma，峰值為～264 Ma，次級峰為1 567～1 981 Ma，峰值為～1 651 Ma，而樣品com-14 只有一個明顯的譜峰，峰值為～210 Ma，突出這一階段的物源供給。總體來看，4 件樣品的年齡主峰相差較小，與以往研究結果基本一致［2，4，9］。川東北地區須家河組210～282 Ma，400～500 Ma，650～850 Ma，1 500～2 000 Ma，2 265～2 600 Ma 這5 個年齡區間的鋯石占總數的72%，其中，210～282 Ma 年齡段的鋯石占22%，400～500 Ma 年齡段的鋯石占5%，650～850 Ma 年齡段的鋯石占9%，1 500～2 000 Ma 年齡段的鋯石占30%，2 265～2 600 Ma 年齡段的鋯石占6%（圖7a）。根據U-Pb 碎屑鋯石年代學研究，認為研究區須家河組沉積年齡應不早于213 Ma。

圖7 川東北地區與其附近沉積區上三疊統須家河組鋯石U-Pb 頻譜對比Fig.7 Zircon U-Pb spectra of Upper Triassic Xujiahe Formation in northeastern Sichuan Basin and nearby sedimentary areas

相比四川盆地其他區域，川東北地區須家河組的鋯石U-Pb 頻譜的～213 Ma 譜峰偏高，可能與中—晚三疊世古特提斯洋自東向西剪刀式閉合、秦嶺造山帶發生斜向俯沖、自東向西穿時性碰撞有關［35］，～427 Ma 和～725 Ma 峰值年齡區間的譜峰均不顯著且高度明顯偏低，說明川東北地區與四川盆地其他區域可能具有不同的物源體系［2-3，9-10，36-38］（圖7）。

4.2.2 碎屑鋯石測年對物源的指示

川東北地區須家河組樣品的碎屑鋯石年齡構成的時間為新太古代早期—中生代早期，其物源區在～213 Ma，～427 Ma，～725 Ma，～1 694 Ma，～2 352 Ma 這5 個地質時期有重要的巖漿活動。川東北地區須家河組最年輕的測年結果為210～282 Ma，略早于晚三疊世龍門山的大幅度隆升，說明龍門山不是川東北地區須家河組的主力物源區。孫建勛等［35］認為黔北普宜地區二橋組（與須家河組同期）具有多物源特征，推測物源主要來自江南造山帶梵凈山地區新元古代再旋回沉積區。田洋等［29］認為鄂西南齊岳山地區須家河組形成于被動大陸邊緣（為主）與活動大陸邊緣環境，其物源來自東南的雪峰造山帶（為主）與北側的秦嶺造山帶。川東北地區須家河組的鋯石U-Pb 年齡頻譜特征與黔北普宜地區二橋組和鄂西南齊岳山地區須家河組極為相似（圖7a—7b），說明三者的物源組成類似，因此，研究區須家河組物源可能主要為秦嶺造山帶和江南—雪峰造山帶。

210～282 Ma 是研究區須家河組最年輕、最重要的物源年齡段，峰值為～213 Ma。由圖8 可看出：北秦嶺增生造山帶發育完整的溝-弧-盆體系，發育自東向西的復合巖漿弧雜巖帶，測得年齡為400～500 Ma［39-40］；沿勉略帶及其北側的南秦嶺造山帶發育系列俯沖碰撞型花崗巖、蛇綠巖，同位素年代集中于200～345 Ma，尤其是俯沖碰撞型花崗巖同位素年代集中于205～220 Ma，表明勉略帶在中三疊世已發展到陸-陸碰撞造山階段［41］；南秦嶺抬升阻擋了華北板塊南緣物質進入四川盆地，故排除華北板塊南緣為川東北地區須家河組在210～282 Ma 年齡段提供主力物源的可能性。通過與潛在源區年齡譜對比（圖9），并結合以往學者［2，4，8，41］對構造環境的解釋及對重礦物、碎屑組分、古水流方向的分析，認為210～282 Ma 這一年齡段與勉略碰撞縫合帶總體形成事件（200～345 Ma）相對應［41］，南秦嶺在這一階段處于抬升狀態遭受剝蝕并為川東北沉積區提供沉積物質。

圖8 川東北地區周緣地質體測年數據（據文獻［39，43-48］修改）Fig.8 Geological dating data of northeastern Sichuan Basin

圖9 川東北地區上三疊統須家河組碎屑鋯石U-Pb 年齡譜與潛在源區年齡譜對比圖［2，4，9，57-58］Fig.9 Comparison of U-Pb age spectra of detrital zircons of Upper Triassic Xujiahe Formation in northeastern Sichuan Basin with age spectra of potential source areas

李雅倩等［42］根據典型剖面的巖石學、地球化學、同位素等方面的分析，研究了北秦嶺造山帶早古生代構造演化，尤其是對商丹洋的俯沖關閉時間進行了限定，約為420 Ma，故川東北地區須家河組年齡為～427 Ma 的碎屑鋯石有可能源自北秦嶺增生造山帶。

650～850 Ma 的新元古代年齡組峰值為～725 Ma，可能代表晉寧期構造巖漿熱事件，這一時期的鋯石通常被認為與Rodinia 超大陸裂解導致的巨量巖漿事件有關［49-51］。江南—雪峰造山帶西段古生界沉積物和揚子陸塊、川東北地區須家河組具有相似的該年齡區間譜峰形態。此外，區域測年數據（圖8）顯示，研究區東南部的江南造山帶西段巖體，東部的武當雜巖體、神農架巖體，西部的碧口地塊、漢南雜巖及米倉山巖體也測得了～800 Ma 的鋯石年齡。在晚三疊世及之前，這些形成于～800 Ma 的巖體被強烈抬升剝蝕。以上數據與本文測得的年齡相符，因此這些地質體均可能成為該年齡段鋯石的物源。

1 500～2 000 Ma 的中元古代—古元古代可能對應Columbia 超大陸的拼合（2 000～1 600 Ma）與裂解（1 500～1 300 Ma）［52-53］。這一年齡階段的鋯石在華北板塊、揚子板塊、秦嶺—大別造山帶、江南造山帶西段（圖9）均可找到，譜峰較寬，與江南造山帶西段形態最為相似，可能代表古元古代末的中條運動或呂梁運動，主要源區應為華北板塊南緣和江南造山帶西段等稍遠的外源區［3，9］，也可能來自東北部揚子北緣和秦嶺—大別造山帶［32］。

最老的2 265～2 600 Ma 年齡段，譜峰強度最小，峰值不明顯，反映出新太古代—古元古代的碎屑鋯石來自周邊多個板塊地殼物質的再循環，主要與揚子板塊、華北板塊、秦嶺構造帶的巖漿活動有關。

5 石油地質意義

物源供給是“源-匯”系統發育的根本要素，也是沉積砂體存在的物質基礎［54-55］。沉積特征、重礦物和碎屑鋯石年代學等證據表明，川東北地區須家河組接受北東和南東2 個方向的物源供給，儲層主要發育于兩大物源供給體系下的辮狀河三角洲—濱淺湖沉積體系中，受有利相帶、溶蝕和微裂縫等因素控制。2 個方向的物源控制著儲層巖石類型的發育情況（圖10a），致使不同地區發育不同類型的儲層，進而使得各儲層中的易溶組分和含量也不相同，導致各地區儲層孔隙發育及規模也不同［11，56］。

圖10 川東北地區上三疊統須家河組主要巖石類型（a）［11］及須六段沉積相和優質砂巖儲層預測（b）Fig.10 Distribution of main rock types of Upper Triassic Xujiahe Formation（a），sedimentary facies and high-quality sandstone reservoir prediction of Xu-6 member（b）

川東北地區須家河組東北部主要受北東向大巴山物源的影響，巖石類型主要為巖屑砂巖，孔隙類型以基質溶孔為主，少量為粒內溶孔；東南部主要受南東向江南—雪峰斷褶帶物源的影響，巖石類型主要為長石巖屑砂巖，發育基質溶孔和粒內溶孔；腹部受2 個方向物源體系疊加，多見長石巖屑石英砂巖、長石砂巖，發育粒間溶孔和粒內溶孔［11］。

川東北地區須家河組優質儲層以辮狀河三角洲前緣水下分流河道砂體為主，儲集性能好，在須六段沉積時期水體變淺、向盆地中心退去，東南部發育廣泛的辮狀河三角洲前緣沉積，優質儲層范圍擴大（圖10b）。明確須家河組物源體系將有助于在川東北地區須家河組尋找油氣儲層拓展新的領域，對尋找有利儲蓋組合具有重要意義。

6 結論

（1）川東北地區上三疊統須家河組由山前帶的辮狀河三角洲平原沉積向腹部的辮狀河三角洲前緣沉積過渡，沉積物粒度由粗變細。研究區須家河組沉積期的物源來自北東和南東2 個方向，腹部宣漢縣七里鄉地區須家河組沉積物是物源區剝蝕物經由東北部大巴山地質公園和東南部復平鎮黑天池匯入。

（2）研究區須家河組碎屑鋯石呈現出以～213 Ma，～427 Ma，～725 Ma，～1 694 Ma，～2 352 Ma 為峰值的5 個主要年齡區間，地層沉積年齡應不早于～213 Ma。～213 Ma 與勉略縫合帶形成相對應，主要源自南秦嶺造山帶；～427 Ma 與商丹洋俯沖關閉相對應，主要源自北秦嶺造山帶；～725 Ma 與Rodinia超大陸裂解有關，江南造山帶西段最可能成為該年齡段的物源；～1 694 Ma 年齡段鋯石主要來自華北板塊南緣和江南造山帶西段等外源區；～2 352 Ma的鋯石占比很小，來自再旋回物源。

（3）研究區須家河組儲層主要發育于北東和南東兩大物源供給體系下的辮狀河三角洲—濱淺湖沉積體系中，2 個方向的物源控制著儲層巖石類型和孔隙發育情況，使其具有較強的區域性。東北部近大巴山物源區發育巖屑砂巖、基質溶孔；東南部近江南—雪峰斷褶帶物源區發育長石巖屑砂巖、基質溶孔和粒內溶孔；腹部受2 個方向物源體系疊加，發育長石巖屑石英砂巖、長石砂巖、粒間溶孔和粒內溶孔。