川西拗陷东西向弧形构造带与基底断坡的关系

叶泰然, 刘 殊, 张 虹

(中国石油化工股份有限公司 西南油气分公司，成都 610041)

图1 川西拗陷构造纲要图及各期构造动力方向示意图Fig.1 Map showing the tectonic units in the Western Sichuan Depression and tectonic stressorientations in different periods(据文献[1,5,25]修改)

川西拗陷中段西起鸭子河地区、北以安县龙门山山前带为界、南东以川中古隆起为界(图1)，发育3个大型的构造带：近东西走向的孝泉-新场-合兴场构造带(简称“孝新合构造带”)、南北走向的龙泉山断褶带、北东走向的鸭子河构造带。川西拗陷经历多期次构造运动。在孝新合构造带上，陆相层系上三叠统须家河组气藏为主力气藏之一。该气藏具有“早期成藏、晚期改造”特征[1-2]，因此，构造形成机理及演化规律的研究对于该构造带油气勘探开发极为关键。前人对孝新合构造带的构造形态和构造演化，尤其是古构造的研究开展了诸多工作。在“八五”期间，安凤山等[3]通过编制侏罗系厚度图，首先提出孝新合构造带为一个燕山期古隆起。在以后的研究中，这一认识不断得到深化[1,4]：孝新合构造带印支期形成雏形、燕山期发展、喜马拉雅期成型；现今构造是多期次、多方向构造变形的叠加[2,5]。然而，精细描述古构造一直是构造研究的难点，诸多方法均有一定局限性[6-7]。厚度图多用于古构造的研究，但厚度图通常只能表现总体格局，且只能在地层没有缺失的地区使用。为提高厚度图的准确性，曹烈等[8]利用回剥技术进行了去压实校正；郭迎春等[9]通过剥蚀校正、去压实校正和古水深校正，以恢复须二段顶界面在不同构造期的构造面貌。实践表明，这些古构造研究成果的精度有限。对构造形成机理的研究，于福生等[10]通过模拟实验，用雷口坡组膏岩厚度变化对孝新合构造带的形成机理做了探讨。但总体上，受研究资料及技术手段限制，川西拗陷构造形成机理的认识还有待深化。

基底构造与上覆地层形变有密切关系。“先存断裂”为“先存薄弱带”，基底凸起、滑脱层拆离层突变带是应力集中带[11-12]。构造模拟实验可清晰、直观地描述这一过程[13-14]。A.Farzipour-Saein等[15]用模拟实验分析扎格罗斯褶皱冲断带Lurestan和Izeh区带的拆离层横向厚度变化对后期构造的影响；Arlo Brandon Weil等[16]模拟了推覆带前方基底存在刚性地块及陡坡对上覆地层变形的影响和控制。数值模拟也被广泛地用于构造形成机理的分析，如S.B.Wissing等[17]用数值模拟分析瑞士Klippen推覆带的盆地继承性。在四川盆地，基底的作用也被广泛关注。童亨茂等[18]应用脆性断裂新理论——“不协调性准则”，认为先存构造，特别是先存断裂，在构造运动中优先活动，基底由此控制沉积盆地断层的形成和演化；汪泽成等[19-20]研究认为：四川盆地基底断裂后期活动控制了川中地区NW向构造形迹。深部的岩性异常体对上覆地层构造亦会产生重要影响，李永平等[21]注意到：礁滩沿广旺海槽、城口-鄂西海槽、梁平-开江海槽坡折带分布，与之后的燕山期、喜马拉雅期扭动构造体系密切相关。在川西前陆盆地南段, 这一现象更为突出[22]：深部为地堑盆地和半地堑盆地，后期遭受挤压变形，局部反转，使得上覆的二叠系、中生界和新生界发生同步褶皱变形，形成薄皮冲断构造之下的隐伏裂谷盆地。据此，本文依据基底特征与上覆地层的关系，以川西拗陷连片三维地震资料为基础，采用逆光照射三维可视化方法，精细刻画构造形迹、划分构造体系；依据川西拗陷震旦系基底大型古隆起——龙泉山古隆起特征[23-24]，结合地史时期区域应力场方向，综合分析以孝新合构造带为代表的EW向弧形构造的形成机理和构造形成期次。

1 区域地质特征

川西拗陷位于四川盆地西部，为中新生代盆地，呈北东向展布(图1)，西邻龙门山造山带，北接秦岭东西向构造带，南抵康滇南北向构造带，东连川中隆起，是龙门山上冲推覆构造带、秦岭造山带的共同的前陆盆地[25-28]：当龙门山强烈活动时，川西拗陷表现为龙门山推覆带的(类)前陆盆地；当秦岭及其南缘的大巴山强烈活动时，川西拗陷又表现为大巴山上冲推覆带的类前陆盆地；喜马拉雅期，南缘川滇构造带也有较大影响[29-33]。晚三叠世以后，川西拗陷经历印支、燕山、喜马拉雅三大构造运动旋回[5,27-29,34](图1、表1)，在盆地内形成多方向、多期次的构造复合与叠加[35]。

a.印支期：最为重要的一个运动旋回，该运动使四川盆地不再是海相克拉通盆地，从而进入中新生代陆相盆地发展阶段。印支运动在四川盆地主要有4幕。

印支Ⅰ幕(T2-T3)：印支运动主幕[1,31-32]，杨克明称之为“新场运动”[34]。扬子板块顺时针旋转，与华北板块碰撞[28]，秦岭向南上冲推覆。构造背景从早期拉张转变为走滑挤压，被动大陆边缘结束，进入陆相盆地演化阶段。

印支Ⅱ幕(T3t-T3x2)：碧口地块与扬子板块发生碰撞，龙门山断裂带左旋[28]，龙门山北段开始隆升；勉略缝合带近东西向的展布特征，导致板内近南北向的强烈挤压[1](图1)；挤压变形过程由北向南、龙门山断裂带左旋推进。由于这一动力作用，在南秦岭一带，以及盆地内部形成一系列近东西向构造带[35]。

印支Ⅲ幕(T3x3-T3x4)：这次构造运动在山前的安县最为明显——称之为“安县运动”[36]，该运动将须家河组分为须下盆(T3x2、T3x3)和须上盆(T3x4、T3x5)，其动力方向为NW向SE挤压(图1)。

印支Ⅳ幕(T-J1)：龙门山大规模隆升并向盆内上冲推覆，川西拗陷中部、北部由拗陷转变为剥蚀区[26]。

b.燕山期：龙门山相对平静[26]，南秦岭较为活跃。早、中侏罗世，扬子陆块持续向北推进且顺时针旋转(图1)，秦岭造山带强烈向南上冲挤压[35]。川西拗陷总体上处于南北向挤压的构造背景(图1)，但动力相对较弱、构造活动相对平静。川西拗陷内部，近东西向展布的 “古构造、古隆起”带继承性发展。

c.喜马拉雅期：古近纪末，龙门山南段开始活跃，在其前缘形成了新的前渊[30,32]。川西拗陷从此处于北西-南东向或者近东西向的挤压背景下(图1)，由此形成北东向、以及近南北向构造，主要的构造有龙泉山断褶带。

表1 晚三叠世以来川西拗陷主要构造运动期次及挤压方向[1,5,35]Table 1 Main structural stages and compressive directions of Western Sichuan Depression after late Triassic

2 川西拗陷中段构造带特征

四川盆地内部发育大量弧形构造[3,5]，如绵阳弧形构造带、巴中弧形构造(图1)。弧形构造的形成机理研究也逐步得到关注[21]。但在以往的研究中，由于通常采用等值线编制的构造图，这些弧形构造未能得到清晰刻画和充分描述。在这样的构造图上，孝新合构造带只是表现为一个近东西走向的大型背斜，其上发育NE、NEE、SN等多个轴向的构造高点[1,4]。由于断层组合、等值线精度等原因，这种构造图难以描述细节。由于盆地是多方向、多期次的构造叠加，同一构造带上不同的构造高点很可能是不同期次形成的，在油气富集过程中的作用和性质很可能完全不同[2,5]。对于上三叠统须家河组气藏而言，喜马拉雅期的构造高点通常是无效圈闭。因此，描述不同期次的构造具有重要意义。本文依托连片处理的三维地震资料，精细解释全三维层位及断层，针对构造界面层位网格数据，在三维空间上采用逆光照射可视化显示，可清晰地表述构造细节、构造形迹(图2、图3)，其表征结果更为直观、准确，突出的优点为：可以描述微幅度次级构造，且构造体系更易于划分。

由图2可见，川西拗陷中段近东西走向的弧形构造有3～5个：孝新合构造带(含2～3个弧)、德阳-中江弧、梓潼-绵阳弧；龙泉山断褶带也是一个向西凸起、近南北向的弧形构造带。构造期次、叠加关系也得到清晰表现：孝新合构造带是2～3个方向的构造叠加，南北向的喜马拉雅期龙泉山弧形构造叠加在近东西向的弧形构造之上(图2-A)。

2.1 近EW向弧形构造

2.1.1 孝新合构造带

孝新合构造带横亘于川西拗陷中段(图1、图2)，浅层(J3p)、中深层(T3x)为一个近EW向的低幅度长垣隆起(图2-A、 B)， 是川西地区大型气藏开发区，有系统、深入的研究[1,4]。

浅层侏罗系(图2-A)：上侏罗统蓬莱镇组总体为一西高东低、NEE走向的鼻状构造，长约56 km、宽14 km、构造幅度160 m(图2-A)，于丰谷、合兴场地区可识别2个弧形构造的痕迹。近EW走向的鼻状构造被近SN向的弧形断层——龙泉山断层切割。

图2 川西拗陷中段构造图Fig.2 Structure map for the middle segment of Western Sichuan Depression

图3 基底刚性地块及陡坡对上覆地层变形的影响和控制Fig.3 Influence and control from the development of rigid basement blocks and steep basement slopes on the deformation of overlying strata(据文献[16]修改)

中深层三叠系须家河组底(图2-B)：总体上为一个长65 km、宽11.9 km、幅度140 m的长堰。在逆光照射的三维可视化图上，显示为2～3个小型弧形构造组合；其次，在新场地区还叠加NE、NEE、SN至少3个方向的构造。在合兴场地区，被SN向龙泉山断褶带切割；在丰谷地区，又被NE走向的线性构造所改造；在梓潼向斜，又限制了NE向构造。

深层中二叠统底(图2-C)：孝新合构造带仍然存在，由2～3个弧形构造构成，仍然有NE向构造的叠加，且被SN向龙泉山断褶带切割。

深层寒武系底(图2-D)：寒武系底构造的突出特征是发育龙泉山古隆起[23]。在可视化图上可见：在古隆起北侧，在中江、德阳、合兴场地区发育3个近EW向弧(与后文断坡对应)，合兴场弧相对宽缓，且幅度相对较大。其次，SN向龙泉山构造带表现为一个低幅度的背斜形迹，仍然切割、改造EW向构造。

分析上述4个层位的构造发现：由浅至深均发育EW向的孝新合构造带，其位置均位于孝泉-新场-合兴场地区，位置大致相同。

2.1.2 德阳-中江弧形构造

由浅至深均存在。深层构造(P2)幅度60 m左右，延伸长度50 km左右，为尖棱状，由1～2个次一级的弧形构造构成；浅层-中深层构造较为宽缓，构造幅度60 m(图2-A、B)。由浅至深，均被SN向的龙泉山断褶带切割改造。

2.1.3 梓潼-绵阳弧形构造

侏罗系只有弧形构造的迹象(图2-A)；在须家河组底(图2-B)、深层(P2，图2-B)地层均可清晰识别，构造幅度约60 m，延伸长度约40 km。

综上所述,川西拗陷发育3～5个近东西向弧形构造带，从浅至深均存在，孝新合构造带是其中最大的一个；在须家河组底，自身又是由2～3个小的弧形构造构成，其上叠加NNE、SN向构造。EW向弧形构造因构造位置、构造方向相同，是具有成生联系的同一构造体系；EW向构造限制NE向构造(图2-B，梓潼向斜内)，被SN向构造切割和改造，因此是最早的一期构造；与龙门山北段、米仓山平行，因此是龙门山北段隆升挤压及米仓山推覆带挤压形成的；龙门山北段在印支早期隆升、米仓山在燕山期为主要活动期，喜马拉雅期最终定型：因此，EW向弧形构造是印支期形成、燕山期发展、喜马拉雅期定型并被改造的构造。

2.2 NE向线性构造

新场-合兴场地区：浅层(J3p、J1b)NE方向的构造形迹不甚清晰(图2-A)；中深层(T3x)明显的NE向线性构造有3～5条(图2-B)；深层(P2)构造上，NE向构造形迹在山前的安县非常密集(图2-C)；寒武系底仍有显示。在中深层构造上(T3x)，在合兴场-丰谷地区，NE向线性构造和近EW向的弧形构造叠加，形成较为复杂的构造。

鸭子河构造带：从深层二叠系到浅层的侏罗系，均表现为受NE向彭县断层和关口断层夹持的NE向断背斜特征。因彭灌杂岩体为燕山晚期-喜马拉雅早期隆升[31]，形成向南东挤压应力，由此在龙门山推覆带前缘褶皱隆升形成隐伏构造带。

2.3 SN向龙泉山断褶构造

龙泉山断褶带主上冲断裂分布于龙泉山西坡，北起合兴场，南到乐山市附近，长约230 km(图1)，走向NNE，是川西拗陷与川中古隆起的分界线。现有资料表明，在川西拗陷浅中层，龙泉山断褶带为一个向西凸起、近南北向的弧形构造带(图2), 深层(C-)仍然发育，其特征如下：浅层构造(J3p)幅度较大，地层轴部平缓、两翼倾斜，隆起幅度0.8～1.2 km；中深层(T3x)构造幅度较小；深层二叠系为近SN向线性构造，在中江以南发育一个低幅度隆起(图2-C)；深层寒武系底发育一个大型古隆起，一系列斜列的压扭性断层在石泉场附近汇集，断层汇集点正好在震旦系龙泉山古隆起上方(图2-D)。

彭灌杂岩体在燕山晚期-喜马拉雅早期隆升[31]，形成由西向东的挤压应力，由此使得龙泉山形成。推测其形成可能与龙泉山古隆起的阻挡有关。

3 弧形构造的形成机理

3.1 基底凸起控制上覆地层构造形变的力学机理

基底发育凸起，在挤压过程中必然会在凸起上方形成弧形构造带。模拟实验可以清晰地再现这一过程。J.F.Miller等[37]模拟实验显示：在凸起上方发育一个断褶带，断褶带规模的大小与基底凸起幅度有关；Arlo Brandon Weil等[16]模拟了推覆带前方基底存在刚性地块及陡坡对上覆地层变形的影响和控制，在推覆带前方，如果基底存在刚性地块异常体，通常会在该刚性地块前方形成弧形构造(图3)。

3.2 孝新合构造带形成机理

关于孝新合构造带的形成，前期研究多为动力学模式的探讨。依据构造形迹研究，邓康龄等[2]认为：孝新合构造带于印支期形成北东-南西向褶曲，燕山期叠加北东东-南西西向背斜。杨克明等[1]认为：中三叠世末，扬子板块顺时针方向旋转，使得扬子板块与秦岭板块 “剪刀式”闭合，由此导致扬子板块与碧口地体拼合，在板内产生近南北向的强烈挤压，导致孝泉-新场-丰谷近东西向构造带的形成。李智武等[5]对川西拗陷的构造动力成因也做了探讨, 认为扬子地块顺时针旋转产生的推挤力，秦岭造山带自北向南的推挤力，来自青藏高原自西向东的推挤力；3种动力在印支期、燕山期、喜马拉雅期持续发展，在川西拗陷形成多期、多组构造相互叠加。至于为何在孝泉-新场-合兴场一带形成大型的构造长堰，其形成机理的研究相对较少。于福生等[10]通过模拟实验认为：雷口坡组-嘉陵江组沉积时期形成的膏岩厚度的变化，控制孝新合构造带的形成。但膏岩层具有流动性，褶皱变形及断层滑脱可引起膏岩变厚，这一因素未能排除，因此，这一观点还有待确认。

川西拗陷发育至少3个以上的近东西向弧形构造：梓潼-绵阳弧、孝新合弧、德阳-中江弧(图2)。3个弧形构造方向一致、位置相同(图4)，且由浅至深均发育，表明是具有成生联系的、同一构造动力作用形成的同一个期次的同一构造体系。因中二叠统、寒武系底在雷口坡组膏岩层下方，这就表明：膏岩层厚度变化可能只是影响了孝新合构造带的变形幅度[10]，但不是主要控制因素。

图4 川西拗陷中段浅-深层构造叠合图Fig.4 Superposition map of shallow and deep structures in the middle section of Western Sichuan Depression

图5 川西拗陷下古生界厚度图Fig.5 Isopach map of Lower Paleozoic in Western Sichuan Depression

川西拗陷发育一个古拗拉槽，古拗拉槽东侧发育龙泉山古隆起[23](图2、图4)，这一发现近期已经得到钻井证实。进一步的精细编制寒武系底构造图及下古生界厚度图发现：古隆起北侧还发育多个断坡(图5、图6)。用基底凸起，以及其北侧发育的中江断坡、合兴场断坡等，结合模拟实验结果，可解释川西拗陷EW向构造带的形成机理。

如图5所示,川西拗陷下古生界厚度(主要为寒武系残余厚度)可表述川西拗拉槽特征。龙泉山古隆起北侧，中江、合兴场均存在厚度明显变化的、近东西走向的断坡带(图5)，地震剖面上有清晰特征(图6-A)。图6是一条合兴场-中江-回龙地区近南北向的剖面(位置见图5)，依据地震剖面编制地质剖面(图6-B)。为简化问题，将侏罗系底拉平，如此剔除了燕山期、喜马拉雅期形成的构造，突出表现印支期-东吴期构造变形以及震旦系基底特征。由剖面可见：在上震旦统内，龙泉山古隆起北侧边缘发育多个断坡带，由北向南分别为合兴场、德阳、中江断坡；在其上覆地层内，德阳、中江基底断坡带之间发育一个冲起构造，该冲起构造即为德阳-中江弧形构造(图2)；在合兴场基底断坡带的上方，发育一个断坡带，这个断坡带上方，即发育孝新合构造带上的2～3个弧形构造。

图6 龙泉山古隆起与上覆地层构造形变关系解释剖面Fig.6 Seismogeological section showing the relation between the Longquanshan uplift and structural deformation of the overlying strata(位置见图5)(A)侏罗系底拉平地震层位解释剖面; (B) 侏罗系底拉平地质层位解释剖面

依据模拟实验结果(图3)，每一个断坡位置当受到北部挤压应力作用时，均可在断坡附近形成与断坡走向一致的近东西向弧形构造带。据此分析，川西拗陷近东西向的3个弧形构造的形成机理可概括为：印支期早幕。秦岭海关闭，产生由北向南方向的挤压[1,28,31,34-35](图1)；中江、合兴场一带，震旦系基底龙泉山古隆起北侧发育多个断坡带(图5、图6)；依据模拟实验结果(图3)，震旦系基底凸起上方必然形成冲起构造，平面上即为弧形构造；其形成时间为印支期早幕；侏罗系内的蓬莱镇组构造(图2-A)，正好也发育在印支期构造上方，表明是是印支期构造在燕山期、喜马拉雅期继承性发展。

孝新合构造带幅度相对较大，推测可能和基底断坡带较大、距离造山带相对较近有关。喜马拉雅期等晚期构造运动导致雷口坡组滑脱层膏岩厚度加大，以及早期沉积加厚，也可能有一定的作用[10]。

值得补充说明的是，如前所述，安县-合兴场一带，须家河组底并排发育了3～5个NE走向的构造(图2-B)，中二叠统顶密集发育多个NE走向的线性构造(图2-C)；航磁资料有明显特征显示SN向龙泉山断褶带为川中古隆起与川西拗陷的分界线[3,38]。这些构造与震旦系基底都有一定关系，限于篇幅所限在此不作阐述。

4 结 论

a.逆光照射三维可视化方法可清晰显示各期次的构造形迹，易于构造形迹识别和构造体系的划分。

b.在川西拗陷中段，侏罗系蓬莱镇组底、上三叠统须家河组、中二叠统底及寒武系底均发育3～5个近东西走向的弧形构造。

c.川西拗陷震旦系基底发育龙泉山古隆起，在古隆起北部发育多个近东西向断坡带。印支期-燕山期，区域动力以南北向挤压为主，因东西向断坡带阻挡，形成近东西向的弧形构造带。

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