龍門山北段天井山構(gòu)造特征及成因模擬

李 卿，李忠權(quán)，劉愛疆，張 瑋，羅 春，李 娟

（1.成都理工大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點試驗室，四川 成都 610059； 2.成都理工大學(xué) 地球物理學(xué)院，四川 成都 610059； 3.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 水文地質(zhì)工程中心，四川 成都 610081）

0 引言

近年來，隨著油氣勘探技術(shù)研究的深入，處于揚子地塊、秦嶺造山帶、松潘—甘孜地槽褶皺帶匯聚交接地帶的龍門山前陸推覆—沖斷帶和前陸盆地成為油氣勘探的重要區(qū)域.該區(qū)域西北部的天井山構(gòu)造帶地表發(fā)現(xiàn)大量瀝青點，有的已形成巨大瀝青脈，且自二疊系直到寒武系有大量油氣苗顯示，預(yù)示古油藏的存在，具有廣闊的油氣遠景［1-4］.該地區(qū)經(jīng)歷多次碰撞造山運動，構(gòu)造變形十分復(fù)雜，導(dǎo)致多口探井失敗.根據(jù)相鄰區(qū)域和山前沖斷帶的勘探經(jīng)驗，認為對于復(fù)雜山前帶油氣勘探，變形特征、構(gòu)造演化和構(gòu)造格架對于油氣藏的聚集和成藏至關(guān)重要［3-4］.

人們對天井山構(gòu)造帶的變形樣式、區(qū)域應(yīng)力場特征、成因模式、構(gòu)造演化及成藏等進行研究，并取得重要認識，如劉和甫等認為龍門山?jīng)_斷帶內(nèi)的構(gòu)造變形樣式按卷入深度可劃分為基底沖斷系與蓋層褶皺沖斷系；李勇等認為彭灌斷裂與廣元—大邑斷裂之間屬變形構(gòu)造地層帶；梁慧社等認為彭灌斷裂與廣元—大邑斷裂之間屬寬緩褶皺帶；劉樹根等認為龍門山褶皺沖斷帶由川西前陸盆地深部巖石圈沿相對弱帶由東向西多級俯沖潛滑，導(dǎo)致龍門山褶皺沖斷帶由西向東、從深部到淺部多層次逆沖的前展式構(gòu)造變形模式［5-8］.這些成果缺乏成因機制及模擬驗證的研究，也缺少直接證據(jù)和定量分析.因此，筆者結(jié)合地震剖面解釋和野外地質(zhì)調(diào)查，由構(gòu)造變形特征的角度分析天井山構(gòu)造帶變形，并使用構(gòu)造物理模擬天井山構(gòu)造帶成因機制，以重現(xiàn)天井山構(gòu)造帶的構(gòu)造變形過程，為天井山構(gòu)造帶乃至龍門山的油氣勘探提供借鑒.

1 地質(zhì)概況

龍門山構(gòu)造帶位于松潘—甘孜褶皺帶和揚子板塊西緣分界線上，北起廣元地區(qū)，與秦嶺構(gòu)造帶斜角相交；南抵天全，與康滇地軸相聚；全長約為500km，寬度約為30km，總面積約為2.2km2；既是四川盆地的西緣，也是青藏高原的東界.

龍門山構(gòu)造帶主要有3條大斷裂：汶川—茂汶斷裂帶、映秀—北川斷裂帶和灌縣—馬角壩斷裂帶.3條大斷裂將龍門山劃分為3個帶：映秀—北川斷裂帶以西為龍門山后山，映秀—北川斷裂帶以東、灌縣—馬角壩斷裂帶以西為龍門山前山，灌縣—馬角壩斷裂帶以東為龍門山山前帶.根據(jù)地史發(fā)展和沉積構(gòu)造差異，將龍門山分為3段：安縣以北為龍門山北段，都江堰以南為龍門山南段，都江堰—安縣之間為龍門山中段.龍門山具有南北分段、東西分帶的特征［1-11］，研究區(qū)主要范圍為龍門山山前帶的天井山構(gòu)造帶（見圖1［3］）.

天井山構(gòu)造帶東邊區(qū)域跨入廣元市境內(nèi)羅妙真（屬劍閣縣），東南起于江油市厚壩—廣元鹽店一線，西北達江油市沉永—雁門一線內(nèi)；構(gòu)造帶內(nèi)主要正向構(gòu)造為天井山背斜，其次為茍家埡倒轉(zhuǎn)背斜和水跟頭倒轉(zhuǎn)背斜等.研究區(qū)內(nèi)斷裂眾多，主要區(qū)域性大斷裂為雁門壩斷裂和馬角壩斷裂（也稱彭—灌斷裂），出露地層為寒武系、志留系、泥盆系、二疊系、三疊系和侏羅系地層，缺失奧陶系和石炭系地層.由于受到多期構(gòu)造運動的強烈影響，構(gòu)造復(fù)雜，推覆巖片（體）及斷層十分發(fā)育，地層褶皺變形強烈，地層傾角陡且產(chǎn)狀多變［9-11］（見圖2）.

2 構(gòu)造樣式

構(gòu)造樣式是指同一期構(gòu)造變形或同一應(yīng)力作用下產(chǎn)生的構(gòu)造總和，能夠揭示地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育的規(guī)律［12］.天井山構(gòu)造帶自震旦紀到新生代主要經(jīng)歷拉張與擠壓動力學(xué)背景的構(gòu)造運動共同作用后，形成豐富的構(gòu)造樣式，廣泛發(fā)育重力滑動構(gòu)造、斷層轉(zhuǎn)折褶皺、倒轉(zhuǎn)背斜和雙重構(gòu)造等構(gòu)造樣式.

2.1 重力滑動構(gòu)造

重力滑動構(gòu)造是指巖層在重力作用的控制和影響下向下坡滑動形成的構(gòu)造變動.前緣擠壓形成沖斷性質(zhì)和發(fā)育次級分支沖斷斷裂，巖塊擠壓變形強烈；后緣拉張形成張性正斷裂或張裂隙，中部形成堆疊揉皺［13］.在印支期重力作用下，天井山構(gòu)造帶前緣形成沖斷性質(zhì)斷裂，巖塊受擠壓強烈變形（見圖3）.

2.2 雙重構(gòu)造

雙重構(gòu)造是天井山構(gòu)造帶中最典型的構(gòu)造組合樣式，由頂板逆沖斷層和底板逆沖斷層及夾于其中的一套疊瓦式逆沖斷層和斷塊組合而成，表現(xiàn)為正向沖斷構(gòu)造［14］.在天井山背斜地腹，主要出現(xiàn)在沖斷帶前緣下的三疊系及其下伏地層中（見圖4）.

2.3 倒轉(zhuǎn)背斜

倒轉(zhuǎn)背斜是指在地殼運動的擠壓作用下，巖層發(fā)生變形向上拱起而形成褶皺，褶皺兩翼傾向基本一致，且褶皺一翼為新地層覆蓋在老地層之上；另一翼地層反生倒轉(zhuǎn)，由老地層覆蓋在新地層之上［14］.

在天井山構(gòu)造帶地表發(fā)現(xiàn)倒轉(zhuǎn)背斜，核部出露地層為寒武系，照片的左翼產(chǎn)狀為315°∠40°，右翼產(chǎn)狀為292°∠87°（見圖5）.

2.4 斷層轉(zhuǎn)折褶皺

斷層轉(zhuǎn)折褶皺前翼巖層的傾角大于后翼巖層的，表現(xiàn)為前翼較陡，后翼平緩；褶皺前翼的長度比后翼的短，表現(xiàn)為前翼短、后翼長（斷層的部分位移量消耗在褶皺變形中），因此可以用褶皺兩翼巖層的長度和傾斜度判斷褶皺下方逆沖斷層的運動方向［15］.在二郎廟附近沙溪廟組地層中見到一小型斷層轉(zhuǎn)折褶皺，斷層面產(chǎn)狀為180°∠46°，前翼產(chǎn)狀為325°∠35°，后翼產(chǎn)狀為192°∠14°（見圖6）.

3 構(gòu)造變形樣式

根據(jù)天井山構(gòu)造帶二維地震測線和鉆井成果，結(jié)合研究區(qū)野外調(diào)查，認為天井山構(gòu)造帶具有垂向分層的構(gòu)造變形特征，深淺層構(gòu)造變形樣式有明顯差異.

02tjs05測線位于地面天井山構(gòu)造南部EF剖面（見圖2）.該剖面主要處在山前沖斷構(gòu)造帶內(nèi)，位于天井山構(gòu)造西北翼，西北、東南兩端分別延伸至山前推覆構(gòu)造帶和前陸盆地內(nèi).地層主要為倒轉(zhuǎn)的三疊系至泥盆系地層組成，斷層和地層傾向北東，斷層上陡下緩.淺部發(fā)育3條主斷裂，分別向上產(chǎn)生多個分支，形成帚狀構(gòu)造.斷層向下在寒武系地層中滑脫；向上出露地表或消失于須家河組及印支晚期不整合面以下.深部發(fā)育4條北西傾向的疊瓦狀逆沖斷層，斷層呈前展式發(fā)育，斷層發(fā)育時伴隨產(chǎn)生3條反向調(diào)節(jié)斷層，形成沖起構(gòu)造.反向調(diào)節(jié)斷層切割前期斷裂或受前期斷層限制.4條北西傾向斷層向上消失于下三疊統(tǒng)地層，向下匯聚于寒武系地層中的底板斷層（見圖7）.

02tjs10測線位于地面天井山構(gòu)造中部CD剖面（見圖2），在1720CDP點附近有1口預(yù)探井，即天井1井.該井位于天井山背斜桉子山構(gòu)造高點，在馬角壩斷裂帶與天井山主高點之間.該剖面主要處在山前沖斷構(gòu)造帶內(nèi)，西北、東南兩端分別延伸至山前推覆構(gòu)造帶和前陸盆地內(nèi).地層由三疊系至泥盆系地層組成，地層倒轉(zhuǎn)，發(fā)育多條斷層，斷層和地層傾向北西，斷層上陡下緩，最終與馬角壩斷裂合并.淺部發(fā)育多條斷裂，斷面在后期擠壓過程中發(fā)生彎曲，淺層主要為斷層轉(zhuǎn)折褶皺.深部主要發(fā)育3條臺階狀斷層及其產(chǎn)生的沖起構(gòu)造.斷層向上消失于下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組上部紫紅色砂泥巖層，向下匯聚于寒武系地層—震旦系底板斷層（見圖8）.

02tjs14測線位于地面天井山構(gòu)造北部AB剖面 （見圖2）.該測線淺層推覆構(gòu)造單元與02tjs10測線相似；淺部發(fā)育帚狀構(gòu)造，主要為斷層轉(zhuǎn)折褶皺.深部西側(cè)由2條北西傾向的疊瓦狀逆沖斷層組成雙重構(gòu)造，東側(cè)為1條北西傾向的逆沖斷層及其伴生的2條反向調(diào)節(jié)斷層組成的沖起構(gòu)造斷層（見圖9）.

天井山構(gòu)造帶各構(gòu)造單元不僅具有不同的變形特征，而且變形強度也明顯不同，淺部構(gòu)造主要為斷層轉(zhuǎn)折褶皺，02tjs10測線附近變形強度最大，向兩端逐步減弱，深部為多個逆沖巖片疊置所構(gòu)成的雙重構(gòu)造［16-18］.

4 物理模擬

構(gòu)造物理模擬主要是研究隨應(yīng)變量增加模型的變形特征和演化過程，是重現(xiàn)構(gòu)造變形過程、研究構(gòu)造變形等問題的有效方法之一［19］.根據(jù)天井山構(gòu)造帶的構(gòu)造變形特征，對于含有多套滑脫層的構(gòu)造變形，物理模擬實驗是最主要的研究手段［20-25］.為了探索影響構(gòu)造變形的應(yīng)力條件和物質(zhì)因素，在厚度不變的條件下，選擇tjs10測線解釋方案（見圖10），設(shè)計4組實驗，分別考慮基底坡度和滑脫層性質(zhì)等條件.實驗?zāi)Ｐ蛿?shù)據(jù)見表1.由表1可見，以第4組物理模擬實驗結(jié)果與實際變形最為相近.

4.1 實驗設(shè)置及結(jié)果

天井山構(gòu)造帶構(gòu)造物理實驗?zāi)Ｐ烷L度為160cm，高度為150cm，寬度為20cm，兩側(cè)為有機玻璃，一端由馬達驅(qū)進的活動擋板.實驗選擇硅膠和玻璃珠模擬膏巖層，選擇石英砂模擬脆性地層，硅膠密度為926kg／m3，黏滯系數(shù)為1.2×104Pa·s，石英砂密度為1 297kg／m3，玻璃珠直徑為0.2～0.3mm.

4.1.1 實驗?zāi)Ｐ?

先鋪設(shè)一層厚為5mm的石英砂作為水平基底.在基底上面鋪設(shè)一套長度為400mm，厚度為5mm的滑脫層，以硅膠作為該套滑脫層的材料，代表志留系滑脫層；然后在玻璃珠上面依次鋪設(shè)石英砂、玻璃珠、石英砂，厚度分別為為5mm、5mm、6mm，分別代表D-P、T1f、T2-J2地層，總長度為400mm，總縮短量為135mm，壓縮率約為33%，符合原始剖面壓縮量（實驗?zāi)Ｐ蛿?shù)據(jù)見表1）.實驗時馬達由左向右推進，速度為0.025mm／s，照片的時間間隔為8s.

表1 實驗?zāi)Ｐ蛿?shù)據(jù)

開始擠壓后，當(dāng)伸縮量達到70mm時，開始出現(xiàn)傾角約為30°的后沖斷層，隨后出現(xiàn)1條傾角約為40°的前沖斷層，2條斷層組成不對稱背斜；當(dāng)伸縮量達到80mm時，在不對稱背斜的前緣出現(xiàn)傾角平緩的4號斷層，在變形的過程中發(fā)育調(diào)節(jié)性3號斷層，2條斷層組成一個平頂背斜；繼續(xù)擠壓，當(dāng)伸縮量達到100 mm時，出現(xiàn)5號斷層；當(dāng)伸縮量達到130mm時，出現(xiàn)倒轉(zhuǎn)背斜和6號斷層.

4.1.2 實驗?zāi)Ｐ?

實驗?zāi)Ｐ?以實驗?zāi)Ｐ?為基礎(chǔ)，對2套滑脫層厚度和鋪設(shè)范圍進行調(diào)整：先鋪設(shè)一層左側(cè)高為25 mm，右側(cè)高為5mm的石英砂基底，該基底的坡度大約為3°.在基底上面鋪設(shè)一套長度為370mm，厚度為5mm的滑脫層，以玻璃珠作為該套滑脫層的材料，代表志留系滑脫層；然后在玻璃珠上面依次鋪設(shè)石英砂、玻璃珠、石英砂，厚度分別為為5mm、5mm、6mm，分別代表D-P、T1f、T2-J2地層，總長度為370 mm，總縮短量為130mm，壓縮率約為34%，符合原始剖面壓縮量（實驗?zāi)Ｐ蛿?shù)據(jù)見表1）.實驗時馬達由左向右推進，速度為0.025mm／s，照片的時間間隔為8s.

開始擠壓后，伸縮量達到30mm時，出現(xiàn)斷層，組合表現(xiàn)為背沖式構(gòu)造；當(dāng)伸縮量達到70mm時，斷層進一步發(fā)育，在2號斷層旁發(fā)育3號斷層；當(dāng)伸縮量達到90mm時，出現(xiàn)4號斷層；當(dāng)伸縮量達到130 mm時，斷層更加發(fā)育，在4號斷層處發(fā)育有小型調(diào)節(jié)性斷層.前緣產(chǎn)生前展式逆沖構(gòu)造，斷層呈平行狀組合.模型2斷層的發(fā)育過程與模型1類似.隨擠壓量的增大，玻璃珠上覆砂層中逆斷層的數(shù)量逐漸增加，當(dāng)縮短量達到130mm時，在硅膠上覆砂層總共發(fā)育3條逆沖斷層.

對比實驗2與實驗1模型結(jié)果，其共同點是：模型總體保持楔體形態(tài)，靠近推進擋板厚，向推進方向逐漸減薄.玻璃珠以上變形則以推覆構(gòu)造為主.由于模型參數(shù)調(diào)整，實驗2與實驗1模型的結(jié)果也有不同：第一、基底二的形狀為3°斜坡，基底形態(tài)對剖面形態(tài)有一定的控制作用；第二、玻璃珠以上為砂層，變形的剖面形態(tài)發(fā)育比較均一，表現(xiàn)為3條產(chǎn)狀相似的推覆構(gòu)造.

4.1.3 實驗?zāi)Ｐ?

實驗?zāi)Ｐ?：先鋪設(shè)一層左側(cè)高為42mm，右側(cè)高為5mm的石英砂作為基底，該基底的坡度大約為3°.在基底上面鋪設(shè)一套長度為800mm，厚度為5mm的滑脫層，以硅膠作為該套滑脫層的材料，代表志留系滑脫層；然后在硅膠上面依次鋪設(shè)石英砂、玻璃珠、石英砂，厚度分別為為10mm、5mm、12mm，分別代表D-P、T1f、T2-J2地層，總長度為800mm，總縮短量為350mm（實驗數(shù)據(jù)見表1）.實驗時馬達由左向右推進，速度為0.025mm／s，照片的時間間隔為5s.

當(dāng)縮短量達到50mm時，靠近受力端首先出現(xiàn)背沖構(gòu)造，隨后斷層前展式發(fā)育，形成斷層3；當(dāng)伸縮量達到100mm時，斷層進一步發(fā)育，出現(xiàn)4號和5號斷層，組合表現(xiàn)為背沖構(gòu)造；當(dāng)伸縮量達到160mm時，出現(xiàn)6號斷層；當(dāng)伸縮量達到200mm時，斷層更加發(fā)育，在6號斷層旁發(fā)育有調(diào)節(jié)性斷層（7號斷層）；當(dāng)伸縮量達到350mm時，出現(xiàn)一系列背沖構(gòu)造.在早期水平擠壓過程中，上部沙層主要發(fā)生褶皺變形，并且在褶皺變形過程中形成次級的調(diào)節(jié)逆沖斷層；下部沙層沿底部軟弱層發(fā)生一定的滑脫形成沖起構(gòu)造；硅膠層在上部沙層滑脫背斜核部聚集增厚.在后期水平擠壓過程中，上部沙層滑脫背斜的波長、波幅增大，隨著背斜逐漸緊閉，沙層發(fā)生滑塌，并在其前翼發(fā)育沖斷層；硅膠層隨上、下沙層發(fā)生被動變形，在背斜核部脫頂部位和下部沙層逆沖斷層下盤增厚.

一眼看下去，很明顯，南邊的十幾歲那個團隊的少年們，一個個都凝神靜氣、呼吸自然。同時一個個都做到了‘深、平、穩(wěn)’。很顯然在‘蘊氣式’上都有了一些成就。

在模型砂層之間夾的硅膠層主要起滑脫層作用，使模型分層收縮變形.在物理模擬實驗中，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展和上部沙層變形的滑脫層作用，將砂層分為2個變形層，并且上下變形層之間的滑脫導(dǎo)致硅膠層局部加厚：第一、下砂層形成沖斷褶皺的倒轉(zhuǎn)翼部位，軟弱層有加厚的趨勢；第二、硅膠層下砂層的收縮變形相對集中，硅膠層上砂層的變形相對分散，說明軟弱的硅膠層有順層滑動位移.

4.1.4 實驗?zāi)Ｐ?

實驗?zāi)Ｐ?基底同樣為一楔形，基底的材料為石英砂，左側(cè)高為25mm，右側(cè)高為5mm，坡度大約為3°.在基底上面鋪設(shè)一套長度為400mm，厚度為5mm的滑脫層，以硅膠作為該套滑脫層的材料，代表志留系滑脫層；然后在硅膠上面依次鋪設(shè)石英砂、玻璃珠、石英砂，厚度分別為為5mm、5mm、6mm，分別代表D-P、T1f、T2-J2地層，總長度為400mm，總縮短量為130mm（實驗?zāi)Ｐ蛿?shù)據(jù)見表1）.實驗時馬達由左向右推進，速度為0.025mm／s，照片的時間間隔為8s.

開始擠壓后，伸縮量達到70mm時，開始出現(xiàn)斷層，組合表現(xiàn)為背沖構(gòu)造，發(fā)育反向斷層，并且反向斷層為主斷層；當(dāng)伸縮量達到120mm時，斷層進一步發(fā)育，出現(xiàn)3號、4號和5號斷層，組合表現(xiàn)為背沖構(gòu)造；當(dāng)伸縮量達到130mm時，出現(xiàn)6號斷層及倒轉(zhuǎn)背斜.實驗4模型主要特點：第一、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)的前端變形為一箱狀背斜，開始發(fā)育時間較早，發(fā)育距離遠；第二、靠近擠壓端的強烈變形帶發(fā)育一倒轉(zhuǎn)褶皺；第三、硅膠主要有2個聚集區(qū)，分別對應(yīng)變形的前端和變形后端的前部，上覆沉積負載的硅膠流向兩邊的聚集區(qū).

4.2 結(jié)果討論

（1）4組實驗代表多套滑脫層的擠壓應(yīng)力條件下的變形，整體上變形樣式一致，發(fā)育疊瓦式逆沖構(gòu)造和沖起構(gòu)造.

（2）實驗4模型與實際剖面相似程度較高，變形序列為后緣褶皺變形—前緣褶皺—回跳至中間變形.與天井山構(gòu)造帶的構(gòu)造發(fā)育過程和構(gòu)造變形形態(tài)比較一致，形成前端的平頂背斜構(gòu)造后，在擠壓應(yīng)力和左端重力滑覆的共同作用下，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，發(fā)育一系列高角度逆斷層，也生成天井山背斜、茍家埡倒轉(zhuǎn)背斜和水跟頭倒轉(zhuǎn)背斜等重力滑動構(gòu)造.

5 結(jié)論

（1）天井山構(gòu)造帶廣泛發(fā)育重力滑動構(gòu)造、斷層轉(zhuǎn)折褶皺、倒轉(zhuǎn)背斜、雙重構(gòu)造、沖起構(gòu)造和疊瓦式構(gòu)造等構(gòu)造樣式.

（2）天井山構(gòu)造帶變形具有垂向分層的特點.上部構(gòu)造主要為一個斷層轉(zhuǎn)折褶皺，02tjs10測線附近變形強度最大，向兩端逐步減弱；下部構(gòu)造為多個逆沖巖片疊置所構(gòu)成的雙重構(gòu)造.

（3）滑脫層的黏度和基底的形態(tài)對褶皺—沖斷帶的構(gòu)造變形有顯著影響，多套滑脫層的存在是導(dǎo)致天井山構(gòu)造帶眾多倒轉(zhuǎn)背斜發(fā)育的重要原因.

致謝：成都理工大學(xué)杭文艷高級工程師對作者給予指導(dǎo)和幫助！

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