李 卿 李忠權(quán)

（油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室（成都理工大學(xué)），成都610059）

2008年汶川大地震后，天井山地區(qū)發(fā)現(xiàn)了大量的油氣苗，引起了許多學(xué)者的關(guān)注，并進行了大量的研究工作，如周文等（2008）、鄧紹強等（2009）認為天井山古油藏分布受控于構(gòu)造，只有把該地區(qū)的構(gòu)造變形規(guī)律及演化規(guī)律弄清楚，才能對油氣圈閉進行正確的評價［1－2］。但迄今為止對天井山地區(qū)的構(gòu)造變形和演化過程的研究主要基于野外調(diào)查和鉆井分析，還沒有針對構(gòu)造模式和結(jié)果進行過構(gòu)造物理模擬。因此，筆者通過野外調(diào)查和地震資料，探討了天井山構(gòu)造的構(gòu)造變形，在此基礎(chǔ)上對天井山構(gòu)造進行構(gòu)造物理模擬，為天井山構(gòu)造的構(gòu)造樣式和構(gòu)造變形建立試驗證據(jù)，這對龍門山北段地區(qū)的構(gòu)造變形和構(gòu)造樣式也具有一定的指導(dǎo)意義。

1 地質(zhì)概況

天井山地區(qū)位于四川盆地的西北部，為一大體呈北東向展布且大致與龍門山山脈平行的區(qū)塊（圖1）。東邊區(qū)域跨入廣元市境內(nèi)羅妙真（屬劍閣縣），其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。

圖1 龍門山褶皺沖斷帶構(gòu)造綱要圖及研究區(qū)域Fig.1 Structural outline of the fold－thrust belt and study area of Longmen Mountains

天井山地區(qū)地形險峻，山體綿延，溝壑縱橫，山系以北東向為主，地表海拔高度變化在0.5～2 km之間，總趨勢呈西北高、東南低，屬龍門山前陸推覆—沖斷帶和龍門山前陸盆地。由于特殊的構(gòu)造位置，區(qū)內(nèi)斷裂眾多，因而地面構(gòu)造復(fù)雜多樣，其構(gòu)造與斷層的走向多為近北東向，主要的區(qū)域性大斷裂為雁門壩斷裂和馬角壩斷裂（也稱彭灌斷裂），區(qū)域性大斷層破碎帶寬度可達數(shù)米，地層傾角變化劇烈。區(qū)內(nèi)地面主要正向構(gòu)造為天井山背斜，其次有茍家埡倒轉(zhuǎn)背斜和水跟頭倒轉(zhuǎn)背斜等。天井山背斜（圖2）為一線狀背斜，其南西端延至二郎廟一帶，后消失在超覆層之下，北東端以13°傾角傾沒于馬鹿壩以東。背斜核部由石炭系、泥盆系及寒武系組成，兩翼地層主要為三疊系、二疊系，巖性總體上以碳酸鹽巖為主［2］。

圖2 天井山地區(qū)地質(zhì)圖Fig.2 Geological map of Tianjingshan area

2 構(gòu)造變形特征

綜合TJ1井鉆井分層、傾角測井資料、地表地質(zhì)調(diào)查、構(gòu)造樣式分析，結(jié)合地震解釋的地腹構(gòu)造、演化特征、形成機制分析等建立以TJS1114（A－B）線為基礎(chǔ)的天井山構(gòu)造地質(zhì)模型。

印支期在重力滑覆的作用下，在現(xiàn)今天井山構(gòu)造主體部位發(fā)育沖斷構(gòu)造，斷坡陡直，并且大多出露當(dāng)時地面（須三頂）。喜馬拉雅期在北西向南東強大的擠壓力作用下，早期構(gòu)造被改造，疊加后期褶皺，從而形成地層倒轉(zhuǎn)及斷面彎曲。在擠壓推覆過程中，地腹中堅硬層中形成一系列的疊瓦狀斷層，將地層切割成若干疊瓦狀斷塊，形成疊瓦式構(gòu)造及雙重構(gòu)造；疊瓦狀斷層上陡下緩，向下消失在前震旦系非堅硬層中［3］。

綜上所述，根據(jù)構(gòu)造形成機制、所發(fā)育的構(gòu)造樣式及所處構(gòu)造部位，區(qū)內(nèi)的構(gòu)造可劃分為3個構(gòu)造單元（圖3）。

圖3 天井山構(gòu)造模式圖Fig.3 Tectonic model of Tianjingshan

淺層推覆構(gòu)造單元（a）：位于馬角壩斷裂帶與天井山主高點之間，淺部滑脫層之上，后翼突破構(gòu)造為斷層相關(guān)褶皺前翼上形成的調(diào)節(jié)主構(gòu)造應(yīng)變狀態(tài)的次生破裂構(gòu)造。運動學(xué)特征表現(xiàn)為多產(chǎn)生于主構(gòu)造已有相當(dāng)強烈的變形之后，龍門山山前帶的地震剖面上大量發(fā)育后翼突破構(gòu)造。后翼突破構(gòu)造主要位于天井山背斜西北翼發(fā)育一系列斷片，斷裂產(chǎn)狀通常較陡，呈密集產(chǎn)出，組成后翼突破構(gòu)造多表現(xiàn)為擴展性質(zhì)，形成于喜馬拉雅期。

中部沖斷滑覆構(gòu)造單元（b）：位于馬角壩斷裂帶下盤的天井山構(gòu)造主體部位，東至天井山構(gòu)造前翼東緣，包括從基底至地表的所有地層，是在早期沖斷構(gòu)造上疊加推覆構(gòu)造，形成疊瓦狀構(gòu)造和斷彎褶皺。組成疊瓦構(gòu)造的斷層，傾向為北西，向下延伸至下寒武統(tǒng)長江溝組第一段的非堅硬層；斷層的產(chǎn)狀向下漸漸趨于水平，且多條斷層合并為共同的斷層滑脫面?？傮w而言，后翼地層相對較緩；前翼地層陡直破碎，形成堆垛；核部為斷彎褶皺，出露最老地層為寒武系。形成于印支期，定型于喜馬拉雅期。

地腹疊瓦雙重構(gòu)造單元（c）：指天井山構(gòu)造主體以東地腹三疊系以下地層組合形成的構(gòu)造。該套地層中，主要發(fā)育疊瓦式構(gòu)造、雙重構(gòu)造和沖起構(gòu)造。雙重構(gòu)造的底板逆斷層為下寒武統(tǒng)長江溝組砂泥巖層，頂板逆斷層為下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組上部紫紅色砂泥巖層［3］，形成于喜馬拉雅期。

3 構(gòu)造物理模擬與結(jié)果

3.1 模型分析

3.1.1 構(gòu)造變形

龍門山地區(qū)經(jīng)歷了多期構(gòu)造運動，在印支運動前天井山構(gòu)造的地質(zhì)應(yīng)力主要以拉張為主，控制了地層的巖性組合、發(fā)育范圍及沉積厚度，而影響天井山構(gòu)造現(xiàn)有構(gòu)造形態(tài)的地質(zhì)運動應(yīng)該從印支運動開始?？偟膩碚f，該地區(qū)主要的構(gòu)造運動有3期：喜馬拉雅運動、燕山運動、印支運動［4］。其中印支運動、燕山運動的右旋剪切擠壓造成了構(gòu)造呈雁列狀排列的構(gòu)造格局，而喜馬拉雅運動的強烈擠壓在原有構(gòu)造的基礎(chǔ)上形成了天井山構(gòu)造，并最終定型（圖4）。

印支期、燕山期原有的張性斷層發(fā)生反轉(zhuǎn)，并沿下三疊統(tǒng)內(nèi)的區(qū)域性滑脫層發(fā)生滑脫，現(xiàn)在天井山構(gòu)造地表的一系列古生界地層推覆，出露地表；喜馬拉雅期，擠壓活動再次進行，但受到巨厚推覆體的阻擋，推覆體隨下伏地層沿下寒武系發(fā)生滑脫、隆起，形成現(xiàn)在的構(gòu)造格局［5］。

3.1.2 變形特征

印支第三幕時期，隨著秦嶺大洋的全面關(guān)閉，南秦嶺構(gòu)造帶最終形成，以及印度板塊向歐亞板塊的俯沖作用使青藏高原和松潘－甘孜高原抬升，在松潘－甘孜和龍門山之間形成了一斜坡。由于后緣拉張，在重力滑覆作用下于龍門山前緣形成局部擠壓環(huán)境，前期先存的正斷層發(fā)生反轉(zhuǎn)，發(fā)育一系列高角度逆斷層，形成了龍門山前緣沖斷帶，發(fā)育薄皮構(gòu)造，在沖斷帶東側(cè)發(fā)育川西前陸盆地，沉積須四（T3x4）－須六段（T3x6）地層［5］。

喜馬拉雅運動使龍門山后緣發(fā)生強烈的基底卷入型褶皺變形，地層及早期滑脫面在強烈擠壓作用下褶皺抬升，并發(fā)育了一系列上沖斷層。由于后緣地層變形十分強烈，地層大量遭受剝蝕，泥盆系以上地層被剝蝕殆盡。天井山構(gòu)造印支第三幕構(gòu)造活動時期形成的逆斷層再次活動，上沖推覆，在天井山構(gòu)造核部形成斷彎褶皺，甚至是倒轉(zhuǎn)背斜。天井山構(gòu)造后翼淺層發(fā)育一系列后翼突破構(gòu)造，斷裂密集，大多消失于上部滑脫層飛仙關(guān)組內(nèi)部。天井山構(gòu)造前翼，前期斷層除繼續(xù)活動斷距加大外，還產(chǎn)生分支斷裂，形成帚狀構(gòu)造。天井山構(gòu)造靠近盆地一側(cè)，在下部震旦－飛仙關(guān)組中發(fā)育雙重構(gòu)造，下滑脫層位于寒武系底部，上滑脫位于飛仙關(guān)組內(nèi)部；同時，該期還形成大量對沖和背沖構(gòu)造，切割改造早期構(gòu)造［6］。

3.2 模型設(shè)計

根據(jù)天井山地區(qū)的變形過程，在厚度不變的條件下，設(shè)計的多組實驗分別考慮了基底坡度、滑脫層性質(zhì)等條件對構(gòu)造的控制作用。實驗?zāi)Ｐ烷L為160cm、高為20cm、寬為20cm，兩側(cè)為有機玻璃，一端由馬達驅(qū)進的活動擋板。本次物理模擬實驗選擇石英砂來模擬脆性地層，選擇硅膠和玻璃珠來模擬膏巖層。實驗中所選擇的石英砂的密度為 1297kg／m3，玻璃珠直徑為0.2～0.3 mm，硅膠的黏滯系數(shù)為1.2×104Pa·s，硅膠的密度為926kg／m3。實驗在中國石油勘探開發(fā)研究院（北京）構(gòu)造物理模擬實驗室進行。

圖4 TJS1114線印支、喜馬拉雅期演化剖面圖（AB剖面）Fig.4 Evolution profile of Indo－Chinese epoch and Himalayan epoch in Line TJS1114

3.3 實驗結(jié)果

模型基底為3°斜坡，上面一套滑脫層的材料為玻璃珠，厚度為5mm；下面一套滑脫層的材料為硅膠，厚度為0.5cm；模型總長為40cm（表1）。總縮短量為13.5cm，壓縮率約為33%，符合原始剖面壓縮量。圖5中A，B，C，D和E的伸縮量分別為0cm，5.5cm，7cm，10cm 和13.5 cm，模型側(cè)面及頂面運行過程分別由背面及正面兩臺相機記錄。實驗由北西向南東的速度為0.0025cm／s。照片的時間間隔為8s。

圖5 實驗?zāi)M過程圖Fig.5 Diagram of the experimental simulation process

表1 實驗?zāi)Ｐ蛿?shù)據(jù)Table 1 Experimental model data

開始擠壓后，當(dāng)伸縮量達到7cm時，開始出現(xiàn)傾角約為30°的后沖斷層，隨后出現(xiàn)一條傾角約為40°的前沖斷層，2條斷層組成不對稱背斜（圖5－B）。當(dāng)伸縮量達到12cm時，在不對稱背斜的前緣出現(xiàn)傾角平緩的4號斷層，爾后在變形的過程中發(fā)育調(diào)節(jié)性3號斷層，2條斷層組成一個平頂背斜（圖5－C）。當(dāng)伸縮量達到13cm時，出現(xiàn)6號斷層（圖5－E），出現(xiàn)倒轉(zhuǎn)背斜，前展變?yōu)楹笳?。模型主要有以下特點：（1）硅膠上覆砂層。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，其開始發(fā)育的時間較早，發(fā)育距離遠。（2）靠近擠壓端的強烈變形帶，發(fā)育一倒轉(zhuǎn)褶皺。（3）硅膠主要有2個聚集區(qū)，分別對應(yīng)于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）出現(xiàn)倒轉(zhuǎn)背斜，變形序列為：后緣褶皺形—前緣褶皺—回跳至中間變形，前展變?yōu)楹笳埂?/p>

3.4 模擬結(jié)果討論

實驗一代表多套滑脫層（玻璃珠）、基底為3°斜坡、正向擠壓應(yīng)力條件下的結(jié)果。模型總體仍保持楔體形態(tài)，靠近推進擋板厚，向推進方向逐漸減薄。前緣產(chǎn)生前展式上沖構(gòu)造，斷層呈平行狀組合。玻璃珠以上變形則以推覆構(gòu)造為主。變形的形態(tài)發(fā)育比較均一，從剖面上可以看出，主要為3條產(chǎn)狀相似的推覆構(gòu)造。與實際剖面有較大區(qū)別（圖6－A）。

實驗二代表多套滑脫層（硅膠）、基底為3°斜坡、正向擠壓應(yīng)力條件下的結(jié)果。隨著側(cè)板向沙層推擠，軟弱的硅膠層有阻擋下部上沖斷層向上擴展和作為上部沙層變形的滑脫層的作用，將沙層分為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。有2個值得注意的現(xiàn)象：（1）下部沙層形成的沖斷褶皺的倒轉(zhuǎn)翼部位，軟弱層有加厚的趨勢。（2）硅膠層下沙層的收縮變形相對集中，硅膠層之上沙層的變形相對分散，說明軟弱的硅膠層有順層滑動位移。形成的褶皺－沖斷帶形態(tài)為狹窄高錐度，與其較高的韌性基底層黏度有關(guān)［7－10］（圖6－B）。

圖6 天井山物理模擬結(jié)果與實際剖面對比Fig.6 The comparison of physical simulation results with the actual profile of Tianjingshan

實驗三代表多套滑脫層（玻璃珠）、基底水平、斜向擠壓應(yīng)力擠壓條件下的結(jié)果。玻璃珠以下的變形比較單一，是由單純的上沖斷層組成的前展式疊瓦構(gòu)造，玻璃珠以上則主要是一系列以玻璃珠為核心的斷層相關(guān)褶皺。自造山帶向前陸方向，模型大體上呈楔形，即在擠壓端比較厚，而越向前厚度越薄。總的來說，模型的垂向的不協(xié)調(diào)性和變形的方式主要受到玻璃珠的控制，隨著縮短量的增加，前翼發(fā)育一系列疊瓦狀上沖斷層。上沖斷層呈前展式發(fā)育，并且變形間距逐步加大（圖6－C）。

實驗四代表多套滑脫層（硅膠）、基底為3°斜坡、斜向擠壓應(yīng)力擠壓條件下的結(jié)果。（1）硅膠上覆沙層，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，其開始發(fā)育的時間較早，發(fā)育距離遠。（2）靠近擠壓端的強烈變形帶，發(fā)育一倒轉(zhuǎn)褶皺。（3）硅膠主要有2個聚集區(qū)，分別對應(yīng)于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）出現(xiàn)倒轉(zhuǎn)背斜，變形序列為：后緣褶皺變形—前緣褶皺—回跳至中間變形，前展變?yōu)楹笳?。說明隨著基底層黏度的增加，后沖斷層開始占據(jù)主導(dǎo)地位，呈現(xiàn)后展式序列［7－10］，與天井山的構(gòu)造變形過程比較一致（圖6－D）。

4 結(jié)論

天井山構(gòu)造位于龍門山?jīng)_斷前鋒帶，淺層表現(xiàn)為一系列斷片組成的后翼突破構(gòu)造，中部以呈前展式發(fā)育的疊瓦狀構(gòu)造和斷彎褶皺為主，地腹則發(fā)育疊瓦式構(gòu)造、雙重構(gòu)造為主，經(jīng)物理模擬實驗，表明了：

a.在擠壓應(yīng)力作用下，變形主要集中在施力方，越靠近力源，變形越強烈，并且發(fā)育基底卷入的厚皮構(gòu)造。而天井山地區(qū)印支期主要發(fā)育薄皮構(gòu)造，由此可見該地區(qū)印支期動力學(xué)機制不是以擠壓為主，而是受南北向擠壓應(yīng)力與北西－南東向重力滑覆共同作用。

b.證實了天井山構(gòu)造存在多個滑脫層系，滑脫層上下形成分層變形、垂向疊置的不協(xié)調(diào)收縮構(gòu)造變形。

c.喜馬拉雅期天井山構(gòu)造在北西－南東向擠壓應(yīng)力作用下變形序列為以前展式為主。

d.由于實驗條件的限制，無法進行多軸應(yīng)力、重力滑覆實驗，因而變形特征不可能完全一致，但其主要變形特征和變形序列大體相似。

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