川南長寧背斜形成的幾何運動學分析

姚金鵬，陳 偉

（西南石油大學 地球科學與技術學院，四川成都 610500）

長寧構造發(fā)育在川南低緩褶皺帶與大涼山-大婁山斷褶帶過渡部位，由長寧背斜、建武向斜等褶皺組成。長寧背斜呈北西-南東走向，長寧背斜東南部較寬，向西北背斜寬度逐漸變窄[1-2]。背斜的脊線呈北西-南東走向，在西北端發(fā)生弧形彎曲，背斜脊線轉為北東-南西走向，即燈桿壩背斜。川南長寧地區(qū)五峰組-龍馬溪組已證實含有豐富的頁巖氣資源。近年來隨著二維、三維地震資料品質的提高，對于長寧地區(qū)的研究較為成熟。但以往的研究，通常認為長寧背斜是由基地斷層所控制的斷層轉折褶皺。運用斷層相關褶皺理論解釋長寧背斜的形成是被普遍接受的觀點，但是長寧背斜究竟是何種斷層所控制的褶皺？其形成的主要階段是在什么時期？解決這些問題，是揭示長寧背斜構造帶幾何學、運動學特征，長寧背斜構造變形與形成機制的關鍵。

1 長寧背斜構造空間展布特征

本文在長寧背斜選取了西部、中部、東部各選取了一條北東-南西向構造地震大剖面，對比分析了長寧背斜空間上的展布特征。

1.1 長寧背斜西部幾何學特征

剖面A-A’（見圖1）位于長寧背斜主體西部，剖面上構造單元從南向北依次為羅場向斜、長寧背斜，地層除從震旦系到第四系發(fā)育較為齊全，長寧背斜呈北翼陡傾、南翼平緩的背斜變形，由于前翼傾角近于直立，因此地震剖面上長寧背斜北翼區(qū)域呈雜亂反射，難以成像。在區(qū)域地質圖上，背斜前翼（北翼）地表無斷層出露，地層縱向連接，無明顯的錯動。長寧背斜西部具典型的斷層傳播褶皺特征。受華鎣山褶皺帶北西擠壓的影響，背斜走向出現(xiàn)變化，轉為北東向的短軸狀背斜（圖1）。由于向北傳遞的應力在背斜處受阻，斷層在逆沖過程中向上消失，構造樣式呈現(xiàn)斷層傳播褶皺幾何變形特征，前翼地層近于直立。從模擬的運動學過程看，斷層從基底向上逆沖，斷層末梢逐漸向地表傳播，傾角逐漸增大，斷層滑移/傳播比偏小，主斷層未達地表，受斷層傳播褶皺三角剪切區(qū)的影響，背斜前翼與斷層末梢處（向斜區(qū)）發(fā)生強烈的剪切破裂與變形。

圖1 長寧背斜西部A-A'剖面地震解釋

1.2 長寧背斜中部幾何學特征

從B-B’開始往東，長寧背斜走向往南偏轉，由東西向轉為南東向（圖2），長寧背斜的變形機制也由斷層傳播褶皺向斷層轉折褶皺過渡，主要逆沖斷層的位移量大部轉入寒武系底部的軟弱層滑脫，并在前陸方逆沖形成次級的逆沖推覆褶皺帶。

圖2 長寧背斜中部B-B'剖面地震解釋

1.3 長寧背斜東部幾何學特征

長寧背斜東部C-C’，主要逆沖斷層在背斜北翼的末梢處出現(xiàn)反向逆沖，在背斜前翼疊加了一次級背斜。隨著主要逆沖斷層向東轉化為斷層轉折褶皺，斷層沿寒武系底部軟弱層滑脫，再向上逆沖，導致原來前翼的疊加次級背斜逐漸長寧背斜分離，隨著滑脫量的增大，平面上呈現(xiàn)出兩組向東分叉的背斜形態(tài)（圖3）。

圖3 長寧背斜東部C-C'剖面地震解釋

2 構造帶形成機制

對于長寧背斜的東中西部構造幾何學分析只是初步的推斷，為了進一步驗證上述推斷的精確性，下面將進行該區(qū)域的形成機制探討和運動學正演模擬。

2.1 形成機制探討

為了探究長寧背斜構造的形成模式以及驗證構造解釋的正確性，筆者將對A-A’典型地震反射剖面進行構造平衡恢復。為了提高構造恢復結果的準確性，對A-A’地震反射剖面不同層位賦予合理的速度，從而進行時深轉換，經(jīng)時深轉換后得到的地震反射剖面與實際情況更加吻合，在此基礎上進行的構造平衡恢復可信度更高。對于構造活動相對簡單的長寧背斜構造來說，首先考慮消除控制背斜形態(tài)斷層的構造影響：先對喜馬拉雅期的高角度逆沖斷層進行構造恢復，還原早期的構造形態(tài)。根據(jù)主斷層和反沖斷層的構造特征，采用三角剪切的構造恢復方法。

通過去斷距、去褶皺等步驟，將三疊系須家河組底拉平后最終得到的模型（圖4），從圖4可以看出地層形態(tài)基本為平行的穩(wěn)定沉積，證明長寧背斜的主體形成很可能為喜山期構造事件下統(tǒng)一應力場作用結果。早期學者對該地區(qū)所做的磷灰石裂變徑跡研究也顯示長寧地區(qū)的快速隆升發(fā)生在距今約45Ma 前的始新世，此時已經(jīng)進入喜山期。初步推測長寧背斜主體是在喜山期同一應力場作用下形成的[4-6]。

圖4 長寧背斜A西部A-A'恢復（須家河組拉平）形態(tài)

2.2 正演模擬

對于長寧背斜的南中北部構造幾何分析只是初步的推斷，為了進一步驗證上述推斷的精確性，下面將進行該區(qū)域的形成機制探討和運動學正演模擬。

正演模擬結果較好地恢復了長寧背斜形成的運動學過程，與之前的吻合（圖5）。其中背斜西部A-A’剖面原始長度67.77km，現(xiàn)今長度59.14km，縮短量為8.63km，縮短率12.73%；中部B-B’剖面原始長度93.15km，剖面現(xiàn)今長度79.07km，縮短量為14.08km，縮短率15.12%；東部B-B’剖面原始長度77.16km，剖面現(xiàn)今長度70.29km，縮短量為6.87km，縮短率8.9%。從縮短率數(shù)據(jù)認為：長寧背斜變形強度存在空間差異，由中部向東西兩側遞減，中部累計縮短量為14.08km，累計縮短率為15.12%。

圖5 構造正演模擬結果

3 結論

1）長寧背斜主體為一典型基底卷入式斷層傳播褶皺，但空間上存在一定差異，中西部為典型的斷層傳播褶皺，東部受寒武系底部軟弱層滑脫影響，呈現(xiàn)由斷層傳播褶皺向斷層轉折褶皺過渡，并在前翼向上逆沖。

2）通過構造變形的運動學正演模擬認為，長寧背斜的主體形成很可能為喜山期構造事件下統(tǒng)一應力場作用結果，與前人利用磷灰石裂變徑跡得到的結果一致。

3）長寧背斜變形強度存在空間差異，由中部向東西兩側遞減，中部累計縮短量為14.08km，累計縮短率為15.12%。