四川盆地东北部弧形构造的横向转换

梁 瀚,马 波,孔令霞,曾 鸣,陈 骁,韩 嵩

(中国石油西南油气田公司 勘探开发研究院，成都 610041)

薄皮滑脱构造在变形过程中会由于边界条件的变化形成横向上的弧形构造，这是陆内挤压构造最复杂的地区[1]，同时又具有巨大的油气资源。这类山前复杂挤压构造的油气勘探关键在于建立精细、准确的地质模型，以提高地震叠前深度偏移成像、构造解释和构造圈闭的精度。但弧形构造地表只能简单表现褶皱和断层的走向变化，而复杂的构造变形引起地下地震资料低信噪比、偏移成像不准，难以建立弧形构造精细的横向变化模型以解析三维空间内褶皱和断层的变化细节。因此，对弧形构造的地质研究重点是解析纵、横向构造变形特征，并建立相应的三维地质模型。

川东高陡构造带北部是典型的弧形构造域,由北东-南西走向的构造向北部逐渐偏移为近东西走向的构造。该地区与大巴山弧形构造相接，一直是地质学研究与油气勘探的热点地区[2-9]。该地区一是地表地质条件复杂、陡倾角地层发育、褶皱核部灰岩出露，二是地下构造变形复杂、横向变化快，对地震采集、处理造成很大困难，导致从浅层到深层都存在地震反射信噪比低、偏移成像质量差的问题，以致纵、横向构造变化难以得到正确认识，最终导致构造圈闭不落实，限制了地质研究的深入和油气勘探的突破。位于该地区的三岔坪弧形构造，设计在构造高部位的多口探井实际都钻到构造的高陡翼部或倒转前翼，导致勘探失利。失利主要与构造模式、构造解释精度有关[10]，模型的准确性也关系着地震叠前偏移成像是否精确。

1 地质背景

川东高陡构造带位于四川盆地东部，总体构造走向为北东-南西向(图1)，延伸约290 km，受到东边雪峰山向北西挤压的区域挤压应力[11-12]，主要发育7排北东-南西走向的构造，背斜紧闭，向斜开阔，形成“隔档式”构造[13]。川东高陡构造带的北端与大巴山构造带东段相近，前者从北东-南西走向向北到川东北部偏转为近东西走向(图1)。南大巴山与川东构造东带同步发育，形成一对“壮观的收敛双弧构造”[2]，并在华蓥山以东的大巴山山前带以及米苍山-大巴山交汇的山前带(即“南通巴地区”) 发育大量的褶皱干扰、复合现象[4]。

图1 川东高陡构造带北部弧形构造域卫星遥感影像图Fig.1 Remote sensing image of arc structures in the northeastern Sichuan Basin黑色方框为三岔坪弧形构造范围。黑色大箭头为区域挤压应力方向， 黑色小箭头为应力分解，黑色虚线为川东北部主要正向构造轴线。左上图为四川盆地地质简图，内部黑框为遥感图范围

三岔坪弧形构造处在川东高陡构造带的北端(图1)，北部发育云安厂背斜和南部硐村背斜(图2)，东段背斜为东西向延伸；向西云安厂背斜逐渐偏向为北东-南西向延伸，硐村背斜过汤溪河向西逐渐倾伏为隐伏背斜，平面上整体呈弧形。

坚硬层一般指砂岩、碳酸盐岩等刚性地层；相对的非坚硬层或滑脱层一般指膏盐层、泥页岩等软弱层。根据力学特征，坚硬层构造变形以褶皱、断层等刚性构造变形为主。结合前人研究[14-15]，根据地层岩性分层、区域地震剖面以及钻井数据的分析，川东北部主要存在3套滑脱层(表1)：深部中、下寒武统膏盐层、中部志留系的泥页岩、浅部下三叠统嘉陵江组内部的膏盐层。深、中、浅3套滑脱层组成川东高陡构造带的主要滑脱层，将上部、中部、下部坚硬层分隔开。

图2 三岔坪弧形构造区地质图Fig.2 Geologic map showing the Sanchaping arc structure位置见图1中黑色方框

表1 川东高陡构造带地层力学分层Table 1 The detachment layers and competent layers in the eastern Sichuan fold-and-thrust belt

*川东高陡构造带仅少数几口井钻到中、下寒武统膏盐层塑性增厚的背斜核部，原始厚度误差大

2 地表构造特征

云安厂背斜和硐村背斜核部紧闭(图2)，背斜主体为一个尖棱褶皱，核部地层高陡，达80°至倒转，两翼逐渐变缓。地表整体构造几何形态由东段的东西走向，向西变为北东-南西走向。地表仅发育断距<10 m的上冲断层，深部断层未冲出地表，浅层以褶皱变形为主。

野外地质调查揭示，云安厂背斜与硐村背斜核部紧闭(图2)，浅层主要发生强烈的褶皱变形。以云安厂背斜为例，地表出露背斜的核部为尖棱褶皱(图3-A)，背斜两翼地层高陡，达到80°甚至倒转(图3-B)，远离背斜两翼逐渐变缓(图2)。三岔坪弧形构造的褶皱两翼地层内出现有小规模的层间滑动断层和上冲断层(图3-C、D)，但未见断距>10 m的断层出露地表。

西段(图4中a-a’)出露的云安厂背斜北翼缓、南翼陡，近核部达85°，分析是受下伏向南上冲隐伏断层的作用；中段(图4中b-b’)出露的云安厂背斜两翼倾角都在50°左右，为对称背斜形态，推断下伏存在一对反冲断层；东段(图4中c-c’)地表出露的云安厂背斜北翼与硐村背斜南翼都发育陡倾角地层，判断下伏断层组合关系复杂，以向北上冲断层为主。

地表褶皱走向上发生弧形转弯，推断褶皱的构造指向及下伏断层的产状在横向上反向。需结合地表的地质特征，利用地震数据建立地下背斜与断层的构造横向变化模型。

(3) 对未安排车次的车组按规则进行排序。若某项检修作业的检修周期固定且为t,在一般情况下，所有车组两次检修作业之间的时间间隔也随之确定。 由于检修周期的确定与车组走行里程有关，因此要求两次检修时间间隔内所车组的走行里程接近。

3 构造几何学特征

由于地表及地下地质条件复杂，三岔坪构造地震反射信噪比低，地表地质模型和钻到陡立翼部的钻井数据为约束构造建模提供了重要的依据。依据实钻井的测井倾角数据与地质分层建立井旁构造模型，综合地表地质模型，利用地震剖面建立地质模型。

基于地表弧形构造不同区段地表地质模型构造形态变化大的特点(图4)，依据地震剖面，分别建立三岔坪弧形构造西段(北东-南西走向背斜，图5)、中段(弧形转弯，图6)、东段(北东东-东走向背斜，图7)的基础构造模型。

图3 三岔坪弧形构造区野外露头现象Fig.3 The outcrop photos of Sanchaping arc structure area(A)云安厂主体背斜核部出露尖棱褶皱; (B)云安厂主体背斜翼部高陡直立地层; (C,D)三岔坪弧形构造地表以小断层为主，未见大断层

图4 三岔坪弧形构造区地表地质剖面Fig.4 The field geological profiles of Sanchaping arc structure area图例中地层符号同图2，位置见图2

图5 AA’测线深度地震剖面和构造解释剖面Fig.5 AA’ uninterpreted depth seismic profile and interpreted structural profile.寒武系底界； O2.中奥陶统底界； P1l.梁山组底界； P2l.龙潭组底界； T1f1.飞仙关组第一段底界； T1f4.飞仙关组第四段底界； T1j2.嘉陵江组第二段底界； T3x1 .须家河组底界。虚线地层代表地表投影的构造形态; 测线位置见图2

图6 BB’测线深度地震剖面和构造解释剖面Fig.6 BB’ uninterpreted depth seismic profile and interpreted structural profile虚线地层代表地表投影的构造形态。测线位置见图2

3.1 西段构造特征

AA’剖面(图5)由北向南发育云安厂背斜和沙塘潜伏背斜，北翼宽缓，南翼陡。

云安厂背斜构造变形复杂，地震剖面上南翼未能正确成像，结合地表地质模型(图4中a-a’)和Y10井测井倾角约束，下伏主断层F2向南上冲发生强烈变形形成了倒转南翼，垂向叠加在沙塘潜伏背斜的北翼上。沙塘潜伏背斜逆断层F5从中部滑脱层志留系泥页岩滑脱向南上冲，导致中部坚硬层褶皱变形形成断层传播褶皱[16-17]，断层位移量消耗在变形过程中褶皱前翼形成的高陡翼部，断层前沿汇入到浅部滑脱层中。

西段的构造形态显示由北向南上冲，这也与地表地质现象表现的构造特征吻合，说明挤压应力主要受川东高陡构造带的作用。

3.2 中段构造变形特征

BB’剖面(图6)云安厂背斜在中段为对称褶皱，与地表出露褶皱几何形态一致(图4中b-b’)。受中部滑脱层志留系的作用形成断层滑脱褶皱[18]，褶皱的两翼发育褶皱调节断层[19]，形成了褶皱变形为主、断层变形为辅的构造样式[19]。钻到三岔坪潜伏背斜南翼的Y006-X5井的测井倾角数据显示三岔坪潜伏背斜翼部地层陡立。硐村背斜也发育对称的几何形态。

3.3 东段构造变形特征

CC’剖面(图7)中硐村背斜南翼D1井和北翼D3井都钻到陡立的下二叠统，褶皱变形强烈，志留系泥页岩在背斜核部聚集加厚，是典型的滑脱褶皱，主断层F4向北上冲。云安厂背斜主断层F1向北上冲，并发育反冲断层F2，中部坚硬层被它们错断，形成突发构造，垂向叠加在北翼断下盘之上。三岔坪潜伏背斜在东段为次级构造，由F1断层派生的F3反冲断层向南上冲，Y006-X6井钻遇60°的高陡南翼，发育断层传播褶皱的构造样式。东段剖面整体向北上冲。

3.4 构造纵向变形特征

垂向上，川东地区浅层嘉陵江组膏岩层、中层志留系泥页岩、深层寒武系膏岩层3套滑脱层(表1)发育，导致三岔坪弧形构造的3套坚硬层(表1)构造发生分层变形，几何构造形态差异明显(图8)。下部坚硬层的变形幅度较小；中部坚硬层受到中部滑脱层志留系泥页岩的塑性滑脱作用，褶皱变形强烈，背斜翼部陡带发育，构造幅度明显大于下部坚硬层；浅部滑脱层嘉陵江组膏盐层通过挠曲、小褶皱和塑性作用[20]吸收了中部坚硬层部分脆性变形，所以上部坚硬层没有卷入潜伏构造变形。

大量的钻井钻到下二叠统—石炭系的高陡翼部，并没钻到大套的重复地层，这些构造特征显示三岔坪弧形构造的滑脱层在变形中的塑性滑脱作用，构造变形以褶皱变形为主、断层错断为辅，构造样式主要是滑脱褶皱[20]、断层滑脱褶皱[18]和断层传播褶皱[16-17]。

3.5 构造横向变化特征

云安厂背斜下伏上冲断层的主次关系在横向上随褶皱走向的弧形变化而发生变化(图8、图9)。东段向北上冲的F1断层(图9-B，绿色断面)作为主断层，F2(图9-B，红色断面)为F1派生的反冲断层；到中段，背斜两翼近于对称，下伏F1与F2这对反向的反冲断层没有主次之分；西段，向南上冲的F2变为主断层，F1变为次级断层并向西位移量逐渐减小、消失。

硐村背斜断层的主次关系同样随褶皱弧形变化而发生转换，东段向北上冲的F4断层(图9-C，黄色断面)为主断层，派生F5(图9-C，红色断面)反冲断层，两个背斜挤压主方向指向北西；中段硐村背斜倾伏为潜伏背斜，构造形态较为对称；西段，硐村背斜与沙塘潜伏背斜连接，向南东上冲的F5断层作为沙塘潜伏背斜的主断层。

图8 三岔坪弧形构造构造剖面横向栅状排列Fig.8 Lateral array of typical structural sections of Sanchaping arc structure左上地质图中红线为构造剖面位置。地质剖面根据叠前深度偏移地震解释剖面，并用测井倾角限定高陡翼部绘制

图9 三岔坪弧形构造主要断层三维展布图Fig.9 3D distribution of major faults of the Sanchaping arc structure(A)三岔坪弧形构造主要断层，断层编号同图5，从西向东分别为F1(绿)、F2(红)、F3(蓝)、F4(黄)、F5(红); (B)云安厂背斜发育的F1(绿)和F2(红)断层; (C)硐村背斜-沙塘潜伏背斜发育的F4(黄)和F5(红)断层。三维模型由Landmark软件编制

三岔坪弧形构造的背斜与主断层在东、西段挤压指向发生转向，横向上形成反向衔接的关系，显示出挤压主应力在横向上的变化。

4 构造变形成因

川东高陡构造带受到源于东边雪峰山从东南向北西挤压的区域挤压应力[11-12]，挤出过程中，被大巴山限制了挤压应力向北西的传递。大巴山构造带东段与川东高陡带北部形成了对冲构造，川东高陡带北西向的主挤压应力分解为向北和向西的应力[4]。向北的应力作为挤压应力，导致西段北东-西南走向的云安厂背斜到东段变为近东西向构造，发育东西走向的云安厂背斜和硐村构造。中段是弧形构造的转弯处，东段和西段不同方向的挤压应力交汇，形成对称褶皱。

虽然该地区没有生长地层(同沉积地层)发育，缺少了约束构造变形期次的直接证据，但近年来许多学者[7,9,21]在川东以及大巴山弧形构造区域内开展了低温热年代学研究，得到了丰富的成果。梅廉夫等[21]利用磷灰石裂变径迹数据分析认为川东断褶带南东段为早白垩世早中时期的燕山中期前段，川东断褶带西北段为早白垩世晚期的燕山中期后段。王平等[9]分析了磷灰石裂变径迹测试结果，认为川东高陡构造带中段的构造变形最早，起始时间为早白垩世早期(约135 Ma B.P.)；北段和南段的变形较晚，起始时间为早白垩世晚期(约100 Ma B.P.)。许长海等[7]应用裂变径迹和低温热年代学方法研究认为南大巴山弧形构造带在早白垩世(153～100 Ma B.P.)形成。

湘鄂西到川东是递进扩展变形[21]，大巴山从北东向南西构造也是扩展变形[22]。南大巴山与川东构造东带同步发育，形成一对壮观的收敛双弧构造[2]。武红岭等[6]通过数值模拟研究验证了形成该收敛双弧的应力场基础。数值应力场模拟研究[6]、物理模拟研究[8]均表明，挤压应力在向前陆传递过程中受到阻挡是弧形构造形成的关键原因之一。

因此，三岔坪弧形构造是向北西挤压的川东高陡构造带在川东北部受到大巴山构造带阻挡作用的结果，川东高陡构造带和南大巴山构造带的挤压应力作用于三岔坪地区的时间在早白垩世晚期，三岔坪构造的平面弧形特征是原生构造，并非后期受到再次改造而形成弧形。

这种构造在横向上的反向连接受到地层力学性质的影响[23]。在三岔坪弧形构造，中部滑脱层是一套厚度约0.5～1.2 km的泥页岩[15]，这套滑脱层调节了云安厂背斜东西段构造主方向的转换，云安厂背斜上中部坚硬层东段的向北上冲作用和西段的向南上冲作用在中段发生转换，形成对称背斜，F1和F2断层(图8、图9)切断中部坚硬层，断层向上消失在嘉陵江组膏泥岩中，向下消失在志留系泥页岩中。

据此，建立了一种挤压弧形构造的横向构造变化的构造模型(图10)，该模型在主挤压应力向前陆传递的过程中，受到侧向应力阻挡，导致褶皱在平面形成弧形。受底部塑性滑脱层对应力的调节，褶皱的上冲断层主次关系也在平面发生变化，弧形转弯部位形成对称背斜。

图10 受到两个方向挤压应力背景下形成单个弧形背斜构造的横向变化模型Fig.10 The lateral variation model of a single arc anticline resulted from two directional compression

5 结 论

三岔坪弧形构造作为典型的弧形构造，纵向发育3套滑脱层，控制上、中、下3套坚硬层分层变形，主要形成断层滑脱褶皱和断层传播褶皱构造样式。横向受川东高陡构造带向北西挤压，同时由于北部大巴山构造带的阻挡作用，致使三岔坪构造在平面上形成弧形弯曲构造形态。在西段形成北东走向的构造，主断层向北西上冲；东段构造走向转变为近东西向，主断层向南上冲；中部，志留系泥页岩的塑性滑脱作用协调了应力和断层的转换，发育对称褶皱。断层的主次关系变化在横向发生转换，形成反向衔接。

在区域主应力向盆地内挤压传递的过程中，由于侧向受到斜向挤压应力阻挡，区域主应力发生应力分解，会导致背斜及下伏断层在平面形成弧形；未受侧向阻挡段的主断层仍然以近平行区域主应力方向向盆地内上冲，受阻挡发生弧形转弯段的断层反方向上冲；褶皱的指向及下伏上冲断层的主次关系在横向发生转换，形成反向衔接。这类构造是由于区域底部塑性滑脱层调节了这种应力的转换，并在弧形转弯部位形成对称背斜协调反向断层的变化。