焦石壩地區(qū)構(gòu)造變形差異及保存條件解析

龍小軍

(中國(guó)石化江漢油田分公司物探研究院，湖北武漢 430035)

保存條件是制約中國(guó)海相頁(yè)巖氣富集的關(guān)鍵因素之一，而構(gòu)造作用是影響保存條件的直接原因。因此，建立構(gòu)造變形模式、確立差異構(gòu)造變形規(guī)律是闡明古生界海相頁(yè)巖氣差異保存的前提[1-5]，也是識(shí)別“構(gòu)造甜點(diǎn)”的基礎(chǔ)[6]。焦石壩地區(qū)構(gòu)造復(fù)雜、構(gòu)造變形差異顯著，進(jìn)而導(dǎo)致該區(qū)頁(yè)巖氣保存條件具明顯的差異性，頁(yè)巖氣層含氣性不盡相同[7-10]。目前涪陵頁(yè)巖氣田已順利完成產(chǎn)能建設(shè)，如何實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣高效勘探、尋找接替目標(biāo)區(qū)是目前亟待解決的問(wèn)題。本文基于對(duì)復(fù)雜構(gòu)造區(qū)差異構(gòu)造變形的解析，并分析其對(duì)頁(yè)巖氣保存的影響，以推動(dòng)焦石壩地區(qū)頁(yè)巖氣選區(qū)的評(píng)價(jià)。

1 地質(zhì)構(gòu)造背景

焦石壩地區(qū)位于湘鄂西褶皺帶和川東南褶皺帶的過(guò)渡帶，屬江南雪峰構(gòu)造體系域，構(gòu)造變形較為復(fù)雜，受中燕山期南東—北西向區(qū)域構(gòu)造的遞進(jìn)擴(kuò)展作用，經(jīng)過(guò)晚燕山期至喜馬拉雅期構(gòu)造改造作用而定型。構(gòu)造整體呈北東走向，以齊岳山斷裂為界，以東為“隔槽式”結(jié)構(gòu)，多出露下古生界，齊岳山以西為“隔擋式”結(jié)構(gòu)。地層以中生界出露為主(圖1)，上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組為主要的頁(yè)巖發(fā)育層段。

圖1 川東南地區(qū)構(gòu)造區(qū)劃Fig.1 The tectonic zoning map in southeast Sichuan

受控于江南雪峰構(gòu)造體系域南東—北西向擠壓作用，中生代以來(lái)焦石壩地區(qū)發(fā)生北東走向的斷裂褶皺作用。在南東—北西斜向擠壓作用下，大耳山斷裂發(fā)生走滑作用，派生出北東—南西向的擠壓，形成烏江斷層，控制北西走向構(gòu)造，疊加于早期北東走向構(gòu)造之上。因此焦石壩地區(qū)的構(gòu)造整體表現(xiàn)為東—西分帶的特點(diǎn)，西帶又兼具有南北分段的特征(圖2)。整體具有隆凹相間的構(gòu)造格局，并具有以下特點(diǎn)：①主要在壓扭作用下形成；②褶皺規(guī)模、形態(tài)及排列展布嚴(yán)格受主控?cái)嗔训目刂疲虎郾承陛S面多傾向斷裂，翼部多發(fā)育壓性、壓扭性斷裂；④構(gòu)造定形于喜山期，多套滑脫層導(dǎo)致縱向上形成多個(gè)變形層，且深淺部構(gòu)造高點(diǎn)不吻合。

2 構(gòu)造變形差異特征

2.1 縱向上構(gòu)造變形特征

湘鄂西—川東地區(qū)縱向上存在前寒武系基底、中下寒武統(tǒng)膏鹽、下志留統(tǒng)泥巖以及下三疊統(tǒng)嘉陵江組膏鹽等4套區(qū)域性滑脫層。焦石壩地區(qū)構(gòu)造變形系統(tǒng)和構(gòu)造層劃分受控于深、淺層多級(jí)滑脫層系，發(fā)生多重滑脫作用，在縱向上表現(xiàn)出明顯的構(gòu)造分異性，形成上、中、下、前寒武系4套變形層的多重差異滑脫構(gòu)造(圖3)。其中下三疊統(tǒng)嘉陵江組膏鹽大部分遭受剝蝕，僅在向斜區(qū)有少部分殘留，因此研究區(qū)僅局部發(fā)育上變形層。受差異構(gòu)造變形制約，不同地區(qū)的滑脫層所起的滑脫作用不同。石門(mén)2號(hào)斷裂以東，斷裂多斷開(kāi)上、下古生界，志留系不起滑脫作用，中變形層和下變形層合并為一個(gè)變形層，表現(xiàn)為沖斷層切割地層，向上斷開(kāi)至三疊系，向下消失于寒武系。而石門(mén)2號(hào)斷裂以西，志留系起滑脫作用，從而形成中、下兩個(gè)變形層，斷層表現(xiàn)為雙層結(jié)構(gòu)，分別消失于志留系和寒武系(圖3)。

圖2 焦石壩地區(qū)構(gòu)造變形分區(qū)Fig.2 The tectonic deformation zoning plan in Jiaoshiba area

圖3 湘鄂西—川東構(gòu)造旋回及變形層劃分Fig.3 The division of tectonic cycle and deformation layer in western Hubei and Hunan-eastern Sichuan

前寒武系變形層從寒武系底部到基底面，在湘鄂西褶皺帶，前寒武系變形強(qiáng)烈，發(fā)生強(qiáng)烈沖斷以及斷褶作用，斷裂規(guī)模較大；進(jìn)入川東褶皺帶，則表現(xiàn)為隱伏構(gòu)造，分支斷裂發(fā)育，表現(xiàn)為疊瓦狀；往北西方向前寒武系變形層構(gòu)造變形繼續(xù)減弱，多表現(xiàn)為順層滑脫構(gòu)造(圖3)。

下變形層以沖斷為主，斷裂發(fā)育，表現(xiàn)為系統(tǒng)的斷裂相關(guān)褶皺構(gòu)造特征。該變形層以同心褶皺為主，但其翼部斷裂非常發(fā)育，陡翼常發(fā)育軸傾斷裂，緩翼發(fā)育反向斷裂，并組合呈階梯狀、對(duì)沖和背沖斷裂組合，對(duì)沖型一般發(fā)育向斜，背沖型以發(fā)育背斜為主[11]，斷裂向上均消失于志留系，并將構(gòu)造解體為背斜主體、翼部斜坡等次級(jí)構(gòu)造單元(圖4)。

中變形層主要發(fā)生盲沖作用以及與斷裂相關(guān)的褶皺作用。以斷展背斜、斷彎背斜、對(duì)沖構(gòu)造特征為主，斷裂向上多消失于三疊系滑脫層之中或出露地表，斷裂規(guī)模較小，構(gòu)造變形整體表現(xiàn)為對(duì)下構(gòu)造層變形的繼承性(圖4)。

2.2 構(gòu)造變形分區(qū)特征

在江南雪峰造山帶構(gòu)造體系的橫向遞進(jìn)擴(kuò)展變形以及縱向多層系滑脫的聯(lián)合控制下，形成了焦石壩地區(qū)的三維復(fù)雜構(gòu)造變形特征，可分為東部壓扭變形帶和西部斷滑(斷展)褶皺變形帶(圖2)。

圖4 過(guò)川東焦石壩地區(qū)測(cè)線1地質(zhì)解釋剖面Fig.4 The geological interpretation section of survey line-1 which across eastern Sichuan-Jiaoshiba area

2.2.1 東部壓扭變形帶

東部壓扭變形帶位于石門(mén)2號(hào)斷裂以東，齊岳山斷裂以西，主體表現(xiàn)為沖斷作用，并伴隨一定的扭動(dòng)作用，形成系列斷塊、較緊閉褶皺，可再細(xì)分為白馬壓扭向斜和石門(mén)壓扭斷背斜?？傮w上，石門(mén)壓扭斷背斜構(gòu)造變形從由北向南在逆沖與扭動(dòng)作用中表現(xiàn)為規(guī)律性變化，自北向南，逆沖作用逐漸減弱，而走滑作用逐漸增強(qiáng)。北段為斷展褶皺，背斜規(guī)模較小，且被疊瓦狀斷層改造，往向斜方向構(gòu)造形變較弱(圖5)；南部扭動(dòng)作用增強(qiáng)，斷裂密度較大，多呈雁列式展布，如白云斷裂系呈現(xiàn)右階式展布，構(gòu)造形態(tài)高陡，背斜的東翼被改造為系列斷塊。白馬壓扭向斜構(gòu)造變形相對(duì)較弱，北翼較為完整，南翼斷裂發(fā)育 (圖6)。

圖5 過(guò)川東焦石壩地區(qū)地震解釋剖面(北)Fig.5 The geological interpretation section which across Jiaoshiba area (north)

2.2.2 西部斷滑(斷展)褶皺變形帶

石門(mén)2號(hào)斷層以西仍然屬于擠壓褶皺的范疇，但推置力減弱，由于下志留統(tǒng)滑脫層的參與，逆沖斷層多表現(xiàn)為雙層滑脫(圖6)。以烏江斷層為界，南北構(gòu)造表現(xiàn)出明顯差異。烏江斷層以南為西部斷展變形帶，在前寒武系滑脫變形控制下，發(fā)育平橋斷背斜等斷展褶皺，構(gòu)造呈北東走向，形態(tài)完整，為同心褶皺。平橋斷背斜受控于平橋西斷層，發(fā)育平橋東1號(hào)反沖斷層，形成背沖構(gòu)造(圖6)。烏江斷層以北為西部斷滑變形帶，在前寒武系滑脫變形控制下，發(fā)育焦石壩箱狀背斜構(gòu)造，構(gòu)造整體呈北東走向，構(gòu)造主體變形較小，地層平緩，東西兩翼軸面應(yīng)力集中，派生出相向傾斜的石門(mén)1號(hào)斷層和吊水巖1、2號(hào)斷層。烏江斷層由北東往南西方向的逆沖作用形成北西向的跨褶型疊加褶皺，這一構(gòu)造作用也使得焦石壩構(gòu)造西南部受改造而復(fù)雜化(圖7)。

圖6 過(guò)川東焦石壩地區(qū)地震解釋剖面(南)Fig.6 The geological interpretation section which across Jiaoshiba area (south)

圖7 過(guò)川東焦石壩背斜主體地震解釋剖面Fig.7 The geological interpretation section which across the main part of anticline in Jiaoshiba area

2.3 差異構(gòu)造變形機(jī)制

焦石壩地區(qū)作為湘鄂西與川東的構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶，前寒武系變形層以斷展作用和順層滑脫為主。前寒武系斷層的斷面結(jié)構(gòu)控制了中、下變形層的整體形態(tài)的差異性。烏江斷層以北，前寒武系中主體為順層滑脫作用，斷層順層發(fā)育，斷面無(wú)坡坪結(jié)構(gòu)，也正是這一順層滑脫作用造成斷面之上巖層發(fā)生褶皺作用，形成箱狀背斜(圖8a)。同時(shí)，形成箱狀構(gòu)造的關(guān)鍵是斷層的滑脫深度，通過(guò)ADS法[12]計(jì)算焦石壩構(gòu)造前寒武系滑脫面深度為9 km，在此滑脫面深度控制下，由滑脫面往上，下、中變形層褶皺類型由尖棱背斜→圓弧背斜→箱狀背斜轉(zhuǎn)變(圖7)。而烏江斷層以南，前寒武系滑脫斷層為坡坪式結(jié)構(gòu)，下、中變形層相應(yīng)的發(fā)育斷展背斜(圖8b)。另外，不同滑脫層的主控作用是下、中變形層構(gòu)造變形差異的又一原因。石門(mén)2號(hào)斷層以東，靠近齊岳山斷層前緣，構(gòu)造作用強(qiáng)，寒武系膏鹽為主要滑脫層，下、中變形層表現(xiàn)為統(tǒng)一的沖斷變形模式。石門(mén)2號(hào)斷層以西所受到的擠壓力減小，且寒武系膏鹽、志留系泥頁(yè)巖均為主要滑脫層，下變形層斷層向上、中變形層斷層向下均消失于志留系，釋放了部分構(gòu)造應(yīng)力，構(gòu)造變形較小，表現(xiàn)為繼承性差異變形(圖4)。

圖8 斷滑(斷展)褶皺發(fā)育模式Fig.8 The development model pattern of detachment (fault-propagation) fold

3 構(gòu)造變形與頁(yè)巖氣保存

川東南地區(qū)經(jīng)歷了加里東、海西、印支和喜馬拉雅等復(fù)雜構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致該地區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，保存條件是決定頁(yè)巖氣富集的關(guān)鍵。涪陵頁(yè)巖氣田勘探開(kāi)發(fā)表明，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起的地層隆升剝蝕、褶皺變形、斷層切割等是影響該區(qū)頁(yè)巖氣保存條件的主要原因。

3.1 構(gòu)造樣式與保存條件

差異構(gòu)造變形體現(xiàn)了地層受構(gòu)造改造的強(qiáng)弱。構(gòu)造改造弱的構(gòu)造樣式對(duì)頁(yè)巖氣保存較好，具有背斜背景、寬緩的構(gòu)造樣式對(duì)頁(yè)巖氣的保存較為有利，而受斷層控制的高陡構(gòu)造樣式則不利于頁(yè)巖氣保存。焦石壩箱狀背斜是一個(gè)受前寒武系斷層滑動(dòng)作用形成的特殊的正向構(gòu)造，其主體為箱狀背斜形態(tài)，即頂部寬緩，兩翼陡傾，發(fā)育小型派生斷層，整體表現(xiàn)為弱變形，實(shí)鉆A井含氣飽和度為69%，對(duì)保存條件影響較小(圖9a、9d)；平橋斷背斜構(gòu)造為斷彎褶皺構(gòu)造演示，相對(duì)寬緩，斷裂、裂縫不發(fā)育，實(shí)鉆B井含氣飽和度為64%，對(duì)保存條件影響為中等(圖9b、9d)；石門(mén)壓扭—斷背斜構(gòu)造高陡，為沖斷背斜構(gòu)造樣式，構(gòu)造變形強(qiáng)，次生斷裂發(fā)育,實(shí)鉆C井含氣飽和度為32%，對(duì)保存條件影響較大(圖9c、9d)。

3.2 斷裂樣式與保存條件

斷裂的性質(zhì)、規(guī)模及發(fā)育的期次是影響頁(yè)巖氣聚集的重要因素，決定頁(yè)巖滲透率的大小，控制頁(yè)巖的連通程度，進(jìn)一步控制氣體的流動(dòng)速度、氣藏的產(chǎn)能。斷裂的性質(zhì)、規(guī)模、發(fā)育期次以及所派生的高角度縫是影響頁(yè)巖氣層保存條件的重要因素。主控?cái)鄬踊顒?dòng)強(qiáng)度大，其控制的構(gòu)造形態(tài)高陡、地層變形強(qiáng)，對(duì)保存條件的破壞作用大。石門(mén)2號(hào)斷層具有壓扭特性，斷層規(guī)模大，其上升盤(pán)地層破碎嚴(yán)重，裂縫發(fā)育，頁(yè)巖氣保存條件遭受破壞(圖9c)，C井實(shí)測(cè)含氣量?jī)H為2.3 m3/t。

3.3 地層抬升剝蝕與保存條件

地層抬升剝蝕一方面使含氣頁(yè)巖層段之上的上覆巖層和區(qū)域蓋層減薄或剝蝕，導(dǎo)致上覆壓力變小，提高殘余蓋層的孔隙度、滲透率，也易使蓋層的脆性破裂或已形成的斷裂(含微裂縫)變成開(kāi)啟狀態(tài)，降低蓋層的封閉能力。如果抬升剝蝕的幅度較大，整個(gè)含氣頁(yè)巖段之上的蓋層可能完全剝蝕，導(dǎo)致頁(yè)巖含氣段沒(méi)有蓋層的保護(hù)。另一方面抬升導(dǎo)致頁(yè)巖含氣段本身壓力降低，游離氣散失，進(jìn)一步導(dǎo)致吸附氣解吸，從而造成總含氣量降低。石門(mén)壓扭—斷背斜地層抬升剝蝕嚴(yán)重，出露二疊系—志留系地層、飛仙關(guān)及以下地層出露占比高達(dá)95%，蓋層剝蝕或減薄嚴(yán)重，保存條件破壞嚴(yán)重(圖9c)，其上C井的含氣飽和度明顯低于其他井。

以上3個(gè)因素聯(lián)合作用，不同程度地影響了焦石壩地區(qū)頁(yè)巖氣目標(biāo)的保存條件。對(duì)焦石壩地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖氣目標(biāo)的保存條件進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，焦石壩箱狀背斜保存條件最好，其次為平橋斷背斜，再次為烏江斷背斜，而石門(mén)壓扭—斷背斜保存條件最差。

圖9 構(gòu)造樣式、斷裂樣式、地層抬升剝蝕與頁(yè)巖氣保存關(guān)系Fig.9 The relationship among tectonic pattern, fracture pattern, strata lift or erosion and shale gas preservationa.箱狀背斜構(gòu)造樣式；b.斷彎褶皺構(gòu)造樣式；c.沖斷背斜構(gòu)造樣式；d.已鉆井含氣飽和度。

4 結(jié)論

(1)焦石壩地區(qū)縱向上表現(xiàn)為以前寒武系基底、中下寒武統(tǒng)膏鹽、下志留統(tǒng)泥巖為滑脫層的多重滑脫變形模式，橫向上表現(xiàn)為南東往北西的遞進(jìn)擴(kuò)展變形模式；前寒武系滑脫斷層的結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致焦石壩地區(qū)構(gòu)造變形差異的主要原因，根據(jù)構(gòu)造變形的差異可劃分出東部壓扭變形帶、西部斷滑(斷展)褶皺變形帶兩個(gè)變形帶，其中東部壓扭變形帶的變形強(qiáng)度整體大于西部斷滑(斷展)褶皺變形帶。

(2)構(gòu)造樣式、斷層的性質(zhì)和規(guī)模、地層抬升剝蝕是影響焦石壩地區(qū)頁(yè)巖氣保存條件的主要原因。具有背斜背景、寬緩的構(gòu)造樣式的地層，構(gòu)造變形較小、地層相對(duì)較完整，對(duì)頁(yè)巖氣的保存較為有利；而受大型逆沖斷層活動(dòng)強(qiáng)度大的地層，其控制的高陡構(gòu)造頂部地層剝蝕嚴(yán)重、伴生斷層及裂縫較發(fā)育，不利于頁(yè)巖氣保存。焦石壩地區(qū)保存條件評(píng)價(jià)結(jié)果表明，焦石壩箱狀背斜保存條件最好，其次為平橋斷背斜，再次為烏江斷背斜，而石門(mén)壓扭—斷背斜保存條件最差。