川东北部异常流体压力对构造变形的控制作用

范慧达，何登发，张旭亮

（中国地质大学 能源学院，北京 100083）

自1953年，美国湾岸地区的超压被报道以后，沉积盆地的超压得到了广泛关注[1]。20世纪50年代，Hubbert和Rubey在对位于伊朗和伊拉克的扎格罗斯冲断带以及巴基斯坦西部褶皱带的研究发现，褶皱冲断带广泛发育接近静岩压力的异常高压。1959年，Hubbert和Rubey提出流体压力断层弱化理论，认为异常高的流体压力能够减小冲断带与滑脱层之间的有效正应力，从而减小冲断带在基底滑脱层滑动所需要的剪切应力[2]。

在美国科罗拉多州的丹佛地区，1962—1966年发生地震的频率与通过钻井向地层注入流体的体积密切相关，地震频率和震级与引起地震的流体压力呈正相关关系[3]；在此之后，在日本松代地区和美国俄亥俄州也发现了类似的现象[4-5]。这些地质现象的存在说明：在地质条件下，异常高的流体压力会降低断层面摩擦阻力，进而控制构造变形。

前人利用泥岩声波时差，计算流体压力、地壳强度等，研究了流体超压在增生楔、褶皱-冲断带临界-锥顶角机制中的应用，以及流体超压对大陆边缘和富含巨厚泥页岩变形造山带地壳强度的影响[6]。也有人根据泥岩声波时差，研究了台湾西部活跃冲断带孔隙流体压力的区域分布，以及对应深度的分布特征[7]。

本文根据川东北部地区40口井钻井、完井和测井资料，在钻井深度内计算流体压力并利用实测压力数据进行校正，刻画异常流体压力在平面以及纵向上的分布特征。模拟流体压力随深度的变化趋势，对滑脱层的流体压力比、有效摩擦系数进行预测，同时结合过井地震资料，对基底滑脱层的有效摩擦系数进行校验。在此基础上，定量分析流体超压对基底滑脱层有效摩擦系数的影响。

1 理论方法

（1）流体压力的计算 在测井资料的基础上，利用等效深度法计算出流体压力，然后根据钻井液密度、实测资料对其进行校正。等效深度法的基本原理是：无论在正常压实带还是欠压实带，同样的声波时差值对应相同的有效应力。当深度小于流体滞留深度时，流体压力为等高静水柱所产生的压力；当深度大于流体滞留深度时，流体压力等于等效深度处等高静水柱产生的压力加上等效深度与所求深度间的静岩压力[8]。

（2）隆升剥蚀影响 隆升剥蚀对声波时差和流体压力分布有一定影响（图1），由于压实过程的不可逆性[9-10]，隆升剥蚀使岩石压实曲线向上平移，即岩石在同一深度时具有较小的声波时差。对于隆升剥蚀段，按正常压实段的斜率，过地表截距[11-16]，恢复重新定义的正常压实段与欠压实段的交点位置为现今超压顶面，即流体滞留深度。

（3）基底滑脱层的流体压力和有效摩擦系数的计算 用等效深度法计算流体压力，当深度小于流体滞留深度时，流体压力满足（1）式，为静水压力区；当深度大于流体滞留深度时，流体压力满足（2）式，为超压区。由于等效深度De等于流体滞留深度DFRD，将De=DFRD代入（2）式中则可得到（3）式。此时，流体压力pf是深度D的线性函数，故流体压力随深度的变化趋势为一条直线，由此可以预测基底滑脱层流体压力。此时，流体压力比是孔隙流体压力与静岩压力的比值，满足（4）式，弱化摩擦系数μf满足（5）式，为关于深度D的简单函数。有效摩擦系数μeb满足（6）式，反映流体压力对滑脱层的弱化作用（图2）。其中，Byerlee提出经典的静态岩石摩擦系数为0.60～0.85[17].

（4）基底滑脱层强度的计算 临界楔顶角理论描述的就是构造楔在即将破裂的临界状态时，构造楔角度与构造楔以及滑脱层的强度表现为一种近似线性的关系，满足（7）式[18]。此时，滑脱层强度指的就是基底滑脱层的有效摩擦系数。构造楔强度是有效应力与静岩压力的比值，满足（8）式。前人针对构造楔强度做了大量研究，德国普法尔茨地区10 km深处的科学钻探岩心所测得的构造楔强度为1.00[19]；加利福尼亚州圣安德列斯断层探测项目定向孔岩心测得的构造楔强度在0.50左右[20]；根据Byerlee定律以及Davis在1983年做的沙箱实验，可以推测构造楔的最大强度为2.20；Suppe经过研究认为大多数构造楔强度为0.50～1.00[21].在尼日尔三角洲测得的构造楔强度为0.70，在台湾中央山脉12 km深测得的构造楔强度为0.60[22-23]，证明了Suppe于2007年提出的理论的正确性。但是通过中国大陆科学钻探主孔钻孔崩落数据[24-25]及秭归茅坪800 m钻孔水力压裂数据[26]计算出中国南方构造楔强度为0.32～0.60，故此次研究中构造楔强度取值为0.32～1.00.

2 区域地质背景

图1 隆升剥蚀对声波时差和流体压力的影响图版

图2 流体压力、流体压力比和有效摩擦系数随深度变化图版

川东北部地区位于华蓥山断裂与齐岳山断裂之间，为隔挡式褶皱带，由大规模北北东—南南西和北东—南西走向，向西北凸出的弧形褶皱带组成。川东高陡褶皱带宽约160 km，长200～300 km，背斜呈尖棱状，两翼极不对称，缓翼地层倾角为20°～30°，陡翼地层倾角为40°～70°，有的地层直立倒转，褶皱轴面较陡，但以北西倾向为主，核部主要出露三叠系海相碳酸盐岩，仅在华蓥山背斜中段出露二叠系。各背斜之间以宽缓的向斜过渡，向斜核部主体为侏罗系陆相碎屑岩（图3）。

图3 研究区构造及地层分布

研究区自下而上发育前震旦系、震旦系、寒武系、奥陶系、志留系、上石炭统、二叠系、三叠系、侏罗系和第四系。区域性滑脱层主要有基底滑脱层，寒武系膏盐岩、下志留统龙马溪组泥页岩和下三叠统嘉陵江组膏盐岩。根据不整合面以及岩性特征，可以划分出5个构造层：基底构造层，震旦系构造层，寒武系—中志留统构造层，石炭系构造层和二叠系—侏罗系构造层（图4）。

川东地区的基底具有双层结构，下部结晶基底（新太古代—古元古代康定群）和上部褶皱基底（新元古代板溪群）。在湘鄂西—川东地区，基底发生了大型逆冲推覆作用并存在褶皱变形，局部地区有花岗岩侵入体、蛇绿岩套等[27-29]，表明在中元古代末期或晚元古代早期，中扬子地区经历了多次板块俯冲及增生作用。而在元古宙末期，雪峰山地区的构造变形主要受东西向基底构造变形的控制，同时受岩浆喷溢作用的影响，发生北北东—南南西向拉张作用，形成张性断裂，为雪峰山基底隆起带、湘鄂西隔槽式褶皱带和川东高陡褶皱带的形成提供了动力机制。因此，根据前人对板块构造、重磁电、测年方法等的研究，把中—上扬子地区的演化大体分为5个演化阶段：多块体陆壳演化阶段、元古宙华南大陆板块形成阶段、南华纪—志留纪伸展聚敛旋回阶段、泥盆纪—三叠纪伸展聚敛旋回阶段和侏罗纪—第四纪伸展聚敛旋回阶段[30-33]。

3 异常流体压力特征

图4 川东北部地区地层综合柱状剖面

川东北部地区40口井流体压力（部分井见图5，图6）的计算主要依据地层测试数据、钻井液密度和声波时差。地层测试数据主要包括2类，一类是开井测量数据，另一类是关井测量数据，它们直接反映地层流体压力，能对计算的流体压力进行约束。流体压力也可以根据钻井液密度进行计算，但通常计算结果比实际地层流体压力略高。地层测试和钻井液密度都是对区域流体压力直接进行观测。泥岩声波时差数据记录原始孔隙度，可以通过等效深度法计算出流体压力，得到孔隙流体压力随深度的变化趋势，进而预测深部的流体压力分布。

40口井的完钻深度为2 200～6 800 m，钻遇地层主要有侏罗系、三叠系、二叠系、志留系、奥陶系和寒武系。根据泥岩段声波时差计算出来的流体压力与钻井液密度计算流体压力及实测压力大体吻合；超压顶界为500～4 000 m，平均为1 934 m，超压发育的层位主要为侏罗系和三叠系，局部位于二叠系（月5井、池7井和五科1井等）。在超压顶界之下的地层，流体压力突然增加，流体压力比可达0.80.利用钻井液密度计算的流体压力和实测压力，对利用泥岩声波时差计算的流体压力进行校正，可以得到流体压力随深度的变化趋势，基本呈一条直线，介于静水压力与静岩压力之间。将40口井流体压力随深度变化趋势直线的斜率进行加权平均，得到研究区流体压力随深度变化的平均趋势，流体压力比为0.71（图6g）。且由泥岩声波时差计算得到的剥蚀量为400～3 000 m，主要为1 500～2 000 m.

由于研究区现今流体超压顶界的深度和地层具有区域一致性，可以据此来推测没有井数据的地区的流体压力。过地震剖面AA'的12口井，分布在不同的构造带上，现今超压顶界在黄金口背斜—五宝场背斜主要位于中侏罗统，黄龙场背斜—温泉井背斜在下侏罗统—上三叠统，南门场背斜在上三叠统，云安厂背斜—方斗山背斜在下三叠统，湘鄂西隔槽式褶皱带在古生界（图7）。古超压顶界在钻遇有标志性抬升的重要断层和不整合面的井中被记录下来，主要位于上侏罗统。在同一口井中，古超压顶界比现今超压顶界浅1 000～2 000 m.在40口井中，除了个别井由于垂向上存在压力疏导的砂岩体，流体压力比达到0.80以上，大部分井最大流体压力比为0.70.构造抬升和剥蚀作用很大程度上影响了现今超压区顶界的分布。也就是说，超压区的顶界随着上覆沉积物的减少而向下移动。如天东21井，古超压顶界位于中侏罗统沙溪庙组内，现今超压顶界位于上三叠统须家河组内，现今超压顶界比古超压顶界深1 500 m.这种流体超压的变化在其他井中也可以观察到，这表明了在构造抬升和剥蚀作用下，随着时间的推移，流体超压减小。

图5 研究区大湾101井、大湾102井、东岳1井、清溪2井、黄龙5井、黄龙1井和温泉3井声波时差及流体压力随深度的变化

4 流体压力比及有效摩擦系数的预测

川东北部地区广泛发育流体超压，且在不同构造带上流体压力分布特征及其随深度的变化趋势有差异。因此，要探究滑脱层流体压力比及有效摩擦系数的情况，需对不同构造带分别进行讨论。

图8是各个构造带在给定流体滞留深度的情况下，现今压力、流体压力比以及有效摩擦系数随深度的变化趋势。其中，校正后超压梯度趋势线是指在不同构造带内，将各口井计算得到的流体压力用钻井液密度计算流体压力以及实测压力校正，加权平均之后，得到的可以代表该构造带流体压力随深度变化的趋势线；静岩梯度超压趋势线是指在流体滞留深度之下，假设超压梯度等于静岩梯度时，流体压力随深度变化的趋势线。

黄金口—五宝场构造带代表井有雷北1井、大湾101井、大湾102井、清溪2井、金珠1井、东岳1井、双庙1井、黄龙1井、黄龙5井和普光4井，其平均流体滞留深度（可近似等于超压顶界深度）为1 369 m.校正后超压梯度趋势线在下三叠统嘉陵江组膏盐岩滑脱层处，流体压力比为0.72，有效摩擦系数为0.168～0.238；在下志留统龙马溪组页岩滑脱层处，流体压力比为0.78，有效摩擦系数为0.132～0.187；在寒武系膏盐岩滑脱层处，流体压力比为0.81，有效摩擦系数为0.114～0.162.如果流体超压不存在，各滑脱层有效摩擦系数为0.372～0.527（图8a）。流体超压的存在使黄金口—五宝场构造带嘉陵江组膏盐岩滑脱层有效摩擦系数减小了54.8%，龙马溪组页岩滑脱层减小了48.4%，寒武系膏盐岩滑脱层减小了69.3%.

黄龙场—温泉井构造带典型井有温泉3井、黄龙1井、黄龙5井、菩萨1井和五科1井，其平均流体滞留深度为1 822 m.校正后超压梯度趋势线在嘉陵江组膏盐岩滑脱层处，流体压力比为0.54，有效摩擦系数为0.276～0.391；在龙马溪组页岩滑脱层处，流体压力比为0.68，有效摩擦系数为0.192～0.272；在寒武系膏盐岩滑脱层处，流体压力比为0.69，有效摩擦系数为0.186～0.264；在基底滑脱层处，流体压力比为0.71，有效摩擦系数为0.174～0.247；如果流体超压不存在，各滑脱层有效摩擦系数为0.372～0.527（图8b）。流体超压的存在使黄龙场—温泉井构造带嘉陵江组膏盐岩滑脱层有效摩擦系数减小了25.8%，龙马溪组页岩滑脱层减小了48.4%，寒武系膏盐岩滑脱层减小了 50.0%，基底滑脱层减小了53.1%.

图7 川东北部地区超压垂向分布（剖面位置见图3）

图8 川东北部地区各构造带流体压力比和有效摩擦系数随深度的变化

南门场构造带代表井有门南1井、天东21井和陈家1井，其平均流体滞留深度为2 950 m.校正后超压梯度趋势线在嘉陵江组膏盐岩滑脱层处，流体压力比为0.40，有效摩擦系数为0.360～0.510；在龙马溪组页岩滑脱层处，流体压力比为0.63，有效摩擦系数为0.222～0.315；在寒武系膏盐岩滑脱层处，流体压力比为0.67，有效摩擦系数为0.198～0.281；在基底滑脱层处，流体压力比为0.72，有效摩擦系数为0.168～0.238；倘若流体超压不存在时，各滑脱层有效摩擦系数为0.372～0.527（图8c）。流体超压的存在使南门场构造带嘉陵江组膏盐岩滑脱层有效摩擦系数减小了3.2%，龙马溪组页岩滑脱层有减小了40.2%，寒武系膏盐岩滑脱层减小了46.7%，基底滑脱层减小了54.8%.

云安厂构造带典型井有云安1井、云安6井、云安12井、梁6井、轿1井和陈家1井，平均流体滞留深度为2 371 m.校正后超压梯度趋势线在嘉陵江组膏盐岩滑脱层处，流体压力比为0.38，有效摩擦系数为0.372～0.527；在龙马溪组页岩滑脱层处，流体压力比为0.71，有效摩擦系数为0.174～0.247；在寒武系膏盐岩滑脱层处，流体压力比为0.74，有效摩擦系数为0.156～0.221；在基底滑脱层处，流体压力比为0.79，有效摩擦系数为0.126～0.179；当流体超压不存在时，各滑脱层有效摩擦系数为0.372～0.527（图8d）。云安厂构造带嘉陵江组膏盐岩滑脱层被抬升到超压顶面之上，为静水压力，其有效摩擦系数没变，流体超压的存在使云安厂构造带龙马溪组页岩滑脱层有效摩擦系数减小了53.1%，寒武系膏盐岩滑脱层减小了58.1%，基底滑脱层减小了66.1%.

方斗山构造带代表井有石宝1井、洋渡1井、方东1井、池7井、云安12井、乌1井和建深1井，其平均流体滞留深度为2 235 m.校正后超压梯度趋势线在嘉陵江组膏盐岩滑脱层处，流体压力比为0.47，有效摩擦系数为0.318～0.451；在龙马溪组页岩滑脱层处，流体压力比为0.67，有效摩擦系数为0.198～0.281；在寒武系膏盐岩滑脱层处，流体压力比为0.81，有效摩擦系数为0.114～0.162；在基底滑脱层处，流体压力比为0.84，有效摩擦系数为0.096～0.136；流体超压不存在，各滑脱层有效摩擦系数为0.372～0.527（图8e）。流体超压的存在使方斗山构造带嘉陵江组膏盐岩滑脱层有效摩擦系数减小了14.5%，龙马溪组页岩滑脱层减小了46.7%，寒武系膏盐岩滑脱层减小了69.3%，基底滑脱层减小了74.2%.

齐耀山以西的湘鄂西隔槽式褶皱带代表井有利页1井、恩页1井和荷页1井，其平均流体滞留深度为2 450 m.校正后超压梯度趋势线在龙马溪组页岩滑脱层处，流体压力比为0.48，有效摩擦系数为0.312～0.442；在寒武系膏盐岩滑脱层处，流体压力比为0.61，有效摩擦系数为0.234～0.332；在基底滑脱层处，流体压力比为0.83，有效摩擦系数为0.102～0.145；如果流体超压不存在，各滑脱层有效摩擦系数为0.372～0.527（图8f）。流体超压的存在使湘鄂西隔槽式褶皱带龙马溪组页岩滑脱层有效摩擦系数减小了16.1%，寒武系膏盐岩滑脱层减小了37.0%，基底滑脱层减小了72.5%.

综上所述，不同构造带的不同滑脱层的有效摩擦系数不同，因为流体超压的存在，或多或少降低了滑脱层的有效摩擦系数。

5 基底滑脱层有效摩擦系数在地震剖面上的匹配

从研究区选取一条北西—南东向，过较多井的地震剖面（图9），从地震剖面中可以发现，该剖面跨过了川东高陡褶皱带和湘鄂西隔槽式褶皱带。

川东高陡褶皱带自下而上有基底滑脱层、下寒武统滑脱层、下志留统龙马溪组泥岩层以及下三叠统嘉陵江组膏盐岩滑脱层4套滑脱层，各个构造带都表现为分层滑脱变形特征。嘉陵江组以上地层整体上表现为多个向斜与背斜相间的形态，具有“宽向窄背”的特征，其中，各大背斜均呈现出地层叠置的现象；嘉陵江组以下地层主要发育双重构造，其中，西北部的背斜（如黄龙场背斜和云安厂背斜）的双重构造主要由北西向南东逆冲的逆断层组成，而东南部的背斜（如方斗山背斜和齐耀山背斜）的双重构造则由南东向北西逆冲的逆断层组成。这一现象可以充分说明，研究区的主应力为南东—北西向，西北部的反冲断层的形成则说明其西北部存在足以抵消该构造应力的构造体存在。

湘鄂西隔槽式褶皱带发育与川东高陡褶皱带相同的4套滑脱层，也是分层滑脱变形。下三叠统嘉陵江组以上地层在利川复向斜保存较为完整，表现为滑脱层的作用，其他构造带只是少部分隔槽式向斜核部有所保留。下志留统龙马溪组泥岩—下三叠统嘉陵江组膏盐岩，只是在宜都—鹤峰复背斜处遭受剥蚀，其他部位保存较为完整，此构造层表现为隔槽式褶皱，主要受下伏构造层变形的影响，龙马溪组和奥陶系的变形表现为向斜窄，背斜宽，因此，隔槽式褶皱带的形成主要受下寒武统滑脱层的影响。下寒武统底界地层较为平缓，说明基底滑脱层对上覆地层隔槽式背斜的形成影响较小，但控制着研究区的抬升。另外，研究区整体受东南侧应力的作用，断层由东南向西北逆冲，主要发育断层传播褶皱及双重构造样式。

图9 川东北部地区北西—南东向地震构造解释剖面（剖面位置见图3）

综上所述，研究区构造发育主要受基底滑脱层的影响，故本次针对流体超压对滑脱层强度影响的探讨主要聚焦在基底滑脱层上。通过地震剖面进行构造楔相关参数的研究，进而研究其流体压力对滑脱层强度的影响。

从地震剖面中可以看出，流体超压顶界面（λ=0.38）从西北向东南逐渐变深，基底滑脱层处的流体超压从西北向东南整体上逐渐增大，在川东高陡褶皱带处流体压力比为0.70～0.80，在湘鄂西隔槽式褶皱带处流体压力比大于0.80，在川东黄龙场背斜—温泉井背斜处流体压力比明显减小，在0.72左右。由于流体压力比越小，有效摩擦系数越大，可见在黄龙场背斜—温泉井背斜处，基底滑脱层的有效摩擦系数升高，这与上覆构造层出现的反冲断层相互印证。整体来看，从湘鄂西到川东存在明显的逆冲推覆带，是一个大型的构造楔，以基底滑脱层为主要滑脱层。

图10 川东北部地区基底滑脱层强度与构造楔强度的关系

构造楔表面的坡角为1.48°，滑脱层倾角为3.30°，川东高陡褶皱带长度为208 km，根据（7）式拟合出滑脱层强度和构造楔强度之间的关系。当构造楔强度为0.32～1.00时，可得出基底滑脱层强度为0.060～0.110（图10）。如果流体超压不存在，各滑脱层有效摩擦系数为0.372～0.527，流体超压的存在使基底滑脱层有效摩擦系数减小了79.1%～83.9%.这意味着研究区沿基底滑脱层发生剪切作用所需的构造应力大幅减小。

6 结论

（1）川东北部地区广泛发育超压，现今超压顶界面平均深度为1 934 m，主要发育于侏罗系煤层和三叠系膏盐岩。

（2）不同构造带不同滑脱层的强度不同。黄龙场—南门场的基底滑脱层有效摩擦系数相比其他构造带大一些，这与该地区发育的超压较小有一定的关系。

（3）研究区广泛发育的超压，使原基底滑脱层有效摩擦系数降低了79.1%～83.9%，这意味着现今基底滑脱层比较脆弱，较小的构造应力即可使其发生构造活动。

符号注释

D——深度，m；

De——等效深度，m；

DFRD——流体滞留深度，m；

F——滑脱层强度；

g——重力加速度，m/s2；

pf——孔隙流体压力，MPa；

W——构造楔强度；

α——构造楔表面的坡角，rad；

β——基底滑脱层倾角，rad；

λ——流体压力比；

μ——摩擦系数；

μb——静态岩石摩擦系数；

μeb——有效摩擦系数；

μf——弱化摩擦系数；

ρr——岩石密度，kg/m3；

ρw——地层水密度，kg/m3；

θ1——静岩压力趋势线的倾角；

θw——静水压力趋势线的倾角；

σ1——最大主应力，N；

σ3——最小主应力，N.

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