川西北天井山构造变形特征与物理模拟

李 卿 李忠权

（油气藏地质及开发工程国家重点实验室（成都理工大学），成都610059）

2008年汶川大地震后，天井山地区发现了大量的油气苗，引起了许多学者的关注，并进行了大量的研究工作，如周文等（2008）、邓绍强等（2009）认为天井山古油藏分布受控于构造，只有把该地区的构造变形规律及演化规律弄清楚，才能对油气圈闭进行正确的评价［1－2］。但迄今为止对天井山地区的构造变形和演化过程的研究主要基于野外调查和钻井分析，还没有针对构造模式和结果进行过构造物理模拟。因此，笔者通过野外调查和地震资料，探讨了天井山构造的构造变形，在此基础上对天井山构造进行构造物理模拟，为天井山构造的构造样式和构造变形建立试验证据，这对龙门山北段地区的构造变形和构造样式也具有一定的指导意义。

1 地质概况

天井山地区位于四川盆地的西北部，为一大体呈北东向展布且大致与龙门山山脉平行的区块（图1）。东边区域跨入广元市境内罗妙真（属剑阁县），其东南起于江油市厚坝—广元盐店一线，西北达江油市沉永—雁门一线。

图1 龙门山褶皱冲断带构造纲要图及研究区域Fig.1 Structural outline of the fold－thrust belt and study area of Longmen Mountains

天井山地区地形险峻，山体绵延，沟壑纵横，山系以北东向为主，地表海拔高度变化在0.5～2 km之间，总趋势呈西北高、东南低，属龙门山前陆推覆—冲断带和龙门山前陆盆地。由于特殊的构造位置，区内断裂众多，因而地面构造复杂多样，其构造与断层的走向多为近北东向，主要的区域性大断裂为雁门坝断裂和马角坝断裂（也称彭灌断裂），区域性大断层破碎带宽度可达数米，地层倾角变化剧烈。区内地面主要正向构造为天井山背斜，其次有苟家垭倒转背斜和水跟头倒转背斜等。天井山背斜（图2）为一线状背斜，其南西端延至二郎庙一带，后消失在超覆层之下，北东端以13°倾角倾没于马鹿坝以东。背斜核部由石炭系、泥盆系及寒武系组成，两翼地层主要为三叠系、二叠系，岩性总体上以碳酸盐岩为主［2］。

图2 天井山地区地质图Fig.2 Geological map of Tianjingshan area

2 构造变形特征

综合TJ1井钻井分层、倾角测井资料、地表地质调查、构造样式分析，结合地震解释的地腹构造、演化特征、形成机制分析等建立以TJS1114（A－B）线为基础的天井山构造地质模型。

印支期在重力滑覆的作用下，在现今天井山构造主体部位发育冲断构造，断坡陡直，并且大多出露当时地面（须三顶）。喜马拉雅期在北西向南东强大的挤压力作用下，早期构造被改造，叠加后期褶皱，从而形成地层倒转及断面弯曲。在挤压推覆过程中，地腹中坚硬层中形成一系列的叠瓦状断层，将地层切割成若干叠瓦状断块，形成叠瓦式构造及双重构造；叠瓦状断层上陡下缓，向下消失在前震旦系非坚硬层中［3］。

综上所述，根据构造形成机制、所发育的构造样式及所处构造部位，区内的构造可划分为3个构造单元（图3）。

图3 天井山构造模式图Fig.3 Tectonic model of Tianjingshan

浅层推覆构造单元（a）：位于马角坝断裂带与天井山主高点之间，浅部滑脱层之上，后翼突破构造为断层相关褶皱前翼上形成的调节主构造应变状态的次生破裂构造。运动学特征表现为多产生于主构造已有相当强烈的变形之后，龙门山山前带的地震剖面上大量发育后翼突破构造。后翼突破构造主要位于天井山背斜西北翼发育一系列断片，断裂产状通常较陡，呈密集产出，组成后翼突破构造多表现为扩展性质，形成于喜马拉雅期。

中部冲断滑覆构造单元（b）：位于马角坝断裂带下盘的天井山构造主体部位，东至天井山构造前翼东缘，包括从基底至地表的所有地层，是在早期冲断构造上叠加推覆构造，形成叠瓦状构造和断弯褶皱。组成叠瓦构造的断层，倾向为北西，向下延伸至下寒武统长江沟组第一段的非坚硬层；断层的产状向下渐渐趋于水平，且多条断层合并为共同的断层滑脱面。总体而言，后翼地层相对较缓；前翼地层陡直破碎，形成堆垛；核部为断弯褶皱，出露最老地层为寒武系。形成于印支期，定型于喜马拉雅期。

地腹叠瓦双重构造单元（c）：指天井山构造主体以东地腹三叠系以下地层组合形成的构造。该套地层中，主要发育叠瓦式构造、双重构造和冲起构造。双重构造的底板逆断层为下寒武统长江沟组砂泥岩层，顶板逆断层为下三叠统飞仙关组上部紫红色砂泥岩层［3］，形成于喜马拉雅期。

3 构造物理模拟与结果

3.1 模型分析

3.1.1 构造变形

龙门山地区经历了多期构造运动，在印支运动前天井山构造的地质应力主要以拉张为主，控制了地层的岩性组合、发育范围及沉积厚度，而影响天井山构造现有构造形态的地质运动应该从印支运动开始。总的来说，该地区主要的构造运动有3期：喜马拉雅运动、燕山运动、印支运动［4］。其中印支运动、燕山运动的右旋剪切挤压造成了构造呈雁列状排列的构造格局，而喜马拉雅运动的强烈挤压在原有构造的基础上形成了天井山构造，并最终定型（图4）。

印支期、燕山期原有的张性断层发生反转，并沿下三叠统内的区域性滑脱层发生滑脱，现在天井山构造地表的一系列古生界地层推覆，出露地表；喜马拉雅期，挤压活动再次进行，但受到巨厚推覆体的阻挡，推覆体随下伏地层沿下寒武系发生滑脱、隆起，形成现在的构造格局［5］。

3.1.2 变形特征

印支第三幕时期，随着秦岭大洋的全面关闭，南秦岭构造带最终形成，以及印度板块向欧亚板块的俯冲作用使青藏高原和松潘－甘孜高原抬升，在松潘－甘孜和龙门山之间形成了一斜坡。由于后缘拉张，在重力滑覆作用下于龙门山前缘形成局部挤压环境，前期先存的正断层发生反转，发育一系列高角度逆断层，形成了龙门山前缘冲断带，发育薄皮构造，在冲断带东侧发育川西前陆盆地，沉积须四（T3x4）－须六段（T3x6）地层［5］。

喜马拉雅运动使龙门山后缘发生强烈的基底卷入型褶皱变形，地层及早期滑脱面在强烈挤压作用下褶皱抬升，并发育了一系列上冲断层。由于后缘地层变形十分强烈，地层大量遭受剥蚀，泥盆系以上地层被剥蚀殆尽。天井山构造印支第三幕构造活动时期形成的逆断层再次活动，上冲推覆，在天井山构造核部形成断弯褶皱，甚至是倒转背斜。天井山构造后翼浅层发育一系列后翼突破构造，断裂密集，大多消失于上部滑脱层飞仙关组内部。天井山构造前翼，前期断层除继续活动断距加大外，还产生分支断裂，形成帚状构造。天井山构造靠近盆地一侧，在下部震旦－飞仙关组中发育双重构造，下滑脱层位于寒武系底部，上滑脱位于飞仙关组内部；同时，该期还形成大量对冲和背冲构造，切割改造早期构造［6］。

3.2 模型设计

根据天井山地区的变形过程，在厚度不变的条件下，设计的多组实验分别考虑了基底坡度、滑脱层性质等条件对构造的控制作用。实验模型长为160cm、高为20cm、宽为20cm，两侧为有机玻璃，一端由马达驱进的活动挡板。本次物理模拟实验选择石英砂来模拟脆性地层，选择硅胶和玻璃珠来模拟膏岩层。实验中所选择的石英砂的密度为 1297kg／m3，玻璃珠直径为0.2～0.3 mm，硅胶的黏滞系数为1.2×104Pa·s，硅胶的密度为926kg／m3。实验在中国石油勘探开发研究院（北京）构造物理模拟实验室进行。

图4 TJS1114线印支、喜马拉雅期演化剖面图（AB剖面）Fig.4 Evolution profile of Indo－Chinese epoch and Himalayan epoch in Line TJS1114

3.3 实验结果

模型基底为3°斜坡，上面一套滑脱层的材料为玻璃珠，厚度为5mm；下面一套滑脱层的材料为硅胶，厚度为0.5cm；模型总长为40cm（表1）。总缩短量为13.5cm，压缩率约为33%，符合原始剖面压缩量。图5中A，B，C，D和E的伸缩量分别为0cm，5.5cm，7cm，10cm 和13.5 cm，模型侧面及顶面运行过程分别由背面及正面两台相机记录。实验由北西向南东的速度为0.0025cm／s。照片的时间间隔为8s。

图5 实验模拟过程图Fig.5 Diagram of the experimental simulation process

表1 实验模型数据Table 1 Experimental model data

开始挤压后，当伸缩量达到7cm时，开始出现倾角约为30°的后冲断层，随后出现一条倾角约为40°的前冲断层，2条断层组成不对称背斜（图5－B）。当伸缩量达到12cm时，在不对称背斜的前缘出现倾角平缓的4号断层，尔后在变形的过程中发育调节性3号断层，2条断层组成一个平顶背斜（图5－C）。当伸缩量达到13cm时，出现6号断层（图5－E），出现倒转背斜，前展变为后展。模型主要有以下特点：（1）硅胶上覆砂层。变形主要集中在硅胶的两端，两端之间的变形不明显，对应前端增厚区的前端变形为一箱状背斜，其开始发育的时间较早，发育距离远。（2）靠近挤压端的强烈变形带，发育一倒转褶皱。（3）硅胶主要有2个聚集区，分别对应于变形的前端和变形后端的前部，上覆沉积负载的硅胶流向两边的聚集区。（4）出现倒转背斜，变形序列为：后缘褶皱形—前缘褶皱—回跳至中间变形，前展变为后展。

3.4 模拟结果讨论

实验一代表多套滑脱层（玻璃珠）、基底为3°斜坡、正向挤压应力条件下的结果。模型总体仍保持楔体形态，靠近推进挡板厚，向推进方向逐渐减薄。前缘产生前展式上冲构造，断层呈平行状组合。玻璃珠以上变形则以推覆构造为主。变形的形态发育比较均一，从剖面上可以看出，主要为3条产状相似的推覆构造。与实际剖面有较大区别（图6－A）。

实验二代表多套滑脱层（硅胶）、基底为3°斜坡、正向挤压应力条件下的结果。随着侧板向沙层推挤，软弱的硅胶层有阻挡下部上冲断层向上扩展和作为上部沙层变形的滑脱层的作用，将沙层分为2个变形层，并且上下变形层之间的滑脱导致硅胶层局部加厚。有2个值得注意的现象：（1）下部沙层形成的冲断褶皱的倒转翼部位，软弱层有加厚的趋势。（2）硅胶层下沙层的收缩变形相对集中，硅胶层之上沙层的变形相对分散，说明软弱的硅胶层有顺层滑动位移。形成的褶皱－冲断带形态为狭窄高锥度，与其较高的韧性基底层黏度有关［7－10］（图6－B）。

图6 天井山物理模拟结果与实际剖面对比Fig.6 The comparison of physical simulation results with the actual profile of Tianjingshan

实验三代表多套滑脱层（玻璃珠）、基底水平、斜向挤压应力挤压条件下的结果。玻璃珠以下的变形比较单一，是由单纯的上冲断层组成的前展式叠瓦构造，玻璃珠以上则主要是一系列以玻璃珠为核心的断层相关褶皱。自造山带向前陆方向，模型大体上呈楔形，即在挤压端比较厚，而越向前厚度越薄。总的来说，模型的垂向的不协调性和变形的方式主要受到玻璃珠的控制，随着缩短量的增加，前翼发育一系列叠瓦状上冲断层。上冲断层呈前展式发育，并且变形间距逐步加大（图6－C）。

实验四代表多套滑脱层（硅胶）、基底为3°斜坡、斜向挤压应力挤压条件下的结果。（1）硅胶上覆沙层，变形主要集中在硅胶的两端，两端之间的变形不明显，对应前端增厚区的前端变形为一箱状背斜，其开始发育的时间较早，发育距离远。（2）靠近挤压端的强烈变形带，发育一倒转褶皱。（3）硅胶主要有2个聚集区，分别对应于变形的前端和变形后端的前部，上覆沉积负载的硅胶流向两边的聚集区。（4）出现倒转背斜，变形序列为：后缘褶皱变形—前缘褶皱—回跳至中间变形，前展变为后展。说明随着基底层黏度的增加，后冲断层开始占据主导地位，呈现后展式序列［7－10］，与天井山的构造变形过程比较一致（图6－D）。

4 结论

天井山构造位于龙门山冲断前锋带，浅层表现为一系列断片组成的后翼突破构造，中部以呈前展式发育的叠瓦状构造和断弯褶皱为主，地腹则发育叠瓦式构造、双重构造为主，经物理模拟实验，表明了：

a.在挤压应力作用下，变形主要集中在施力方，越靠近力源，变形越强烈，并且发育基底卷入的厚皮构造。而天井山地区印支期主要发育薄皮构造，由此可见该地区印支期动力学机制不是以挤压为主，而是受南北向挤压应力与北西－南东向重力滑覆共同作用。

b.证实了天井山构造存在多个滑脱层系，滑脱层上下形成分层变形、垂向叠置的不协调收缩构造变形。

c.喜马拉雅期天井山构造在北西－南东向挤压应力作用下变形序列为以前展式为主。

d.由于实验条件的限制，无法进行多轴应力、重力滑覆实验，因而变形特征不可能完全一致，但其主要变形特征和变形序列大体相似。

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