龙门山北段天井山构造特征及成因模拟

李 卿，李忠权，刘爱疆，张 玮，罗 春，李 娟

（1.成都理工大学 油气藏地质及开发工程国家重点试验室，四川 成都 610059； 2.成都理工大学 地球物理学院，四川 成都 610059； 3.四川省地质矿产勘查开发局 水文地质工程中心，四川 成都 610081）

0 引言

近年来，随着油气勘探技术研究的深入，处于扬子地块、秦岭造山带、松潘—甘孜地槽褶皱带汇聚交接地带的龙门山前陆推覆—冲断带和前陆盆地成为油气勘探的重要区域.该区域西北部的天井山构造带地表发现大量沥青点，有的已形成巨大沥青脉，且自二叠系直到寒武系有大量油气苗显示，预示古油藏的存在，具有广阔的油气远景［1-4］.该地区经历多次碰撞造山运动，构造变形十分复杂，导致多口探井失败.根据相邻区域和山前冲断带的勘探经验，认为对于复杂山前带油气勘探，变形特征、构造演化和构造格架对于油气藏的聚集和成藏至关重要［3-4］.

人们对天井山构造带的变形样式、区域应力场特征、成因模式、构造演化及成藏等进行研究，并取得重要认识，如刘和甫等认为龙门山冲断带内的构造变形样式按卷入深度可划分为基底冲断系与盖层褶皱冲断系；李勇等认为彭灌断裂与广元—大邑断裂之间属变形构造地层带；梁慧社等认为彭灌断裂与广元—大邑断裂之间属宽缓褶皱带；刘树根等认为龙门山褶皱冲断带由川西前陆盆地深部岩石圈沿相对弱带由东向西多级俯冲潜滑，导致龙门山褶皱冲断带由西向东、从深部到浅部多层次逆冲的前展式构造变形模式［5-8］.这些成果缺乏成因机制及模拟验证的研究，也缺少直接证据和定量分析.因此，笔者结合地震剖面解释和野外地质调查，由构造变形特征的角度分析天井山构造带变形，并使用构造物理模拟天井山构造带成因机制，以重现天井山构造带的构造变形过程，为天井山构造带乃至龙门山的油气勘探提供借鉴.

1 地质概况

龙门山构造带位于松潘—甘孜褶皱带和扬子板块西缘分界线上，北起广元地区，与秦岭构造带斜角相交；南抵天全，与康滇地轴相聚；全长约为500km，宽度约为30km，总面积约为2.2km2；既是四川盆地的西缘，也是青藏高原的东界.

龙门山构造带主要有3条大断裂：汶川—茂汶断裂带、映秀—北川断裂带和灌县—马角坝断裂带.3条大断裂将龙门山划分为3个带：映秀—北川断裂带以西为龙门山后山，映秀—北川断裂带以东、灌县—马角坝断裂带以西为龙门山前山，灌县—马角坝断裂带以东为龙门山山前带.根据地史发展和沉积构造差异，将龙门山分为3段：安县以北为龙门山北段，都江堰以南为龙门山南段，都江堰—安县之间为龙门山中段.龙门山具有南北分段、东西分带的特征［1-11］，研究区主要范围为龙门山山前带的天井山构造带（见图1［3］）.

天井山构造带东边区域跨入广元市境内罗妙真（属剑阁县），东南起于江油市厚坝—广元盐店一线，西北达江油市沉永—雁门一线内；构造带内主要正向构造为天井山背斜，其次为苟家垭倒转背斜和水跟头倒转背斜等.研究区内断裂众多，主要区域性大断裂为雁门坝断裂和马角坝断裂（也称彭—灌断裂），出露地层为寒武系、志留系、泥盆系、二叠系、三叠系和侏罗系地层，缺失奥陶系和石炭系地层.由于受到多期构造运动的强烈影响，构造复杂，推覆岩片（体）及断层十分发育，地层褶皱变形强烈，地层倾角陡且产状多变［9-11］（见图2）.

2 构造样式

构造样式是指同一期构造变形或同一应力作用下产生的构造总和，能够揭示地质构造发育的规律［12］.天井山构造带自震旦纪到新生代主要经历拉张与挤压动力学背景的构造运动共同作用后，形成丰富的构造样式，广泛发育重力滑动构造、断层转折褶皱、倒转背斜和双重构造等构造样式.

2.1 重力滑动构造

重力滑动构造是指岩层在重力作用的控制和影响下向下坡滑动形成的构造变动.前缘挤压形成冲断性质和发育次级分支冲断断裂，岩块挤压变形强烈；后缘拉张形成张性正断裂或张裂隙，中部形成堆叠揉皱［13］.在印支期重力作用下，天井山构造带前缘形成冲断性质断裂，岩块受挤压强烈变形（见图3）.

2.2 双重构造

双重构造是天井山构造带中最典型的构造组合样式，由顶板逆冲断层和底板逆冲断层及夹于其中的一套叠瓦式逆冲断层和断块组合而成，表现为正向冲断构造［14］.在天井山背斜地腹，主要出现在冲断带前缘下的三叠系及其下伏地层中（见图4）.

2.3 倒转背斜

倒转背斜是指在地壳运动的挤压作用下，岩层发生变形向上拱起而形成褶皱，褶皱两翼倾向基本一致，且褶皱一翼为新地层覆盖在老地层之上；另一翼地层反生倒转，由老地层覆盖在新地层之上［14］.

在天井山构造带地表发现倒转背斜，核部出露地层为寒武系，照片的左翼产状为315°∠40°，右翼产状为292°∠87°（见图5）.

2.4 断层转折褶皱

断层转折褶皱前翼岩层的倾角大于后翼岩层的，表现为前翼较陡，后翼平缓；褶皱前翼的长度比后翼的短，表现为前翼短、后翼长（断层的部分位移量消耗在褶皱变形中），因此可以用褶皱两翼岩层的长度和倾斜度判断褶皱下方逆冲断层的运动方向［15］.在二郎庙附近沙溪庙组地层中见到一小型断层转折褶皱，断层面产状为180°∠46°，前翼产状为325°∠35°，后翼产状为192°∠14°（见图6）.

3 构造变形样式

根据天井山构造带二维地震测线和钻井成果，结合研究区野外调查，认为天井山构造带具有垂向分层的构造变形特征，深浅层构造变形样式有明显差异.

02tjs05测线位于地面天井山构造南部EF剖面（见图2）.该剖面主要处在山前冲断构造带内，位于天井山构造西北翼，西北、东南两端分别延伸至山前推覆构造带和前陆盆地内.地层主要为倒转的三叠系至泥盆系地层组成，断层和地层倾向北东，断层上陡下缓.浅部发育3条主断裂，分别向上产生多个分支，形成帚状构造.断层向下在寒武系地层中滑脱；向上出露地表或消失于须家河组及印支晚期不整合面以下.深部发育4条北西倾向的叠瓦状逆冲断层，断层呈前展式发育，断层发育时伴随产生3条反向调节断层，形成冲起构造.反向调节断层切割前期断裂或受前期断层限制.4条北西倾向断层向上消失于下三叠统地层，向下汇聚于寒武系地层中的底板断层（见图7）.

02tjs10测线位于地面天井山构造中部CD剖面（见图2），在1720CDP点附近有1口预探井，即天井1井.该井位于天井山背斜桉子山构造高点，在马角坝断裂带与天井山主高点之间.该剖面主要处在山前冲断构造带内，西北、东南两端分别延伸至山前推覆构造带和前陆盆地内.地层由三叠系至泥盆系地层组成，地层倒转，发育多条断层，断层和地层倾向北西，断层上陡下缓，最终与马角坝断裂合并.浅部发育多条断裂，断面在后期挤压过程中发生弯曲，浅层主要为断层转折褶皱.深部主要发育3条台阶状断层及其产生的冲起构造.断层向上消失于下三叠统飞仙关组上部紫红色砂泥岩层，向下汇聚于寒武系地层—震旦系底板断层（见图8）.

02tjs14测线位于地面天井山构造北部AB剖面 （见图2）.该测线浅层推覆构造单元与02tjs10测线相似；浅部发育帚状构造，主要为断层转折褶皱.深部西侧由2条北西倾向的叠瓦状逆冲断层组成双重构造，东侧为1条北西倾向的逆冲断层及其伴生的2条反向调节断层组成的冲起构造断层（见图9）.

天井山构造带各构造单元不仅具有不同的变形特征，而且变形强度也明显不同，浅部构造主要为断层转折褶皱，02tjs10测线附近变形强度最大，向两端逐步减弱，深部为多个逆冲岩片叠置所构成的双重构造［16-18］.

4 物理模拟

构造物理模拟主要是研究随应变量增加模型的变形特征和演化过程，是重现构造变形过程、研究构造变形等问题的有效方法之一［19］.根据天井山构造带的构造变形特征，对于含有多套滑脱层的构造变形，物理模拟实验是最主要的研究手段［20-25］.为了探索影响构造变形的应力条件和物质因素，在厚度不变的条件下，选择tjs10测线解释方案（见图10），设计4组实验，分别考虑基底坡度和滑脱层性质等条件.实验模型数据见表1.由表1可见，以第4组物理模拟实验结果与实际变形最为相近.

4.1 实验设置及结果

天井山构造带构造物理实验模型长度为160cm，高度为150cm，宽度为20cm，两侧为有机玻璃，一端由马达驱进的活动挡板.实验选择硅胶和玻璃珠模拟膏岩层，选择石英砂模拟脆性地层，硅胶密度为926kg／m3，黏滞系数为1.2×104Pa·s，石英砂密度为1 297kg／m3，玻璃珠直径为0.2～0.3mm.

4.1.1 实验模型1

先铺设一层厚为5mm的石英砂作为水平基底.在基底上面铺设一套长度为400mm，厚度为5mm的滑脱层，以硅胶作为该套滑脱层的材料，代表志留系滑脱层；然后在玻璃珠上面依次铺设石英砂、玻璃珠、石英砂，厚度分别为为5mm、5mm、6mm，分别代表D-P、T1f、T2-J2地层，总长度为400mm，总缩短量为135mm，压缩率约为33%，符合原始剖面压缩量（实验模型数据见表1）.实验时马达由左向右推进，速度为0.025mm／s，照片的时间间隔为8s.

表1 实验模型数据

开始挤压后，当伸缩量达到70mm时，开始出现倾角约为30°的后冲断层，随后出现1条倾角约为40°的前冲断层，2条断层组成不对称背斜；当伸缩量达到80mm时，在不对称背斜的前缘出现倾角平缓的4号断层，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；继续挤压，当伸缩量达到100 mm时，出现5号断层；当伸缩量达到130mm时，出现倒转背斜和6号断层.

4.1.2 实验模型2

实验模型2以实验模型1为基础，对2套滑脱层厚度和铺设范围进行调整：先铺设一层左侧高为25 mm，右侧高为5mm的石英砂基底，该基底的坡度大约为3°.在基底上面铺设一套长度为370mm，厚度为5mm的滑脱层，以玻璃珠作为该套滑脱层的材料，代表志留系滑脱层；然后在玻璃珠上面依次铺设石英砂、玻璃珠、石英砂，厚度分别为为5mm、5mm、6mm，分别代表D-P、T1f、T2-J2地层，总长度为370 mm，总缩短量为130mm，压缩率约为34%，符合原始剖面压缩量（实验模型数据见表1）.实验时马达由左向右推进，速度为0.025mm／s，照片的时间间隔为8s.

开始挤压后，伸缩量达到30mm时，出现断层，组合表现为背冲式构造；当伸缩量达到70mm时，断层进一步发育，在2号断层旁发育3号断层；当伸缩量达到90mm时，出现4号断层；当伸缩量达到130 mm时，断层更加发育，在4号断层处发育有小型调节性断层.前缘产生前展式逆冲构造，断层呈平行状组合.模型2断层的发育过程与模型1类似.随挤压量的增大，玻璃珠上覆砂层中逆断层的数量逐渐增加，当缩短量达到130mm时，在硅胶上覆砂层总共发育3条逆冲断层.

对比实验2与实验1模型结果，其共同点是：模型总体保持楔体形态，靠近推进挡板厚，向推进方向逐渐减薄.玻璃珠以上变形则以推覆构造为主.由于模型参数调整，实验2与实验1模型的结果也有不同：第一、基底二的形状为3°斜坡，基底形态对剖面形态有一定的控制作用；第二、玻璃珠以上为砂层，变形的剖面形态发育比较均一，表现为3条产状相似的推覆构造.

4.1.3 实验模型3

实验模型3：先铺设一层左侧高为42mm，右侧高为5mm的石英砂作为基底，该基底的坡度大约为3°.在基底上面铺设一套长度为800mm，厚度为5mm的滑脱层，以硅胶作为该套滑脱层的材料，代表志留系滑脱层；然后在硅胶上面依次铺设石英砂、玻璃珠、石英砂，厚度分别为为10mm、5mm、12mm，分别代表D-P、T1f、T2-J2地层，总长度为800mm，总缩短量为350mm（实验数据见表1）.实验时马达由左向右推进，速度为0.025mm／s，照片的时间间隔为5s.

当缩短量达到50mm时，靠近受力端首先出现背冲构造，随后断层前展式发育，形成断层3；当伸缩量达到100mm时，断层进一步发育，出现4号和5号断层，组合表现为背冲构造；当伸缩量达到160mm时，出现6号断层；当伸缩量达到200mm时，断层更加发育，在6号断层旁发育有调节性断层（7号断层）；当伸缩量达到350mm时，出现一系列背冲构造.在早期水平挤压过程中，上部沙层主要发生褶皱变形，并且在褶皱变形过程中形成次级的调节逆冲断层；下部沙层沿底部软弱层发生一定的滑脱形成冲起构造；硅胶层在上部沙层滑脱背斜核部聚集增厚.在后期水平挤压过程中，上部沙层滑脱背斜的波长、波幅增大，随着背斜逐渐紧闭，沙层发生滑塌，并在其前翼发育冲断层；硅胶层随上、下沙层发生被动变形，在背斜核部脱顶部位和下部沙层逆冲断层下盘增厚.

一眼看下去，很明显，南边的十几岁那个团队的少年们，一个个都凝神静气、呼吸自然。同时一个个都做到了‘深、平、稳’。很显然在‘蕴气式’上都有了一些成就。

在模型砂层之间夹的硅胶层主要起滑脱层作用，使模型分层收缩变形.在物理模拟实验中，随着侧板向沙层推挤，软弱的硅胶层有阻挡下部逆冲断层向上扩展和上部沙层变形的滑脱层作用，将砂层分为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：第一、下砂层形成冲断褶皱的倒转翼部位，软弱层有加厚的趋势；第二、硅胶层下砂层的收缩变形相对集中，硅胶层上砂层的变形相对分散，说明软弱的硅胶层有顺层滑动位移.

4.1.4 实验模型4

实验模型4基底同样为一楔形，基底的材料为石英砂，左侧高为25mm，右侧高为5mm，坡度大约为3°.在基底上面铺设一套长度为400mm，厚度为5mm的滑脱层，以硅胶作为该套滑脱层的材料，代表志留系滑脱层；然后在硅胶上面依次铺设石英砂、玻璃珠、石英砂，厚度分别为为5mm、5mm、6mm，分别代表D-P、T1f、T2-J2地层，总长度为400mm，总缩短量为130mm（实验模型数据见表1）.实验时马达由左向右推进，速度为0.025mm／s，照片的时间间隔为8s.

开始挤压后，伸缩量达到70mm时，开始出现断层，组合表现为背冲构造，发育反向断层，并且反向断层为主断层；当伸缩量达到120mm时，断层进一步发育，出现3号、4号和5号断层，组合表现为背冲构造；当伸缩量达到130mm时，出现6号断层及倒转背斜.实验4模型主要特点：第一、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，开始发育时间较早，发育距离远；第二、靠近挤压端的强烈变形带发育一倒转褶皱；第三、硅胶主要有2个聚集区，分别对应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.

4.2 结果讨论

（1）4组实验代表多套滑脱层的挤压应力条件下的变形，整体上变形样式一致，发育叠瓦式逆冲构造和冲起构造.

（2）实验4模型与实际剖面相似程度较高，变形序列为后缘褶皱变形—前缘褶皱—回跳至中间变形.与天井山构造带的构造发育过程和构造变形形态比较一致，形成前端的平顶背斜构造后，在挤压应力和左端重力滑覆的共同作用下，导致马角坝断层发生反转，由正断层逆转为逆断层，发育一系列高角度逆断层，也生成天井山背斜、苟家垭倒转背斜和水跟头倒转背斜等重力滑动构造.

5 结论

（1）天井山构造带广泛发育重力滑动构造、断层转折褶皱、倒转背斜、双重构造、冲起构造和叠瓦式构造等构造样式.

（2）天井山构造带变形具有垂向分层的特点.上部构造主要为一个断层转折褶皱，02tjs10测线附近变形强度最大，向两端逐步减弱；下部构造为多个逆冲岩片叠置所构成的双重构造.

（3）滑脱层的黏度和基底的形态对褶皱—冲断带的构造变形有显著影响，多套滑脱层的存在是导致天井山构造带众多倒转背斜发育的重要原因.

致谢：成都理工大学杭文艳高级工程师对作者给予指导和帮助！

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