多期疊加構(gòu)造變形與頁(yè)巖氣保存條件的相關(guān)性—以川東南焦石壩地區(qū)為例

孫 博，鄧 賓，劉樹(shù)根，姜 磊，黃 瑞，賴(lài) 冬，何 宇

（油氣藏地質(zhì)及開(kāi)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）

四川盆地及其周緣海相、海陸過(guò)渡相富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖經(jīng)歷了加里東、印支、燕山和喜馬拉雅等多期多階段強(qiáng)改造強(qiáng)變形作用，強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)會(huì)引起地層隆升剝蝕、褶皺變形和斷裂切割，造成地表水下滲以及地層壓力系統(tǒng)破壞，最終導(dǎo)致泥頁(yè)巖封閉保存條件變差。因此，國(guó)內(nèi)學(xué)者普遍認(rèn)為后期改造作用是頁(yè)巖氣散失的根本原因，并且主要通過(guò)抬升剝蝕和斷裂作用改變油氣保存條件。通常，構(gòu)造變形改造作用弱的地區(qū)頁(yè)巖氣保存條件較好，而構(gòu)造變形改造強(qiáng)的地區(qū)頁(yè)巖氣保存條件較差［1－4］。本文設(shè)計(jì)并完成了2組均勻和非均勻物質(zhì)疊加構(gòu)造模型模擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)非均勻物質(zhì)砂箱多期疊加模型與焦石壩構(gòu)造具有較強(qiáng)的相似性，在此基礎(chǔ)上探討了多期疊加構(gòu)造變形與頁(yè)巖氣保存條件的相關(guān)性，以期為四川盆地乃至全國(guó)頁(yè)巖氣的勘探選區(qū)提供參考。

1 砂箱構(gòu)造格架及邊界條件設(shè)計(jì)

四川盆地東南緣位于特提斯-喜馬拉雅構(gòu)造域和濱太平洋構(gòu)造域的交接轉(zhuǎn)換部位，夾持于北西西向秦嶺造山帶和北東向雪峰陸內(nèi)造山帶之間，分別發(fā)育北東東向大婁山和北東向齊岳山構(gòu)造帶［5］。受控于盆地蓋層多層次滑脫和雪峰造山帶北西向擴(kuò)展變形過(guò)程，雪峰－四川盆地可以依次劃分為雪峰基底隆升構(gòu)造帶、鄂渝湘穹隆群構(gòu)造帶、隔槽式構(gòu)造帶、鄂渝過(guò)渡構(gòu)造和川東南隔擋式構(gòu)造帶（圖1），它們分別以慈利-保靖斷層、來(lái)鳳-石阡斷層、恩施-彭水?dāng)鄬雍妄R岳山斷層為界。自震旦紀(jì)以來(lái)，本地區(qū)經(jīng)歷了多期次構(gòu)造變形作用，先后有澄江運(yùn)動(dòng)、加里東運(yùn)動(dòng)、海西運(yùn)動(dòng)、印支-燕山構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致大量地層抬升剝蝕及其與多個(gè)不整合面相關(guān)的隆拗構(gòu)造格架，如中上志留統(tǒng)、石炭系等。受主干斷裂和中－新生代多期構(gòu)造變形作用控制，形成北東向、近南北向和北東東向展布的多期疊加構(gòu)造變形，整體上展現(xiàn)出向北西突出的弧形構(gòu)造格架［6－8］。

圖1 川東南區(qū)域地質(zhì)圖Fig.1 Regional geological map of southeastern Sichuan Basin

研究區(qū)前寒武系基底主要出露于雪峰陸內(nèi)造山帶西側(cè)，為新元古代淺變質(zhì)紫紅色－灰綠色等雜砂巖、板巖和少量千枚巖等組成的板溪群。震旦系－中三疊統(tǒng)主要由碳酸鹽臺(tái)地和淺水－深水陸棚沉積碳酸鹽巖和碎屑巖組成，上三疊統(tǒng)－上白堊統(tǒng)為陸相碎屑巖建造。震旦系下部為陸相冰川碎屑巖，上部為淺海碳酸鹽巖，以典型灰白色白云巖為主，較堅(jiān)硬；寒武系下部為泥質(zhì)巖，中上部碳酸鹽類(lèi)巖石中富含以膏鹽層系為典型的較軟的塑性滑脫層系；中下志留統(tǒng)以海相黑色炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖和粉砂巖為主，與其上覆石炭－二疊系、下伏奧陶系的碳酸鹽巖層系形成明顯的軟硬性對(duì)比。中上揚(yáng)子地區(qū)中下三疊統(tǒng)存在明顯的同時(shí)異相沉積建造特征，即渝東－鄂西地區(qū)為典型的紅色碎屑巖沉積，以紫紅色砂巖、粉砂巖為主夾部分泥巖（即巴東組）；而四川盆地則主要為碳酸鹽巖臺(tái)地相沉積，以白云巖、灰?guī)r夾膏鹽層系為主（即雷口坡組），此套膏巖為盆地內(nèi)區(qū)域蓋層和重要的滑脫層系［9－11］。中上揚(yáng)子地區(qū)上三疊統(tǒng)－上白堊統(tǒng)陸相碎屑巖建造具有區(qū)域可對(duì)比性，沉積建造和巖性特征總體相似，具有一致的軟硬性特點(diǎn)。

因此，結(jié)合中上揚(yáng)子地區(qū)雪峰陸內(nèi)造山帶－川東南地區(qū)典型2期重要疊加構(gòu)造（以北東向和南北向?yàn)橹鳎?，盆地基底脆性－半塑性滑脫層、中上寒武統(tǒng)塑性滑脫層和下志留統(tǒng)脆性－半塑性滑脫層等構(gòu)造格架構(gòu)建砂箱進(jìn)行物理模擬，以再現(xiàn)川東南地區(qū)構(gòu)造演化及其差異變形作用過(guò)程。典型疊加構(gòu)造我們可以通過(guò)砂箱模型兩側(cè)不同活動(dòng)擋板以穩(wěn)定速率擠壓（0.003 mm／s）來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于多期構(gòu)造變形過(guò)程和滑脫層效應(yīng)等會(huì)導(dǎo)致區(qū)域構(gòu)造疊加形跡發(fā)生一定變化，我們將通過(guò)多組不同方向疊加擠壓實(shí)現(xiàn)構(gòu)造模型。多向疊加角度可以以15°為間隔，來(lái)實(shí)現(xiàn)15°～90°區(qū)間內(nèi)疊加效應(yīng)；但是鑒于盆地邊緣主要疊加夾角為30°～60°，因此我們?cè)O(shè)計(jì)3組實(shí)驗(yàn)分別實(shí)現(xiàn)四川盆地東南緣－雪峰地區(qū)多期疊加構(gòu)造模型進(jìn)行模擬（圖2）。同時(shí)，由于現(xiàn)今焦石壩頁(yè)巖氣田典型疊加構(gòu)造夾角為30°～45°，為便于差異構(gòu)造變形強(qiáng)度與頁(yè)巖氣含氣性等油氣特性的對(duì)比研究，我們將采用30°和45°疊加構(gòu)造模型進(jìn)行盆地東南焦石壩地區(qū)構(gòu)造砂箱物理模型的模擬。限于篇幅，本文只列舉30°疊加構(gòu)造模型。

石英砂與地殼淺表堅(jiān)硬地層具有明顯一致的物質(zhì)屬性（如：內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力等），因此石英砂被廣泛地應(yīng)用于構(gòu)造砂箱物理模型模擬研究；與此相似的是，玻璃珠和硅膠被用于砂箱物理模型中模擬軟弱巖層。因此，川東南地區(qū)非均質(zhì)性物質(zhì)構(gòu)造砂箱模型中，我們使用硅膠代表中上寒武統(tǒng)膏鹽滑脫層系，玻璃珠代表基底板溪群和下志留統(tǒng)軟弱層系，其余相對(duì)堅(jiān)硬地層用石英砂代替。遵照砂箱模型與實(shí)際地質(zhì)模型的幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)相似性原理，我們使用1 cm∶2 km的幾何學(xué)比例模型，根據(jù)川東南－雪峰地區(qū)各地層平均厚度按比例計(jì)算出不同巖層的布沙厚度，其中底部低摩擦性基底用2 mm玻璃珠替代，中部低摩擦性基底下志留統(tǒng)用3 mm玻璃珠替代，中上寒武統(tǒng)塑性滑脫層用1～2 mm硅膠替代，其余地層用石英砂替代，砂箱物質(zhì)總厚度為40 mm代表區(qū)域8～10 km地層沉積建造格架，其中以1 mm彩色石英砂為標(biāo)志層進(jìn)行構(gòu)造模型對(duì)比研究（圖3）。為便于進(jìn)行不同物質(zhì)屬性對(duì)比，我們采用均質(zhì)物質(zhì)砂箱模型和非均質(zhì)物質(zhì)砂箱模型進(jìn)行對(duì)比模擬研究，但仍然保留均質(zhì)物質(zhì)砂箱模型底部2 mm的低摩擦性玻璃珠構(gòu)造層代表沉積蓋層與前寒武紀(jì)變質(zhì)基底間的構(gòu)造滑脫作用［12－13］。

2 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 均質(zhì)砂箱物理模型

圖2 川東南焦石壩地區(qū)疊加構(gòu)造砂箱模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of sand box model for superimposed structures in the Jiaoshiba area of Sichuan Basin

圖3 川東南焦石壩地區(qū)疊加構(gòu)造物理模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of physical model for superimposed structures in the Jiaoshiba area

此次砂箱構(gòu)造物理模型疊加構(gòu)造擠壓分為2個(gè)階段，早期左側(cè)活動(dòng)擋板推動(dòng)砂箱物質(zhì)均勻擠壓構(gòu)造變形，縮短量（Δs）為150～180 mm，縮短率為25%～30%；后期疊加構(gòu)造擠壓為右側(cè)活動(dòng)擋板與早期軸線近30°疊加擠壓，擠壓速率一致，縮短量90～100 mm，縮短率為20%～25%：早期縮短量略大于后期縮短量，但總體縮短率約等于現(xiàn)今川東-雪峰構(gòu)造帶縮短量。

圖4 α＝30°均質(zhì)物質(zhì)疊加構(gòu)造物理模型演化示意圖Fig.4 The schematic diagram showing the evolution of the physical model of superimposed structures with homogeneous material withα＝30°

均勻石英砂砂箱構(gòu)造疊加模型2期疊加結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。第一期擠壓可以大致分為2個(gè)階段：早期楔形體快速生長(zhǎng)階段、后期楔形體自相似性生長(zhǎng)階段。楔形體快速生長(zhǎng)階段伴隨活動(dòng)擋板勻速擠壓，大約10 mm縮短量時(shí)在活動(dòng)擋板前緣形成斷層相關(guān)褶皺和沖起構(gòu)造組成的擠壓增生楔形體，伴隨擠壓縮短楔形體的高度和長(zhǎng)度快速增加，隨后形成第一條上沖斷層的次級(jí)沖斷層。約85 mm擠壓縮短量時(shí)，楔形體前緣形成第二條前陸向擴(kuò)展變形上沖斷層，伴隨擠壓縮短，斷層間距離逐漸減小，楔形體的高度和長(zhǎng)度增加速率較早期要大，為自相似性生長(zhǎng)過(guò)程。至185 mm擠壓縮短量時(shí)，擠壓增生楔形體形成3條前陸向擴(kuò)展上沖斷層，第一期擠壓構(gòu)造變形停止。

第二期疊加擠壓后砂箱物質(zhì)變形與第一期擠壓變形大致相似，出現(xiàn)前陸向沖斷構(gòu)造及其相伴擴(kuò)展變形，但擴(kuò)展變形過(guò)程明顯受到早期沖斷構(gòu)造的控制和影響。大約10 mm擠壓縮短量時(shí)，活動(dòng)擋板前緣形成斷層相關(guān)褶皺和沖起構(gòu)造組成的擠壓增生楔形體，沖斷層與第一期擠壓楔形體前緣斷層相交，淺表疊加現(xiàn)象不明顯，僅斷層部分走向彎曲。伴隨擠壓至25 mm縮短量時(shí)，受早期構(gòu)造影響，在第一條上沖斷層前緣形成單一較小的沖斷層及其相關(guān)沖起構(gòu)造，與早期斷層和第一期擠壓斷層形成明顯的疊置現(xiàn)象。當(dāng)擠壓縮短量為30 mm時(shí)，形成第二條前陸向沖斷層。由于受第一期沖斷構(gòu)造影響，在相交區(qū)域?qū)е聰鄬幼呦驈澢鏁r(shí)針?lè)较蚣s20°），且伴隨擠壓加劇，彎曲斷層段活動(dòng)僅局限于第一期構(gòu)造楔形體前緣第二條和第三條斷層間。與之相似的是，在擠壓縮短量為60 mm時(shí)形成第三條上沖斷層，且上沖斷層（受控于第一期沖斷構(gòu)造斷層控制）具有明顯的走向彎曲、分段性。伴隨上沖斷層活動(dòng)，其前陸向擴(kuò)展變形區(qū)域明顯具分帶性，即不同斷層帶沖斷活動(dòng)僅局限于第一期沖斷層間，斷層走向（側(cè)向）遷移性較小。至擠壓縮短量為90 mm時(shí)，形成第四條前陸向擴(kuò)展斷層與早期分段性斷層活動(dòng)特征相似?？傮w而言，第二期沖斷變形過(guò)程明顯受控于第一期楔形體沖斷構(gòu)造變形，第二期沖斷層具有明顯側(cè)向彎曲、分段性，不同段斷層前陸向擴(kuò)展活動(dòng)區(qū)域局限于第一期沖斷層間隔區(qū)域，形成空間上的側(cè)向疊置斷層，而明顯區(qū)別于未疊加區(qū)域斷層展布特征，尤其是疊加構(gòu)造區(qū)域前陸向擴(kuò)展沖斷層間距離明顯大于未疊加區(qū)域。

2.2 非均質(zhì)砂箱物理模型

含硅膠層和玻璃珠層的非均勻石英砂砂箱構(gòu)造疊加模型2期疊加結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。第一期擠壓可以大致分為2個(gè)階段：早期楔形體快速生長(zhǎng)階段、后期楔形體自相似性生長(zhǎng)階段，但明顯較均勻石英砂砂箱構(gòu)造疊加模型斷層系統(tǒng)要復(fù)雜。隨著活動(dòng)擋板勻速擠壓楔形體快速生長(zhǎng)，大約17 mm擠壓縮短量時(shí)在活動(dòng)擋板前緣形成斷層相關(guān)褶皺和沖起構(gòu)造，伴隨擠壓縮短，楔形體的高度和長(zhǎng)度快速增加，形成多條前陸向擴(kuò)展沖斷層，且沖斷層間距離逐漸縮小，如98 mm縮短量處。進(jìn)一步擠壓縮短，前陸向沖斷層進(jìn)一步形成，但沖斷層走向連續(xù)性受兩側(cè)固定擋板或者砂箱非均質(zhì)物質(zhì)屬性等影響發(fā)生明顯彎曲，形成弧形構(gòu)造。至150 mm擠壓縮短量時(shí)，楔形體前緣斷層發(fā)生明顯彎曲“焊接”交匯，最終擠壓縮短停止，完成第一階段勻速擠壓變形。

第二期勻速疊加擠壓變形過(guò)程中，逐漸形成多條前展式?jīng)_斷層，在縮短量約為60 mm時(shí)，第二條前陸向沖斷層受第一期楔形體前緣沖斷層影響形成明顯分段式前緣斷層。伴隨擠壓縮短量增加，分段式前緣斷層逐漸沿其走向遷移合并，最終在約85 mm縮短量時(shí)，側(cè)向“焊接”交匯形成平面上“階梯狀”分段式前緣沖斷層。其前緣斷層走向逆時(shí)針彎曲約35°，可能形成具有側(cè)向斷坡性質(zhì)的前緣主沖斷層。同時(shí)，前緣主斷層形成的第二條次級(jí)斷層也逐漸展示出與第一條主斷層相似的走向遷移性。

為揭示多期疊加構(gòu)造砂箱模型內(nèi)部的構(gòu)造特征，我們?cè)谥饕B加區(qū)域內(nèi)（尤其是粒子速度檢測(cè)PIV區(qū)域）間隔平均2～3 cm進(jìn)行切片，總共獲得19個(gè)砂箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖面，其中主要內(nèi)部結(jié)構(gòu)切片如圖6。切片3、5和7主要為獨(dú)立的2期構(gòu)造變形區(qū)域，2期擠壓構(gòu)造變形僅為局部區(qū)域疊加，切片5上2期構(gòu)造擠壓變形前緣沖起構(gòu)造具有明顯的相向／相對(duì)特征。切片10、11和13為弱疊加區(qū)域，PIV區(qū)域2期構(gòu)造形跡突出，且為主要前緣主沖斷層側(cè)向斷坡形成關(guān)鍵地區(qū)。切片10與切片7相似，體現(xiàn)為相背的2期前緣沖斷層結(jié)構(gòu)，但其不同前緣沖斷層前陸向沖斷不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)特征更加明顯，尤其是在切片11結(jié)構(gòu)剖面中第一期前緣沖斷結(jié)構(gòu)明顯受第二期前緣沖斷變形疊加改造，形成反向沖斷層結(jié)構(gòu)。切片13剖面橫切側(cè)向斷坡區(qū)域，第一期構(gòu)造變形前緣逐漸和第二期前陸向沖斷變形疊加形成統(tǒng)一構(gòu)造帶，2期沖起構(gòu)造逐漸“合并”、距離變小，逐漸至切片15剖面，該趨勢(shì)更加明顯。切片15—切片21為強(qiáng)疊加區(qū)域，第二期擠壓縮短沖斷層（藍(lán)色虛線）通常疊加置換第一期擠壓沖斷層（紅色虛線），切片16和切片17剖面中揭示第一期沖斷構(gòu)造前緣沖起構(gòu)造受第二期前陸向擴(kuò)展變形完全疊加置換，至切片21剖面，2期構(gòu)造完全疊加形成以第二期為主要構(gòu)造格架的翻卷構(gòu)造形態(tài)。

圖5 α＝30°非均質(zhì)物質(zhì)疊加構(gòu)造物理模型演化示意圖Fig.5 The schematic diagram showing the evolution of the physical model of superimposed structures with inhomogeneous material withα＝30°

因此，非均勻物質(zhì)砂箱模型多期疊加變形構(gòu)造地表結(jié)構(gòu)較均勻物質(zhì)模型簡(jiǎn)單，主要體現(xiàn)出受第一期前緣沖斷結(jié)構(gòu)影響形成第二期含有側(cè)向斷坡結(jié)構(gòu)的前緣沖斷層結(jié)構(gòu)樣式（圖7），而明顯區(qū)別于均勻砂箱模型的平面上第二期側(cè)向疊置的“弧形”楔形體前緣前展式?jīng)_斷結(jié)構(gòu)。兩者都體現(xiàn)出受第一期前緣沖斷層結(jié)構(gòu)影響控制的第二期前緣沖斷層具分段性，且都發(fā)生明顯的側(cè)向彎曲，但非均勻物質(zhì)模型結(jié)構(gòu)中側(cè)向彎曲旋轉(zhuǎn)角度較均勻物質(zhì)模型中彎曲旋轉(zhuǎn)角度大。尤其是在均勻物質(zhì)砂箱模型中，第二期前展式?jīng)_斷結(jié)構(gòu)側(cè)向遷移明顯受第一期控制，局限在早期結(jié)構(gòu)斷層間形成明顯的疊置結(jié)構(gòu)。相反，在非均勻物質(zhì)砂箱模型中，第二期前展式?jīng)_斷結(jié)構(gòu)明顯疊加置換第一期前緣沖斷結(jié)構(gòu)，從弱疊加區(qū)域的相背的前緣沖斷結(jié)構(gòu)、到?jīng)_斷構(gòu)造逐漸疊加“合并”，乃至強(qiáng)疊加區(qū)域的反向沖斷結(jié)構(gòu)和翻卷構(gòu)造，因此塑性滑脫層在應(yīng)力傳遞和疊加變形中至關(guān)重要。

3 差異構(gòu)造變形特征與頁(yè)巖氣保存條件相關(guān)性探討

圖6 非均勻物質(zhì)疊加構(gòu)造物理模型剖面圖Fig.6 Profile of the physical model of superimposed structure with inhomogeneous material

圖7 砂箱模型疊加變形結(jié)果對(duì)比圖Fig.7 Contrast of superposed deformation of sand box model（A）非均質(zhì)砂箱模型；（B）均質(zhì)砂箱模型

從勘探現(xiàn)狀看，焦石壩構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定區(qū)都取得了頁(yè)巖氣勘探突破，勘探成功率高，單井測(cè)試產(chǎn)量較高，一般大于5.0×104m3／d，頁(yè)巖氣層壓力系數(shù)普遍較高，為1.2～2.0；盆外褶皺區(qū)的構(gòu)造改造作用強(qiáng)，變形程度大，多口單井無(wú)測(cè)試產(chǎn)量，壓力系數(shù)為0.8～1.2；盆緣區(qū)經(jīng)過(guò)多口井的鉆探，發(fā)現(xiàn)齊岳山斷裂對(duì)頁(yè)巖氣的含氣性起著關(guān)鍵的作用［14］。其中丁山地區(qū)DY1井，平均含氣量為3.07 m3／t，地層壓力系數(shù)為1.08，水平井測(cè)試獲日產(chǎn)氣3.4×104m3的工業(yè)氣流。DY2井是針對(duì)深埋藏頁(yè)巖部署的探井，地層壓力系數(shù)為1.55，水平井測(cè)試獲日產(chǎn)氣10.5×104m3的工業(yè)氣流［15］。由于四川盆地及周緣五峰-龍馬溪組頁(yè)巖發(fā)育且具有較好的頂?shù)装鍡l件，因此后期構(gòu)造的改造作用是影響焦石壩地區(qū)頁(yè)巖氣保存條件的主要因素，通常構(gòu)造作用會(huì)導(dǎo)致地層隆升剝蝕或產(chǎn)生斷裂系統(tǒng)，從而造成頁(yè)巖氣的逸散，其直觀表現(xiàn)為含氣量、測(cè)試產(chǎn)量或地層壓力系數(shù)的減小，故而可以用這些系數(shù)來(lái)相對(duì)反映保存條件的好壞。

與川東南地區(qū)在幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)等方面具有相似性的非均質(zhì)砂箱多期疊加模型，揭示出其構(gòu)造變形過(guò)程中的差異性構(gòu)造特征，即從弱疊加區(qū)至強(qiáng)疊加區(qū)的第一期和第二期構(gòu)造變形疊加的改造作用。通過(guò)選擇砂箱模型典型疊加地區(qū)與川東南焦石壩頁(yè)巖氣田——焦石壩氣田結(jié)構(gòu)帶進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)它們之間具有較強(qiáng)的相似性（圖8）。焦石壩構(gòu)造具有明顯的2期構(gòu)造線理，構(gòu)造疊加現(xiàn)象明顯，大耳山斷層和烏江斷層近南北向展布結(jié)構(gòu)與北東向焦石壩背斜主體結(jié)構(gòu)相疊加，從大耳山斷裂帶向南西至烏江斷裂帶的疊加構(gòu)造具有明顯減弱的趨勢(shì)，且主力勘探層系頂面結(jié)構(gòu)圖和地表海拔高度也具有相似的地表起伏度降低趨勢(shì)［16－17］。因此，焦石壩構(gòu)造大致也可以劃分出強(qiáng)疊加變形區(qū)、中－強(qiáng)等變形區(qū)、弱疊加變形區(qū)和弱變形區(qū)，其中疊加變形區(qū)主要體現(xiàn)為2期疊加的不同構(gòu)造線理的“交匯”區(qū)域，變形區(qū)則主要為第一期北東向構(gòu)造區(qū)。

非均勻物質(zhì)砂箱模型多期疊加模型根據(jù)疊加構(gòu)造變形強(qiáng)度也可以依次劃分出：強(qiáng)疊加變形區(qū)、弱疊加變形區(qū)和弱變形區(qū)。弱疊加變形區(qū)為第二期擠壓構(gòu)造變形的楔形體前緣前展式?jīng)_斷結(jié)構(gòu)；強(qiáng)疊加變形區(qū)第二期擠壓構(gòu)造變形已經(jīng)完全疊加置換第一期構(gòu)造變形結(jié)構(gòu)；弱變形區(qū)則主要為第一期構(gòu)造變形與第二期構(gòu)造變形作用過(guò)程相互交匯變形區(qū)域，體現(xiàn)出2期結(jié)構(gòu)逐漸疊加“合并”（圖6），即部分地區(qū)體現(xiàn)出第一期構(gòu)造格架為主體，部分地區(qū)體現(xiàn)出第二期構(gòu)造格架為主體，這與現(xiàn)今焦石壩結(jié)構(gòu)帶具有一致性。

為進(jìn)一步揭示疊加構(gòu)造變形強(qiáng)弱程度，我們通過(guò)高速粒子瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置（PIV）提取石英砂粒水平運(yùn)動(dòng)速率／加速度、垂直運(yùn)動(dòng)速率／加速度、運(yùn)動(dòng)學(xué)渦度等信息，從而揭示構(gòu)造變形過(guò)程中石英砂粒運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)速率等量化信息及其相關(guān)三維空間信息。伴隨活動(dòng)擋板均勻擠壓，石英砂也發(fā)生水平和垂向擠壓變形等相關(guān)運(yùn)動(dòng)變形，PIV監(jiān)測(cè)顯示石英砂水平運(yùn)動(dòng)速率具有明顯的前陸向逐漸減小的特征（圖8），其明顯的突變性（綠色－藍(lán)色）區(qū)域?qū)?yīng)斷層沖斷活動(dòng)發(fā)育區(qū)域，漸變型區(qū)域?yàn)樯跋湮镔|(zhì)漸變型構(gòu)造變形區(qū)域（典型向斜、背斜擠壓變形區(qū)）。PIV粒子水平運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)特征顯示出物質(zhì)水平運(yùn)動(dòng)及其相關(guān)變形特征，其水平運(yùn)動(dòng)速率對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，即水平運(yùn)動(dòng)加速度，與斷層活動(dòng)帶明顯對(duì)應(yīng)，表現(xiàn)出明顯較強(qiáng)的瞬時(shí)速度變化特征，揭示出沖斷楔形體前緣與內(nèi)部不同斷層帶強(qiáng)活動(dòng)特征。

砂箱構(gòu)造模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)與焦石壩構(gòu)造帶地震剖面結(jié)構(gòu)具有一定的相似性（圖9），橫向上都為受不同期斷裂分隔，與塑性滑脫層成因機(jī)制相關(guān)的箱狀結(jié)構(gòu)帶或沖起構(gòu)造格架；縱向上第一期主體構(gòu)造格架與后期主體構(gòu)造格架具有不同深度結(jié)構(gòu)面的相互疊置，形成2期構(gòu)造疊加“合并”區(qū)域（圖6）。需要指出的是，由于強(qiáng)疊加構(gòu)造區(qū)地層強(qiáng)烈變形難以獲得有效的地球物理資料，地震同相軸很難有效最終揭示其構(gòu)造形態(tài)。

非均勻物質(zhì)砂箱多期疊加模型與焦石壩頁(yè)巖氣田構(gòu)造具有較強(qiáng)相似性，共同揭示出其構(gòu)造變形過(guò)程中的差異性特征。差異性構(gòu)造變形特征與焦石壩氣田五峰-龍馬溪組產(chǎn)層含氣量可能具有一定的成因聯(lián)系，即強(qiáng)弱／或差異構(gòu)造變形會(huì)導(dǎo)致頁(yè)巖層系孔隙、裂縫系統(tǒng)不同程度發(fā)育，從而改變頁(yè)巖層系中頁(yè)巖氣吸附、游離特性，同時(shí)必然改變地層系統(tǒng)中流體活動(dòng)特性與（動(dòng)態(tài)）保存條件，最終體現(xiàn)為焦石壩頁(yè)巖氣田含氣量和無(wú)阻流量上的差異性（圖10）。焦石壩氣田弱變形帶具有明顯較高的試井無(wú)阻流量值（平均約為0.521×106m3／d）、頁(yè)巖層系含氣量（6～6.5 m3／t）；弱－中等強(qiáng)度變形區(qū)試井無(wú)阻流量值和頁(yè)巖層系含氣量相對(duì)較低，分別約為（0.2～0.4）×106m3／d和5.5～6.0 m3／t；弱疊加變形區(qū)無(wú)阻流量值和含氣量明顯更低，分別約為91×103m3／d和5～5.5 m3／t；而強(qiáng)構(gòu)造變形區(qū)未獲經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)能，如包鸞1井。為便于對(duì)比差異構(gòu)造變形特征，我們使用PIV監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中水平速率瞬時(shí)加速度和垂直速率瞬時(shí)加速度對(duì)比揭示石英砂變形速度場(chǎng)特征。砂箱構(gòu)造模型中擠壓楔形體前緣斷裂帶具有明顯的從最大加速度到最小加速度變化區(qū)域，其對(duì)應(yīng)于砂箱物質(zhì)最大應(yīng)變帶，即斷層帶破壞區(qū)或部分破壞區(qū)。相對(duì)于前緣變形帶（以沖起構(gòu)造或箱狀構(gòu)造變形帶為主體），強(qiáng)疊加變形帶寬度占14%～18%，平均約為15%；弱疊加構(gòu)造帶寬度占4%～6%，平均約為5%。由于焦石壩地區(qū)強(qiáng)疊加變形帶未獲得經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)能，我們認(rèn)為強(qiáng)疊加變形區(qū)域（即平均約為15%應(yīng)變帶范圍內(nèi)）頁(yè)巖氣含氣量和產(chǎn)能被強(qiáng)變形所破壞，這與目前焦石壩構(gòu)造大耳山斷裂帶高陡強(qiáng)變形帶（以二疊系－下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組出露為主）所占焦石壩構(gòu)造橫向?qū)挾确秶恢拢s16%），同時(shí)也與該強(qiáng)變形帶內(nèi)流體活動(dòng)較發(fā)育這一表征相一致。因此，我們認(rèn)為強(qiáng)疊加構(gòu)造變形帶15%寬度范圍內(nèi)其頁(yè)巖層系不具有經(jīng)濟(jì)性頁(yè)巖氣含氣量和產(chǎn)能。

圖8 川東南疊加構(gòu)造砂箱模型與焦石壩構(gòu)造特征對(duì)比圖Fig.8 Comparison of sand box model of superimposed structures in the southeast Sichuan Basin with that in the Jiaoshiba area

圖9 焦石壩構(gòu)造帶剖面圖Fig.9 Section of the Jiaoshiba tectonic belt

圖10 差異構(gòu)造變形與頁(yè)巖氣保存條件對(duì)比Fig.10 Contrast of different tectonic deformation and shale gas preservation condition（焦石壩氣田含氣性據(jù)馬永生，2016）

弱疊加構(gòu)造變形帶頁(yè)巖層系含氣量相對(duì)于弱變形區(qū)減少了20%～30%，但無(wú)阻流量減少量卻達(dá)到了60%～80%。因此，弱疊加構(gòu)造帶中多期疊加構(gòu)造變形對(duì)于頁(yè)巖氣保存條件有一定的影響，但其程度可能受多種因素控制，如：斷裂變形強(qiáng)度、斷距、剝蝕強(qiáng)度、上覆地層等。弱疊加構(gòu)造帶區(qū)域僅占總體構(gòu)造帶寬度的6%，與目前焦石壩構(gòu)造烏江斷裂帶弱－中等變形帶（以二疊系－下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組出露為主）所占焦石壩構(gòu)造橫向?qū)挾确秶笾孪嗨疲s10%），弱疊加構(gòu)造帶變形對(duì)于頁(yè)巖氣田總體產(chǎn)能影響有限。需要指出的是，通過(guò)非均勻物質(zhì)砂箱模擬模型和均勻物質(zhì)砂箱模擬模型對(duì)比發(fā)現(xiàn)，不同構(gòu)造變形強(qiáng)度其前緣沖斷層受早期結(jié)構(gòu)構(gòu)造控制會(huì)發(fā)生明顯的側(cè)向彎曲變形，這與疊加變形區(qū)域速度場(chǎng)矢量方向發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)一致，在非均勻物質(zhì)砂箱模型結(jié)果中存在明顯的運(yùn)動(dòng)矢量角度變化區(qū)域（疊加變形區(qū)角度偏轉(zhuǎn)量達(dá)15°～25°，平均為20°）。結(jié)合焦石壩頁(yè)巖氣田產(chǎn)能和含氣性，我們認(rèn)為疊加變形過(guò)程中運(yùn)動(dòng)矢量角度變化量大小決定了疊加變形區(qū)變形強(qiáng)弱，從而控制區(qū)域頁(yè)巖層系含氣量和產(chǎn)能的衰減程度（圖10）。

4 結(jié)論

a.非均勻物質(zhì)砂箱模型多期疊加變形構(gòu)造地表結(jié)構(gòu)較均勻物質(zhì)模型相對(duì)簡(jiǎn)單，主要體現(xiàn)出受第一期前緣沖斷結(jié)構(gòu)影響形成第二期含有側(cè)向斷坡結(jié)構(gòu)的前緣沖斷層結(jié)構(gòu)樣式，明顯區(qū)別于均勻物質(zhì)砂箱模型的平面上第二期側(cè)向疊置的“弧形”楔形體前緣前展式?jīng)_斷結(jié)構(gòu)。兩者都體現(xiàn)出受第一期前緣沖斷層結(jié)構(gòu)影響控制的第二期前緣沖斷層具分段性，且都發(fā)生明顯的側(cè)向彎曲，但非均勻物質(zhì)模型結(jié)構(gòu)中側(cè)向彎曲旋轉(zhuǎn)角度較均勻物質(zhì)模型中彎曲旋轉(zhuǎn)角度大。在均勻物質(zhì)砂箱模型中，第二期前展式?jīng)_斷結(jié)構(gòu)側(cè)向遷移明顯受第一期控制，局限在早期結(jié)構(gòu)斷層間形成明顯的疊置結(jié)構(gòu)。相反，在非均勻物質(zhì)砂箱模型中，第二期前展式?jīng)_斷結(jié)構(gòu)明顯疊加置換第一期前緣沖斷結(jié)構(gòu)，從弱疊加區(qū)域的相背的前緣沖斷結(jié)構(gòu)，到?jīng)_斷構(gòu)造逐漸疊加“合并”，乃至強(qiáng)疊加區(qū)域的反向沖斷結(jié)構(gòu)和翻卷構(gòu)造，因此塑性滑脫層在應(yīng)力傳遞和疊加變形中至關(guān)重要。

b.非均勻物質(zhì)砂箱多期疊加模型與焦石壩頁(yè)巖氣田結(jié)構(gòu)構(gòu)造具有較強(qiáng)的相似性，共同揭示出其構(gòu)造變形過(guò)程中的差異性特征，差異性構(gòu)造變形特征與焦石壩氣田五峰-龍馬溪組產(chǎn)層含氣量可能具有一定的成因聯(lián)系。強(qiáng)疊加變形區(qū)域（即平均約15%應(yīng)變帶范圍內(nèi)）頁(yè)巖氣含氣量和產(chǎn)能被強(qiáng)變形所破壞，與目前焦石壩構(gòu)造大耳山斷裂帶高陡強(qiáng)變形帶（以二疊系－下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組出露為主）所占焦石壩構(gòu)造橫向?qū)挾确秶恢拢s16%），同時(shí)也與該強(qiáng)變形帶內(nèi)較發(fā)育流體活動(dòng)表征相一致。因此，我們認(rèn)為強(qiáng)疊加構(gòu)造變形帶15%寬度范圍內(nèi)其頁(yè)巖層系不具有經(jīng)濟(jì)性頁(yè)巖氣含氣量和產(chǎn)能。弱疊加構(gòu)造帶區(qū)域僅占總體構(gòu)造帶寬度的6%，與目前焦石壩構(gòu)造烏江斷裂帶弱－中等變形帶（以二疊系－下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組出露為主）所占焦石壩構(gòu)造橫向?qū)挾确秶笾孪嗨疲s10%），弱疊加構(gòu)造帶變形對(duì)于頁(yè)巖氣田總體產(chǎn)能影響有限。

［1］劉樹(shù)根，鄧賓，鐘勇，等.四川盆地及周緣下古生界頁(yè)巖氣深埋藏-強(qiáng)改造獨(dú)特地質(zhì)作用［J］.地學(xué)前緣，2016，26（1）：11－28.Liu S G，Deng B，Zhong Y，et al.Unique geological features of burial and superimposition of the Lower Paleozoic shale gas across the Sichuan Basin and its periphery［J］.Earth Science Frontiers，2016，26（1）：11－28.（in Chinese）

［2］胡東風(fēng)，張漢榮，倪楷，等.四川盆地東南緣海相頁(yè)巖氣保存條件及其主控因素［J］.天然氣工業(yè)，2014，34（6）：17－23.Hu D F，Zhang H R，Ni K，et al.Main controlling factors for gas preservation conditions of marine shales in southeastern margins of the Sichuan Basin［J］.Natural Gas Industry，2014，34（6）：17－23.（in Chinese）

［3］聶海寬，包書(shū)景，高波，等.四川盆地及其周緣下古生界頁(yè)巖氣保存條件研究［J］.地學(xué)前緣，2012，19（3）：280－294.Nie H K，Bao S J，Gao B，et al.A study of shale gas preservation conditions for the Lower Paleozoic in Sichuan Basin and its periphery［J］.Earth Science Frontiers，2012，19（3）：280－294.（in Chinese）

［4］郭衛(wèi)星，熊亮，魏力民.川東南構(gòu)造變形特征及其對(duì)頁(yè)巖氣保存的影響［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2016，44（6）：21－26.Guo W X，Xiong L，Wei L M.Structure deformation of southeast Sichuan and its influences on preservation of shale gas［J］.Coal Geology＆ Exploration，2016，44（6）：21－26.（in Chinese）

［5］劉樹(shù)根，鄧賓，李智武，等.盆山結(jié)構(gòu)與油氣分布——以四川盆地為例［J］.巖石學(xué)報(bào)，2011，27（3）：621－635.Liu S G，Deng B，Li Z W，et al.The texture of sedimentary basin-orogenic belt system and its influence on oil gas distribution：A case study from Sichuan Basin［J］.Acta Petrologica Sinica，2011，27（3）：621－635.（in Chinese）

［6］李三忠，王濤，金寵，等.雪峰山基底隆升帶及其鄰區(qū)印支期陸內(nèi)構(gòu)造特征與成因［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（地球科學(xué)版），2011，41（1）：93－105.Li S Z，Wang T，Jin C，et al.Features and causes of Indosinian intracontinental structures in the Xuefengshan precambrian basement and its neighboring regions［J］.Journal of Jilin University （Earth Science Edition），2011，41（1）：93－105.（in Chinese）

［7］金寵，李三忠，王岳軍，等.雪峰山陸內(nèi)復(fù)合構(gòu)造系統(tǒng)印支—燕山期構(gòu)造穿時(shí)遞進(jìn)特征［J］.石油與天然氣地質(zhì)，2009，30（5）：598－607.Jin C，Li S Z，Wang Y J，et al.Diachronous and progressive deformation during the Indosinian-Yanshanian movements of the Xuefeng Mountain in tracontinental composite tectonic system［J］.Oil＆Gas Geology，2009，30（5）：598－607.（in Chinese）

［8］鄧賓.四川盆地中－新生代盆-山結(jié)構(gòu)與油氣分布［D］.成都：成都理工大學(xué)檔案館，2013.Deng B.Meso-Cenozoic Architecture of Basin-Mountain System in the Sichuan Basin and Its Gas Distribution［D］.Chengdu：The Archive of Chengdu University of Technology，2013.（in Chinese）

［9］四川省地質(zhì)礦產(chǎn)局.四川省區(qū)域地質(zhì)志［M］.北京：地質(zhì)出版社，1991.Sichuan Bureau of Geology＆ Mineral Resources.Regional Geology of Sichuan Province［M］.Beijing：Geological Publishing House，1991.（in Chinese）

［10］劉樹(shù)根，李智武，孫瑋，等.四川含油氣疊合盆地基本特征［J］.地質(zhì)科學(xué)，2011，46（1）：233－257.Liu S G，Li Z W，Sun W，et al.Basic geological features of superimposed basin and hydrocarbon accumulation in Sichuan Basin，China［J］.Chinese Journal of Geology，2011，46（1）：233－257.（in Chinese）

［11］韋一，張宗言，何衛(wèi)紅，等.上揚(yáng)子地區(qū)中生代沉積盆地演化［J］.地球科學(xué)，2014，39（8）：1065－1078.Wei Y，Zhang Z Y，He W H，et al.Evolution of sedimentary basins in the Upper Yangtze during Mesozoic［J］.Earth Science，2014，39（8）：1065－1078.（in Chinese）

［12］Yan D P，Xu Y B，Dong Z B，et al.Fault-related fold styles and progressions in fold-thrust belts：Insights from sandbox modeling［J］.Journal of Geophysical Research：Solid Earth，2016，121：2087－2111.

［13］鄧賓，趙高平，萬(wàn)元博，等.褶皺沖斷帶構(gòu)造砂箱物理模型研究進(jìn)展［J］.大地構(gòu)造與成礦學(xué)，2016，40（3）：446－464.Deng B，Zhao G P，Wan Y B，et al.A review of tectonic sandbox modeling of fold-and-thrust belt［J］.Geotectonica et Metallogenia，2016，40（3）：446－464.（in Chinese）

［14］郭旭升，胡東風(fēng)，魏志紅，等.涪陵頁(yè)巖氣田的發(fā)現(xiàn)與勘探認(rèn)識(shí)［J］.中國(guó)石油勘探，2016，21（3）：24－37.Guo X S，Hu D F，Wei Z H，et al.Discovery and exploration of Fuling shale gas field［J］.China Petroleum Exploration，2016，21（3）：24－37.（in Chinese）

［15］黃仁春，魏祥峰，王強(qiáng).四川盆地東南緣丁山地區(qū)頁(yè)巖氣成藏富集的關(guān)鍵控制因素［J］.海相油氣地質(zhì)，2017，22（2）：25－30.Huang R C，Wei X F，Wang Q.Key factors of shale gas accumulation in Dingshan area of southeastern Sichuan Basin［J］.Marine Origin Petroleum Geology，2017，22（2）：25－30.（in Chinese）

［16］胡明，黃文斌，李加玉.構(gòu)造特征對(duì)頁(yè)巖氣井產(chǎn)能的影響——以涪陵頁(yè)巖氣田焦石壩區(qū)塊為例［J］.天然氣工業(yè)，2017，37（8）：31－39.Hu M，Huang W B，Li J Y.Effects of structural characteristics on the productivity of shale gas wells：A case study on the Jiaoshiba block in the Fuling shale gasfield，Sichuan Basin［J］.Natural Gas Industry，2017，37（8）：31－39.（in Chinese）

［17］佘曉宇，陳潔，張士萬(wàn)，等.焦石壩地區(qū)中、古生界構(gòu)造特征及其頁(yè)巖氣地質(zhì)意義［J］.石油與天然氣地質(zhì)，2016，37（6）：828－837.She X Y，Chen J，Zhang S W，et al.Tectonic characteristics and their shale gas geological significance of the Mesozoic-Paleozoic in Jiaoshiba area，the Sichuan Basin［J］.Oil＆ Gas Geology，2016，37（6）：828－837.（in Chinese）