川東齊岳山斷層北部差異構(gòu)造變形特征

魏 峰，陳孔全，庹秀松

(長江大學 非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430100)

四川盆地及其周緣是我國南方主要的油氣勘探區(qū)域，齊岳山斷層兩側(cè)的油藏存在明顯區(qū)別。斷層西側(cè)已發(fā)現(xiàn)儲量約50×108m3的建南氣田[1]和累計產(chǎn)量突破60×108m3的涪陵氣田；斷層?xùn)|側(cè)僅在武隆—道真發(fā)現(xiàn)油氣顯示。齊岳山斷層周緣是否還存在潛在可勘探的油氣值得進一步探討。齊岳山周緣烴源巖品質(zhì)分布穩(wěn)定，油氣成藏與保存條件密切相關(guān)，主要受差異構(gòu)造變形影響。

目前對齊岳山斷層的構(gòu)造研究工作集中于齊岳山斷層周緣的構(gòu)造樣式，學者們認為該區(qū)域為多巖層層系在縱彎作用下形成區(qū)域大尺度膝折構(gòu)造[2-3]。前人對齊岳山斷層西側(cè)地區(qū)的構(gòu)造特征及構(gòu)造演化進行過研究，也對東緣復(fù)雜褶皺樣式及變形機制進行了解析[4-9]，但沒對斷層兩側(cè)差異構(gòu)造變形特征進行對比研究；對齊岳山斷層構(gòu)造演化進行了數(shù)值模擬分析，但沒運用平衡剖面技術(shù)進行構(gòu)造演化研究[10]。因此齊岳山斷層北部周緣構(gòu)造演化過程及差異構(gòu)造變形值得進一步系統(tǒng)分析。本文以地震剖面解釋為基礎(chǔ)，運用斷層相關(guān)褶皺理論和平衡剖面原理，深入分析斷層兩側(cè)的差異變形構(gòu)造特征以及差異變形規(guī)律，以期為該區(qū)的油氣勘探奠定基礎(chǔ)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)北起巫山，南至南川(圖1)。齊岳山斷裂地表自北向南產(chǎn)狀多變，涪陵以南由眾多雁列小斷層組成。以該斷裂帶為界，其北西側(cè)為川東典型隔檔式褶皺，而南東側(cè)褶皺樣式以隔槽式為主，同時也發(fā)育有不少非典型隔槽式的復(fù)雜褶皺[11]。齊岳山斷層還是燕山運動晚期負反轉(zhuǎn)正斷層發(fā)育的分界，斷層?xùn)|南側(cè)發(fā)育少量負反轉(zhuǎn)正斷層，而北西側(cè)則不發(fā)育正斷層[12]。研究區(qū)內(nèi)受多期構(gòu)造應(yīng)力作用的影響，主要發(fā)育北東向斷裂，局部發(fā)育北北東向和近南北向斷裂。

據(jù)鉆井資料顯示，研究區(qū)自老而新發(fā)育前震旦系至侏羅系，缺失泥盆系、石炭系[13]。該區(qū)域發(fā)生多期構(gòu)造運動，其中早燕山運動時期齊岳山斷層周緣區(qū)域略微起伏，中燕山運動導(dǎo)致該區(qū)域基本定型，晚燕山運動時期與喜馬拉雅運動時期則主要是遭受地層剝蝕。由地層接觸關(guān)系可知，晚侏羅世之前，除寒武系基底外，各地層間均為整合或平行不整合接觸關(guān)系，表明晚侏羅世之前區(qū)內(nèi)地殼以升降運動為主[14-15]。

2 斷層特征

2.1 結(jié)構(gòu)特征

齊岳山斷裂空間上間斷延伸呈現(xiàn)“S”型展布,整體上表現(xiàn)為分段式結(jié)構(gòu)。以焦石壩為界，其北段為連續(xù)大斷層，南段的次級分支斷裂表現(xiàn)為雁列式結(jié)構(gòu)。根據(jù)剖面上齊岳山斷層的結(jié)構(gòu)特征及平面上軸跡，將其分為巫山—吐祥、吐祥—忠縣、忠縣—焦石壩、焦石壩—南川4段(圖2，表1)。

2.1.1 巫山—吐祥段

圖2A-A′顯示，齊岳山斷層與次級斷層組合樣式呈反“y”字形[16]，發(fā)育沖斷至隱沖—滑脫褶皺特征，發(fā)生強烈沖斷及斷褶作用。同時受對沖作用影響，該地區(qū)褶皺緊閉，發(fā)育大型反沖斷層，沿志留系滑脫形成傾向北西的斷展褶皺。平面上齊岳山斷層呈向北西方向凸起的小角度弧形，整體走向北東，同時川東弧形構(gòu)造北端收斂于斷層西側(cè)。

圖1 四川盆地東緣區(qū)域地質(zhì)

圖2 川東齊岳山斷裂地震剖面解釋地質(zhì)剖面位置見圖1。

分段斷層傾向斷層兩側(cè)出露地層構(gòu)造樣式變形方式構(gòu)造形態(tài)巫山—吐祥北西吐祥—忠縣南東忠縣—焦石壩南東焦石壩—南川南東東側(cè)T斷展褶皺、沖起構(gòu)造沖斷西側(cè)緊閉向斜、東側(cè)寬緩背斜西側(cè)T,J斷滑褶皺、對沖構(gòu)造沖斷、滑脫西側(cè)緊閉背斜、東側(cè)寬緩向斜東側(cè)-C,O,S,P,T斷展褶皺、沖斷構(gòu)造沖斷西側(cè)寬緩背斜、東側(cè)緊閉向斜東側(cè)J斷滑褶皺、背沖構(gòu)造斷展或斷滑、滑脫西側(cè)寬緩向斜、東側(cè)緊閉背斜東側(cè)P沖斷構(gòu)造、沖起構(gòu)造西側(cè)緊閉背斜、東側(cè)寬緩向斜西側(cè)P,T,J沖斷構(gòu)造、斷展褶皺、沖起構(gòu)造、扭動構(gòu)造沖斷、隱沖+斷滑、滑脫西側(cè)寬緩向斜、東側(cè)緊閉背斜東側(cè)-C,O,S,P,T,J斷滑褶皺、沖起構(gòu)造沖斷西側(cè)寬緩向斜、東側(cè)緊閉背斜西側(cè)P,J斷展褶皺、沖起構(gòu)造、背沖構(gòu)造、對沖構(gòu)造沖斷、斷展、滑脫西側(cè)緊閉背斜、東側(cè)寬緩向斜、斷塊

該段齊岳山斷層西側(cè)受雪峰與大巴山的構(gòu)造聯(lián)合作用，發(fā)育寬緩向斜和緊閉背斜，褶皺形態(tài)較完整，向斜核部地層平緩翼部陡立；褶皺向巫山收斂，其走向由北東向變?yōu)榻鼥|西向。斷層?xùn)|側(cè)主要受江南造山帶作用，形成寬緩背斜和緊閉向斜，同時其北端受神農(nóng)架—黃陵隆起的阻擋，褶皺消失于秭歸向斜與神農(nóng)架隆起之間。由于強烈剝蝕作用，出露地層以三疊系為主，侏羅系僅在兩側(cè)向斜核部出露。

2.1.2 吐祥—忠縣段

圖2B-B′剖面上顯示齊岳山斷層為多條同傾向、近平行逆沖斷層，呈“之”字形，區(qū)域構(gòu)造變形為沖斷至斷展—滑脫褶皺特征，中部可見斷展褶皺特征。因反沖作用，斷層西側(cè)寒武系發(fā)育大量中小型斷層，形成系列較寬緩的斷夾塊、反沖構(gòu)造。平面上，斷層形似一條直線，北端與巫山—吐祥段呈小角度相接。

與巫山—吐祥段相比，該段斷層兩側(cè)構(gòu)造形態(tài)類似，西側(cè)靠近吐祥處褶皺呈收斂式聚集，東側(cè)褶皺靠近吐祥呈發(fā)散式聚集；出露地層在西側(cè)可見侏羅系，東側(cè)可見三疊系，靠近齊岳山處為寒武系。

2.1.3 忠縣—焦石壩段

圖2C-C′上顯示齊岳山斷層為高陡沖斷構(gòu)造，呈鏟形，底端消失于基底滑脫斷層之上。區(qū)域構(gòu)造變形為沖斷至斷展—滑脫褶皺特征，中部可見沖起構(gòu)造，發(fā)育多條斷至三疊系的大型斷層，并形成系列緊閉褶皺和斷塊。平面上，斷層呈朝南東方向凸起的弧形。

與吐祥—忠縣段相比，該段斷層西側(cè)受近南北向與北東向力的構(gòu)造疊合，發(fā)育斷展褶皺。向斜核部地層平緩，僅少數(shù)斷層穿越寒武系基底。斷層?xùn)|側(cè)晚期近東西向擠壓疊加于早期北東向褶皺形成疊加構(gòu)造，形成寬緩背斜與緊閉向斜。該段區(qū)域出露地層以三疊系—寒武系為主，侏羅系僅在西側(cè)向斜出露。

2.1.4 焦石壩—南川段

圖2D-D′顯示齊岳山斷層呈鏟形，斷層沖出地表。區(qū)域構(gòu)造變形為基底沖斷—斷展褶皺—滑脫褶皺特征，發(fā)生強烈沖斷以及斷褶作用，以沖斷構(gòu)造、斷展背斜和沖起構(gòu)造為主。

與忠縣—焦石壩段相比，該段斷層周緣發(fā)育近南北向構(gòu)造，在背斜轉(zhuǎn)折處發(fā)育密集的小型斷層。斷層西側(cè)受強烈沖斷作用發(fā)育高陡構(gòu)造、對沖構(gòu)造，由于沖斷褶皺作用，發(fā)育系列緊閉褶皺和斷塊。齊岳山斷層所處的背斜帶發(fā)育少數(shù)沖破地表的斷層，其西側(cè)褶皺走向多為南北向，東側(cè)褶皺走向多為北北東向，有少量南北向褶皺。該段出露地層以三疊系為主，可見寒武系。

自北東向南西，齊岳山斷層西側(cè)褶皺密度由密集變稀疏，至涪陵密度再次變大，整體似“馬尾”狀分布。其褶皺方向在吐祥、焦石壩與南川三鎮(zhèn)附近明顯變化，由近東西向—北東向—北北東—近南北向。斷層多發(fā)育于三疊系以下地層，僅在焦石壩附近少量沖出地表。其構(gòu)造樣式由基底沖斷—隱沖+斷滑褶皺至斷展+滑脫褶皺至基底沖斷—斷展褶皺至沖斷褶皺。斷層自北部發(fā)育反沖、沖起構(gòu)造，于焦石壩附近發(fā)育大量中小型斷層，形成對沖、反沖與沖起構(gòu)造，斷層密度由稀疏變密集再變稀疏。齊岳山斷層?xùn)|側(cè)褶皺密度以吐祥、焦石壩為界分為兩段，巫山—吐祥段褶皺由稀疏變密集成收斂式雁列狀分布，吐祥—焦石壩段褶皺呈分散狀密集分布在齊岳山斷層以東的各個區(qū)域。其褶皺方向的分布以焦石壩為界，巫山—焦石壩為北東向，焦石壩—南川為近南北向。斷層多發(fā)育于二疊系以下地層，在南川附近發(fā)育大量沖出地表的北東向與近南北向中小型斷層。其構(gòu)造樣式為沖斷褶皺，斷層自北向南發(fā)育反沖構(gòu)造，于南川附近發(fā)育雁列式?jīng)_斷構(gòu)造。

2.2 運動學特征

平衡剖面技術(shù)是分析斷層形成演化的重要手段。本文運用平衡剖面反演模擬理論與2DMove平衡剖面軟件，對橫切齊岳山斷層的3條剖面進行了分析。以剖面bb′為例(圖3)，并利用層長守恒原理，計算了各剖面齊岳山斷層周緣利川復(fù)向斜與齊岳山復(fù)背斜2個構(gòu)造單元各時期區(qū)域伸縮率(表2)。若一條地質(zhì)剖面2個構(gòu)造單元地區(qū)地層變形前剖面長度L0，變形后剖面長度L1，則伸縮量△L=L1-L0，伸縮率(%)=ΔL/L0，其中正值表示剖面處于伸展變形狀態(tài)，反之則處于壓縮變形狀態(tài)[17]。

根據(jù)區(qū)域地層的接觸關(guān)系以及年代學資料可知，印支期末至早燕山期，受雪峰造山運動影響，湘鄂西地區(qū)自南東向北西發(fā)育前展式遞進變形，利川、石柱與萬縣復(fù)向斜及齊岳山、方斗山復(fù)背斜形成。早燕山期末，經(jīng)歷了強烈基底逆沖后，齊岳山斷層基本定型。其中中段分為三支，北支沖出地表傾向南東；中支消亡于二疊系傾向北西；南支為低角度逆沖斷層傾向南東。南段剖面內(nèi)多為高角度逆沖斷層，發(fā)育高陡構(gòu)造。

晚侏羅世末期，受燕山運動影響，北段擠壓作用強烈，斷裂帶基底收縮，剖面伸縮率為-9.71%；中段受強烈擠壓作用，斷層并未活動，保持了早期斷層形態(tài)，剖面伸縮率為-10.10%；南段齊岳山復(fù)背斜與萬川復(fù)向斜形成，多發(fā)育小型斷層，斷裂帶基底持續(xù)擠壓，剖面伸縮率為-8.29%。

晚白堊世末期，受晚燕山運動影響，北段遭受伸展作用，構(gòu)造活動不明顯，剖面伸縮率為2.16%；中段以弱伸展變形為主，剖面伸縮率為0.71%；南段剖面穩(wěn)定沉積，剖面伸縮率為1.55%。喜馬拉雅期三段斷層活動性弱，剖面僅地表受剝蝕作用影響，剖面無明顯變化。

根據(jù)完成的平衡剖面顯示，早燕山運動時期齊岳山斷層整體定型。中燕山運動時期，中段因為川東地區(qū)無明顯阻礙作用，而北段受黃陵隆起和大巴山構(gòu)造帶的限制作用，因此斷層中段擠壓作用最為強烈；齊岳山斷層北段次之，受影響最小的為斷層南段。晚燕山運動時期，齊岳山以東湘鄂西整體處于伸展環(huán)境，其中因中燕山運動擠壓作用影響，中段伸縮率最小，其次為南段，伸縮率最大的為北段。

由此可知齊岳山斷層是一條形成于早燕山運動時期的古斷裂。

3 差異變形特征

齊岳山斷層兩側(cè)結(jié)構(gòu)存在差異性，平面上斷層沿其走向具有分段差異變形特征。齊岳山斷層巫山—吐祥段自南東向北西基底逆沖，斷裂兩盤褶皺產(chǎn)狀出現(xiàn)明顯改變，其下盤發(fā)育對沖構(gòu)造，上盤發(fā)育系列斷展褶皺。吐祥—焦石壩段斷層上盤形成斷彎褶皺，下盤形成斷滑褶皺。焦石壩—南川段斷層上盤形成斷滑褶皺，下盤形成斷展褶皺。該構(gòu)造形變特征歸因于斷層南段受南川—遵義斷層近南北向的左行走滑作用，導(dǎo)致齊岳山斷層周緣自北向南構(gòu)造樣式逐漸復(fù)雜，構(gòu)造強度逐漸增強，斷層構(gòu)造形態(tài)由反“y”字形—“之”字形—鏟形轉(zhuǎn)變。

圖3 川東—湘鄂西地區(qū)測線bb′構(gòu)造演化平衡剖面位置見圖1。

測線名稱時期變形前剖面長度L0/km變形后剖面長度L1/km伸縮量ΔL/km伸縮率/%aa'巫山—吐祥段bb'吐祥—焦石壩段cc'焦石壩—南川段中燕山期86.5878.17-8.41-9.71%晚燕山期78.1779.861.692.16%中燕山期91.0581.85-9.20-10.10%晚燕山期81.8582.430.580.71%中燕山期66.2360.74-5.49-8.29%晚燕山期60.7461.680.941.55%

剖面上斷層結(jié)構(gòu)、滑脫層上下巖層具有分層差異變形特征。研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造變形主要與基底滑脫層、中下寒武統(tǒng)膏泥鹽、下志留統(tǒng)泥巖以及三疊系嘉陵江組膏鹽4套區(qū)域滑脫層有關(guān)[18-20]。根據(jù)形變特征，縱向上分為前寒武形變層、下形變層、中形變層和上形變層4套構(gòu)造形變層。其中前寒武形變層構(gòu)造變形強烈，齊岳山斷層發(fā)生強烈沖斷作用；下形變層以滑脫作用為主，發(fā)生系列斷展作用；中形變層褶皺變形較強烈，除少量斷層斷穿志留系，大多數(shù)斷層以下志留統(tǒng)為底界，向上多消失于下三疊統(tǒng)滑脫層之中，斷層數(shù)量多，構(gòu)造變形強度亦強于下形變層；上形變層構(gòu)造運動簡單，僅受地層剝蝕影響。斷層受前上寒武統(tǒng)含膏鹽巖層系的控制，膏巖層以上發(fā)育基底卷入逆沖斷層，主要表現(xiàn)為寒武系斷距的變化(圖4)，且變化趨勢一致，自北向南斷距變大。前寒武形變層內(nèi)部自北向南發(fā)育坡坪式—斷坪式—坡坪式盲沖斷層，其中基底構(gòu)造由基底內(nèi)部韌性滑脫層控制發(fā)育基底逆沖斷層；下構(gòu)造層由下寒武統(tǒng)滑脫層控制發(fā)育斷層轉(zhuǎn)折褶皺，斷層傳播褶皺等；中構(gòu)造層受到下伏構(gòu)造層的影響，變形較深部構(gòu)造層弱，主要受下志留統(tǒng)龍馬溪組泥頁巖層控制形成逆沖斷層；而上構(gòu)造層則是受下三疊統(tǒng)嘉陵江組膏鹽層的影響形成了隔擋式褶皺。

圖4 川東地區(qū)齊岳山北部斷層各段寒武系斷距變化

4 油氣地質(zhì)意義

作為盆山分界，齊岳山斷層周緣地區(qū)為頁巖氣有利富集帶，其兩側(cè)油氣保存具有明顯差異。已有勘探顯示油氣主要位于齊岳山西側(cè)向盆一側(cè)的正向構(gòu)造單元中，已建立建南氣田和涪陵氣田，且在平橋、丁山、林灘場及長寧發(fā)現(xiàn)具有商業(yè)開采價值的大規(guī)模頁巖氣顯示。盆外地區(qū)如彭水、武隆尚未發(fā)現(xiàn)氣田，但也具有較好油氣顯示。由于向斜內(nèi)含氣層位比盆內(nèi)一側(cè)抬升，構(gòu)造斷層破壞性弱，頁巖氣相對保存條件較好，因此斷層?xùn)|側(cè)分布的向斜構(gòu)造也具有一定頁巖氣勘探潛力。

通過對典型氣田中構(gòu)造差異與油氣保存關(guān)系分析，探索齊岳山斷層周緣頁巖氣勘探潛力。如圖2所示，齊岳山斷層南段涪陵氣田位于盆內(nèi)一側(cè)二級構(gòu)造臺階處，其龍馬溪組烴源巖地層平緩埋深約2 800 m，同時涪陵氣田內(nèi)無大型斷層發(fā)育，小斷層起良好的輸導(dǎo)作用而非破壞作用；而東側(cè)的盆外地區(qū)由于地層抬升剝蝕嚴重,導(dǎo)致烴源巖地層暴露地表，僅在武隆等向斜內(nèi)殘留時具有一定的埋深，同時由于大型斷層主要發(fā)育于背斜周緣，向斜內(nèi)構(gòu)造保存條件稍好，存在油氣顯示。斷層中段西側(cè)為石柱復(fù)向斜，區(qū)域面積大、地層平緩，向斜內(nèi)龍馬溪組烴源巖地層埋深約4 000～6 000 m，雖然尚未形成正向構(gòu)造，但區(qū)內(nèi)斷層規(guī)模較小，斷層對油氣保存的破壞性較小，在其局部高點處發(fā)現(xiàn)了建南氣田，值得進一步探索。而斷層?xùn)|側(cè)地層剝蝕較南段嚴重，志留系大面積出露，向斜發(fā)育大型基底逆沖斷層沖破烴源巖地層，目前尚無油氣顯示。斷層北段西側(cè)構(gòu)造變形強，位于大巴山向南擠壓對沖帶，且存在多條基底逆沖斷層沖破烴源巖層，目前也無油氣顯示；其東側(cè)為核部三疊系出露復(fù)向斜，內(nèi)部構(gòu)造變形弱，其上覆膏巖蓋層未被斷層破壞，龍馬溪組烴源巖地層平緩，埋深與涪陵氣田類似，埋深適中，約-300～-3 000 m，該區(qū)域值得探索。因此，根據(jù)龍馬溪組烴源巖地層埋深、周緣斷層分布及上覆蓋層的受破壞情況分析可知，齊岳山斷層中段西側(cè)復(fù)向斜地區(qū)及斷層北段東側(cè)復(fù)向斜地區(qū)具有油氣勘探價值。

5 結(jié)論

(1)齊岳山斷層周緣區(qū)域構(gòu)造形態(tài)差異明顯，斷層西側(cè)多為緊閉背斜與寬緩向斜，東側(cè)多為緊閉向斜與寬緩背斜。斷層北段呈反“y”字形，地表出露傾向北西；中段呈“之”字形，南段呈鏟形，兩段地表傾向均為南東。褶皺走向以北東向為主，在涪陵—南川地區(qū)可見密集的南北向構(gòu)造。地表出露地層以三疊系與侏羅系為主，東側(cè)少數(shù)地區(qū)可見寒武系—震旦系。

(2))齊岳山斷層受自南東向北西方向擠壓應(yīng)力的作用，基底構(gòu)造層控制著整個研究區(qū)的構(gòu)造變形。斷層定型于早燕山運動期，中燕山運動期斷層整體受擠壓作用，其中中段擠壓作用最為強烈，北段次之，南段受影響最小。晚燕山運動期，齊岳山斷層?xùn)|側(cè)受拉伸作用，其中中段伸縮率最小，其次為南段，北段伸縮率最大。喜馬拉雅期區(qū)域整體發(fā)生地層抬升剝蝕，構(gòu)造變形不強烈。

(3)齊岳山斷層表現(xiàn)為分段式結(jié)構(gòu)，其中寒武系斷距自北向南增大，斷層傾角向南變大，至焦石壩達到最大值，往南變小。齊岳山斷裂帶分段差異性與沖斷方式控制著西側(cè)構(gòu)造樣式類型,在焦石壩—南川段齊岳山西側(cè)從深層到淺層有大量的中小型對沖、沖起構(gòu)造，其構(gòu)造樣式自北向南由巫山—吐祥段的隱沖加斷滑褶皺至吐祥—焦石壩段的斷展加滑脫褶皺至焦石壩—涪陵段的基底沖斷—斷展褶皺至涪陵—南川段的沖斷褶皺轉(zhuǎn)變，構(gòu)造變形強烈。而在齊岳山斷層?xùn)|側(cè)發(fā)育沖斷構(gòu)造變形，小型構(gòu)造較少。

(4)齊岳山斷層周緣已知探明油氣田均位于斷層西側(cè)，其中位于斷層南段二級臺階構(gòu)造形態(tài)呈鏟形處發(fā)育有涪陵氣田，武隆—道真亦有油氣顯示；中段構(gòu)造形態(tài)呈“之”字形處發(fā)現(xiàn)有建南氣田；斷層北段構(gòu)造形態(tài)呈反“y”字形周緣區(qū)域無氣田發(fā)現(xiàn)。據(jù)此推斷，斷層周緣二級臺階構(gòu)造形態(tài)呈鏟形處為有利油氣勘探區(qū)。