川西北天井山構(gòu)造變形特征與物理模擬

李 卿 李忠權(quán)

（油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)），成都610059）

2008年汶川大地震后，天井山地區(qū)發(fā)現(xiàn)了大量的油氣苗，引起了許多學(xué)者的關(guān)注，并進(jìn)行了大量的研究工作，如周文等（2008）、鄧紹強(qiáng)等（2009）認(rèn)為天井山古油藏分布受控于構(gòu)造，只有把該地區(qū)的構(gòu)造變形規(guī)律及演化規(guī)律弄清楚，才能對(duì)油氣圈閉進(jìn)行正確的評(píng)價(jià)［1－2］。但迄今為止對(duì)天井山地區(qū)的構(gòu)造變形和演化過程的研究主要基于野外調(diào)查和鉆井分析，還沒有針對(duì)構(gòu)造模式和結(jié)果進(jìn)行過構(gòu)造物理模擬。因此，筆者通過野外調(diào)查和地震資料，探討了天井山構(gòu)造的構(gòu)造變形，在此基礎(chǔ)上對(duì)天井山構(gòu)造進(jìn)行構(gòu)造物理模擬，為天井山構(gòu)造的構(gòu)造樣式和構(gòu)造變形建立試驗(yàn)證據(jù)，這對(duì)龍門山北段地區(qū)的構(gòu)造變形和構(gòu)造樣式也具有一定的指導(dǎo)意義。

1 地質(zhì)概況

天井山地區(qū)位于四川盆地的西北部，為一大體呈北東向展布且大致與龍門山山脈平行的區(qū)塊（圖1）。東邊區(qū)域跨入廣元市境內(nèi)羅妙真（屬劍閣縣），其東南起于江油市厚壩—廣元鹽店一線，西北達(dá)江油市沉永—雁門一線。

圖1 龍門山褶皺沖斷帶構(gòu)造綱要圖及研究區(qū)域Fig.1 Structural outline of the fold－thrust belt and study area of Longmen Mountains

天井山地區(qū)地形險(xiǎn)峻，山體綿延，溝壑縱橫，山系以北東向?yàn)橹?，地表海拔高度變化?.5～2 km之間，總趨勢(shì)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。由于特殊的構(gòu)造位置，區(qū)內(nèi)斷裂眾多，因而地面構(gòu)造復(fù)雜多樣，其構(gòu)造與斷層的走向多為近北東向，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），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。區(qū)內(nèi)地面主要正向構(gòu)造為天井山背斜，其次有茍家埡倒轉(zhuǎn)背斜和水跟頭倒轉(zhuǎn)背斜等。天井山背斜（圖2）為一線狀背斜，其南西端延至二郎廟一帶，后消失在超覆層之下，北東端以13°傾角傾沒于馬鹿壩以東。背斜核部由石炭系、泥盆系及寒武系組成，兩翼地層主要為三疊系、二疊系，巖性總體上以碳酸鹽巖為主［2］。

圖2 天井山地區(qū)地質(zhì)圖Fig.2 Geological map of Tianjingshan area

2 構(gòu)造變形特征

綜合TJ1井鉆井分層、傾角測(cè)井資料、地表地質(zhì)調(diào)查、構(gòu)造樣式分析，結(jié)合地震解釋的地腹構(gòu)造、演化特征、形成機(jī)制分析等建立以TJS1114（A－B）線為基礎(chǔ)的天井山構(gòu)造地質(zhì)模型。

印支期在重力滑覆的作用下，在現(xiàn)今天井山構(gòu)造主體部位發(fā)育沖斷構(gòu)造，斷坡陡直，并且大多出露當(dāng)時(shí)地面（須三頂）。喜馬拉雅期在北西向南東強(qiáng)大的擠壓力作用下，早期構(gòu)造被改造，疊加后期褶皺，從而形成地層倒轉(zhuǎn)及斷面彎曲。在擠壓推覆過程中，地腹中堅(jiān)硬層中形成一系列的疊瓦狀斷層，將地層切割成若干疊瓦狀斷塊，形成疊瓦式構(gòu)造及雙重構(gòu)造；疊瓦狀斷層上陡下緩，向下消失在前震旦系非堅(jiān)硬層中［3］。

綜上所述，根據(jù)構(gòu)造形成機(jī)制、所發(fā)育的構(gòu)造樣式及所處構(gòu)造部位，區(qū)內(nèi)的構(gòu)造可劃分為3個(gè)構(gòu)造單元（圖3）。

圖3 天井山構(gòu)造模式圖Fig.3 Tectonic model of Tianjingshan

淺層推覆構(gòu)造單元（a）：位于馬角壩斷裂帶與天井山主高點(diǎn)之間，淺部滑脫層之上，后翼突破構(gòu)造為斷層相關(guān)褶皺前翼上形成的調(diào)節(jié)主構(gòu)造應(yīng)變狀態(tài)的次生破裂構(gòu)造。運(yùn)動(dòng)學(xué)特征表現(xiàn)為多產(chǎn)生于主構(gòu)造已有相當(dāng)強(qiáng)烈的變形之后，龍門山山前帶的地震剖面上大量發(fā)育后翼突破構(gòu)造。后翼突破構(gòu)造主要位于天井山背斜西北翼發(fā)育一系列斷片，斷裂產(chǎn)狀通常較陡，呈密集產(chǎn)出，組成后翼突破構(gòu)造多表現(xiàn)為擴(kuò)展性質(zhì)，形成于喜馬拉雅期。

中部沖斷滑覆構(gòu)造單元（b）：位于馬角壩斷裂帶下盤的天井山構(gòu)造主體部位，東至天井山構(gòu)造前翼東緣，包括從基底至地表的所有地層，是在早期沖斷構(gòu)造上疊加推覆構(gòu)造，形成疊瓦狀構(gòu)造和斷彎褶皺。組成疊瓦構(gòu)造的斷層，傾向?yàn)楸蔽?，向下延伸至下寒武統(tǒng)長(zhǎng)江溝組第一段的非堅(jiān)硬層；斷層的產(chǎn)狀向下漸漸趨于水平，且多條斷層合并為共同的斷層滑脫面?？傮w而言，后翼地層相對(duì)較緩；前翼地層陡直破碎，形成堆垛；核部為斷彎褶皺，出露最老地層為寒武系。形成于印支期，定型于喜馬拉雅期。

地腹疊瓦雙重構(gòu)造單元（c）：指天井山構(gòu)造主體以東地腹三疊系以下地層組合形成的構(gòu)造。該套地層中，主要發(fā)育疊瓦式構(gòu)造、雙重構(gòu)造和沖起構(gòu)造。雙重構(gòu)造的底板逆斷層為下寒武統(tǒng)長(zhǎng)江溝組砂泥巖層，頂板逆斷層為下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組上部紫紅色砂泥巖層［3］，形成于喜馬拉雅期。

3 構(gòu)造物理模擬與結(jié)果

3.1 模型分析

3.1.1 構(gòu)造變形

龍門山地區(qū)經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，在印支運(yùn)動(dòng)前天井山構(gòu)造的地質(zhì)應(yīng)力主要以拉張為主，控制了地層的巖性組合、發(fā)育范圍及沉積厚度，而影響天井山構(gòu)造現(xiàn)有構(gòu)造形態(tài)的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)應(yīng)該從印支運(yùn)動(dòng)開始。總的來(lái)說(shuō)，該地區(qū)主要的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)有3期：喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)、印支運(yùn)動(dòng)［4］。其中印支運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)的右旋剪切擠壓造成了構(gòu)造呈雁列狀排列的構(gòu)造格局，而喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)烈擠壓在原有構(gòu)造的基礎(chǔ)上形成了天井山構(gòu)造，并最終定型（圖4）。

印支期、燕山期原有的張性斷層發(fā)生反轉(zhuǎn)，并沿下三疊統(tǒng)內(nèi)的區(qū)域性滑脫層發(fā)生滑脫，現(xiàn)在天井山構(gòu)造地表的一系列古生界地層推覆，出露地表；喜馬拉雅期，擠壓活動(dòng)再次進(jìn)行，但受到巨厚推覆體的阻擋，推覆體隨下伏地層沿下寒武系發(fā)生滑脫、隆起，形成現(xiàn)在的構(gòu)造格局［5］。

3.1.2 變形特征

印支第三幕時(shí)期，隨著秦嶺大洋的全面關(guān)閉，南秦嶺構(gòu)造帶最終形成，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，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，前期先存的正斷層發(fā)生反轉(zhuǎn)，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，在沖斷帶東側(cè)發(fā)育川西前陸盆地，沉積須四（T3x4）－須六段（T3x6）地層［5］。

喜馬拉雅運(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，并發(fā)育了一系列上沖斷層。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。天井山構(gòu)造印支第三幕構(gòu)造活動(dòng)時(shí)期形成的逆斷層再次活動(dòng)，上沖推覆，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。天井山構(gòu)造靠近盆地一側(cè)，在下部震旦－飛仙關(guān)組中發(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(duì)沖和背沖構(gòu)造，切割改造早期構(gòu)造［6］。

3.2 模型設(shè)計(jì)

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)的多組實(shí)驗(yàn)分別考慮了基底坡度、滑脫層性質(zhì)等條件對(duì)構(gòu)造的控制作用。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ烷L(zhǎng)為160cm、高為20cm、寬為20cm，兩側(cè)為有機(jī)玻璃，一端由馬達(dá)驅(qū)進(jìn)的活動(dòng)擋板。本次物理模擬實(shí)驗(yàn)選擇石英砂來(lái)模擬脆性地層，選擇硅膠和玻璃珠來(lái)模擬膏巖層。實(shí)驗(yàn)中所選擇的石英砂的密度為 1297kg／m3，玻璃珠直徑為0.2～0.3 mm，硅膠的黏滯系數(shù)為1.2×104Pa·s，硅膠的密度為926kg／m3。實(shí)驗(yàn)在中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院（北京）構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

圖4 TJS1114線印支、喜馬拉雅期演化剖面圖（AB剖面）Fig.4 Evolution profile of Indo－Chinese epoch and Himalayan epoch in Line TJS1114

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

模型基底為3°斜坡，上面一套滑脫層的材料為玻璃珠，厚度為5mm；下面一套滑脫層的材料為硅膠，厚度為0.5cm；模型總長(zhǎng)為40cm（表1）。總縮短量為13.5cm，壓縮率約為33%，符合原始剖面壓縮量。圖5中A，B，C，D和E的伸縮量分別為0cm，5.5cm，7cm，10cm 和13.5 cm，模型側(cè)面及頂面運(yùn)行過程分別由背面及正面兩臺(tái)相機(jī)記錄。實(shí)驗(yàn)由北西向南東的速度為0.0025cm／s。照片的時(shí)間間隔為8s。

圖5 實(shí)驗(yàn)?zāi)M過程圖Fig.5 Diagram of the experimental simulation process

表1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿?shù)據(jù)Table 1 Experimental model data

開始擠壓后，當(dāng)伸縮量達(dá)到7cm時(shí)，開始出現(xiàn)傾角約為30°的后沖斷層，隨后出現(xiàn)一條傾角約為40°的前沖斷層，2條斷層組成不對(duì)稱背斜（圖5－B）。當(dāng)伸縮量達(dá)到12cm時(shí)，在不對(duì)稱背斜的前緣出現(xiàn)傾角平緩的4號(hào)斷層，爾后在變形的過程中發(fā)育調(diào)節(jié)性3號(hào)斷層，2條斷層組成一個(gè)平頂背斜（圖5－C）。當(dāng)伸縮量達(dá)到13cm時(shí)，出現(xiàn)6號(hào)斷層（圖5－E），出現(xiàn)倒轉(zhuǎn)背斜，前展變?yōu)楹笳埂ＤＰ椭饕幸韵绿攸c(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(duì)應(yīng)前端增厚區(qū)的前端變形為一箱狀背斜，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(duì)應(yīng)于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：后緣褶皺形—前緣褶皺—回跳至中間變形，前展變?yōu)楹笳埂?/p>

3.4 模擬結(jié)果討論

實(shí)驗(yàn)一代表多套滑脫層（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)生前展式上沖構(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。變形的形態(tài)發(fā)育比較均一，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（圖6－A）。

實(shí)驗(yàn)二代表多套滑脫層（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上沖斷層向上擴(kuò)展和作為上部沙層變形的滑脫層的作用，將沙層分為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。有2個(gè)值得注意的現(xiàn)象：（1）下部沙層形成的沖斷褶皺的倒轉(zhuǎn)翼部位，軟弱層有加厚的趨勢(shì)。（2）硅膠層下沙層的收縮變形相對(duì)集中，硅膠層之上沙層的變形相對(duì)分散，說(shuō)明軟弱的硅膠層有順層滑動(dòng)位移。形成的褶皺－沖斷帶形態(tài)為狹窄高錐度，與其較高的韌性基底層黏度有關(guān)［7－10］（圖6－B）。

圖6 天井山物理模擬結(jié)果與實(shí)際剖面對(duì)比Fig.6 The comparison of physical simulation results with the actual profile of Tianjingshan

實(shí)驗(yàn)三代表多套滑脫層（玻璃珠）、基底水平、斜向擠壓應(yīng)力擠壓條件下的結(jié)果。玻璃珠以下的變形比較單一，是由單純的上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)褶皺。自造山帶向前陸方向，模型大體上呈楔形，即在擠壓端比較厚，而越向前厚度越薄。總的來(lái)說(shuō)，模型的垂向的不協(xié)調(diào)性和變形的方式主要受到玻璃珠的控制，隨著縮短量的增加，前翼發(fā)育一系列疊瓦狀上沖斷層。上沖斷層呈前展式發(fā)育，并且變形間距逐步加大（圖6－C）。

實(shí)驗(yàn)四代表多套滑脫層（硅膠）、基底為3°斜坡、斜向擠壓應(yīng)力擠壓條件下的結(jié)果。（1）硅膠上覆沙層，變形主要集中在硅膠的兩端，兩端之間的變形不明顯，對(duì)應(yīng)前端增厚區(qū)的前端變形為一箱狀背斜，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(duì)應(yīng)于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：后緣褶皺變形—前緣褶皺—回跳至中間變形，前展變?yōu)楹笳?。說(shuō)明隨著基底層黏度的增加，后沖斷層開始占據(jù)主導(dǎo)地位，呈現(xiàn)后展式序列［7－10］，與天井山的構(gòu)造變形過程比較一致（圖6－D）。

4 結(jié)論

天井山構(gòu)造位于龍門山?jīng)_斷前鋒帶，淺層表現(xiàn)為一系列斷片組成的后翼突破構(gòu)造，中部以呈前展式發(fā)育的疊瓦狀構(gòu)造和斷彎褶皺為主，地腹則發(fā)育疊瓦式構(gòu)造、雙重構(gòu)造為主，經(jīng)物理模擬實(shí)驗(yàn)，表明了：

a.在擠壓應(yīng)力作用下，變形主要集中在施力方，越靠近力源，變形越強(qiáng)烈，并且發(fā)育基底卷入的厚皮構(gòu)造。而天井山地區(qū)印支期主要發(fā)育薄皮構(gòu)造，由此可見該地區(qū)印支期動(dòng)力學(xué)機(jī)制不是以擠壓為主，而是受南北向擠壓應(yīng)力與北西－南東向重力滑覆共同作用。

b.證實(shí)了天井山構(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。

c.喜馬拉雅期天井山構(gòu)造在北西－南東向擠壓應(yīng)力作用下變形序列為以前展式為主。

d.由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，無(wú)法進(jìn)行多軸應(yīng)力、重力滑覆實(shí)驗(yàn)，因而變形特征不可能完全一致，但其主要變形特征和變形序列大體相似。

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