焦石壩地區(qū)構(gòu)造特征及頁巖氣保存模式研究

劉 鵬，吳佩津，彭鈺潔

(1. 中國石油東方地球物理勘探有限責(zé)任公司，四川 成都 610051；2.貴州建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 551400)

0 引 言

頁巖氣的成藏作用受到多種地質(zhì)因素的控制。近些年，學(xué)者從不同的角度對頁巖氣成藏展開了較為深入的研究[1-3]。對比北美頁巖氣地質(zhì)條件，中國海相頁巖具有時(shí)代老、熱演化程度高、地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜等特殊性[4-5]。中國中上揚(yáng)子地區(qū)海相頁巖廣泛發(fā)育，該地區(qū)頁巖層系經(jīng)歷多期構(gòu)造演化與長期隆升剝蝕[6]，這一地質(zhì)條件決定了中上揚(yáng)子地區(qū)頁巖氣保存條件的重要性。焦石壩地區(qū)作為目前中國海相頁巖氣成功開采的典型，前人對該地區(qū)的研究多將其劃分在川東進(jìn)行整體研究。焦石壩背斜構(gòu)造位于四川盆地東南緣，川東高陡褶皺帶的南段，萬縣復(fù)向斜、方斗山背斜和石柱復(fù)向斜構(gòu)造的結(jié)合部位，整體為箱狀斷背斜，NE走向。受NE向和NNW向2組斷裂控制，變形較弱[7-9]。該文將其作為一個(gè)獨(dú)立的構(gòu)造單元，通過顯微構(gòu)造分析、平衡剖面技術(shù)，分析焦石壩在地質(zhì)歷史時(shí)期應(yīng)力方向、主要形變過程及形變時(shí)期，研究其構(gòu)造特征及保存模式，對具有相同區(qū)域構(gòu)造條件的四川盆地及其周緣頁巖氣勘探開發(fā)，具有重要的指導(dǎo)意義。

1 砂巖顯微構(gòu)造特征

樣品采集點(diǎn)分布在焦石壩邊界斷層周緣，為獲得更好的鏡下效果，樣品均選取砂巖(表1)。

表1 樣品采集信息

1.1 顯微變形

鏡下觀察表明，各個(gè)樣品內(nèi)都含有不同類型、不同規(guī)模、不同數(shù)量的顯微脆性變形和塑性變形(圖1)。顯微脆性變形以剪裂隙為主，進(jìn)一步劃分為共軛剪裂隙和羽狀斜列式微裂隙，區(qū)內(nèi)總體上延伸較短。顯微塑性變形種類較多，主要發(fā)育石英波狀消光、石英帶狀消光、變形紋、壓溶縫合線以及云母塑性變形等，其發(fā)育強(qiáng)度明顯變強(qiáng)，并呈現(xiàn)出明顯的分區(qū)性，其中，變形紋構(gòu)造在不同構(gòu)造位置差異最為明顯，在斷裂復(fù)雜地區(qū)變形紋構(gòu)造明顯發(fā)育。具有應(yīng)力指示意義的顯微裂隙、變形紋以及壓溶構(gòu)造等顯微構(gòu)造[10-11]，記錄了焦石壩在地質(zhì)歷史時(shí)期NE—SW、NW—SE 2個(gè)應(yīng)力方向。

圖1 焦石壩顯微變形特征

1.2 巖石組構(gòu)分析

巖石組構(gòu)是指礦物集合體內(nèi)部的幾何形態(tài)和物理性質(zhì)在空間上的分布規(guī)律，主要包括結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和優(yōu)選方位[10]。利用費(fèi)氏臺測定法對石英顆粒的光軸優(yōu)選方位進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)(表2)。

表2 砂巖樣品石英光軸方位等密圖特征

由表2可知，正常沉積，未受構(gòu)造擾動變形的原始巖體的石英光軸方位在赤平投影面上應(yīng)呈隨機(jī)均勻的分布趨勢[11]。5個(gè)焦石壩砂巖樣品中石英光軸等密度圖上皆表現(xiàn)出有多個(gè)主極密點(diǎn)與次極密點(diǎn)的特征，以單斜對稱為主，主極密點(diǎn)與次極密點(diǎn)形成不同方向的對稱，表明受不同方向構(gòu)造運(yùn)動的疊加作用(圖2)。

砂巖樣品巖組特征及反映的應(yīng)力特征，表明研究區(qū)在地質(zhì)歷史時(shí)期所經(jīng)歷的最強(qiáng)變形作用主要來自于NW—SE向的擠壓應(yīng)力，NE—SW向擠壓應(yīng)力次之。擠壓應(yīng)力在不同地區(qū)呈現(xiàn)不同的變化的趨勢，但其變化范圍主要集中在NWW—NNW向和NE—NEE向之間，這種應(yīng)力場的旋轉(zhuǎn)變化可能在靠近斷裂帶地區(qū)促使巖體發(fā)生走滑剪切運(yùn)動，應(yīng)變速率發(fā)生變化，從而導(dǎo)致內(nèi)部石英晶粒產(chǎn)生內(nèi)部的滑移或旋轉(zhuǎn)等作用。

圖2 石英光軸方位等密線

2 平衡剖面特征及主要形變過程

平衡剖面指在遵循剖面層長或剖面面積守恒的原則下，將地質(zhì)剖面恢復(fù)到原始沉積地層狀態(tài)的變形剖面[12]。王平等認(rèn)為焦石壩主要隆升時(shí)間為晚白堊世晚期(約65～85 Ma)。選取垂直于焦石壩背斜軸的剖面，剖面長度為18.9 km，焦石壩地區(qū)在120 Ma之后，受構(gòu)造擠壓作用，地層總縮短量為3.8 km，縮短率為16.7%(圖3)。

研究認(rèn)為，焦石壩在120 Ma之后主要經(jīng)歷3個(gè)階段。

85～120 Ma階段(燕山晚期)，SE方向江南雪峰山擠壓應(yīng)力傳遞到川東，該階段焦石壩東部的方斗山背斜開始快速隆升，焦石壩及西部萬縣復(fù)向斜區(qū)原始沉積地層也開始發(fā)生變形，受SE向擠壓作用，焦石壩地層主要沿基底發(fā)生順層滑脫，形成滑脫褶皺，上覆地層被動抬升，整體變形較弱，巖層未發(fā)生破裂。該階段的地層總縮短量為0.9 km，縮短率為4.0%。

65～85 Ma(燕山晚期)，為焦石壩背斜主要隆升階段，構(gòu)造變形具有明顯的繼承性，這一時(shí)期又可進(jìn)一步劃分為2個(gè)構(gòu)造變形階段：①為褶皺隆升階段，前期形成的滑脫褶皺在持續(xù)擠壓應(yīng)力作用下，進(jìn)一步隆升，該階段萬縣復(fù)向斜以及焦石壩背斜構(gòu)造雛形基本形成，在應(yīng)力集中部位形成斷層并發(fā)生應(yīng)力釋放，向上形成逆沖斷層，受下寒武統(tǒng)膏鹽層影響，該階段形成的斷層均發(fā)育于下寒武膏鹽層，而向上止于中—下志留統(tǒng)軟弱巖層，這一階段地層縮短了2.4 km，縮短率為10.6%；②快速隆升階段，該時(shí)期結(jié)束了焦石壩沿NW—SE向的快速縮短變形，前期止于中—下志留統(tǒng)軟弱層的逆沖斷層在該階段進(jìn)一步逆沖突破，焦石壩背斜兩翼斷層向上逆沖明顯，止于中—下三疊統(tǒng)膏鹽層，其中，大耳山斷層、吊水?dāng)鄬右约笆T斷層等邊界斷層在這一時(shí)期基本形成，右翼逆沖斷層對焦石壩箱狀背斜的改造最大，五峰組—龍馬溪組變形嚴(yán)重。該階段的地層縮短量為3.4 km，縮短率為14.9%。

圖3 焦石壩背斜NW—SE平衡剖面

65 Ma之后(喜馬拉雅期)，焦石壩沿NW—SE向的擠壓變形微弱，直至喜馬拉雅晚期發(fā)生快速隆升，但這一次快速隆升在剖面上表現(xiàn)不明顯，僅導(dǎo)致上三疊統(tǒng)以上地層被剝蝕，局部殘留早—中侏羅世地層，焦石壩內(nèi)部出露晚三疊世地層，這一階段為焦石壩背斜定型期，該階段的地層總縮短量為3.8 km，總縮短率為16.7%。

3 構(gòu)造保存模式

焦石壩地區(qū)三疊系膏鹽層遭受剝蝕，但五峰組—龍馬溪組之上仍發(fā)育一套厚度較大、塑性較強(qiáng)、斷層或裂縫不發(fā)育的砂泥巖組合地層，即小河壩組—韓家店組，其下伏地層同樣為區(qū)域分布穩(wěn)定、滲透性低的一套巖層，即臨湘—寶塔組深灰色含泥瘤狀灰?guī)r、灰?guī)r。研究區(qū)在經(jīng)歷了多期構(gòu)造抬升之后，埋深仍超過2 000 m，頁巖氣層處于超壓狀態(tài)。

在具備構(gòu)造變形弱、構(gòu)造改造時(shí)間晚、斷層封堵好、良好的頂?shù)装?、較高的氣層壓力的條件下，形成了現(xiàn)今焦石壩頁巖氣高產(chǎn)的模式(圖4)。

圖4 焦石壩頁巖氣保存模式

4 結(jié) 論

(1) 焦石壩地區(qū)內(nèi)砂巖脆性、塑性顯微構(gòu)造發(fā)育，顯微運(yùn)動學(xué)標(biāo)志所指示的構(gòu)造應(yīng)力方向主要體現(xiàn)了NW—SE和NNE—SSW 2個(gè)方向的應(yīng)力；巖石石英組構(gòu)反映出研究區(qū)在地質(zhì)歷史時(shí)期所經(jīng)歷的最強(qiáng)變形作用主要來自于NW—SE向的擠壓應(yīng)力。

(2) 平衡剖面結(jié)果表明，120 Ma之后，焦石壩受構(gòu)造改造明顯，65～85 Ma(燕山晚期)為強(qiáng)烈改造期，繼喜馬拉雅期之后，焦石壩構(gòu)造受構(gòu)造擠壓作用，地層總縮短量為3.8 km，縮短率為16.7%。

(3) 焦石壩具有構(gòu)造改造強(qiáng)度弱、改造時(shí)間晚、斷層封堵性好、埋深適中以及良好的頂?shù)装鍘r性組合等有利保存條件，有利于頁巖氣富集成藏。

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