致密气已成为国内外非常规油气勘探的重要新领域^[1⁃2]。我国四川、松辽、渤海湾和鄂尔多斯等盆地的致密油气勘探均获得了突破。四川盆地经过多年的油气勘探开发，已经在侏罗系发现了多个含气构造^[3]，展现出巨大的勘探潜力。其中，四川盆地中侏罗统沙溪庙组纵向上发育多期叠置河道，下部沙溪庙组一段（简称沙一段）的多套砂组相对富含油气^[4]，而河道砂体的展布又受到物源的影响，物源的性质及方向控制了沙溪庙组砂岩的展布方向及规模。目前，针对四川盆地沙溪庙组的物源研究主要集中在川西和川北—川东北地区，认为川西地区沙溪庙组的物源主要来自西侧龙门山和北侧米仓山^[5⁃10]，川北—川东北地区沙溪庙组的物源主要由北侧米仓山和大巴山提供。然而，针对川中地区沙一段物源研究较为薄弱，缺乏整体认识，这制约了沙一段砂岩的分布规律研究，也影响了川中地区致密砂岩油气的进一步勘探与开发。

因此，本文以岩石学为基础，结合元素地球化学特征，对川中地区沙一段物源进行研究，深入探讨物源区性质，为川中地区沙一段沉积演化、砂体展布规律及有利区带预测奠定基础，推动和加快了川中地区致密气勘探开发的步伐。

四川盆地位于中国西南地区，整体上呈北东—南西向展布。印支晚期，盆地西缘松潘—甘孜造山带隆升，形成了龙门山体系，扬子板块和华北板块的逆冲碰撞形成了川北秦岭造山带，川东南江南古陆—雪峰山的构造运动，在盆地周缘构造带共同作用下形成了陆相盆地的边界^[11]；燕山早期，川北—川东北米仓山—大巴山运动剧烈，沉降中心由川西转至川北^[12]。燕山晚期，龙门山运动加剧，盆地受多个方向构造运动联合控制。喜山期盆地构造格局基本定型^[13]。四川盆地北东方向为米仓山隆起带和大巴山断褶带，西邻龙门山断褶带，南部为娄山褶皱带，东部靠近川湘坳陷断褶带^[14⁃15]。川中地区位于四川盆地中部，北东起盐亭—西充，南西至简阳，是川中致密气的重点研究区域^[16⁃18]。沙溪庙组沉积时期，四川盆地周缘山体均已隆起，可为四川盆地提供物源^[19⁃20]。

川中地区沙溪庙组为一套陆相碎屑岩沉积，岩性主要为紫红色、灰绿色泥岩和浅灰—灰色砂岩组合（图1），区域上广泛发育的叶肢介泥页岩将沙溪庙组分为一段和二段^[21⁃23]。其中，沙一段与下伏千佛崖组、上覆沙二段均为整合接触，地层厚度一般为250~450 m^[24⁃25]，横向上分布较为稳定。底部通常发育一套较厚的细砂岩，被称为“关口砂岩”^[26]，向上发育一系列不等厚互层的紫红色、浅灰绿色泥岩、砂岩以及粉砂岩，顶部为薄层的黑色叶肢介泥页岩，强烈的冲刷导致局部地区叶肢介泥页岩缺失^[14]；沙二段厚度一般为1 000~1 200 m，底部通常发育较稳定的一套细粒长石石英砂岩^[27]（“嘉祥寨砂岩”），中下部发育灰绿色泥岩、紫红色泥岩，偶夹灰色粉砂岩和砂岩，上部发育厚度较大砂岩，指示该时期湖泊面积逐渐缩小，具有由湖泊向三角洲演化的沉积特点^[28⁃29]。

图  1  四川盆地沙一段构造（a）及地层发育（b）简图（据文献[21]修改）

Figure 1.  Simplified diagram of the structural development (a) and stratigraphic evolution (b) of the First member of the Shaximiao Formation, Sichuan Basin (modified from reference [21])

本次研究样品采集于川北地区的金溪、陈家岭剖面，川东地区的滩子、玉峡村剖面，川东北地区的上河坝、土黄镇剖面，川西—川西南地区的石牛角、两河口、沙坪村、观化村和川主河剖面，川南地区的中梗村、圆山坡、火把桥和德耀镇剖面以及川中地区的永浅1井、永浅2井、永浅3井和永浅6井钻井岩心（图1）。野外剖面采样挑选出露好且风化较弱的位置，钻井岩心从底部至顶部依次进行描述采样，所有样品均间隔采样，确保收集到的样品具有能代表沙一段沉积分布特征。从所有样品中挑选薄片样品240件，重矿物分析样品30件，主、微量元素及稀土元素分析样品25件。

在成都理工大学油气藏地质及开发工程全国重点实验室使用尼康E600型高级偏光显微镜完成薄片鉴定及照相。在河北省廊坊市科大岩石矿物分选技术服务有限公司完成重矿物分选工作。单个样品重量均在1~2 kg。首先将样品清洗晾干，取约1 kg的样品粉碎后过筛、清洗晾干并称重。在分离轻矿物与重矿物后通过磁选将重矿物分为磁性重矿物和非磁性重矿物，最后称重、鉴定，并统计每种重矿物颗粒含量，实验误差为3%~5%。主、微量元素及稀土元素在成都理工大学油气藏地质及开发工程全国重点实验室完成。样品清洗烘干研磨至200目，微量和稀土元素分析采用Agilent7900等离子体质谱仪完成，仪器精度优于5%。

川中地区沙一段砂岩碎屑组分含量较稳定，石英约占55%，长石和岩屑含量相当，岩屑以变质岩岩屑（图2a，b）为主，占总岩屑含量40%~50%，主要为千枚岩岩屑和片岩岩屑，火成岩岩屑（图2c，d）和沉积岩岩屑（图2e，f）含量相当，占总岩屑含量25%~30%，火成岩岩屑中以安山岩岩屑为主，占80%~90%，沉积岩岩屑中以泥岩岩屑为主，占60%~70%。盆地周缘沙一段砂岩碎屑组分含量差异较大，石英含量约占39%，长石含量略大于岩屑含量，岩屑以变质岩岩屑和沉积岩岩屑为主，含少量火成岩岩屑。Q-F-R图解显示，川中地区及盆缘沙一段砂岩以长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩为主（图3）。

图  2  川中地区及盆缘沙一段主要岩屑类型

Figure 2.  Main lithic types in the First member of the Shaximiao Formation in central Sichuan Basin and its peripheral

图  3  川中及盆缘沙一段砂岩矿物组成

Figure 3.  Mineral composition of sandstone in the First member of the Shaximiao Formation in central Sichuan Basin and peripheral basins

结合前人针对四川盆地沙一段砂岩的岩屑组分含量统计结果^[3,6,8⁃9]，发现四川盆地沙一段岩屑组分呈现明显的分区特征（图4a）：川西北广元地区，岩屑以变质岩岩屑为主，含少量沉积岩岩屑，火成岩岩屑极少或不发育；川西北绵阳地区，以富含沉积岩岩屑为特征；德阳—成都—自贡—宜宾一带，三种岩屑均发育，含量相当；川西南雅安—乐山地区，主要发育沉积岩岩屑和变质岩岩屑，沉积岩岩屑以碳酸盐岩岩屑为主；川东北—川中的巴中—南充—遂宁一带，以发育沉积岩岩屑和火成岩岩屑为特征；川东—川东北的重庆—达州地区，以变质岩岩屑和沉积岩岩屑为主。

图  4  四川盆地沙一段砂岩岩屑与重矿物组分分布特征(部分数据引自文献[3,30⁃34])

Figure 4.  Compositions characteristic of lithic and heavy mineral in the First member of the Shaximiao Formation, Sichuan Basin(partial data from references [3,30⁃34])

川中地区沙一段重矿物主要包括锆石、磷灰石、金红石、电气石、绿帘石、石榴子石、榍石、钛铁矿、白钛石和磁铁矿等，以石榴子石和绿帘石为主（附表1）^①。

结合前人针对四川盆地沙一段砂岩重矿物数据统计结果^[3,30⁃34]发现，重矿物组分存在明显分区特征（图4b）：雅安—成都地区，以发育锆石和石榴子石为主；德阳地区以发育石榴石、锆石和褐铁矿为主；巴中—秋林地区以发育褐铁矿、磁铁矿和石榴石为特征；广元地区以绿帘石、褐铁矿和石榴子石为主；盆地中东部地区以发育绿帘石和石榴子石为特征。

主量、微量及稀土元素测试数据见附表2、附表3和附表4^①。

沙一段泥岩样品的SiO₂含量为57.29%~64.72%（平均值为62.73%），略低于上地壳平均含量（66.00%）；Al₂O₃含量为5.25%~17.24%（平均值为15.33%），略高于上地壳平均含量（15.20%）；MgO含量为0.94%~2.25%（平均值为1.79%）略低于上地壳平均含量（2.20%）；Na₂O含量为0.18%~1.92%（平均值为1.01%），明显低于上地壳平均含量（3.90%）；K₂O含量为0.95%~4.11%（平均值为3.17%），略低于上地壳平均含量（3.40%）；P₂O₅含量为0.051%~0.264%（平均值为0.13%）；TiO₂含量为0.22%~0.85%（平均值为0.75%），略高于上地壳平均含量（0.50%）；CaO含量为0.48%~6.96%（平均值为1.38%），明显低于上地壳平均含量（4.20%）；Fe₂O₃含量为1.51%~8.6%（平均值为6.34%），略高于上地壳平均含量（5.04%）；MnO含量为0.037%~0.759%（平均值为0.13%），略高于上地壳平均含量（0.10%）。主量元素各项分析结果与上地壳平均值^[35]相比无较大变化。

沙一段泥岩样品的微量元素数据采用原始地幔含量标准化后显示^[36]，川中地区与川北、川东地区沙一段标准化曲线特征相似（图5a），具有大离子亲石元素Rb、La、Nd富集，高场强元素P、Nb、Hf和Ta相对亏损的特征，表现出与上地壳基本相近的特点^[37]。

图  5  微量元素及稀土元素标准化配分模式图

Figure 5.  Standardized distribution pattern of trace elements and REE (Rare Earth Element)

沙一段∑REE为（104.3~402.1）×10^-6（图5b），平均值为247.9×10^-6；δEu具有中等的负异常，为0.59~0.72，平均值为0.66，δCe为0.38~0.96，平均值为0.80，具有较弱的负异常；LREE/HREE为6.15~11.44，平均值为8.66；（La/Yb）_N为7.96~16.65，平均值为10.33，轻、重稀土元素分异明显，轻稀土元素富集，重稀土元素相对亏损；（La/Sm）_N为3.39~5.56，平均值为4.34，轻稀土分馏中等；（Gd/Yb）_N为1.15~2.27，平均值为1.56，重稀土分馏程度低。前人研究认为，长英质岩石具有LREE/HREE高和负Eu 异常的特点，而铁镁质岩石具有LREE/HREE低、弱或者无Eu 异常的特点^[38⁃39]。

将川中地区与盆缘沙一段岩屑组成进行对比后发现，川中地区与盆地西缘龙门山前和盆地东南缘岩屑组成相似（图4a），具有变质岩岩屑含量略高或三种岩屑含量相当的特征，指示川中地区沙一段物源可能来源于川西龙门山和川东南地区。另外，川中地区沙一段与下伏地层相比，岩屑中富含火成岩岩屑，且以安山岩岩屑为主。四川盆地安山岩岩屑主要分布于盆地东北部和南部（图6a），表明沙一段物源可能来自盆地东北部和南部。

图  6  四川盆地沙一段火山岩岩屑与重矿物中绿帘石发育特征图

Figure 6.  Development feature maps of volcanic lithic and epidote in heavy minerals in the First member of the Shaximiao Formation, Sichuan Basin

川中地区沙一段重矿物主要为石榴子石和绿帘石。下伏千佛崖组砂岩中重矿物以锆石+磷灰石+石榴石为主^[40]，须家河组砂岩的重矿物组合以金红石+锆石+电气石为主^[41]；上覆遂宁组砂岩的重矿物组合以锆石+电气石+石榴子石为主^[32]，蓬莱镇组砂岩的重矿物组合以锆石+电气石+石榴子石+磁铁矿为主^[42]。由此可见，富绿帘石是沙一段砂岩的独有特征之一。

四川盆地沙一段绿帘石分布特征显示（图6b），北东缘和南东缘沙一段砂岩中富含大量绿帘石，特征与川中地区相似，且川东北和川东南地区同时也是火成岩岩屑较为发育的区域，绿帘石和火成岩岩屑在物质来源上具有一致性，说明绿帘石可能来自川东北和川东南地区。

ZTR指数是指稳定重矿物锆石、电气石和金红石在透明矿物组分中所占的百分含量，ZTR值越高，说明成熟度越高，反之则成熟度低。因此，源区至沉积区ZTR指数通常应呈现逐渐增大的趋势。川中、川北和川东地区的ZTR平均值（详细数据见附表1）分别为0.098、0.113和0.280，川北和川东地区ZTR值略高于川中地区，因此川北和川东地区可能并非源区。金红石和锆石在搬运和沉积过程中具有相似的水力分选和埋藏成岩过程，因此可利用金红石和锆石的相对含量（RuZi指数）来指示物源信息^[43]。高RuZi指数指示源区金红石含量较高，如变质泥岩等，低RuZi指数则指示源区金红石含量较低，如火成岩等。川中地区样品RuZi指数（详细数据见附表1）为0~31.65，平均值为15.02，整体偏低，说明源区金红石含量较低，可能发育火成岩。

Rorer et al.^[44]根据已知碎屑岩的构造背景提出了应用于砂岩—泥岩的判别图，并划分出四个不同的主要源区：长英质火成物源区（成熟的大陆边缘和大陆转换边缘）、中性火成物源区（其中主要是安山岩，属于成熟的岩浆弧和不成熟的大陆边缘岩浆弧）、石英质沉积物源区（属于成熟的大陆源区）、镁铁质火成物源区（属于不成熟的海洋岛弧）。F1-F2判别图显示（图7a），研究区样品主要落在成熟度较高的石英质沉积物源区，表明川中地区沙一段物源区可能为古老的地质体、克拉通或是再旋回造山带^[45]。Roser^[46]根据砂岩、泥岩提出的SiO₂-TiO₂图解也可判断源区特征，研究区样品落在火成岩区和沉积岩区（图7b），表明川中地区沙一段物源存在沉积岩和火成岩两种源岩。

图  7  四川盆地沙一段F1⁃F2判别图（据文献[44]修改）与TiO₂⁃SiO₂判别图（据文献[46]修改）

Figure 7.  Discrimination diagrams of F1⁃F2 (modified from reference [44]) and TiO₂⁃SiO₂ (modified from reference [46])in the First member of the Shaximiao Formation, Sichuan Basin

La/Th-Hf和Co/Th-La/Sc图解也可以判别源岩性质。La/Th-Hf判别图^[47]显示（图8a），样品处于长英质酸性岛弧物源区；Co/Th-La/Sc图解^[48]显示（图8b），样品主要落在长英质火山岩附近。另外，La/Th值（2.23~5.84，平均值为2.99）低于5，Hf含量（1.31~5.04，平均值为4.02）整体偏低，δEu存在明显的负异常，综合表明川中地区沙一段物源主要来自长英质物源区^[39]。

图  8  四川盆地沙一段La/Th⁃Hf判别图（据文献[47]修改）与Co/Th⁃La/Sc判别图（据文献[48]修改）

Figure 8.  Discrimination diagrams of La/Th⁃Hf (modified from reference [47]) and Co/Th⁃La/Sc(modified from reference [48]) in the First member of the Shaximiao Formation, Sichuan Basin

物源区母岩中的稳定氧化物和不稳定氧化物在遭受风化过程中含量会发生变化，其中CIA指数常被用来判断化学风化程度^[49]。CIA值在50左右时，代表源区岩石未遭受风化，CIA值介于50~100时，代表源区岩石遭受了不同程度的风化，CIA值越接近100指示源区岩石遭受风化程度越大。川中地区样品CIA值（详细数据见附表1）介于55.52~76.81，平均值为72.00，反映源区遭受了中等偏高的风化程度，表明川中地区沉积物经历了较长距离的搬运。

综上所述，川中地区沙一段富含安山岩岩屑，碳酸盐岩岩屑、玄武岩岩屑和花岗岩岩屑不发育，且重矿物中发育绿帘石。盆地西缘的构造活动导致碳酸盐岩露出地表，并遭受剥蚀，因此川西龙门山前发育大量碳酸盐岩岩屑。龙门山在印支—燕山期经历过强烈的岩浆活动，广泛分布花岗岩^[50⁃51]，川西南地区发育玄武岩岩屑。由此可见，川西地区基本未对川中地区沙一段提供物源，盆地北部米仓山物源主要影响川西北部—米仓山前缘^[31]，对川中地区贡献较小。川东北地区（大巴山）和川东南地区富含火成岩岩屑，且绿帘石较发育，与川中地区沙一段特征相似，表明川东北和川东南地区均可能为川中地区沙一段提供物源。中侏罗世时期强烈的构造活动导致川东北大巴山的强烈隆升^[52]，基底岩浆岩、侵入岩暴露而成为母岩区进而为川中供源。江南造山带作为我国华南地区的古陆剥蚀区之一，位于扬子板块和华夏板块之间，被认为是扬子板块与华夏板块碰撞后，由岛弧—弧后盆地组成的洋陆碰撞造山带，虽然江南造山带在演化过程中也存在中酸性岩浆岩^[53]，但江南造山带在侏罗纪时期已经基本定型，处于微弱隆起且相对稳定状态，加之源区化学风化作用较强，所以江南造山带可能并非主要源区^[54]。由此可见，川中地区在沙一段时期主要由川东北大巴山进行供源。

通过对川中地区不同物源沉积岩石样品的物质组成、颜色、形态等特征分析，我们了解到川中地区沙一段物源主要来自盆地东北部。利用地震资料对川中地区砂体进行刻画，发现河道展布特征明显（图9a），可以确定川中地区沙一段发育三角洲体系，三角洲沉积物质主要由大巴山供给（图9b）。研究成果不仅指明了碎屑物质的主要搬运方向，为四川盆地致密气有利区的划分以及勘探开发提供了有力支撑，也为研究隆升山体周缘地区沉积环境、沉积速率和沉积特征等相关关系奠定了基础，这对研究“盆—山”耦合关系意义重大^[55⁃56]。

图  9  （a）川中地区沙一段砂体平面分布图；（b）四川盆地沙一段沉积模式图

Figure 9.  (a) Plan view of sand bodies in the First member of the Shaximiao Formation in central Sichuan Basin; (b) schematic of sedimentary patterns in the First member of the Shaximiao Formation, Sichuan Basin

（1） 川中地区沙一段砂岩以长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩为主，安山岩岩屑和绿帘石在沙一段下伏地层较少发育，川东北和川东南地区沙一段中常见。

（2） 川中地区沙一段物源主要来自盆地东北部大巴山，源区母岩主要为长英质火山岩，同时含有少量沉积岩，盆缘其他方向物源供给有限。