焦石坝地区构造变形差异及保存条件解析

龙小军

(中国石化江汉油田分公司物探研究院，湖北武汉 430035)

保存条件是制约中国海相页岩气富集的关键因素之一，而构造作用是影响保存条件的直接原因。因此，建立构造变形模式、确立差异构造变形规律是阐明古生界海相页岩气差异保存的前提[1-5]，也是识别“构造甜点”的基础[6]。焦石坝地区构造复杂、构造变形差异显著，进而导致该区页岩气保存条件具明显的差异性，页岩气层含气性不尽相同[7-10]。目前涪陵页岩气田已顺利完成产能建设，如何实现页岩气高效勘探、寻找接替目标区是目前亟待解决的问题。本文基于对复杂构造区差异构造变形的解析，并分析其对页岩气保存的影响，以推动焦石坝地区页岩气选区的评价。

1 地质构造背景

焦石坝地区位于湘鄂西褶皱带和川东南褶皱带的过渡带，属江南雪峰构造体系域，构造变形较为复杂，受中燕山期南东—北西向区域构造的递进扩展作用，经过晚燕山期至喜马拉雅期构造改造作用而定型。构造整体呈北东走向，以齐岳山断裂为界，以东为“隔槽式”结构，多出露下古生界，齐岳山以西为“隔挡式”结构。地层以中生界出露为主(图1)，上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组为主要的页岩发育层段。

图1 川东南地区构造区划Fig.1 The tectonic zoning map in southeast Sichuan

受控于江南雪峰构造体系域南东—北西向挤压作用，中生代以来焦石坝地区发生北东走向的断裂褶皱作用。在南东—北西斜向挤压作用下，大耳山断裂发生走滑作用，派生出北东—南西向的挤压，形成乌江断层，控制北西走向构造，叠加于早期北东走向构造之上。因此焦石坝地区的构造整体表现为东—西分带的特点，西带又兼具有南北分段的特征(图2)。整体具有隆凹相间的构造格局，并具有以下特点：①主要在压扭作用下形成；②褶皱规模、形态及排列展布严格受主控断裂的控制；③背斜轴面多倾向断裂，翼部多发育压性、压扭性断裂；④构造定形于喜山期，多套滑脱层导致纵向上形成多个变形层，且深浅部构造高点不吻合。

2 构造变形差异特征

2.1 纵向上构造变形特征

湘鄂西—川东地区纵向上存在前寒武系基底、中下寒武统膏盐、下志留统泥岩以及下三叠统嘉陵江组膏盐等4套区域性滑脱层。焦石坝地区构造变形系统和构造层划分受控于深、浅层多级滑脱层系，发生多重滑脱作用，在纵向上表现出明显的构造分异性，形成上、中、下、前寒武系4套变形层的多重差异滑脱构造(图3)。其中下三叠统嘉陵江组膏盐大部分遭受剥蚀，仅在向斜区有少部分残留，因此研究区仅局部发育上变形层。受差异构造变形制约，不同地区的滑脱层所起的滑脱作用不同。石门2号断裂以东，断裂多断开上、下古生界，志留系不起滑脱作用，中变形层和下变形层合并为一个变形层，表现为冲断层切割地层，向上断开至三叠系，向下消失于寒武系。而石门2号断裂以西，志留系起滑脱作用，从而形成中、下两个变形层，断层表现为双层结构，分别消失于志留系和寒武系(图3)。

图2 焦石坝地区构造变形分区Fig.2 The tectonic deformation zoning plan in Jiaoshiba area

图3 湘鄂西—川东构造旋回及变形层划分Fig.3 The division of tectonic cycle and deformation layer in western Hubei and Hunan-eastern Sichuan

前寒武系变形层从寒武系底部到基底面，在湘鄂西褶皱带，前寒武系变形强烈，发生强烈冲断以及断褶作用，断裂规模较大；进入川东褶皱带，则表现为隐伏构造，分支断裂发育，表现为叠瓦状；往北西方向前寒武系变形层构造变形继续减弱，多表现为顺层滑脱构造(图3)。

下变形层以冲断为主，断裂发育，表现为系统的断裂相关褶皱构造特征。该变形层以同心褶皱为主，但其翼部断裂非常发育，陡翼常发育轴倾断裂，缓翼发育反向断裂，并组合呈阶梯状、对冲和背冲断裂组合，对冲型一般发育向斜，背冲型以发育背斜为主[11]，断裂向上均消失于志留系，并将构造解体为背斜主体、翼部斜坡等次级构造单元(图4)。

中变形层主要发生盲冲作用以及与断裂相关的褶皱作用。以断展背斜、断弯背斜、对冲构造特征为主，断裂向上多消失于三叠系滑脱层之中或出露地表，断裂规模较小，构造变形整体表现为对下构造层变形的继承性(图4)。

2.2 构造变形分区特征

在江南雪峰造山带构造体系的横向递进扩展变形以及纵向多层系滑脱的联合控制下，形成了焦石坝地区的三维复杂构造变形特征，可分为东部压扭变形带和西部断滑(断展)褶皱变形带(图2)。

图4 过川东焦石坝地区测线1地质解释剖面Fig.4 The geological interpretation section of survey line-1 which across eastern Sichuan-Jiaoshiba area

2.2.1 东部压扭变形带

东部压扭变形带位于石门2号断裂以东，齐岳山断裂以西，主体表现为冲断作用，并伴随一定的扭动作用，形成系列断块、较紧闭褶皱，可再细分为白马压扭向斜和石门压扭断背斜。总体上，石门压扭断背斜构造变形从由北向南在逆冲与扭动作用中表现为规律性变化，自北向南，逆冲作用逐渐减弱，而走滑作用逐渐增强。北段为断展褶皱，背斜规模较小，且被叠瓦状断层改造，往向斜方向构造形变较弱(图5)；南部扭动作用增强，断裂密度较大，多呈雁列式展布，如白云断裂系呈现右阶式展布，构造形态高陡，背斜的东翼被改造为系列断块。白马压扭向斜构造变形相对较弱，北翼较为完整，南翼断裂发育 (图6)。

图5 过川东焦石坝地区地震解释剖面(北)Fig.5 The geological interpretation section which across Jiaoshiba area (north)

2.2.2 西部断滑(断展)褶皱变形带

石门2号断层以西仍然属于挤压褶皱的范畴，但推置力减弱，由于下志留统滑脱层的参与，逆冲断层多表现为双层滑脱(图6)。以乌江断层为界，南北构造表现出明显差异。乌江断层以南为西部断展变形带，在前寒武系滑脱变形控制下，发育平桥断背斜等断展褶皱，构造呈北东走向，形态完整，为同心褶皱。平桥断背斜受控于平桥西断层，发育平桥东1号反冲断层，形成背冲构造(图6)。乌江断层以北为西部断滑变形带，在前寒武系滑脱变形控制下，发育焦石坝箱状背斜构造，构造整体呈北东走向，构造主体变形较小，地层平缓，东西两翼轴面应力集中，派生出相向倾斜的石门1号断层和吊水岩1、2号断层。乌江断层由北东往南西方向的逆冲作用形成北西向的跨褶型叠加褶皱，这一构造作用也使得焦石坝构造西南部受改造而复杂化(图7)。

图6 过川东焦石坝地区地震解释剖面(南)Fig.6 The geological interpretation section which across Jiaoshiba area (south)

图7 过川东焦石坝背斜主体地震解释剖面Fig.7 The geological interpretation section which across the main part of anticline in Jiaoshiba area

2.3 差异构造变形机制

焦石坝地区作为湘鄂西与川东的构造转换带，前寒武系变形层以断展作用和顺层滑脱为主。前寒武系断层的断面结构控制了中、下变形层的整体形态的差异性。乌江断层以北，前寒武系中主体为顺层滑脱作用，断层顺层发育，断面无坡坪结构，也正是这一顺层滑脱作用造成断面之上岩层发生褶皱作用，形成箱状背斜(图8a)。同时，形成箱状构造的关键是断层的滑脱深度，通过ADS法[12]计算焦石坝构造前寒武系滑脱面深度为9 km，在此滑脱面深度控制下，由滑脱面往上，下、中变形层褶皱类型由尖棱背斜→圆弧背斜→箱状背斜转变(图7)。而乌江断层以南，前寒武系滑脱断层为坡坪式结构，下、中变形层相应的发育断展背斜(图8b)。另外，不同滑脱层的主控作用是下、中变形层构造变形差异的又一原因。石门2号断层以东，靠近齐岳山断层前缘，构造作用强，寒武系膏盐为主要滑脱层，下、中变形层表现为统一的冲断变形模式。石门2号断层以西所受到的挤压力减小，且寒武系膏盐、志留系泥页岩均为主要滑脱层，下变形层断层向上、中变形层断层向下均消失于志留系，释放了部分构造应力，构造变形较小，表现为继承性差异变形(图4)。

图8 断滑(断展)褶皱发育模式Fig.8 The development model pattern of detachment (fault-propagation) fold

3 构造变形与页岩气保存

川东南地区经历了加里东、海西、印支和喜马拉雅等复杂构造运动，导致该地区构造复杂，保存条件是决定页岩气富集的关键。涪陵页岩气田勘探开发表明，构造运动引起的地层隆升剥蚀、褶皱变形、断层切割等是影响该区页岩气保存条件的主要原因。

3.1 构造样式与保存条件

差异构造变形体现了地层受构造改造的强弱。构造改造弱的构造样式对页岩气保存较好，具有背斜背景、宽缓的构造样式对页岩气的保存较为有利，而受断层控制的高陡构造样式则不利于页岩气保存。焦石坝箱状背斜是一个受前寒武系断层滑动作用形成的特殊的正向构造，其主体为箱状背斜形态，即顶部宽缓，两翼陡倾，发育小型派生断层，整体表现为弱变形，实钻A井含气饱和度为69%，对保存条件影响较小(图9a、9d)；平桥断背斜构造为断弯褶皱构造演示，相对宽缓，断裂、裂缝不发育，实钻B井含气饱和度为64%，对保存条件影响为中等(图9b、9d)；石门压扭—断背斜构造高陡，为冲断背斜构造样式，构造变形强，次生断裂发育,实钻C井含气饱和度为32%，对保存条件影响较大(图9c、9d)。

3.2 断裂样式与保存条件

断裂的性质、规模及发育的期次是影响页岩气聚集的重要因素，决定页岩渗透率的大小，控制页岩的连通程度，进一步控制气体的流动速度、气藏的产能。断裂的性质、规模、发育期次以及所派生的高角度缝是影响页岩气层保存条件的重要因素。主控断层活动强度大，其控制的构造形态高陡、地层变形强，对保存条件的破坏作用大。石门2号断层具有压扭特性，断层规模大，其上升盘地层破碎严重，裂缝发育，页岩气保存条件遭受破坏(图9c)，C井实测含气量仅为2.3 m3/t。

3.3 地层抬升剥蚀与保存条件

地层抬升剥蚀一方面使含气页岩层段之上的上覆岩层和区域盖层减薄或剥蚀，导致上覆压力变小，提高残余盖层的孔隙度、渗透率，也易使盖层的脆性破裂或已形成的断裂(含微裂缝)变成开启状态，降低盖层的封闭能力。如果抬升剥蚀的幅度较大，整个含气页岩段之上的盖层可能完全剥蚀，导致页岩含气段没有盖层的保护。另一方面抬升导致页岩含气段本身压力降低，游离气散失，进一步导致吸附气解吸，从而造成总含气量降低。石门压扭—断背斜地层抬升剥蚀严重，出露二叠系—志留系地层、飞仙关及以下地层出露占比高达95%，盖层剥蚀或减薄严重，保存条件破坏严重(图9c)，其上C井的含气饱和度明显低于其他井。

以上3个因素联合作用，不同程度地影响了焦石坝地区页岩气目标的保存条件。对焦石坝地区龙马溪组页岩气目标的保存条件进行了评价，结果表明，焦石坝箱状背斜保存条件最好，其次为平桥断背斜，再次为乌江断背斜，而石门压扭—断背斜保存条件最差。

图9 构造样式、断裂样式、地层抬升剥蚀与页岩气保存关系Fig.9 The relationship among tectonic pattern, fracture pattern, strata lift or erosion and shale gas preservationa.箱状背斜构造样式；b.断弯褶皱构造样式；c.冲断背斜构造样式；d.已钻井含气饱和度。

4 结论

(1)焦石坝地区纵向上表现为以前寒武系基底、中下寒武统膏盐、下志留统泥岩为滑脱层的多重滑脱变形模式，横向上表现为南东往北西的递进扩展变形模式；前寒武系滑脱断层的结构是导致焦石坝地区构造变形差异的主要原因，根据构造变形的差异可划分出东部压扭变形带、西部断滑(断展)褶皱变形带两个变形带，其中东部压扭变形带的变形强度整体大于西部断滑(断展)褶皱变形带。

(2)构造样式、断层的性质和规模、地层抬升剥蚀是影响焦石坝地区页岩气保存条件的主要原因。具有背斜背景、宽缓的构造样式的地层，构造变形较小、地层相对较完整，对页岩气的保存较为有利；而受大型逆冲断层活动强度大的地层，其控制的高陡构造顶部地层剥蚀严重、伴生断层及裂缝较发育，不利于页岩气保存。焦石坝地区保存条件评价结果表明，焦石坝箱状背斜保存条件最好，其次为平桥断背斜，再次为乌江断背斜，而石门压扭—断背斜保存条件最差。