裂谷作为地幔柱活动和大陆裂解的产物^[1]，裂开过程中伴有广泛的隆起、下陷现象，岩浆火山作用明显，最终拉张成洋，裂谷两侧的被动大陆边缘盆地既是裂谷演化阶段的产物，更是全球发现油气数量最多的区域^[2-3]。新元古代，Rodinia超大陆开始裂解，产生较强的岩浆活动，华夏与扬子之间的南华裂谷开始形成^[4]。与国外相比，国内克拉通具有规模小、活动性强、后期改造多、叠合多，裂陷和断陷多的特征。深层油气勘探的持续推进发现，扬子地块的盆内南华系-震旦系，尤其是四川盆地，裂谷特征明显，已发现的油气藏分布受震旦纪裂谷控制^[5]。前人由川中地区发育南华纪裂谷推测谷内可能发育大塘坡组烃源岩。近年来在四川盆地安岳特大型气田的发现中，证实中上扬子早寒武世大陆边缘盆地内部发育南北向的古裂陷槽，槽内充填了巨厚的下寒武统筇竹寺组深水相烃源岩，与两侧灯影组白云岩构成优越的源-储配置系统^[6-8]，并发育原位滞留页岩气藏的自生源储系统。塔里木北部满加尔地区南华系-震旦系的裂陷槽，即克拉通边缘或内部较大规模伸展作用形成的狭长沉降区周缘发现了下古生界寒武系-下奥陶统巨型海相油气田。

油气勘探研究更关注早期断坳演化对后期克拉通盆地发育位置和沉积格局的控制作用。目前已证实华北、塔里木和扬子克拉通内部和边缘至少存在十余个中-新元古代裂谷或裂陷^[9]。我国南方地区地质条件复杂^[10]，扬子克拉通南华系-震旦系断坳结构的识别与发现多集中于上扬子四川盆地及中扬子盆缘，而中扬子腹部地区尚待查明。中国地质调查局武汉地质调查中心、油气资源调查中心先后在中扬子宜昌斜坡区世界上最老沉积地层，例如：震旦系陡山沱组、下寒武统水井沱组、震旦系灯影组石板滩段取得了页岩气及天然气的重大发现。笔者将在前人盆缘露头研究成果基础上，利用区域构造地质学、地震沉积学等理论^[11]，主要采取地震和钻探资料开展南华纪-震旦纪断陷和坳陷分布研究，进而探讨南华纪-震旦纪断坳演化对烃源岩、台缘储集相带的控制并进行勘探选区。

1.   区域地质概况

鄂西的宜昌斜坡区(图 1)地处长江中游与上游结合部，为武陵山山脉与江汉盆地过渡地带，构造上位于中扬子地台中部黄陵隆起的东南缘斜坡，夹持于鄂西褶皱带宜都-鹤峰复向斜带与巴洪冲断带前缘当阳滑脱褶皱带之间。宜昌斜坡区NW与黄陵隆起相连，NE以通城河断层为界，SW以天阳坪断层为界，面积达2 150 km²。地层一般走向NE，倾向SE，倾角大多在10°左右，其中北部NE向、NW向断裂较发育。

图  1  宜昌斜坡地质资料分布图

Figure  1.  Geological data distribution of Yichang slop

下载: 全尺寸图片 幻灯片

宜昌斜坡区内由古元古代崆岭杂岩和侵入其中的新元古代黄陵花岗岩和晓峰基性-超基性岩组成双层基底，其上覆盖着环绕黄陵隆起出露的南华纪-三叠纪和白垩纪沉积地层，发育震旦系陡山沱组、寒武系水井沱组、奥陶系五峰组-志留系龙马溪组等地层，这些地层内含有多套厚度大、分布广、有机质成熟度和埋深适中的富有机质页岩, 例如：水井沱组、龙马溪组，页岩气资源基础好^[12]。

2.   南华系-震旦系事件-岩石地层

新元古代期间发生过一系列重大的地球构造、气候、生物环境事件(REF)。扬子地块与中国其他古老克拉通，例如华北、塔里木，在中、新元古代扬子及塔里木都广泛发生了岩浆作用与断陷活动。随Rodinia大陆解体，克拉通构造整体处于拉张背景。其中，扬子克拉通西缘的康滇裂谷和东缘的湘桂裂谷开启时间为820 Ma，充填了典型的裂谷盆地沉积序列^[13]。与构造环境变化同步的气候变迁亦是如此，华北、扬子和塔里木等古老克拉通在南华纪-震旦纪曾发生过4次大的冰期事件，分别为南华纪冰期Kaigas、Sturtian、Marinoan及震旦纪冰期Gaskiers。而Sturtian和Marinoan冰期具有全球对比特征^[14-15]。在扬子古陆南华系又有冰前莲沱组，古城组Sturtian及南沱组Marinoan两套亚冰期及大塘坡间冰期沉积。属于一个以冰期-间冰期古气候事件为标记的地层单位系统和沉积组合^[16]。超大陆裂解及“雪球”事件后，是生命演化的最关键时期，后冰期震旦系为以海侵碳酸盐岩发育为特色的稳定台盆型沉积，如陡山沱组及灯影组。

同位素测年资料对宜昌斜坡区各地层的形成时代进行过有效的分析。赵自强等^[17]在宜昌下南华统莲沱组中距底界40 m处获得的单颗粒锆石U-Pb年龄为(748±12)Ma，推测莲沱组的下限年龄为(760±20)Ma；推断南华系底界年龄为800 Ma^[18]，为参考不整合面之下黄陵花岗岩的锆石U-Pb年龄结果(819±7)Ma及中新元古界级年代地层单元平均2亿年的时间间隔而推定的参考年龄^[17]；后期采自上南华统南沱组顶部的锆石U-Pb年龄数据证实南沱冰期结束于635 Ma，从而指示南华系沉积形成于800~635 Ma之间。由于中扬子基底与黄陵花岗岩基底类似，可能反映宜昌莲沱组沉积于古陆边缘位置，沉积年龄为(758±23)Ma，较南华系底界年龄少20 Ma时间的沉积充填。莲沱组不整合于黄陵花岗岩之上，由南向北西超覆并且迅速尖灭，顶界与南沱组冰碛砾岩呈不整合接触。与长阳古城剖面相比，宜昌地区缺失中南华统古城组、大塘坡组，上南华统南沱组区域上分布稳定，平行不整合于陡山沱组之下。在震旦系灯影组与陡山沱组界线上发现了极薄层斑脱岩SHRIMP年龄为(549±6.1)Ma，(551±0.7)Ma。震旦系具有广泛的对比性，时限为635~543 Ma(表 1)。宜昌及周缘南华系-震旦系地层特征从下至上差异较为明显。

表  1  华南南华系－震旦系地层序列(据文献[19]修改)

Table  1.  Stratigraphic sequence of NanhuaGSinianin South China

下载: 导出CSV 

| 显示表格

2.1   南华系

(1) 莲沱组(Nh₁l)莲沱组始称莲沱群，湖北三峡地层组定为(1978年)称莲沱组。其为一套紫红色碎屑岩，由北向南岩性具有明显变化, 属正常气候下的沉积，由自下而上由粗变细的、以河流相为主的陆相紫红色碎屑沉积岩组成，下部为紫红色、灰绿色粗-中粗粒石英质含砾砂岩；上部为紫红色、灰白色含砾岩屑长石石英质砂岩、含泥质细砂岩及粉砂质泥岩(图 2，图 3-a)。晋宁运动之后，扬子古陆成为剥蚀扩大的巨大古陆之一，莲沱组底界分别与黄陵花岗岩和青白口纪不整合面接触，顶界与古城组和南沱组冰碛岩呈平行不整合接触。Kaigas冰期沉积可能存在于扬子古陆边缘地带，在古陆侵蚀面上未能存留。

图  2  宜昌斜坡南华系-震旦系地层对比图

Figure  2.  Yichang slope Nanhua-Sinian correlation

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  3  宜昌南华系-寒武系水井沱组岩性特征

Figure  3.  The character Nanhua-Cambrian Shuijingtuo Formation in Yichang

下载: 全尺寸图片 幻灯片

(2) 古城组(Nh₁g)该地层名创建于研究区长阳县高家堰古城岭附近。岩性主要为绿色冰碛砂砾岩及含砾冰碛泥岩。冰碛岩中的砾石具向上变粗特点，中部夹氧化锰矿层透镜体。古城组属Sturtian冰期陆相冰川湖沉积，区域上不具延展性，与下伏莲沱组呈平行不整合接触。

(3) 大塘坡组(Nh₂d)该地层于贵州省松桃县大塘坡锰矿区创名，与古城组相伴出露。以黑色炭质粉砂岩、炭质页岩为主，中部夹锰矿层，为温暖环境的产物。与下伏古城组呈整合接触并具有共生性，区域上无延展性，属Sturtian冰期陆相湖间冰期沉积(图 2)。

(4) 南沱组(Nh₂n)南沱组系创名于宜昌市南沱，即“南沱冰碛层”，该组层型剖面为湖北省宜昌县莲沱大桥-王丰岗剖面。“南沱冰碛层”岩性以灰绿色为主，少量紫红色、深灰色的块状冰碛泥砾岩。南沱组与下伏莲沱组不整合接触，在唐家坝以北超覆于黄陵花岗岩基底之上，属Marinoan冰期以大陆冰川－冰湖沉积为主的沉积环境(图 2，图 3-b)。

宜昌南缘长阳地区的南华系地层自下而上依次为：下统莲沱组，中统古城组和大塘坡组，上统南陀组。古城组和大塘坡组相伴出露，两者平行地覆于莲沱组之上。自长阳向北至宜昌峡东地区仅发育南沱组与莲沱组，缺失南华系中统地层(图 2)。

2.2   震旦系

(1) 陡山沱组(Z₁d)创名于宜昌市陡山沱，现在定义为“整合于灯影组之下、平行不整合于南沱组之上的一套海相碳酸盐岩”。主要分为四段，一段以冰碛砾岩结束，深灰色“盖帽”薄层状细－微晶白云岩出现为标志；二段以黑色薄层炭质、白云质泥岩为主；三段白云岩夹燧石层和燧石团块；四段为一套黑色炭质页岩，分布局限(图 2，图 3-c~f)。

(2) 灯影组(Z₂dy)创名于宜昌市长江南岸石牌村至南沱村的灯影峡。灯影组中下部蛤蟆井段、石板滩段层序清楚。蛤蟆井段为灰白色内碎屑白云岩，含核形石及燧石条带和结核。石板滩段为含硅质、沥青质灰岩、硅质白云岩。白马沱段为厚层块状粉晶白云岩、内碎屑白云岩，并结束于桐湾多幕构造运动对其的侵蚀作用，上覆寒武系水井沱组(图 2，图 3-g，h)。

3.   南华系-震旦系断坳结构对盆地沉积充填的的控制

华南地区经历了板块构造演化阶段和陆内构造演化阶段。陆内构造演化阶段，华南地区南华系-震旦系受裂陷及坳陷控制影响，整体上自西北向东南大体可分为3个不同类型沉积区，即克拉通内(类型Ⅰ)台地沉积型到克拉通边缘过渡(类型Ⅱ)斜坡过渡区沉积型，再到克拉通边缘(类型Ⅲ)盆地沉积型。其中中扬子宜昌及周缘的南华系-震旦系受鄂西海槽的控制影响，发育类型Ⅰ及类型Ⅱ沉积区，主要为断陷-坳陷结构特征，其中Ⅰ型又分为台地边缘-斜坡(Ⅰ_Ⅰ)和台内洼地(Ⅰ_Ⅱ)两个亚型，Ⅱ型为陆棚相沉积区。

3.1   南华系-震旦系断坳地震反射结构

地震资料解释在宜昌斜坡区寒武系之下新发现了3套地震反射，自下而上依次是:第一套，底界斜向断续强反射特征(TQb青白口系地震反射波)，暨为拉伸系顶面的不整合面，其下部的杂乱反射代表中元古界-新元古界下部基底；第二套，存在清晰的断陷断续延伸的强振波组，上覆为一套由SW向NE减薄的楔状沉积体，内部与底座“斜向”楔状体底界之间为层状反射，并向下逐渐减弱直至消失，具有断陷地层的快速沉积和厚度向边缘快速变薄、在边缘快速尖灭等特点(TQb青白口系-TZd震旦系陡山沱组地震反射波之间)；第三套，井-震标定显示震旦系与寒武系反射相一致，为平行层状﹑席状地震反射特征(TZd震旦系陡山沱组-T∈₁s寒武系石牌组地震反射波之间)，反映沉积和构造环境较为平静。震旦系之下识别出明显的断陷结构，“断陷”断续延伸的强振波组之上楔状反射波组对应的地层应是南华系；震旦系-寒武系呈层状反射结构特征，且在“断陷”部位存在变化；上述两种结构特征标志着存在断坳转化或坳陷沉积(图 4)。通过二维地震刻画、识别在宜昌地区长江以南、以北发育近SN向延伸的断陷，向鄂西海槽方向，由东至西近于平行展布。

图  4  宜昌斜坡区深层地震反射结构剖面

TQb.青白口系顶反射波; TZd.陡山沱组顶反射波; TZdy.灯影组顶反射波; T∈₁s.寒武系石牌组顶反射波

Figure  4.  The deep seismic reflection profile in Yichang slope

下载: 全尺寸图片 幻灯片

3.2   震旦系-南华系断坳对沉积充填的的控制

构造作用和气候变化一般被认为是控制盆地沉积充填过程和沉积物分布最基本的两个因素；大地构造沉积学强调了板块构造作用与沉积充填的结合分析。扬子克拉通南华纪裂谷演化可分为3个阶段^[24]。从陆内构造演化阶段结构类型，中扬子宜昌斜坡区可能定义为断陷较合适。笔者根据“断坳”二元结构及期间夹杂成冰期，认为宜昌斜坡区及周缘经历了早期断陷、中期成冰、断坳转换及晚期坳陷4个演化阶段(图 5)。

图  5  南华系-震旦系断坳结构对沉积充填的控制

Figure  5.  Nanhua-Sinian fault-depression controlling of sedimentary fill

下载: 全尺寸图片 幻灯片

(1) 早期断陷阶段约800 Ma开始，受超级地幔柱活动而导致Rodinia超大陆解体的影响，被动大陆边缘环境持续受影响，陆内宜昌及周缘地区存在一定的拉张作用，形成黄陵花岗岩，黄陵花岗岩基作为晋宁期花岗岩的典型代表之一，早期以大量的花岗岩产出为特征，晚期以基性-酸性岩岩脉、岩墙侵入为特征，形成宜昌地区断陷基底。断陷阶段初期，宜昌地区下南华统莲沱组在华南地区各处的层位高低不同，它不整合于不同层位之上，为具有较强穿时性的岩石地层单位。宜昌莲沱组下部与下伏侵入岩“断陷基”呈不整合接触，由下而上由粗变细的紫红色碎屑岩组成，上部则演变为河口湾－滨海三角洲沉积。中扬子宜昌地表出露露头大多未至地震所刻画的断陷最大的沉降-沉积区地层，“断陷基”之上快速堆积的滨海相砾岩则与莲沱组的层位相当，如湖南石门杨家坪下南华统渫水河组粗砾沉积，江南桂北上南华统富禄组巨厚砂岩及上南华统下部至下南华统的长安组块状含砾泥岩冰成混积岩沉积。

(2) 中期成冰阶段上南华统南沱组为全区岩性与岩相最为稳定的冰碛岩，与下伏莲沱组不整合接触，在唐家坝以北超覆于黄陵花岗岩基底之上，属以大陆冰川-冰海、冰湖沉积为主的沉积环境。中下部灰绿色块状冰碛砾岩，中上部冰碛砾岩中夹黄绿色、灰绿色透镜体，并与含冰碛砾砂岩组成基本序列。化学风化指数CIA^[25-26]分析结果表明：宜昌三斗坪地区上南华统南沱组的CIA值基本在60~65之间(干燥寒冷)，近顶部的CIA值达70(温暖潮湿)，CIA值的变化表明本区南华系南沱组经历了冰期干燥寒冷-最顶部温暖潮湿沉积环境的变化过程。

(3) 断坳转换阶段宜昌斜坡区构造沉积环境较为稳定，处于沉积萎缩阶段，相当于下震旦统陡山沱组。南沱组冰碛岩之上发育的陡山沱组盖帽白云岩被认为是新元古代环境变迁的显著标志，尽管是成冰期至断坳期的岩性转化，但区域上仍分布不稳定。断坳期，陡山沱组二段是南沱组成冰期后形成的海侵体系，形成的黑色炭硅质页岩沉积序列在宜昌甚至华南大多数地区分布较为稳定。陡山沱组三段为分布较为稳定的含硅质条带结核白云岩。陡山沱组四段又出现黑色硅质页岩及炭质页岩。断坳构造转换阶段也是地球环境演化的主要时期，宜昌斜坡区相对稳定，受断坳期构造转化控制，这一时期从浅水台地到陆棚均不同程度地发育环境稳定的黑色页岩地层，宜昌斜坡区陡山沱组主要发育稳定台地相区黑色页岩。

(4) 晚期坳陷阶段作为扬子地台的热沉降阶段，宜昌斜坡区岩浆与火山活动显著减弱，震旦系灯影组发育稳定的台盆相区，受前期断陷期及断坳转换期断坳结构影响，断裂上升盘位置处控制灯影组的台地边缘浅滩发育，断陷的沉降区则发育斜坡-陆棚及台内洼陷沉积。克拉通内类型Ⅰ(宜昌型)结构存在2种亚类型沉积区，Ⅰ_Ⅰ型为台地边缘-斜坡相沉积区，Ⅰ_Ⅱ型则是台内洼地相沉积区。克拉通边缘过渡类型Ⅱ(长阳型)则为陆棚相沉积区。这两种类型及亚类型沉积区是陡山沱组及下寒武统水井沱组富有机质页岩沉积的有利相区。

4.   中扬子深层断坳结构发现对页岩气地质意义

陡山沱组和水井沱组的页岩气勘探证实中扬子克拉通新元古界及下古生界发育较高有机质丰度的烃源岩。黄陵隆起东南缘宜昌斜坡带在太古宙结晶基底之上, 发育有元古宙至第四纪各时代地层, 保存有震旦系陡山沱组、寒武系水井沱组、奥陶系五峰组-志留系龙马溪组等多套黑色富有机质泥岩^[19]，这为该区域的油气勘探开发提供了良好的地质基础。

宜昌斜坡区的震旦纪-早寒武世沉积地层明显受南华系-震旦系断坳结构4个演化阶段的控制影响。震旦系灯影组残余厚度分析表明，灯影组厚度受基底断坳结构控制影响明显，断裂控制上升盘位置处灯影组灰岩明显加厚600~700 m，并呈南北走向特征。两侧断裂下降盘灯影组厚度明显减薄，西侧厚度在300~450 m之间，东侧则在450~500 m之间(图 6)。通过地震沉积相分析表明，震旦系灯影组-下寒武统水井沱组发育Ⅰ_Ⅰ型台地边缘-斜坡相及Ⅰ_Ⅱ型台内洼地(图 7)。宜昌斜坡区是富有机质页岩沉积的有利相区，形成源储自体页岩气藏系统。此外，南华系-震旦系断陷-坳陷背景下形成的震旦系灯影组台地边缘与充填寒武系水井沱组深水相烃源岩构成优越的源-储-盖常规成藏系统(图 7)，2019年，部署于灯影组台地边缘浅滩的宜参3井在灯影组二段石板滩段取得了天然气“重大发现”，测试天然气1 850 m³/d也充分证明了这一点。南华系-震旦系断坳结构对晚震旦世-早寒武世沉积影响判断，陡山沱组作为烃源岩主力页岩地层，虽为南沱成冰期后海侵体系形成的黑色炭硅质页岩，其沉积序列在华南大多数地区分布较为稳定，但断坳位置处应是有机物质最为发育地区。宜昌地区属于低勘探程度区，南华系-震旦系深层断坳结构的识别与刻画，对于认识中扬子陆内早期构造-沉积演化、对富有机质页岩沉积格局的控制作用，以新元古界及下古生界常规及非常规油气勘探具有重要地质意义。

图  6  宜昌斜坡区震旦系灯影组残余厚度图

Figure  6.  The thickness of Sinian Dengying Formation Yichang slope

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  7  宜昌斜坡区震旦系灯影组沉积相图

Figure  7.  Sinian Dengying Formation sedimentary facies Yichang slope

下载: 全尺寸图片 幻灯片

5.   结论及认识

(1) 宜昌及周缘的南华系-震旦系发育两类断坳结构，即克拉通内的类型Ⅰ(宜昌型)和克拉通边缘过渡区的类型Ⅱ(长阳型)。经历了早期断陷﹑中期成冰﹑断坳转换﹑晚期坳陷4个阶段, 类型Ⅰ又分为台地边缘-斜坡(Ⅰ_Ⅰ型)及台内洼地(Ⅰ_Ⅱ型)两个亚类型，类型Ⅱ主要为陆棚沉积型。

(2) 南华系-震旦系断坳结构是刻画新元古界及下古生界陡山沱组、水井沱组两种类型富有机质页岩区及灯影组台地边缘浅滩区域展布的关键，对宜昌斜坡区非常规页岩气及常规天然气勘查区带的优选意义重大。