長寧背斜龍馬溪組頁巖裂縫發(fā)育特征及期次解析

萬遠(yuǎn)飛，秦啟榮，范 宇，吳建發(fā)，趙圣賢，季春海，范存輝

(1.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500;2.天然氣地質(zhì)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500;3.中國石油西南油氣田分公司，四川 成都 610056)

0 引言

川南長寧地區(qū)為石油與天然氣勘探開發(fā)的重點(diǎn)地區(qū)，針對(duì)該區(qū)域構(gòu)造演化對(duì)油氣富集與運(yùn)移的影響，開展了大量研究。楊武年［1］采用遙感圖像分層解析法，對(duì)川南宏觀構(gòu)造及有關(guān)橫張大裂縫系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)分析，并結(jié)合力學(xué)方法，探討了該區(qū)構(gòu)造組合的空間格局及控礦(油氣)規(guī)律;唐鑫［2］通過實(shí)驗(yàn)測試、數(shù)值模擬等方法，對(duì)川南地區(qū)龍馬溪組頁巖沉積—生烴—成藏或破壞的時(shí)空匹配關(guān)系進(jìn)行研究，闡述了構(gòu)造演化對(duì)頁巖氣成藏的控制作用;黃金亮等［3］從多個(gè)方面對(duì)川南龍馬溪組頁巖氣形成條件進(jìn)行分析，認(rèn)為長寧－珙縣地區(qū)為勘探開發(fā)有利區(qū)，裂縫發(fā)育程度為頁巖氣保存條件的主控因素之一。然而，目前對(duì)復(fù)雜構(gòu)造條件下頁巖氣成藏模式的研究還不夠成熟，裂縫發(fā)育特征及期次對(duì)頁巖氣富集成藏的具體作用還不明確［4－7］。該文通過對(duì)川南長寧背斜兩翼出露的龍馬溪組裂縫進(jìn)行觀測與統(tǒng)計(jì)，對(duì)原始裂縫數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并制作走向玫瑰花圖，配合野外裂縫的交切、組合關(guān)系，對(duì)裂縫分期配套;并運(yùn)用赤平投影、受力反演、構(gòu)造行跡等多種構(gòu)造解析手段，研究裂縫特征、期次與構(gòu)造應(yīng)力場演化的關(guān)系，以期為下一步勘探開發(fā)提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)位于四川盆地南緣，構(gòu)造上位于川南低陡褶皺帶與婁山褶皺帶間的過渡區(qū)(圖1)，川南地區(qū)構(gòu)造邊界由3條主要斷裂帶交錯(cuò)銜接成三角形， 構(gòu)造行跡完全受三角形邊界控制［8－9］。長寧背斜屬于該區(qū)域次級(jí)構(gòu)造單元，背斜軸向?yàn)镹WW—SEE，向西延伸至高縣以南，向東到敘永地區(qū)，北翼及東端陡，南翼及西端緩。背斜內(nèi)次級(jí)褶皺和斷裂發(fā)育，根據(jù)構(gòu)造走向主要有北東、北西和近東西3個(gè)方向，不同構(gòu)造形跡之間相互限制、疊加，形成多高點(diǎn)、多斷裂、多鼻狀構(gòu)造等特點(diǎn)。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造Fig.1 The structure of study area

研究區(qū)出露地層較全，從背斜核部至兩翼，除缺失泥盆系、石炭系地層外，震旦系—白堊系地層均有出露，各地層無明顯角度不整合。目的層下志留統(tǒng)龍馬溪組出露于背斜兩翼，沉積期主要處于深水陸棚環(huán)境。其中，龍11亞段為主要開發(fā)層系，沉積環(huán)境為外陸棚亞相富有機(jī)質(zhì)粉砂質(zhì)泥棚及硅質(zhì)泥棚微相，優(yōu)質(zhì)頁巖厚度為20～30 m，資源勘探潛力巨大［10－11］。

2 裂縫發(fā)育特征

研究區(qū)龍馬溪組地層出露良好，在長寧背斜兩翼及轉(zhuǎn)折端設(shè)置了獅子灘、雙河、梅硐、油房頭、蝦子田、巖沙田、大坪上及楠竹林8個(gè)觀測點(diǎn)，對(duì)野外露頭裂縫進(jìn)行觀測，最終得到264組有效裂縫產(chǎn)狀數(shù)據(jù)。

2.1 裂縫類型

根據(jù)野外露頭觀測，研究區(qū)裂縫包括構(gòu)造成因的剪切縫、張性縫等。剪切縫發(fā)育程度最高，包括與巖層面垂直(75～90°)或高角度(45～75°)相交的平面剪切縫(圖2a—c，圖中裂縫產(chǎn)狀表示為走向、傾角，下文同)以及低角度(15～45°)相交的剖面剪切縫(圖2d)。平面剪切縫在野外各觀測點(diǎn)均有廣泛發(fā)育，以多期“X”型共軛剪切為特征，縫面平直光滑，延伸距離遠(yuǎn)，常切穿巖層，與巖層面近于垂直相交，在部分觀測點(diǎn)可見階梯狀排列;剖面剪切縫發(fā)育程度較低，裂縫面平直，擦痕明顯，延伸距離不定，與巖層斜交;張性縫僅在背斜核部少量發(fā)育，產(chǎn)狀不穩(wěn)定，延伸短，由于受到強(qiáng)烈的風(fēng)化剝蝕，露頭觀測難度大。

圖2 野外露頭構(gòu)造裂縫類型及發(fā)育特征Fig.2 The types and development characteristics of structural fractures of field outcrop

2.2 裂縫發(fā)育程度

研究區(qū)野外觀測到的裂縫長度、開度、密度、傾角及充填情況等不盡相同。野外裂縫長度主要為1.0～2.0 m，其次為0.5～1.0 m，平均長度為1.2 m，背斜北翼的觀測點(diǎn)裂縫發(fā)育程度更高，裂縫傾角大、縫面寬。以雙河觀測點(diǎn)為例，傾角大于45°的高角度裂縫占總裂縫數(shù)的65%，低角度裂縫僅占20%;裂縫發(fā)育線密度為3.0～8.0條/m，平均為5.0條/m;不同方向上裂縫開度不均，與背斜軸向近平行的裂縫開度較大，為0.2～0.3 cm，部分可達(dá)0.5 cm以上。相對(duì)而言，背斜南翼裂縫發(fā)育程度較低，傾角偏小，低角度縫約占32%，裂縫延伸長度主要在1.0 m以內(nèi)，開度集中在0.1～0.2 cm，平均裂縫發(fā)育線密度為3.8條/m。野外觀測到的裂縫多被充填，根據(jù)充填程度可將裂縫劃分為全充填、半充填和未充填縫，其中，全充填縫和半充填縫占總數(shù)的75%左右，充填物包括方解石、泥質(zhì)及少量黃鐵礦。

2.3 裂縫優(yōu)勢(shì)方位

為了使應(yīng)力分析的結(jié)果更加可靠，需以地層產(chǎn)狀為基準(zhǔn)對(duì)野外平面剪切縫產(chǎn)狀數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)平，利用專業(yè)復(fù)平軟件將現(xiàn)今裂縫產(chǎn)狀恢復(fù)至地層褶皺變形之前。由復(fù)平后的產(chǎn)狀數(shù)據(jù)可知(表1):研究區(qū)平面剪切縫優(yōu)勢(shì)方位主要為近EW、NW及NEE向，其次為NNE、NNW、NE向，剖面剪切縫優(yōu)勢(shì)方位為NWW、NW、NE向，以NE向最為發(fā)育。

表1 剪切縫產(chǎn)狀統(tǒng)計(jì)表(經(jīng)產(chǎn)狀復(fù)平)Table 1 The statistical table of the occurrence of shear fractures(after leveling)

3 裂縫配套與分期

裂縫是長期多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物，為了研究區(qū)域構(gòu)造變形史和古構(gòu)造應(yīng)力場，需進(jìn)行裂縫的配套與分期［12－13］。配套是將一定區(qū)域不同時(shí)期形成的裂縫加以區(qū)分，分期是將一定構(gòu)造期的統(tǒng)一應(yīng)力場中形成的各組裂縫組合在一起，再根據(jù)不同期次裂縫間的交切限制關(guān)系即可判斷形成順序。

裂縫配套的依據(jù)主要是共軛剪切縫的組合關(guān)系，以及裂縫發(fā)育的總體特征及其與有關(guān)地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系［14－15］。利用赤平投影軟件、Dips軟件等，將復(fù)平后的裂縫產(chǎn)狀數(shù)據(jù)制成玫瑰花圖(圖3a、b)與裂縫等密度圖(圖3c、d)。將同一應(yīng)力場下形成的裂縫分配為一套，研究區(qū)野外露頭裂縫共可分配為3套:第1套為NNW、NE向平面共軛剪切與NWW向剖面剪切縫，該套剪切縫在區(qū)內(nèi)發(fā)育程度較低，裂縫以方解石全充填為主;第2套為近EW、NW向平面共軛剪切縫與NE向剖面剪切縫，該套剪切縫發(fā)育線密度大，產(chǎn)狀近直立，充填程度高，充填物以方解石為主，其次為泥質(zhì)、黃鐵礦等;第3套為NNE、NEE向平面共軛剪切縫和NW向剖面剪切 縫，該套剪切縫充填程度低，僅見少量方解石充填。

圖3 裂縫走向玫瑰花圖與裂縫等密圖Fig.3 The rose diagram of fracture strike and contour diagram of fractures

裂縫分期最主要的依據(jù)是裂縫之間的交切關(guān)系，包括錯(cuò)開、限制、互切等，其次可以利用與裂縫有關(guān)的地質(zhì)體提供佐證［4，12］。由圖 2a可知:NW(323°、78°)向平面縫向下延伸被 NNW(345°、76°)向與NE向(42°、81°)平面共軛剪切縫所限制，說明NW向平面剪切縫形成時(shí)間晚于NNW和NE向平面剪切縫。由圖2b可知:SSW向(193°、75°)與NEE 向(71°、82°)共軛剪切縫切穿近 EW 向(94°、75°)平面剪切縫，而近 EW 向與 SE 向(143°、72°)為平面共軛剪切縫，說明SSW(NNE)與NEE向平面剪切縫在近EW與NW(SE)向裂縫之后形成。

4 裂縫發(fā)育期次分析

構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的擠壓應(yīng)力是裂縫形成的根本原因，根據(jù)庫倫破裂準(zhǔn)則，平面“X”型共軛剪切縫的銳夾角平分線指示最大主應(yīng)力方向，剖面剪切縫的垂直方向指示最大主應(yīng)力方向［16－17］。因此，根據(jù)現(xiàn)今野外觀測裂縫復(fù)平后的分期配套情況，利用構(gòu)造反演技術(shù)，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造背景，就能確定產(chǎn)生裂縫的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的期次及應(yīng)力方向，進(jìn)而確定裂縫形成時(shí)期與演化模式。

4.1 構(gòu)造反演受力分析

在上述裂縫分期配套的基礎(chǔ)上，將處理過的裂縫產(chǎn)狀數(shù)據(jù)利用strgraphprj軟件制成構(gòu)造反演受力分析圖(圖4)，分析形成裂縫的應(yīng)力方向。結(jié)合圖3、4，研究區(qū)構(gòu)造裂縫的形成與演化受到3期不同方向的應(yīng)力(σ1為最大主應(yīng)力，MPa;σ2為中間主應(yīng)力，MPa;σ3為最小主應(yīng)力，MPa)作用:①受近SN向構(gòu)造擠壓應(yīng)力作用，形成NNW、NE向平面剪切縫及少量NWW向剖面剪切縫;②受NW向構(gòu)造擠壓應(yīng)力作用，發(fā)育近EW、NW向平面剪切縫及少量NE向剖面剪切縫;③由NE向構(gòu)造擠壓應(yīng)力產(chǎn)生NNE、NEE向平面剪切縫及少量NW向剖面剪切縫。3期不同應(yīng)力方向的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)經(jīng)過先后疊加改造，最終形成現(xiàn)今露頭裂縫的交切特征。

4.2 構(gòu)造行跡分析

區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)不僅反映在裂縫的交切關(guān)系上，褶皺形態(tài)特征同樣可指示構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的疊加特征［18－19］?？v觀研究區(qū)及周邊地質(zhì)構(gòu)造，長寧背斜、象鼻場向斜、長垣壩背斜等均為近EW向構(gòu)造體系，而長寧背斜軸部向西偏轉(zhuǎn)為NE向，向東偏轉(zhuǎn)為NW向，具有明顯的多期次、多方向構(gòu)造疊加特征(圖5a)。符江向斜向西南延伸受羅場向斜限制(圖5b)，形態(tài)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，二者斜接復(fù)合呈“人”字形，羅場向斜受切割程度較輕，符江向斜與長寧背斜西端相連，同屬NE向構(gòu)造，應(yīng)為近EW向構(gòu)造之后形成［20－22］。

圖5 長寧地區(qū)褶皺疊置關(guān)系Fig.5 The fold superimposition relation in Changning

區(qū)域地質(zhì)調(diào)查顯示，早二疊世末，受東吳運(yùn)動(dòng)影響，中、上揚(yáng)子臺(tái)地發(fā)生廣泛隆升與剝蝕，川南地區(qū)上升為陸。侏羅紀(jì)以來，揚(yáng)子板塊整體構(gòu)造格局由拉張環(huán)境變?yōu)閿D壓環(huán)境，黔中古隆起向北不斷擴(kuò)張，同時(shí)，受到四川盆地剛性基底的阻擋，至燕山運(yùn)動(dòng)晚期，在強(qiáng)大的近SN向水平擠壓應(yīng)力作用下經(jīng)“四川運(yùn)動(dòng)”最終使東西向構(gòu)造體系定型，由此形成了長寧背斜等長軸背斜的雛形。喜山運(yùn)動(dòng)以來，太平洋板塊與亞歐板塊相碰撞使得青藏高原快速隆升，海相沉積期結(jié)束，劇烈的隆升對(duì)四川盆地形成NW—SE向聯(lián)合擠壓作用，長寧背斜西端被嚴(yán)重改造變形，符江向斜形態(tài)扭轉(zhuǎn)與羅場向斜斜接復(fù)合，大量近EW向和NW向平面剪切縫以及NE向剖面剪切縫在此階段形成。喜山運(yùn)動(dòng)中期，受印度板塊與歐亞板塊碰撞閉合的影響，大巴山、雪峰山及川中剛性基底共同作用，對(duì)研究區(qū)產(chǎn)生NE—SW向擠壓作用，長寧背斜東段軸部向西南偏轉(zhuǎn)，這一階段發(fā)育的部分NW向斷裂將先期形成的NE向斷裂錯(cuò)開，形成了現(xiàn)今部分NE向與NW向斷裂共軛的形態(tài)。

綜上研究可知，長寧背斜龍馬溪組沉積后從開始發(fā)生產(chǎn)狀變化至今，共受到至少3期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響。

5 結(jié)論

(1)長寧背斜龍馬溪組頁巖露頭裂縫較為發(fā)育，以構(gòu)造成因的高角度平面共軛剪切縫和剖面剪切縫為主，平面剪切縫發(fā)育優(yōu)勢(shì)方位包括近EW、NW、NEE、NNE、NNW、NE 向，剖面剪切縫發(fā)育優(yōu)勢(shì)方位為NWW、NW、NE向。

(2)長寧背斜龍馬溪組裂縫形成于3個(gè)期次，第1期為燕山運(yùn)動(dòng)中—晚期，研究區(qū)受到近SN向應(yīng)力擠壓作用，發(fā)育NNW、NE向平面剪切縫和近EW向剖面剪切縫;第2期為燕山運(yùn)動(dòng)末期—喜山運(yùn)動(dòng)早期，研究區(qū)受NW向擠壓應(yīng)力作用，發(fā)育NW、近EW向平面剪切縫和NE向剖面剪切縫;第3期為喜山運(yùn)動(dòng)中期至現(xiàn)今，研究區(qū)受NE向應(yīng)力擠壓，發(fā)育近SN、NEE向平面剪切縫和NW向剖面剪切縫。