四川盆地高石梯—磨溪地區(qū)走滑斷層識(shí)別

邱澤華 周 路*② 陳 驍 關(guān) 旭 吳 勇② 錢(qián)妤婕

(①西南石油大學(xué)天然氣地質(zhì)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610500； ②西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川成都 610500； ③中國(guó)石油西南油氣田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，四川成都 610041)

0 引言

近年來(lái)，四川盆地高石梯—磨溪地區(qū)二疊系棲霞組不斷發(fā)現(xiàn)天然氣，油氣勘探潛力巨大。以往認(rèn)為高石梯—磨溪地區(qū)屬于川中穩(wěn)定地塊，通常將發(fā)育的區(qū)域斷層簡(jiǎn)單歸類(lèi)為正斷層[1]。隨著油氣勘探的深入，揭示川中地區(qū)發(fā)育走滑斷層。黎榮等[2]引入塔里木盆地“斷溶體”概念，認(rèn)為在川中中二疊統(tǒng)普遍發(fā)育斷溶體； 楊平等[3]、楊柳等[4-5]根據(jù)曲率屬性分析，認(rèn)為四川盆地發(fā)育的柱狀凹陷異常體為走滑斷層控制的構(gòu)造拉分和熱液溶蝕作用下的產(chǎn)物； 丁博釗等[6]認(rèn)為高石梯地區(qū)震旦系巖溶塌陷體受走滑斷層及熱液作用控制； 蔣裕強(qiáng)等[7]認(rèn)為深大基底斷層對(duì)熱液白云巖的形成具有積極意義。但是，目前多將走滑斷層作為結(jié)論使用，而對(duì)于走滑斷層本身的特征研究較少，僅有馬德波等[8]從構(gòu)造角度對(duì)走滑斷層開(kāi)展分析工作。

相較于正斷層和逆斷層，走滑斷層斷距小、層位錯(cuò)動(dòng)不明顯、構(gòu)造特征復(fù)雜，僅根據(jù)地震剖面和時(shí)間切片識(shí)別走滑斷層難度大。因此，需要應(yīng)用地球物理方法，從地震、地質(zhì)等多種角度才能更準(zhǔn)確地識(shí)別走滑斷層。李海英等[9]利用傾角導(dǎo)向技術(shù)增大斷層的地震反射強(qiáng)度，以提高斷層識(shí)別效果； 劉群等[10]利用相干體和螞蟻體技術(shù)識(shí)別了碳酸鹽巖地層中的走滑斷層； 司文朋等[11]利用物理模擬的方法建立走滑斷層的響應(yīng)模式； 李樹(shù)珍等[12]運(yùn)用曲率分析技術(shù)識(shí)別走滑斷層。上述方法在不同研究區(qū)均獲得了較好的效果，但傾角導(dǎo)向和相干等技術(shù)多用于伴有較強(qiáng)地層錯(cuò)動(dòng)的走滑斷層識(shí)別； 曲率屬性和螞蟻體技術(shù)等可以同時(shí)識(shí)別多種尺度斷層，但需要對(duì)斷層性質(zhì)加以區(qū)分； 物理模擬方法則較為直觀，但多基于受力條件簡(jiǎn)單的理想情況，存在模擬材料與實(shí)際巖層物理性質(zhì)之間有差別且效率較低的缺點(diǎn)。因此，針對(duì)不同研究區(qū)的走滑斷層的識(shí)別，需要優(yōu)選最適合該區(qū)的地震屬性或地球物理方法。

為了準(zhǔn)確識(shí)別高石梯—磨溪地區(qū)走滑斷層，本文在分析力學(xué)機(jī)制基礎(chǔ)上，綜合分析走滑斷層的橫向、縱向構(gòu)造特征，建立研究區(qū)棲霞組走滑斷層的構(gòu)造樣式； 對(duì)比、分析多種地震屬性，從而優(yōu)選最適合本區(qū)走滑斷層識(shí)別的地震屬性； 最終在構(gòu)造樣式的指導(dǎo)下，利用優(yōu)選屬性，完成走滑斷層的準(zhǔn)確識(shí)別。

1 技術(shù)方法

1.1 技術(shù)路線

高石梯—磨溪地區(qū)走滑斷層識(shí)別的技術(shù)路線如圖1所示。首先，在研究區(qū)構(gòu)造地質(zhì)背景分析基礎(chǔ)上，確定走滑斷層發(fā)育背景； 其次，在力學(xué)機(jī)制的指導(dǎo)下，利用鉆井、地震資料，結(jié)合剖面、平面構(gòu)造特征，建立走滑斷層構(gòu)造樣式(模型)； 然后，優(yōu)選并利用最適合該區(qū)域走滑斷層識(shí)別的地震屬性，依據(jù)構(gòu)造樣式，完成走滑斷層的識(shí)別。

圖1 走滑斷層識(shí)別技術(shù)路線

1.2 地質(zhì)背景分析

高石梯—磨溪地區(qū)位于四川盆地川中古隆起東部的平緩構(gòu)造帶，是上揚(yáng)子地區(qū)殘留的最穩(wěn)定地塊[13]。在加里東期興凱地裂運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)烈拉張作用下，震旦紀(jì)—寒武紀(jì)發(fā)育一系列張扭斷層。二疊系棲霞組沉積時(shí)期，該區(qū)處于相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境[14-16]，在海西期峨眉地裂運(yùn)動(dòng)北東—南西向拉張應(yīng)力作用下，伴隨走滑效應(yīng)[17-18]。同時(shí)，重新激活了部分先存斷層，使棲霞組內(nèi)斷層具有繼承性，表現(xiàn)出與下伏地層類(lèi)似的斷層發(fā)育特征(圖2)。

圖2 高石梯—磨溪地區(qū)走滑斷層發(fā)育特征

1.3 走滑斷層構(gòu)造樣式

1.3.1 力學(xué)機(jī)制

明確形成走滑斷層的力學(xué)機(jī)制對(duì)走滑斷層構(gòu)造樣式建立具有指導(dǎo)作用。根據(jù)受力模式的不同，走滑斷層的形成可以分為純剪機(jī)制和單剪機(jī)制。其中，純剪機(jī)制符合安德森破裂準(zhǔn)則和庫(kù)倫破裂準(zhǔn)則，在平面上形成一組共軛的、左旋和右旋互補(bǔ)的走滑斷層，兩條斷層的銳角夾角指向壓縮方向(圖3a)。單剪機(jī)制符合里德?tīng)柤羟心Ｊ剑且环N旋轉(zhuǎn)應(yīng)變模式，主要形成五組斷層(圖3b)[19]：①R剪切(里德?tīng)柤羟?，與主走滑斷層滑移方向相同且與其小角度相交的斷層，一般稱(chēng)為羽狀構(gòu)造； ②R′剪切(共軛里德?tīng)柤羟?，與主走滑斷層滑移方向相反且成大角度相交； ③P剪切，與R剪切相對(duì)于主走滑斷層大致對(duì)稱(chēng)，滑移方向與主走滑斷層一致； ④T斷層(局部張性斷層)，與主位移帶呈45°相交，一般延伸較短，主要由垂直最小主應(yīng)力方向拉張形成； ⑤Y剪切，與主走滑斷層平行的斷層。

圖3 走滑作用純剪機(jī)制和單剪機(jī)制模式圖

研究區(qū)走滑斷層的形成主要為里德?tīng)柤羟心Ｊ降膯渭魴C(jī)制。以F2斷層(圖4)為例，可見(jiàn)的里德?tīng)柤羟袛鄬又饕幸韵聨追N：①R剪切，主要在F2斷層的尾端(Z1區(qū))，分支斷層與主斷層呈小角度相交(夾角多為10°～20°)，并且呈羽狀分布； ②P剪切，處于F2斷層尾端(Z2區(qū))，與R剪切大致對(duì)稱(chēng)分布，斷層線呈一定弧度彎曲，分支斷層呈馬尾狀分布； ③Y剪切，與主干斷層走向平行，延伸距離較短，在走滑斷層中部(Z3、Z4區(qū))較為多見(jiàn)。

1.3.2 構(gòu)造樣式

走滑斷層的構(gòu)造樣式主要有花狀構(gòu)造(包括壓扭性的正花狀構(gòu)造和張扭性的負(fù)花狀構(gòu)造，以及多期走滑作用疊加形成的“花上花”構(gòu)造)、雁列構(gòu)造、線狀直立構(gòu)造、馬尾構(gòu)造、羽狀構(gòu)造、辮狀構(gòu)造等。

圖4 F2走滑斷層分布圖底圖為棲霞組底曲率屬性； 紅框?yàn)樽呋瑪鄬影l(fā)育區(qū)，藍(lán)框?yàn)樽呋种鄬影l(fā)育區(qū)

(1)花狀構(gòu)造。是走滑斷層特有的構(gòu)造樣式，產(chǎn)狀上緩下陡，下部可延伸至基底，頂部因應(yīng)力釋放而成“花狀”[20]。因應(yīng)力類(lèi)型的不同，可分為壓扭性的“正花狀”構(gòu)造和張扭性的“負(fù)花狀”構(gòu)造。研究區(qū)在張扭作用下，頂部地層呈下凹形態(tài)，多發(fā)育類(lèi)似地塹狀的“負(fù)花狀”構(gòu)造(圖5a～圖5c)。

另外，興凱地裂運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致震旦系—寒武系發(fā)育一期花狀構(gòu)造[21]，其后的峨眉地裂運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致二疊系發(fā)育第二期花狀構(gòu)造，從而形成多期花狀構(gòu)造疊合的“花上花”構(gòu)造(圖5d)。

(2)“Y”字型、反“Y”字型構(gòu)造。當(dāng)主斷層的拉張作用較強(qiáng)時(shí)，其分支斷層也可向上錯(cuò)斷較多層位，形成大型的地塹構(gòu)造，表現(xiàn)為“Y”字型或反“Y”字型構(gòu)造樣式(圖5e～圖5g)。該類(lèi)構(gòu)造中，拉張作用強(qiáng)于走滑作用，以發(fā)育正斷層為主，平面上可表現(xiàn)為走向相互平行的兩條斷層，如F3斷層與其分支斷層形成“Y”字型構(gòu)造(圖5e、圖5f)； F18、F19斷層之間形成反“Y”字型構(gòu)造(圖5g)。

圖5 研究區(qū)走滑斷層構(gòu)造樣式

(3)線狀構(gòu)造。一般發(fā)育在走滑作用較弱的位置，剖面上表現(xiàn)為層位錯(cuò)動(dòng)小，以擾動(dòng)為主，斷層角度大(圖5h)。

(4)辮狀構(gòu)造。走滑斷層在強(qiáng)烈滑動(dòng)、拉分作用下所形成，在平面上通常表現(xiàn)為一系列小斷層相互錯(cuò)斷，小斷層交織之間可見(jiàn)拉分形成的菱形或近橢圓形區(qū)域(圖6)； 剖面上可見(jiàn)由于拉分作用形成的地層下凹或壘塹構(gòu)造(圖5b)。多個(gè)小斷層相接可形成延伸較長(zhǎng)的辮狀構(gòu)造，并具帶狀分布，形成較大規(guī)模的破碎帶。

圖6 F4辮狀構(gòu)造(紅框內(nèi))分布特征底圖為棲霞組底曲率屬性

(5)馬尾構(gòu)造。主要形成于走滑斷層末端，走滑作用減弱，應(yīng)力發(fā)散，沿主斷層延伸方向形成一系列發(fā)散狀小斷層。平面上小斷層一般延伸距離較短，延伸方向與主斷層呈一定夾角，多個(gè)小斷層在平面上組合形成馬尾狀(圖4中Z2區(qū)域)。馬尾構(gòu)造發(fā)育區(qū)易形成裂縫，為淺層地下水下滲和深層熱液上涌提供有利條件。

(6)雁列構(gòu)造。走滑斷層應(yīng)力向上釋放，在頂部應(yīng)力發(fā)散而成。在剖面上可見(jiàn)地層呈上凸(圖7a棲霞組內(nèi)部)或下凹(圖7b棲霞組、茅口組內(nèi)部)形態(tài)，還可發(fā)育多個(gè)雁列形成的花狀構(gòu)造。雁列構(gòu)造中，斷層在老地層(筇竹寺組)中大多呈線性延伸(圖8a)，淺層(棲霞組)則變?yōu)橐幌盗凶呦蛞恢隆⑿毕蚺帕械男鄬?圖8b)。根據(jù)小斷層的排列方向，研究區(qū)雁列構(gòu)造主要為右階排列。

圖7 F7(a)與F13(b)斷層剖面特征剖面位置見(jiàn)圖8、圖13

圖8 F13斷層平面特征(a)筇竹寺組底曲率屬性切片； (b)棲霞組底曲率屬性切片紅框內(nèi)為斷層所在位置

1.3.3 海豚效應(yīng)和絲帶效應(yīng)

海豚效應(yīng)和絲帶效應(yīng)均是識(shí)別走滑斷層的重要標(biāo)志。

海豚效應(yīng)是指在沿走滑斷層走向上、下盤(pán)的相對(duì)位置發(fā)生變化，但斷層傾向不變[22]，即可以在一條剖面上顯示為正斷層，而在另一條剖面上顯示為逆斷層。這是由于走滑斷層線大多具彎折特征，走滑作用可在一點(diǎn)表現(xiàn)為擠壓，而在另一點(diǎn)表現(xiàn)為拉張，使同一條走滑斷層在不同位置發(fā)育正、逆兩種不同性質(zhì)的斷層。以F3斷層為例，以斷層走向發(fā)生明顯改變之處為分段點(diǎn)，可將F3斷層分為四段(圖9中H1～H4段)。由F3斷層在不同位置的地震剖面可見(jiàn)，H1、H3、H4段在中二疊統(tǒng)中發(fā)育正斷層，H2段發(fā)育逆斷層(圖9)，呈現(xiàn)海豚效應(yīng)。

按照受力分析(圖10)，當(dāng)F3斷層受到右行應(yīng)力作用時(shí)，可在H2段將應(yīng)力分解為沿?cái)鄬幼呦蚝痛怪庇跀鄬幼呦虻膬蓚€(gè)分量，此時(shí)斷層左、右兩側(cè)垂直于走向的分力顯示為擠壓作用，在此處易發(fā)育逆斷層或正花狀構(gòu)造； 在H3段的斷層左、右兩側(cè)垂直于走向的分力顯示為拉張作用，在此處易發(fā)育正斷層或負(fù)花狀構(gòu)造，其余各段同理。

絲帶效應(yīng)是指走滑斷層趨于直立，傾向不斷發(fā)生變化，左右擺動(dòng)，如同絲帶一般[23]。這是由于走滑斷層一般傾角大，不同位置傾向易發(fā)生變化。以F4斷層 (圖11)為例，傾向在OO′剖面為左傾，至PP′剖面為右傾，在QQ′剖面又變?yōu)樽髢A，RR′剖面為右傾，即沿F4走向，傾向發(fā)生多次改變。這是由于F4先存斷層在海西期重新被激活時(shí)，應(yīng)力在二疊系中釋放，在斷層向上延伸時(shí)易發(fā)生傾向的左右擺動(dòng)。

圖9 F3斷層剖面(上)和平面(下)分段特征

圖10 F3斷層受力分析圖

1.4 走滑斷層識(shí)別屬性的優(yōu)選

僅通過(guò)地震剖面進(jìn)行走滑斷層的識(shí)別具有一定的主觀性和局限性，還需要同時(shí)利用振幅、頻率等地震屬性從平面角度識(shí)別走滑斷層，提高準(zhǔn)確性。

在斷層的平面識(shí)別方法中，一般有大尺度描述的相干算法、中尺度的曲率算法、小尺度的螞蟻體算法等。對(duì)比、分析不同屬性識(shí)別效果(圖12，表1)，可以優(yōu)選識(shí)別走滑斷層的敏感屬性。

1.4.1 傾角

在不拾取層位的情況下，提取地層反射界面傾角屬性，可分析地震反射的不連續(xù)性。

由圖12a可見(jiàn)，傾角屬性較好地展示了棲霞組底界主要斷層的平面展布規(guī)律。F1正斷層和F2、F3、F4等主要走滑斷層可清晰刻畫(huà)，F(xiàn)7、F16等雁列構(gòu)造也可識(shí)別，但F4辮狀構(gòu)造未能識(shí)別； 研究區(qū)西側(cè)F9附近正斷層未能識(shí)別。傾角屬性對(duì)正斷層及走滑斷層均能識(shí)別，斷層形態(tài)較為清晰，但對(duì)于形態(tài)較為復(fù)雜的辮狀構(gòu)造等，識(shí)別效果較差。

圖11 F4斷層不同位置地震剖面特征剖面位置見(jiàn)圖6

圖12 不同屬性切片

表1 不同地震屬性斷層識(shí)別效果

1.4.2 相干

相干屬性主要是計(jì)算相鄰地震道或相鄰多地震道的波形相似性。對(duì)于反射波同相軸錯(cuò)動(dòng)明顯、斷距較大的斷層，識(shí)別效果較好。

由圖12b可見(jiàn)，對(duì)于同相軸錯(cuò)斷明顯、斷距較大的筇竹寺組斷層，相干屬性均能很好地反映平面延伸范圍，如F1、F2、F3、F4、F18、F19等。但是，對(duì)于以同相軸擾動(dòng)和傾角變化為主要特征的棲霞組斷層，相干屬性識(shí)別斷層效果較差(圖12c)。在主要斷層F2、F3附近，斷層線不明顯，難以確認(rèn)主斷層的平面位置。

1.4.3 曲率

曲率屬性是描述曲線上任意一點(diǎn)的彎曲程度，曲率越大越彎曲，存在斷層可能性就越大[24]。對(duì)斷距較小的棲霞組斷層，曲率屬性(本文所用為最大正曲率)識(shí)別斷層效果均較好，斷層線清晰可見(jiàn)，分支斷層形態(tài)較為明確(圖12d)。曲率屬性可以刻畫(huà)F4斷層辮狀構(gòu)造(圖6)，F(xiàn)7、F13、F16雁列構(gòu)造(圖8)，F(xiàn)2斷層的羽狀構(gòu)造和馬尾構(gòu)造，而相干屬性卻難以做到。

1.4.4 相干能量梯度

相對(duì)于相干體，相干能量梯度更能突出一些細(xì)小的地質(zhì)特征。從不同方位角提取對(duì)應(yīng)的相干能量梯度可以突出不同走向的斷層。

相干能量梯度標(biāo)量屬性則對(duì)不同走向的斷層均有不錯(cuò)的顯示效果，但部分小斷層未能識(shí)別，如F11、F12等斷層未能識(shí)別(圖12e)。對(duì)F1、F2、F3斷層交界處(圖12e紅框內(nèi))為片狀陰影區(qū)域，斷層也未能很好識(shí)別。

1.4.5 螞蟻體

螞蟻體屬性是利用螞蟻尋優(yōu)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)全局尋優(yōu)的一種機(jī)器學(xué)習(xí)方法[25]，本文將識(shí)別走滑斷層效果較好的曲率屬性作為螞蟻體屬性的輸入數(shù)據(jù)體，以此為基礎(chǔ)計(jì)算螞蟻體屬性。由圖12f可見(jiàn)，螞蟻體屬性可同時(shí)突出大、小斷層，比曲率屬性更清晰地識(shí)別斷層線，可以指示主斷層延伸、消失的位置。

1.4.6 屬性優(yōu)選

根據(jù)研究區(qū)識(shí)別的23條主要斷層，分析不同屬性的識(shí)別效果(表1)。由表可見(jiàn)，曲率屬性及螞蟻體屬性是研究區(qū)斷層，特別是走滑斷層識(shí)別的優(yōu)勢(shì)屬性。

2 應(yīng)用效果

根據(jù)本文方法，識(shí)別研究區(qū)斷層結(jié)果如圖13所示。

參考油氣勘探成果，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)特征，根據(jù)走滑斷層的力學(xué)機(jī)制與特征一致性，可以判斷在構(gòu)造樣式的指導(dǎo)下，利用曲率和螞蟻體優(yōu)勢(shì)屬性識(shí)別走滑斷層的準(zhǔn)確性。

在曲率屬性切片中(圖4)可見(jiàn)F2斷層里德?tīng)柤羟械母黝?lèi)分支斷層； 根據(jù)曲率屬性識(shí)別出的走滑斷層F3、F4，也可見(jiàn)相應(yīng)的海豚效應(yīng)(圖9)和絲帶效應(yīng)(圖11)，證明曲率屬性對(duì)走滑斷層的平面識(shí)別是較為細(xì)致、準(zhǔn)確的。同時(shí)，研究區(qū)內(nèi)目前油氣勘探成果揭示，深大斷層附近含油氣性好[26]。如具有規(guī)模產(chǎn)能的GS18井位于走滑斷層F2附近、GS001-X45井位于F1斷層附近，GS1、GS11等氣測(cè)良好的井均位于F5走滑斷層附近(圖13)，從一個(gè)側(cè)面證實(shí)了走滑斷層識(shí)別的準(zhǔn)確性。

另外，區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)背景揭示研究區(qū)發(fā)育兩期走滑構(gòu)造。早期興凱地裂運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致深層(如寒武系筇竹寺組)發(fā)育走滑斷層，垂向位移較大，同相軸錯(cuò)動(dòng)較為明顯，以正斷層特征為主。而晚期峨眉地裂運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致淺層(如二疊系棲霞組)發(fā)育走滑斷層垂向位移小，同相軸擾動(dòng)彎曲為主，多發(fā)育花狀構(gòu)造(圖5b～圖5d)。走滑斷層(F2、F3、F4、F5、F7、F13、F16)多為繼承性發(fā)育，但由于峨眉地裂運(yùn)動(dòng)相對(duì)較弱，棲霞組發(fā)育的斷層F1、F15等未能全部激活，相對(duì)筇竹寺組斷層局部有缺失(圖13),這也與川中古隆起構(gòu)造特征相吻合。

圖13 筇竹寺組底界(左)與棲霞組底界(右)斷層分布

3 結(jié)論

(1)研究區(qū)二疊系棲霞組走滑斷層形成的應(yīng)力機(jī)制符合里德?tīng)柤羟械膯渭裟Ｊ?，發(fā)育花狀構(gòu)造、“Y”字形、線形、辮狀、馬尾狀、雁列等構(gòu)造樣式。走滑斷層具海豚效應(yīng)和絲帶效應(yīng)。

(2)曲率屬性和螞蟻體屬性是識(shí)別走滑斷層的優(yōu)勢(shì)屬性。

(3)結(jié)合區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)背景，在走滑構(gòu)造樣式的指導(dǎo)下，利用曲率和螞蟻體屬性能準(zhǔn)確識(shí)別走滑斷層，可為油氣勘探和構(gòu)造特征研究提供基礎(chǔ)。