李卿 ,李忠權(quán) ,王森 ,馬啟科 ,李娟 ,萬雙雙
(1.成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610059;2.四川省安全科學(xué)技術(shù)研究院,四川 成都 610000)
近年來,隨著石油勘探技術(shù)的進(jìn)步和人們對油氣資源需求的增加,國內(nèi)外石油勘探學(xué)家對龍門山構(gòu)造帶日趨關(guān)注。該區(qū)受多重應(yīng)力影響,構(gòu)造形變強(qiáng)烈,加之地質(zhì)條件復(fù)雜,在縱向上發(fā)育多套滑脫層;滑脫層在受到應(yīng)力作用的過程中,容易發(fā)生塑性流動(dòng),且受變形不規(guī)則性等因素的影響,導(dǎo)致地震資料信噪比不高,地震資料效果差,地震解釋成果存在較強(qiáng)的多解性,給構(gòu)造模式認(rèn)識(shí)帶來很大困難。因此,還需對地震地質(zhì)開展深入研究。
天井山地區(qū)主要位于四川省江油市境內(nèi),東邊區(qū)域跨入廣元市境內(nèi)羅妙真村(屬劍閣縣)。工區(qū)為一北東向的長方形區(qū)塊,其東南起于江油市厚壩—廣元鹽店一線,西達(dá)江油市沉永—雁門一線。
天井山地區(qū)屬山地地貌,地勢險(xiǎn)峻,山體綿延,溝壑縱橫,山系以北東向?yàn)橹?,地表高程?00~2 000 m,總體呈西北高、東南低,屬龍門山前陸推覆-沖斷帶和龍門山前陸盆地。區(qū)內(nèi)地面正向構(gòu)造主要為天井山構(gòu)造(南段),其次有茍家埡倒轉(zhuǎn)背斜和水跟頭倒轉(zhuǎn)背斜等,斷裂眾多,主要的區(qū)域性大斷裂為雁門壩斷裂和馬角壩斷裂(也稱彭-灌斷裂)。由于特殊的構(gòu)造位置,地面構(gòu)造復(fù)雜多樣,其構(gòu)造與斷層的走向多為近北東向。出露地層以古生界和中生界為主,主要為三疊系、二疊系、石炭系、泥盆系及寒武系,巖性總體上以碳酸鹽巖為主。在侏羅系出露區(qū)其地面構(gòu)造簡單;而在三疊系及其更老地層出露區(qū)地面構(gòu)造極其復(fù)雜,斷層也十分發(fā)育,多伴有斷裂破碎帶產(chǎn)生,有的區(qū)域性大斷層破碎帶寬度可達(dá)數(shù)米,地層傾角變化劇烈,山體部位地層陡傾,褶皺強(qiáng)烈,局部地層直立倒轉(zhuǎn),各層系間多以大傾角的斷層接觸分界[1-8]。
以天井山地區(qū)的主要地震剖面精細(xì)解釋為基礎(chǔ),選取了一條北西—南東向橫穿構(gòu)造帶的主格架地震剖面——天井山14線剖面,進(jìn)行構(gòu)造演化分析??傮w來說,龍門山構(gòu)造帶的形成主要經(jīng)歷了4個(gè)階段:1)伸展拉張成盆階段(震旦紀(jì)—中三疊世末),龍門山處于伸展動(dòng)力學(xué)環(huán)境,拉張成盆,接受海相碳酸鹽巖沉積,地層伸展率超過8%,其中馬角壩斷層在該時(shí)期為多期活動(dòng)正斷層;2)陸隆伸展演化階段(晚三疊世—中侏羅世末),龍門山前緣因重力滑覆形成一系列的高角度逆沖斷層和相關(guān)褶皺,馬角壩斷層反轉(zhuǎn)成為逆斷層,地層收縮率達(dá)到20%以上;3)抬升剝蝕階段(晚侏羅世—早白堊世末),以垂直升降和剝蝕作用為主,該時(shí)期構(gòu)造變形很小;4)繼承改造階段(晚白堊世—現(xiàn)今),歐亞板塊與印度板塊碰撞產(chǎn)生強(qiáng)烈的擠壓作用,大幅改造前期形成的構(gòu)造,并發(fā)育一系列逆沖推覆構(gòu)造,收縮率超過30%,剝蝕后表現(xiàn)為現(xiàn)今的構(gòu)造形態(tài)(見圖1)。
寒武系地層,總體表現(xiàn)為南東厚、北西薄,地層長度約133.9 km(見圖1a)。此時(shí)揚(yáng)子板塊西緣長期發(fā)育一個(gè)呈南北向的龍門山古島鏈,持續(xù)保持伸展構(gòu)造環(huán)境,沉積了一套碳酸鹽巖-泥、頁巖建造。晚奧陶世華北板塊與中秦嶺古島弧碰撞之后,整個(gè)揚(yáng)子板塊北緣結(jié)束了其活動(dòng)大陸邊緣伸展構(gòu)造演化階段,進(jìn)入板塊碰撞-弧后盆地構(gòu)造反轉(zhuǎn)時(shí)期[9]。該時(shí)期已經(jīng)發(fā)育有傾向?yàn)楸蔽鞯恼龜鄬?,即早期的馬角壩斷裂。
志留紀(jì)末期,加里東運(yùn)動(dòng)使四川克拉通盆地隆起,沉積的志留系地層遭到剝蝕,馬角壩正斷層下盤志留系地層剝蝕殆盡,上盤志留系地層遭受一部分剝蝕。志留系沉積剝蝕后,地層總體上還是表現(xiàn)為北西厚南東薄,地層長度約141 km,相對于志留系沉積前伸展了5.3%(見圖1c)。早期發(fā)育的北西端的馬角壩斷裂在該時(shí)期持續(xù)活動(dòng),尤其是馬角壩斷裂斷距較大,為同沉積斷層,從而造成斷裂兩側(cè)志留系地層厚度的差異,北西厚,南東薄。
圖1 天井山14線演化史剖面圖
泥盆、石炭系沉積時(shí)期,早石炭世,揚(yáng)子板塊西緣的邛崍-寶興雜巖、彭灌雜巖隆升出露水面。邛崍-寶興雜巖向東經(jīng)大邑茍家鄉(xiāng)已經(jīng)與克拉通東部廣闊的地臺(tái)剝蝕區(qū)連成一片,剩下孤立的彭灌雜巖成為克拉通西緣向北凸出的半島環(huán)境,其西、北、東三面均有下石炭統(tǒng)沉積。中、晚石炭世,該半島向北延伸,致使彭灌雜巖北部缺失中、上石炭統(tǒng)沉積[9-10]。早期馬角壩斷層繼續(xù)活動(dòng),為同沉積正斷層,因而馬角壩斷層上盤泥盆系地層的沉積厚度遠(yuǎn)大于下盤的沉積厚度。該時(shí)期楓順場、天井山地區(qū)仍處于伸展動(dòng)力學(xué)環(huán)境,地層伸展至143.8 km,伸展率為3.6%(見圖1d)。
二疊系地層沉積時(shí)期,在經(jīng)歷早期(梁山期)短暫的陸相沉積環(huán)境之后,海水開始大規(guī)模侵入。揚(yáng)子板塊西緣長期發(fā)展的龍門山古島鏈消失,成為龍門山水下隆起帶;北緣的大巴山古陸亦淹沒水下。棲霞期,龍門山地區(qū)海水還不太深,屬揚(yáng)子板塊的陸緣隆起沉積環(huán)境,其中的極淺水部位存在經(jīng)常出露水面的嶼、礁,能夠接受淡水淋濾作用,從而形成棲霞組豹斑白云巖和砂糖狀白云巖[10]。此時(shí)構(gòu)造活動(dòng)相對平靜,受到伸展運(yùn)動(dòng)的影響,地層伸展至148.3 km,伸展率為3.1%。馬角壩正斷層在該時(shí)期已經(jīng)停止發(fā)育(見圖1e)。
嘉陵江組—須家河三段沉積期間,早三疊世,揚(yáng)子板塊西北緣平武附近的摩天嶺構(gòu)造帶有間歇性海底火山噴發(fā),仍為伸展構(gòu)造環(huán)境;中三疊世,龍門山島鏈將龍門山裂陷槽與川西特提斯洋分隔開來,西側(cè)沉積一套雜谷腦組海相復(fù)理石建造,東側(cè)沉積了一套雷口坡組含蒸發(fā)巖的局限海碳酸鹽巖建造[10]。天井山地區(qū)構(gòu)造穩(wěn)定,地層總體表現(xiàn)為北西厚、南東薄,僅受到伸展運(yùn)動(dòng)影響,使地層延伸至149.1 km,伸展率為0.56%(見圖1f)。該時(shí)期地層總伸展量達(dá)到14.3 km,最大伸展率為11.3%。
印支三幕時(shí)期,隨著秦嶺大洋的全面關(guān)閉,南秦嶺構(gòu)造帶的最終形成,以及印度板塊向歐亞板塊的俯沖作用,使青藏高原和松潘-甘孜高原抬升[11],在松潘-甘孜和龍門山之間形成了一斜坡。由于后緣拉張,在重力滑覆作用下,于龍門山前緣形成局部擠壓環(huán)境,發(fā)育一系列高角度逆斷層,形成了龍門山前緣沖斷帶,發(fā)育薄皮構(gòu)造;由于后緣抬升,北西高南東低形成一斜坡。早期形成的馬角壩正斷層在該時(shí)期發(fā)生反轉(zhuǎn)變?yōu)楦呓嵌饶鏀鄬樱⒃谔炀綐?gòu)造前翼發(fā)育4條上陡下緩逆斷層,形成疊瓦狀構(gòu)造。該期產(chǎn)生的逆沖斷層下部均在前震旦系地層內(nèi)滑脫,上部大多出露地表,僅靠近前緣的2條斷層未出露地表;一條斷層上部消失在須家河組地層內(nèi),另一條斷層上部消失在飛仙關(guān)組地層斷層上盤的地層內(nèi)。該時(shí)期剖面急劇收縮至117.4 km,收縮率為 21.2%(見圖 1g)。
圖1h顯示,龍門山形成后,天井山構(gòu)造及其以西地區(qū)均出露地表,遭受剝蝕;而天井山構(gòu)造以東形成前陸盆地,沉積了須家河組上部地層。由于龍門山后緣為一斜坡,所以剝蝕量遠(yuǎn)大于龍門山前緣,雷口坡組以上地層剝蝕殆盡,雷口坡地層也在靠近馬角壩斷裂附近有部分殘留。前緣地層相對剝蝕較少,只在背斜核部部分須家河組下部地層遭受剝蝕。
龍門山前緣的上侏羅系蓮花口組下部、下白堊統(tǒng)劍門關(guān)組下部或天馬山組下部普遍發(fā)育沖積扇相的礫巖。彭灌至天全地區(qū)的上白堊統(tǒng)夾關(guān)組底部也發(fā)育有沖積扇相的礫巖,上白堊統(tǒng)北段前緣無沉積。上述地層的分布和沉積特征說明,盆地西南部及龍門山確實(shí)存在燕山中幕(J3p—K1)及燕山晚幕(K1—K2),但燕山晚幕更突出。若物源區(qū)的隆升與山前凹陷幅度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,根據(jù)上、下白堊統(tǒng)的厚度變化推測,龍門山北段在晚侏羅世至早白堊世較南段抬升幅度大。另外,從沖積扇的礫石成分分析,碳酸鹽巖類的礫石主要是中、上泥盆統(tǒng)至下三疊統(tǒng)的灰?guī)r及白云巖,碎屑巖類的礫石主要是下泥盆統(tǒng)及志留系或更老地層的砂巖。這些地層當(dāng)時(shí)分布在北川斷裂或五龍斷裂一帶,據(jù)此推測北段已切割剝蝕至下泥盆統(tǒng)及其以下地層[12]。
喜山運(yùn)動(dòng)使龍門山后緣發(fā)生強(qiáng)烈的基底卷入型褶皺變形,地層及早期滑脫面在強(qiáng)烈擠壓作用下褶皺抬升,形成楓順場對沖構(gòu)造及仰天窩向斜,并發(fā)育了一系列逆沖斷層,由于后緣地層變形十分強(qiáng)烈,地層大量遭受剝蝕,泥盆系以上地層被剝蝕殆盡[13-15]。天井山構(gòu)造印支三幕構(gòu)造活動(dòng)時(shí)期形成的逆斷層再次活動(dòng),逆沖推覆,在天井山構(gòu)造核部形成斷彎褶皺,甚至是倒轉(zhuǎn)背斜。天井山構(gòu)造后翼淺層發(fā)育一系列后翼突破構(gòu)造,斷裂密集,大多消失于上部滑脫層飛仙關(guān)組地層內(nèi)部。天井山構(gòu)造前翼,前期斷層除繼續(xù)活動(dòng)斷距加大外,還產(chǎn)生分支斷裂,形成帚狀構(gòu)造[16]。天井山構(gòu)造靠近盆地一側(cè),在下部震旦系—飛仙關(guān)組地層中發(fā)育雙重構(gòu)造,下滑脫層位于寒武系底部,上滑脫位于飛仙關(guān)組內(nèi)部,同時(shí)該期還形成大量對沖和背沖構(gòu)造,切割改造早期構(gòu)造,從而使天井山地區(qū)構(gòu)造更加復(fù)雜化。喜山期剖面收縮至90.75km,收縮量79.50km,收縮率32.3%(見圖1i)。
自印支期開始,龍門山變形序列和變形域自北西向南東遞進(jìn)發(fā)展,每次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對龍門山的影響均有局限性??傮w上,變形中心由北段逐漸向南段遷移,一次強(qiáng)過一次,波及范圍逐漸擴(kuò)大。
總之,龍門山構(gòu)造帶經(jīng)歷了由伸展構(gòu)造背景下的前緣滑覆作用到青藏高原擠出-滑動(dòng)背景下推覆作用的變遷,具有滑覆-推覆的二元造山機(jī)制,以及形成時(shí)間早、后期活動(dòng)強(qiáng)烈的特點(diǎn)。
本次模擬實(shí)驗(yàn)主要針對龍門山北段天井山構(gòu)造的形成演化過程,選取06fsc03線—02tjs14線地震解釋剖面(見圖2)和演化史剖面(見圖1)作為模擬實(shí)驗(yàn)參考對象。
圖2 06fsc03線—02tjs14線地震解釋剖面
根據(jù)天井山地區(qū)的變形過程,在厚度不變的條件下,設(shè)計(jì)多組實(shí)驗(yàn),分別考慮了基底坡度、滑脫層性質(zhì)等條件對構(gòu)造形成的控制。實(shí)驗(yàn)?zāi)P烷L160 cm,高20 cm,寬20 cm,兩側(cè)為有機(jī)玻璃,一端為馬達(dá)驅(qū)進(jìn)的活動(dòng)擋板。選擇了硅膠和玻璃珠來模擬膏巖層,選擇石英砂來模擬脆性地層。實(shí)驗(yàn)中所選擇的硅膠密度為926 kg/m3,黏滯系數(shù)為 1.2×104Pa·s,石英砂密度為 1 297 kg/m3,玻璃珠粒徑為 0.2~0.3 mm。
模型基底為3°斜坡,最上面一套滑脫層的材料為玻璃珠,厚度為5 mm;下面一套滑脫層的材料為硅膠,厚度為5 mm。模型總長400 mm,總縮短量135 mm,壓縮率33%,符合原始剖面壓縮量。圖3a—3e的伸縮量分別為 0.0,5.5,7.0,10.0,13.5 cm, 模型側(cè)面及頂面運(yùn)行過程分別由背面及正面2臺(tái)相機(jī)記錄,實(shí)驗(yàn)由北西向南東推進(jìn)速度0.002 5 cm/s,照片時(shí)間間隔為8 s。
開始擠壓后,當(dāng)伸縮量達(dá)到7.0 cm時(shí),出現(xiàn)傾角大小約為30°的后沖斷層,隨后又出現(xiàn)一條傾角大小約為40°的前沖斷層,2條斷層組成不對稱背斜 (見圖3b)。當(dāng)伸縮量達(dá)到12.0 cm時(shí),在不對稱背斜的前緣出現(xiàn)傾角平緩的4號斷層,爾后在變形的過程中發(fā)育調(diào)節(jié)性3號斷層,2條斷層組成一個(gè)平頂背斜 (見圖3c)。當(dāng)伸縮量達(dá)到13.0 cm時(shí),出現(xiàn)倒轉(zhuǎn)背斜,并出現(xiàn)6號斷層(見圖 3e)。
模型主要有以下特點(diǎn):1)硅膠上覆砂層,變形主要集中在硅膠的兩端,兩端之間的變形不明顯,對應(yīng)前端增厚區(qū)的變形為一箱狀背斜,其開始發(fā)育的時(shí)間較早,發(fā)育距離遠(yuǎn);2)靠近擠壓端的強(qiáng)烈變形帶發(fā)育一倒轉(zhuǎn)褶皺;3)硅膠主要有2個(gè)聚集區(qū),分別對應(yīng)變形的前端和變形后端的前部,上覆沉積負(fù)載的硅膠流向兩邊的聚集區(qū);4)出現(xiàn)倒轉(zhuǎn)背斜,變形序列為后緣褶皺—前緣褶皺,再回跳至中間變形,前展變?yōu)楹笳埂Uf明隨著基底層黏度增加,后沖斷層開始占據(jù)主導(dǎo)地位,呈現(xiàn)后展式序列[17-19]。
圖3 模擬實(shí)驗(yàn)過程
實(shí)驗(yàn)1代表在多套滑脫層(玻璃珠)、基底為3°斜坡、正向擠壓應(yīng)力條件下的結(jié)果:模型總體仍保持楔體形態(tài),靠近推進(jìn)擋板厚,向推進(jìn)方向逐漸減薄。前緣產(chǎn)生前展式逆沖構(gòu)造,斷層呈平行狀組合。玻璃珠以上變形則以推覆構(gòu)造為主,變形形態(tài)均一,從剖面上可以看出,主要為3條產(chǎn)狀相似的推覆構(gòu)造,與實(shí)際剖面有較大區(qū)別(見圖4a)。
實(shí)驗(yàn)2代表在多套滑脫層(硅膠)、基底為3°斜坡、正向擠壓應(yīng)力條件下的結(jié)果:隨著側(cè)板向沙層推擠,軟弱的硅膠層有阻擋下部逆沖斷層向上擴(kuò)展和作為上部沙層變形的滑脫層的作用,將砂層分為2個(gè)變形層,并且上下變形層之間的滑脫導(dǎo)致硅膠層局部加厚。實(shí)驗(yàn)過程中,有2種值得注意的現(xiàn)象:第一,下部沙層形成的沖斷褶皺的倒轉(zhuǎn)翼部位,軟弱層有加厚趨勢;第二,硅膠層下砂層的收縮變形相對集中,硅膠層之上砂層的變形相對分散,說明軟弱的硅膠層有順層滑動(dòng)位移。實(shí)驗(yàn)中形成的褶皺-沖斷帶形態(tài)為狹窄高錐度,應(yīng)該與其較高的韌性基底層黏度有關(guān)[16](見圖 4b)。
實(shí)驗(yàn)3代表在多套滑脫層(玻璃珠)、基底水平、斜向擠壓應(yīng)力條件下的結(jié)果:玻璃珠以下的變形比較單一,是由單純的逆沖斷層組成的前展式疊瓦構(gòu)造,玻璃珠以上則主要是一系列以玻璃珠為核心的斷層相關(guān)褶。自擠壓端向前陸方向,整個(gè)模型呈楔體形態(tài),即靠近擠壓端厚,向前則逐漸減薄。整個(gè)模型的變形范圍有限,變形方式和垂向的不協(xié)調(diào)性受到玻璃珠的控制??偟膩碚f,隨著縮短量的增加,前翼發(fā)育一系列疊瓦狀逆沖斷層,逆沖斷層呈前展式發(fā)育,并且變形間距逐步加大(見圖 4c)。
實(shí)驗(yàn)4代表在多套滑脫層(硅膠和玻璃珠)、基底為3°斜坡、斜向擠壓應(yīng)力條件下的結(jié)果:變形序列為后緣褶皺變形—前緣褶皺變形,再回跳至中間變形,前展變?yōu)楹笳?。?shí)驗(yàn)結(jié)果與天井山地區(qū)的構(gòu)造發(fā)育過程比較一致,形成前端的平頂背斜構(gòu)造后,受擠壓應(yīng)力和左端重力滑覆的共同作用,導(dǎo)致馬角壩斷層發(fā)生反轉(zhuǎn),由正斷層逆轉(zhuǎn)為逆斷層,并生成天井山構(gòu)造和茍家埡倒轉(zhuǎn)背斜、水跟頭倒轉(zhuǎn)背斜等(見圖4d)。
圖4 天井山變形物理模擬結(jié)果
1)天井山地區(qū)的演化可劃分為伸展拉張成盆階段(震旦紀(jì)—三疊紀(jì)中期)、陸隆伸展演化階段(三疊紀(jì)末—侏羅紀(jì)中期)、抬升剝蝕階段(侏羅紀(jì)晚期—白堊紀(jì)晚期)和繼承改造階段(第三紀(jì)早期—現(xiàn)今)。
2)構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)初步證實(shí):天井山地區(qū)印支期發(fā)育的薄皮構(gòu)造是受南北向擠壓應(yīng)力與北西—南東向重力滑覆共同作用形成的;天井山構(gòu)造存在多個(gè)滑脫層系,滑脫層上下形成分層變形、垂向疊置的不協(xié)調(diào)收縮構(gòu)造變形;該地區(qū)喜山期在北西—南東向擠壓應(yīng)力作用下,變形序列為前展式逆沖疊瓦式構(gòu)造組合。
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