鄂西仙女山断裂构造演化及其对长阳背斜圈闭性的影响

邓铭哲，何登发，张煜颖

(中国地质大学(北京) 能源学院，北京 100083)

中国南方扬子地区海相地层有着巨大的油气勘探潜力[1]。但是，扬子地区经历了复杂的构造演化过程，各时期形成的盆地、地质体、地下流体均受到了多次的改造作用，油气保存条件受到了一定的影响和破坏。湘鄂西褶皱带位于中扬子地区，发育多套滑脱层和多套有利烃源岩，形成了多个相对稳定油气保存单元，具有较好的成藏潜力。仙女山断裂位于湘鄂西褶皱带东部，长期以来，围绕仙女山断裂带的研究主要集中在其延伸范围[2-4]、活动历史[5-7]及其与三峡库区安全性和地震活动特征的关系[8-12]等方面。在仙女山断裂的北段，可见多处地表沥青显示，在其中段东侧和南段，可见油苗显示，说明仙女山断裂所在区域有着一定的油气成藏潜力。但是，以长阳背斜为代表的湘鄂西褶皱带东部却未能形成可供开采的油气藏，这可能是由于湘鄂西地区东部的保存单元受到了仙女山断裂影响。

本文利用区内最新的地震剖面，结合区域地质图分析、浅表构造剖面绘制等手段，刻画了仙女山断裂的几何形态，并结合油气成藏史，探讨了仙女山断裂对湘鄂西东部长阳背斜地区油气藏调整、散失的作用及其对油气圈闭有效性的破坏作用。

1 区域地质背景

湘鄂西地区古生代早期为古斜坡沉积环境，印支期随着雪峰陆内变形系统的活动形成大规模古隆起，造成了三叠系顶部地层的部分剥蚀；燕山早期，湘鄂西地区发生剧烈的冲断褶皱变形，奠定了现今构造格局的基础。该区以下震旦统陡山沱组暗色泥页、下寒武统筇竹寺组暗色泥岩、上奥陶统五峰组暗色泥岩和下志留统龙马溪组暗色泥岩为主要的烃源岩，以厚度较大的三叠系嘉陵江组、巴东组白云岩和上三叠统砂岩为主要储集层，以龙马溪组和中三叠统泥岩为主要盖层；生储盖组合为陡山沱组—上震旦统灯影组—下寒武统组合，下寒武统—中上寒武统—下奥陶统组合，五峰组+龙马溪组泥岩—龙马溪组上部+中志留统组合，上二叠统—下三叠统—中三叠统组合。加里东期构造活动控制了油气成藏的物质基础与油气运聚，印支期构造活动控制了油气藏的调整和再次运移，而燕山期对油气圈闭的保存条件产生了改造作用。

仙女山断裂位于黄陵背斜西南、湘鄂西褶皱带东部，与长阳背斜近垂直相交，属于湘鄂西褶皱带内的近南北向断裂系统，此系统内还包括高坪断裂、松园坪断裂等构造。仙女山断裂延伸长度最大，断裂自秭归地区荒口延伸至渔洋关断裂(图1)，前人将该断裂分为北段(狭义的仙女山断裂或荒口断裂)、中段(都镇湾断裂)、南段(桥沟断裂)三部分[13-14]。仙女山断裂整体呈NNW至SSE走向，长约90 km，北段西倾，中段、南段倾角高陡，整体东倾。

在仙女山断裂的北段，早白垩世地层沿断裂东侧分布，与下伏古生代地层成不整合接触，断层西侧古生代至中生代早期地层逆冲于早白垩世地层之上。仙女山断裂中段切过长阳背斜，两侧地层最老为震旦系，断裂两侧，背斜的轴迹发生了明显的错断。长阳背斜南翼，仙女山断裂右行走滑的特征明显，将长阳背斜南翼的向斜错断裂为西侧的马连向斜和东侧的马鞍山—落雁山向斜。仙女山断裂南段，断裂两侧地层为寒武系和奥陶系，垂直断裂走向发育数条南倾的次级断裂。

仙女山断裂地区中生代地层主要为陆相沉积的砂岩和砾岩，古生代地层以海相沉积为主，志留系与寒武系在仙女山断裂区域内厚度较大，志留系下部、中寒武统下部、下寒武统下部均发育厚度较大的页岩层，可以作为区域内构造变形的主要滑脱层。

2 仙女山断裂构造特征

2.1 地震剖面解释

仙女山断裂中段地震剖面的基准面高程为1 300 m，由于本区域内缺少钻井资料，本次研究通过将地质图上地层分界点与数字高程数据投影到地震剖面上方，确定地震剖面中反射轴所对应的层位；地表未出露的中、下寒武统所对应的同相轴，通过其他与此地震剖面相交剖面，按同样的方法从地表地层分界点对应的同相轴追踪得出。剖面上，南华系、震旦系底界分别对应一套中—高振幅的连续反射，频率中等，震旦系对应同相轴的连续性好于南华系；震旦系底界与南华系底界之间为一套弱反射，局部为空白反射；震旦系底界以上为一套中振幅的连续反射，其顶面变为弱反射的部位对应下寒武统底界；下寒武统整体为一套中—弱反射，内部同相轴连续性差；中寒武统和上寒武统分别对应一套中振幅连续反射，中寒武统对应同相轴连续性差，上寒武统底界对应同相轴连续性较好。地震剖面上，对应地表仙女山断裂带所在位置，地震同相轴弯曲，连续性差，频率高。

地震剖面解释表明，中寒武统在剖面中部沿一条连通了中寒武统和下寒武统页岩滑脱层的断裂发生了叠置(图2①)。仙女山断裂所对应的位置，恰好为剖面东部平缓反射轴上部一组弯曲反射轴的西翼，仙女山断裂沿这一向斜的底部向下切入下寒武统页岩滑脱层中，仙女山断裂在此处为一东倾的正断层。剖面东部地层遭受了明显的抬升，下伏的逆冲断裂活动可能是促使此处地层抬升的主要原因。

2.2 构造样式分析

图1 鄂西仙女山断裂区域地质特征及其附近油气显示修改自参考文献[15]。

根据由地震剖面解释的结果，本文结合区域地质图提供的地层厚度信息，补出了剖面上已经遭受剥蚀的部分，得到仙女山断裂中部的构造样式图(图2②)。依据断层相关褶皱理论[16]，此条剖面上主要存在3种构造样式。剖面中部中寒武统的叠置增厚是以图2②A中断层转折褶皱的形式实现的；东侧的地层沿中寒武统内部破裂面逆冲到西侧地层之上，从位移量上分析，此断层转折褶皱的位移量已经大于其褶皱后翼的长度，发展到了平顶拓宽阶段(图2②A3)。此时，断层相关褶皱的断层切层角等同于褶皱的后翼长度，断层位移距离等同于褶皱后翼长度加上褶皱平顶活动轴面到背斜抬升阶段不活动轴面的距离。此断层转褶皱遭受了改造，这样的改造作用是由图2②B中构造楔的活动所引起的，此构造楔形成于断层转折褶皱的下方，形成了2个不同倾角的膝折带，说明此构造楔由2个次级的构造楔组成。构造楔前冲断层在构造变形开始时与南华系下部的片麻岩滑脱层共同构成了构造楔的初始形态(图2②B)，在构造楔运动过程中，通过活动轴面后，构造楔自身也发生转折，构造楔的楔顶角等同于构造楔位移后形成膝折带的倾角，位移量等同于膝折带的长度。

图2 鄂西仙女山断裂中部地震剖面解释及构造样式分析

仙女山断裂为一条东倾的正断层，在此剖面上(图2②)的倾角自上而下可分为逐渐变缓的3个等倾角区。其基本构造模式如图2②C所示，符合正断层转折褶皱模型，在断层上盘向东位移的过程中，不活动轴面从断层2个转折点的活动轴面出发，在活动轴面与对应的不活动轴面间，地层受剪切作用影响，发生减薄，上下盘同一时期地层端点间距、活动轴面与不活动轴面间距离与伸展活动形成的断裂位移量相等。

地震剖面所揭示的构造样式表明，仙女山断裂所在背斜的深部发生了地层叠置，形成了较为良好的封闭空间，而仙女山断裂自地表延伸至下寒武统滑脱层，并以正断层为主要活动方式，使得背斜遭受改造，原有的密闭空间遭受了破坏。

在分析仙女山断裂构造模式的基础上，结合图1中其他浅表构造地质剖面，本次研究绘制了仙女山断裂的拟三维结构(图3)，并根据形成过程对仙女山断裂进行了重新分段。北段从秭归盆地东南延伸至仙女山断裂与九湾溪断裂的交界处，此时仙女山断裂两侧的地层主要为中生代、古生代地层，整体走向约165°，局部发生弯曲，倾向西或西南，主要表现为逆冲断裂的性质；中段从仙女山断裂与九湾溪断裂的交界处延伸至长阳背斜轴部北侧，两侧地层主要为古生代地层，整体走向为157°，局部近南北走向，倾向东，主要表现为正断层活动性质，后期可能遭受挤压应力的改造而在局部形成了小位移量的逆断层；南段从长阳背斜轴部北侧延伸至渔洋关断裂，两侧地层主要为寒武系、奥陶系等早古生代地层，走向从144°变为167°，倾向东，断裂主要表现为正断层的特征，局部发生了较为强烈的右行走滑运动和逆冲活动。

2.3 仙女山断裂形成演化

结合湘鄂西褶皱带的递进变形过程和区域地质资料的分析，本次研究认为，仙女山断裂各部分的形成先后次序可以大致分为晚侏罗世—早白垩世南段右行剪切与局部逆冲、晚白垩世中、南段伸展破裂和古近纪北段逆冲推覆3个阶段。

(1)晚侏罗世，在湘鄂西褶皱带向北递进变形的过程中[18]，仙女山断裂带开始形成。随着褶皱变形量的增加，在同一构造不同部位变形量差异的不断累积，促使了以仙女山断裂南段为代表的近南北走向走滑断裂的形成，此时仙女山断裂实际是一条调节湘鄂西褶皱带北缘内部变形的调节断裂。在仙女山断裂南段调节长阳背斜南翼褶皱构造位移量的过程中，断裂作为一条右行走滑断裂也改造了褶皱的局部形态，使得长阳背斜及其两侧的众多向斜褶皱构造轴迹并不连续，仙女山断裂西侧的褶皱被向北错动，下树背斜的轴迹形成了向北弯曲的形态。仙女山断裂向南、北方向传播破裂的时间在长阳背斜形成之后，地质图上可以清楚看到长阳背斜的轴迹被仙女山断裂错断约2 km，而其形态并未发生受断裂右行牵引形成的明显弯曲(图4a)，而且仙女山断裂走滑活动的位移向北逐渐减小。此阶段内，受区域内构造变形挤压应力的影响，仙女山断裂局部与构造应力方向呈一定夹角的部位也发生了逆冲构造活动。随着变形的进一步加剧，垂直于仙女山断裂南段的次级逆冲断裂和集中分布在渔洋关断裂和仙女山断裂两侧的右行走滑断裂也开始形成(图4b)，长阳背斜的轴迹也被错断。仙女山断裂的北段可能也受走滑作用影响，发生了破裂，但并未形成明显的位移。值得注意的是，走滑断裂面的倾角大多陡立，在局部可以为西或南西倾向，也可以为东或北东倾向，这可能为之后仙女山断裂不同部分上出现产状陡变埋下伏笔。总体而言，此阶段仙女山断裂南段的活动具备压扭性断裂活动的特点，而构造变形的范围主要局限于长阳背斜及其南侧的褶皱构造内。

(2)晚白垩世，在走滑活动发生之后，仙女山断裂发生了一期以伸展为主的正断层活动，此期构造活动是中国东部晚白垩世发生广发伸展构造活动的一部分。此阶段正断层活动产生的位移量并不大，但促使仙女山断裂向南、北方向扩展，也对长阳背斜形成了明显的破坏作用。九湾溪断裂带是仙女山断裂带中段向北延伸时形成的(图4c)，此时九湾溪断裂为一条正断层。同时，仙女山断裂带南段延伸至渔洋关断裂，形成了现今仙女山断裂南段以正断层为主要变形形式的部分。此阶段仙女山断裂的活动仍具有一定的右行走滑性质，在仙女山断裂南段仍形成了不少垂直断裂走向的次级逆冲构造。处于伸展作用下的地层相对挤压环境更容易发生破裂，由此使得仙女山断裂切穿了中寒武统页岩滑脱层，到达寒武系底部，这一期伸展活动形成的断裂终止于寒武系页岩滑脱层，小于仙女山断裂南段断裂形成的位置。此时，仙女山断裂已经成为区域内一条具有较大规模的断裂。

(3)古近纪末期，青藏高原隆升对中国中、西部地区产生了广泛的挤压作用，仙女山断裂发生东向逆冲活动，形成了仙女山断裂北段的逆冲断面(图4d)，使得仙女山断裂北段中生代早期、古生代地层逆冲在白垩纪地层之上。在这一期活动中，先期仙女山断裂北段由于走滑和伸展形成的微弱破裂连接成了一条向西倾斜的逆冲断层，并最终与仙女山断裂中段相连。九湾溪断裂同样发生了逆冲活动。仙女山断裂中、南段也在此应力环境下在先期正断层活动位移量较小的部位形成逆断层，并在断层东西两侧形成次级的褶皱构造。此阶段最终促使了仙女山断裂的定型。

3 仙女山断裂对油气藏的破坏作用

长阳背斜所在区域内的主要烃源岩与湘鄂西地区的相同。前人的研究表明，湘鄂西地区以下寒武统为区域盖层的下部成油气组合和以志留系为区域盖层的上部成油气组合，为油气组合的主要类型[19]。加里东期湘鄂西地区进入生油阶段，至华力西—印支期达到生油高峰，晚三叠世—侏罗纪，油气藏发育至生成凝析油阶段，并进入生气高峰。因此，晚三叠世后的燕山运动成为影响湘鄂西地区油气保存条件的最主要构造运动。

晚侏罗世—早白垩世，长阳背斜形成，仙女山断裂发生早期走滑活动。长阳背斜内部，寒武系发生叠置、弯曲，同时震旦系、下寒武统烃源岩在此区域内又具有较大的厚度，而志留系泥页岩等上覆地层还未遭受剥蚀，长阳背斜具有成为油气藏有利圈闭构造的可能。仙女山断裂早期的走滑活动对长阳背斜产生了一定改造，但是由于其自身压扭性的活动方式，仙女山断裂同样具有较好的封闭性，能够与长阳背斜形成背斜—断裂复合的构造圈闭。此阶段内，仙女山断裂对长阳背斜地区油气藏的破坏作用并不明显，而是油气圈闭形成的有利条件之一。

仙女山断裂晚白垩世的伸展活动，促使断裂向南、北方向延伸，使得长阳背斜本身的构造圈闭封闭性大大降低；同时，断裂以伸展活动为主，纵向上切割了寒武系、奥陶系、志留系等上覆地层，并形成大量近垂直的次级破裂构造，使得原有的地层圈闭条件大大减弱，而断层自身也不再具有封闭性，促使了区域内油气的大量散失。图1中仙女山断裂南、北两端的构造均可见明显的油气显示，而仙女山断裂所在区域却不见油气显示，这种差异性直接证明了仙女山断裂正是破坏了长阳背斜圈闭的构造，也是背斜内油气向南、北方向在此运移的通道。因此，仙女山断裂在此阶段内的活动是破坏长阳背斜所在区域油气圈闭的主要因素。

图4 鄂西仙女山断裂形成过程示意

古近纪末期仙女山断裂逆冲活动的主要作用是对断裂带的形态产生了一定的改造，与区域内油气保存条件的关系不大。

结合仙女山断裂所在的断裂系统，可以进一步推测，在湘鄂西地区，纵向切穿褶皱的断裂构造，在叠加了晚白垩世伸展构造活动之后，均有可能成为破坏油气圈闭的构造，会大大降低所在背斜的油气封闭性。

4 结论

(1)仙女山断裂带是一条北段西倾，中段、南段东倾的断裂带。仙女山断裂的形成过程可分为3个阶段：晚侏罗世—早白垩世，断裂南段形成，并发生走滑作用；晚白垩世，断裂中、南段发生伸展作用，同时断裂向南、北方向扩展；古近纪，断裂北段发生逆冲活动，形成现今的断裂形态。

(2)晚侏罗世仙女山断裂的走滑活动对湘鄂西长阳背斜的油气圈闭没有明显的破坏作用，晚白垩世仙女山断裂的伸展活动，破坏了长阳背斜的油气圈闭。

(3)湘鄂西地区已经发生类似断裂活动的地区，其油气勘探潜力可能相对较小。

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