羅 強，何 宇，黃家強，張 靜，梁 霄，于 豪，楊榮軍，鄧 賓

(1.成都理工大學“油氣藏地質及開發(fā)工程”國家重點實驗室，成都 610059；2.中國石油 塔里木油田分公司，新疆 庫爾勒 841000；3.中國石油勘探開發(fā)研究院 四川盆地研究中心，成都 610094)

基于幾何學—運動學相似性和“實驗—實例”互證過程的砂箱構造物理模型模擬，能夠最大限度地再現(xiàn)自然界地質結構中潛在的復雜性和不確定性，尤其是多邊界條件的物理模型，如：結構機制層模型、應力—應變疊加模型和同構造剝蝕—沉積模型等[1-2]。砂箱構造物理模型模擬和斷層相關褶皺端元模型等方法相結合，已廣泛地應用于沖斷褶皺帶—前陸盆地系統(tǒng)等結構—構造特征研究，它們能夠有效解釋自然界沖斷帶—前陸盆地系統(tǒng)淺表構造變形過程及其相關含油氣系統(tǒng)過程[3-5]。

揚子板塊西緣晚三疊世以來形成的龍門山造山帶—川西前陸盆地系統(tǒng)既是中國大陸西部中—新生代沖斷構造和陸內前陸盆地的典型代表，又是四川盆地天然氣勘探最重要的區(qū)塊之一。前陸盆地形成演化是四川盆地油氣基礎地質研究的重要內容[6-9]，從造山帶向前陸盆地的前展式擴展變形特征與川西油氣聚集有緊密聯(lián)系[10]。但限于地層埋深大、鉆探難等復雜條件，川西油氣勘探成果主要集中于上三疊統(tǒng)須家河組和侏羅系等幾套淺層陸相儲集體中，如：中壩氣田和平落壩氣田。前陸盆地陸相地層天然氣探明儲量超過1.0×1012m3 [11]，近年川西北雙魚石地區(qū)深層下二疊統(tǒng)棲霞組(完鉆7口井、獲工業(yè)氣井5口、平均單井測試產量56.67×104m3/d)和泥盆系觀霧山組的突破[12]，揭示川西北段深層海相層系巨大的油氣勘探潛力。但當前川西北段油氣勘探仍存在諸多問題，如：多相態(tài)的油氣顯示特征與構造分帶性、多期構造演化與油氣保存條件、復雜構造與圈閉落實等。

因此，本文基于構造物理模型模擬手段，以川西北段造山帶—前陸盆地系統(tǒng)為研究目標，模擬川西前陸盆地山前帶隱伏帶構造形成演化過程，為川西北山前帶雙魚石地區(qū)古生界層系含油氣構造模型解釋及其油氣成藏過程研究提供模型參考。

1 川西北段區(qū)域地質特征

晚三疊世松潘—甘孜褶皺帶SE向逆沖推覆與川西前陸盆地形成了龍門山造山帶—川西前陸盆地系統(tǒng)，導致龍門山?jīng)_斷帶自北西向南東發(fā)育4條主干斷裂：茂縣—汶川斷裂、北川—映秀斷裂、安縣—灌縣斷裂和廣元—大邑(隱伏)斷裂。通常以北川—映秀斷裂為界將龍門山?jīng)_斷帶劃分為龍門山后山帶和前山帶，將安縣—灌縣—馬角壩斷裂和廣元—大邑(隱伏)斷裂之間稱為前陸擴展變形帶或山前帶。龍門山—川西前陸系統(tǒng)沿主干斷裂傾向由北西向南東具明顯構造變形層次漸淺、變形強度減弱、卷入層位變新的趨勢，總體上呈從沖斷帶到前陸方向的擴展分帶性特征；走向上基底性質及展布、地層發(fā)育和活動構造等具差異性走向分帶性特征[13-15]。川西北段通常指川西北川—安縣一帶以北至廣元地區(qū)的龍門山—川西前陸盆地系統(tǒng)的北段(圖1)。

圖1 川西北地區(qū)地質概況Fig.1 Geological map of northwestern Sichuan Basin

川西北段通常由涼水—南壩斷裂和馬角壩斷裂分為以具淺變質特征的志留系—元古代層系后山帶(常簡稱為轎子頂推覆體)和以古生界碳酸鹽巖層系為主的前山帶(常簡稱為唐王寨推覆體)。川西北段山前隱伏斷層常被上覆侏羅系紅層覆蓋而斷續(xù)出露，分割前陸擴展變形帶(山前帶)和前陸盆地；前者為寒武系—三疊系組成、發(fā)育強烈斷裂和褶皺體系，明顯區(qū)別于前陸盆地地區(qū)的近水平展布的侏羅系—白堊系陸相紅層。受控于龍門山—川西前陸盆地系統(tǒng)晚三疊世和新生代兩期NW向SE擴展變形過程[16-17]，在山前帶—前陸盆地區(qū)形成沿NE—SW走向展布的沖斷褶皺構造，如：礦山梁、天井山、青林口、中壩和雙魚石等構造。由于前陸沖斷帶多期活動性，沿山前帶不同層系出露瀝青(如：礦山梁、碾子壩等下寒武統(tǒng)和天井山泥盆系黑色瀝青)、液態(tài)油(如：天井山泥盆系、青林口侏羅系等油砂)和淺層凝析油—稠油(如：長江溝飛仙關組原油、厚壩侏羅系稠油)等。

川西前陸北段乃至大部分四川盆地區(qū)，受加里東期構造運動相關剝蝕作用導致區(qū)域泥盆系、石炭系和志留系總體上大量缺失，其余古生界—中生界層系在本地區(qū)出露較全，尤其是近期基于盆緣地表—盆內地球物理資料聯(lián)合研究揭示出的川西早古生界拉張槽及其相關下寒武統(tǒng)巨厚深水沉積成因的筇竹寺組黑色泥巖層系[18]。早—中三疊世受控于碳酸鹽巖臺地相沉積，川西地區(qū)沉積了巨厚的泥巖—膏鹽層系(即飛仙關組泥巖、嘉陵江—雷口坡組膏鹽層系)；隨后川西前陸盆地進入陸相前陸盆地演化階段。受控于上述2套滑脫層系和沖斷帶前展式擴展變形過程，川西前陸盆地發(fā)育復雜構造樣式，如：隱伏堆垛背斜構造/疊置背斜、疊瓦狀沖斷、斷層轉折/傳播褶皺和雙重構造等，且存在深、淺部滑脫分割形成的不同構造樣式。川西北雙魚石地區(qū)三維地震資料解釋，揭示出本地區(qū)具巨厚下寒武統(tǒng)筇竹寺組黑色頁巖層系和中—下三疊統(tǒng)膏鹽滑脫層系，構造樣式上具有典型的前展式?jīng)_斷構造與沖起構造樣式，尤其古生界層系發(fā)育典型的反向沖斷層，它們與前展式?jīng)_斷層局部構成斷層三角帶等。

2 砂箱物理模擬模型設置

砂箱物理模型基于相似性原理模擬沖斷褶皺帶—前陸盆地系統(tǒng)淺表構造變形作用過程，即它們普遍被認為遵循Mohr-Coulomb破裂準則[19-21]。因此實驗中采用石英砂建模，它們普遍具有中等磨圓、較好分選性，平均粒度和密度分別為0.2～0.4 mm和1.55 g/cm3，內摩擦角和摩擦系數(shù)分別為29°～31° 和0.58[22-23]，且石英砂普遍具有近似線性的庫倫—摩爾破裂變形行為和近似為零的內聚力值(20～100 Pa)，能夠有效模擬0～10 km淺表地殼構造變形過程[24-26]。實驗過程中，分別使用玻璃珠和硅膠代表自然界泥巖(下寒武統(tǒng)筇竹寺組泥巖、下志留統(tǒng)龍馬溪組泥頁巖)和膏鹽滑脫層系(中—下三疊統(tǒng)膏鹽層系)[27]。為了獲得合理的實驗模擬結果，需要遵循實驗室模型和自然界實際構造模型幾何學、運動學和動力學的相似性[2, 24]。因此，需結合川西前陸地區(qū)實際地層展布特征和區(qū)域結構—構造特征設計具體物理模型垂向物質比例系數(shù)和結構邊界條件(圖2)。

本次共設計2組川西北段砂箱物理模型模擬實驗，即(1)實際地層比例模型標準實驗和(2)斷坪—斷坡結構模擬實驗。地層比例模型實驗為標準化實驗基礎，以川西北雙魚石地區(qū)平均地層厚度結構為幾何學標準，采用的幾何學比例系數(shù)為5×10-6，即砂箱模型中1 cm代表自然界中2 km厚度，模型底部、中部和上部分別加入1～2 mm、2～3 mm、3～4 mm和2～3 mm玻璃珠或硅膠代替垂向地層中滑脫層系。斷坪—斷坡結構模型實驗中與標準化實驗僅2個邊界條件不同，(1)基底加入4～5 mm厚度玻璃珠代替現(xiàn)今下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖層系和(2)基底厚度4～5 mm的樹脂面板代替現(xiàn)今下寒武統(tǒng)底部上超界面“陡坡帶”(為基底滑脫變形的應變集中帶)，斷坡角為國際常用的45°[28-29]。實驗都在成都理工大學“油氣藏地質與開發(fā)工程”國家重點實驗室構造物理模擬實驗室開展。均質石英砂物質通過勻速篩網(wǎng)自動鋪設并分步驟間序加入玻璃珠和硅膠，形成長寬高為850 mm×345 mm×39 mm砂體，且石英砂中鋪設約1 mm厚彩色石英砂作為標志層以便于構造變形過程監(jiān)測和量化對比等(圖2)。為減小砂箱物理模型中石英砂均質體周圍玻璃隔板的邊界效應，鋪設石英砂前使用有機去泡劑潤滑模型周圍玻璃隔板。

重力條件下應變比例系數(shù)能夠通過物理模型與自然界模型比例系數(shù)來表達，應變比例系數(shù)σ*=ρ*L*g*, 其中ρ*、L*、g*分別為物理模型和自然模型的密度、長度和重力加速度間比例系數(shù)，因此計算得到，σ*=6.6×10-6。若自然界巖石剪切強度為5～20 MPa，物理模型內聚力強度約為20～100 Pa，它們普遍適用于正常重力條件下比例砂箱物理模型。本次實驗模型中采用擠壓速率為0.003 mm/s，代表自然界中大致縮短速率為7.1 km/Myr，進行模型模擬對比實驗。

表1 砂箱物理模型模擬實驗比例系數(shù)特征Table 1 Scale coefficient for sandbox physical model of simulation experiments

系數(shù)。表中部分參數(shù)來源于文獻[23]，計算公式參考文獻[4]。

圖2 川西北段砂箱物理模型邊界條件示意Fig.2 Boundary conditions for sandbox model of northwestern Sichuan Basin

每組砂箱物理模型實驗中，通過砂箱裝置左側活動擋板恒定速率擠壓砂箱物質產生縮短變形。擠壓縮短變形過程中，使用同步數(shù)碼相機每間隔1.0 mm 縮短量記錄物質變形過程，擠壓縮短完成后使用圖像編輯軟件每間隔5 mm縮短量量化測量楔形體幾何參數(shù)并進行對比研究，如：楔高、楔長、楔頂角等。

3 砂箱物理模型模擬結果

3.1 川西北段地層比例模型標準實驗結果

伴隨持續(xù)擠壓縮短過程，砂箱物質變形過程可以分為2個典型階段，即前展式擴展變形階段和雙重構造擴展變形階段。前展式擴展變形階段中，楔形體后緣擠壓縮短導致砂箱物質淺部和深部發(fā)生一致的構造變形，以從沖斷帶到前陸盆地的沖斷擴展變形過程為主；楔形體楔高和楔長伴隨砂箱物質前緣新生斷層形成而快速生長，且楔長具有與新生斷層形成相一致的躍遷性和階段性(圖4)，每當新生斷層形成后楔長伴隨擠壓縮短具有逐漸減小的特征，與砂箱物質明顯的平行層擠壓縮短變形特征相一致，如：當縮短量為40 mm時形成新生T2逆斷層、楔長從75 mm快速生長至95 mm，隨后擠壓縮短過程中楔長逐漸減小至約80mm(對應縮短量約為65mm時)。雙重構造擴展變形階段中，伴隨擠壓縮短砂箱物質首先沿淺部滑脫層系發(fā)生前展式逆沖與擴展變形，形成淺部滑脫逆沖斷層，隨后發(fā)生深部逆沖斷層及其相關斷坪—斷坡結構，形成典型的雙重構造。由于砂箱物質淺部和深部先后分別發(fā)生前展式擴展過程，雖然本階段楔形體楔長生長仍然與淺部滑脫逆沖斷層新生具有一致性，呈現(xiàn)出階段性生長過程，但其楔形體高度生長速率明顯較早期階段緩慢(圖4)。

圖3 川西北段地層比例標準(a)和斷坪—斷坡結構(b)模型實驗演化及其解釋①-⑨.擠壓縮短量逐漸增加導致造山帶楔形體物質序次變形過程，⑨.模型擠壓結果構造解釋圖。圖中沖斷層及其相關褶皺結構按照形成演化序列標注，等.淺部滑脫層系逆沖斷層，等.深部前展式逆斷層，深部反沖斷層Fig.3 Evolution and interpretation of standard scaled (a)and the pre-existingramp-flat structure(b)experiment of northwestern Sichuan Basin

圖4 川西北段砂箱物理模型模擬楔形體幾何學特征Fig.4 Geometric features of wedges in sandbox analogue experiments of northwestern Sichuan Basin

3.2 川西北段斷坪—斷坡結構模型模擬結果

與標準實驗模型模擬結果相似，斷坪—斷坡結構模型中楔形體高度生長大致也分為早期快速生長階段和晚期緩慢生長階段，同時楔形體長度(即楔長)伴隨楔形體前緣新生逆沖斷層形成呈現(xiàn)出階段性躍遷生長特征(圖4)。至最終擠壓縮短量為300 mm時，標準模型和斷坪—斷坡結構模型楔長、楔形體高度和楔頂角等特征總體一致，揭示出斷坪—斷坡結構雖然導致砂箱物質深部變形過程與構造特征存在重要差別，但對楔形體淺表幾何學特征作用不明顯。

4 川西北前陸沖斷構造特征及其物理模擬意義

4.1 分層式擴展變形過程及其雙重構造特征

沖斷褶皺帶擠壓變形過程中通常形成3種典型的擴展變形過程模式(圖5)，即“背馱式”擴展變形模式(或前展式擴展變形模式)、后陸式擴展變形模式和介于二者之間的無序沖斷擴展變形模式[30]，常形成典型的疊瓦狀沖斷巖片。前展式擴展變形模式強調受造山帶向盆地方向擠壓變形作用控制，新生斷層常發(fā)育于早期斷層下盤，成“背馱式”依次向前陸盆地沖斷擴展，導致前陸盆地方向斷層形成活動年齡變新。后陸式擴展變形模式則與前者相反，強調新生斷層通常在早期斷層的上盤形成，逐漸向后陸地區(qū)沖斷擴展、導致往盆地方向斷層年齡變老，常常發(fā)育在以重力擴展成因為主的構造變形地區(qū)[31]，它通常會導致基底主滑脫層及其前緣層系構造變形停止；而無序沖斷擴展變形過程則介于上述兩種端元之間，沒有明顯的擴展變形活動序列過程。

圖5 沖斷褶皺帶典型擴展生長變形過程模式Fig.5 Typical propagation process of fold and thrust belt

川西前陸盆地構造物理模型中(即標準實驗模型和斷坪—斷坡結構模型中)，伴隨楔形體后緣持續(xù)擠壓縮短過程，前展式擴展變形過程分別發(fā)生在基底滑脫層系和淺部滑脫層系，從而體現(xiàn)出分層式擴展沖斷變形特征。在楔形體擠壓生長后期(臨界楔后期)通常率先發(fā)生淺部滑脫層系的前展式滑脫擴展沖斷變形(形成淺部疊瓦狀沖斷結構)，隨后再發(fā)生深部層系的前展式滑脫擴展沖斷變形(圖5d)，從而在沖斷層前緣深部(如：山前隱伏斷層帶地區(qū)等)形成典型的雙重構造，其前緣斷層普遍存在多期活動特征，而明顯區(qū)別于上述3種擴展變形模式及其相關疊瓦狀沖斷帶特征。結合川西北地區(qū)地震剖面結構解析，也揭示出前陸盆地山前隱伏帶深層區(qū)域存在廣泛的雙重構造，如：礦山梁雙重構造、天井山雙重構造等[9, 17, 32]，其頂?shù)装迥鏇_斷層應分別沿中—下三疊統(tǒng)膏鹽層系和下寒武統(tǒng)筇竹寺組泥巖層系滑脫。BONINI 通過多滑脫層系構造物理模型模擬，強調受控于基底、上部滑脫層系和砂箱物質間強度比及其厚度[33-34]，通常會形成(1)從沖斷帶到前陸盆地擴展傳播的雙重構造和(2)被動頂板沖斷雙重構造樣式，而前陸盆地區(qū)同構造沉積作用也進一步加劇形成被動頂板雙重構造的趨勢。與之相似，NILFOUROUSHAN等[35]通過雙層滑脫屬性數(shù)字模型模擬實驗中也得到相似的分層式擴展變形演化過程及其相關雙重構造，但他更強調物質材料本身屬性(即內聚力大小)對于多層滑脫模型與變形過程的控制作用。

分層式前陸擴展變形模式及其形成演化過程也表明砂箱物質和自然界實例中垂向空間格架上可能存在構造變形強度、變形樣式和縮短變形量等差異。如：標準模型試驗中縮短量為300 mm時其深部簡單的雙重構造與上覆層系滑脫沖斷變形(圖3a的⑨)，斷坪—斷坡構造模型中縮短量為205 mm時，深部簡單沖起構造與上覆層系滑脫沖斷變形(圖3b的⑦)等。垂向空間變形特征差異性主要受控于淺部滑脫層系的順層滑脫作用，從而導致山前帶深部層系構造變形明顯弱于淺部強構造變形，因此具有更加有利的油氣保存條件。

4.2 川西北構造帶新生代擴展變形構造特征

分層式前陸擴展變形演化過程強調沖斷褶皺帶—前陸盆地中淺部滑脫沖斷變形過程明顯早于深部逆沖斷層構造變形活動過程，沖斷帶后緣持續(xù)擠壓過程導致深部層系發(fā)生前展式?jīng)_斷擴展變形，形成典型深部斷坡結構，最終連接順滑脫層的斷坪和淺部斷坡結構，形成典型的雙重構造；導致沖斷帶系統(tǒng)持續(xù)向前陸盆地擴展變形生長，其砂箱物質深部層系構造樣式通常為楔形體前展式擴展最晚期構造變形過程中形成。晚三疊世以來，龍門山造山帶—川西前陸盆地系統(tǒng)在印支期、燕山期和新生代喜瑪拉雅期持續(xù)發(fā)生多期擠壓構造變形，導致沖斷帶持續(xù)由NW向SE擴展變形[7, 14, 36]。因此，川西前陸地區(qū)山前隱伏帶中—下三疊統(tǒng)滑脫層之下的古生界層系構造樣式應為龍門山?jīng)_斷帶晚期前展式擴展變形過程中形成，結合龍門山地區(qū)新生代顯著的構造縮短特征和現(xiàn)今強烈的地震活動等[37]，我們認為川西北雙魚石構造帶深層古生界結構樣式及其相關變形為晚期新生代構造成因。

標準實驗模型和斷坪—斷坡結構模型實驗對比，揭示出后者深部砂箱物質受控于基底滑脫層和斷坡結構的反向作用過程，從而形成典型的深部沖起構造和相關沖斷層等(圖3b)。DENG 等[23]通過砂箱物理模型模擬，揭示出低速擠壓縮短變形過程及其相關典型的對稱性沖起構造特征。同時NILFOUROUSHAN 等[35]也強調深部沖起結構帶發(fā)育的位置及其規(guī)模受控于淺部滑脫層系與下伏層系間的脫耦作用，伴隨砂箱物質屬性內聚力減小，深部層系更加容易形成沖起構造帶。川西前陸盆地早寒武世受控于興凱地裂運動，沉積了巨厚的下寒武統(tǒng)筇竹寺組泥巖層系，它既是川西地區(qū)最優(yōu)質的烴源巖之一，又是典型基底滑脫層系[18]。受控于龍門山?jīng)_斷帶向前陸盆地擴展變形過程，沿基底滑脫層系發(fā)生晚期滑脫擴展變形過程，滑脫層系越厚、滑脫擴展變形作用越強，其上覆地層卷入變形形成沖起構造規(guī)模影響越顯著。對川西北前陸區(qū)的地震測線構造解釋，揭示出在下伏包含巨厚筇竹寺組泥巖層系的區(qū)域普遍發(fā)育典型的沖起構造(圖6)，且部分沖起構造主斷層滑脫歸并于下伏基底滑脫面，它們充分表明區(qū)域晚期擴展變形作用的重要性。值得一提的是，川西北雙魚石構造沖斷前緣深部隱伏了綿陽—長寧拉張槽的東部邊界，現(xiàn)今的構造解釋表明，拉張槽邊界(幾何形態(tài)可充當基底斷坡)對上覆地層中—新生代以來的前展式擴展變形有重要控制作用，主要體現(xiàn)在斷坡位置附近發(fā)育由NW向前展式逆沖斷層和SE向反沖斷層構成的沖起構造和構造三角帶，不同于兩側僅發(fā)育單向的逆沖斷層，鉆獲高產工業(yè)氣流的ST1井和ST3井均鉆于該區(qū)構造高點(圖6)。

4.3 山前帶古生界深層油氣勘探潛力

圖6 川西北前陸區(qū)地震測線及其深部沖起結構構造解釋對比測線位置見圖1。Fig.6 Seismic lines of the foreland zone in northwestern Sichuan Basin and the interpretation of their thrust and pop-up structures

受龍門山造山帶新生代擴展變形作用控制，川西北前陸盆地區(qū)古生界層系主體構造形成期較晚，同時其上覆中—下三疊統(tǒng)膏鹽層系作為盆地區(qū)域蓋層具較好封蓋保存條件。因此，川西北前陸區(qū)深層古生界圈閉成藏的關鍵是能否有效捕獲和聚集油氣。由于川西地區(qū)生油氣層較多，如：陡山沱組黑色泥巖、筇竹寺組黑色泥巖等，我們認為川西前陸區(qū)晚期形成的原地構造系統(tǒng)具有較佳的油氣勘探前景；尤其是古生界層系中發(fā)育大量構造圈閉，部分斷層能夠垂向溝通多個有效烴源巖層，具有形成大中型油氣聚集帶的天然優(yōu)勢條件。目前川西北雙魚石地區(qū)下二疊統(tǒng)棲霞組多口探井平均測試產量高達56.67×104m3/d，初步展示了川西前陸區(qū)原地系統(tǒng)古生界層系的良好勘探前景。

5 結論

(1)龍門山?jīng)_斷帶—川西前陸盆地系統(tǒng)砂箱構造物理模型模擬揭示，伴隨持續(xù)擠壓縮短過程砂箱物質變形可以大致分為前展式擴展變形階段和雙重構造擴展變形兩階段。早期階段以砂箱物質淺部和深部發(fā)生一致的前展式?jīng)_斷擴展變形為主；晚期雙重構造擴展變形階段，首先沿淺部滑脫層系發(fā)生前展式擴展變形與逆沖變形，形成淺部疊瓦狀滑脫逆沖斷層，隨后再發(fā)生深部逆沖斷層并發(fā)育相關斷坪—斷坡結構，最終形成深部隱伏雙重構造，整體上表現(xiàn)為分層式擴展變形特征。

(2)分層式擴展變形模式揭示出龍門山川西前陸區(qū)原地系統(tǒng)隱伏構造晚期新生代構造擴展變形成因機制及其相對較弱的構造變形特征。深部物質受控于基底滑脫和斷坪—斷坡結構形成前陸盆地深部古生界層系沖起構造和構造三角帶，它們構成了川西北深層古生界最有利的油氣圈閉，是目前川西北深層勘探的潛力區(qū)。