四川盆地龙门山前复杂构造带北段精细构造建模及对油气勘探的启示

梁 瀚 肖富森 冉 崎 关 旭 韩 嵩 陈 骁 狄贵东 谢 枕 刘 冉

中国石油西南油气田公司勘探开发研究院

0 引言

四川西北部地区一直是四川盆地油气勘探的重要研究领域。近年来该地区上古生界多个层系取得了重要的勘探突破，显示了该地区具有丰富的油气资源和勘探前景[1-4]。龙门山前复杂构造带的油气勘探开发过程中，精细构造建模是需要解决的首要目标，合理、准确的构造模型对构造圈闭的落实具有重要指导作用，相对其他山前挤压构造地区[5-8]，四川西部地区龙门山前构造经历了多期次的逆冲推覆变形叠加，构造变形更加复杂[9-15]，但早期二维地震资料深层反射成像差、钻至复杂带的钻井少，导致构造不落实，形成的“构造陷阱”对地质研究和油气勘探都造成了很大的困扰。

新近获得的线束三维地震数据中，龙门山前复杂构造带的深层地震反射成像品质有了较大改善，同时新钻井数据也对前山带的前锋带几何模型做到了很好的约束，为本项研究提供了非常重要的地质基础资料。断层褶皱理论[16]、构造平衡演化和构造变形定量研究[17]（计算机运动学模拟）等现代构造地质学理论方法是精细构造建模的有效手段，在国内外多个推覆带的地质建模及油气勘探中得到了充分运用并取得了显著成效[16-17]。利用线束三维地震、测井、地表地质等资料，结合计算机运动学演化模拟，运用断层褶皱理论进行构造几何学分析，通过该套精细构造建模方法在龙门山前逆冲推覆构造带北段应用，解析该地区的构造变形模式，落实构造，进一步拓展了该地区的油气勘探领域，对下一步的勘探决策具有重要参考意义。

1 地质背景

龙门山地区中生代以来主要发育了晚三叠世（印支晚期）和新生代（喜马拉雅期）两期强烈构造挤压和地壳变形，造成了龙门山前逆冲推覆构造带南段和北段构造变形特征和地貌特征的显著差异[9-11]。龙门山前逆冲推覆构造带北段逆冲推覆构造在晚三叠世基本定型，发育了大规模的挤压构造缩短变形，并在龙门山前缘形成厚达数千米的上三叠统陆相磨拉石沉积，形成与冲断带耦合发育的晚三叠世川西周缘前陆盆地[9-10]。在后期的地质构造活动中，龙门山前逆冲推覆构造带北段受到的褶皱冲断构造变形相对较弱，主要在其冲断构造前缘和川西北部地区发育了局部褶皱变形和区域构造抬升[10,15]。

龙门山前逆冲推覆构造带北段在地表出露马角坝断裂（F3）和北川—映秀断裂（F2）两条区域上的逆冲断裂（图1），侏罗系—白垩系不整合覆盖在古生界—三叠系之上。

图1 四川盆地龙门山构造带构造纲要图（据汤良杰等[12]修改）

向北东盆地方向，地表出露白垩系—侏罗系，地层层序正常，构造形态为南东倾的平缓单斜，构造变形弱；向北西造山带方向，地层倾角逐渐变陡，侏罗系不整合覆盖在三叠系上，地层构造变形强烈、断层和褶皱大量发育；再向龙门山方向，马角坝断裂将大套的泥盆系—志留系推覆出露地表，该套地层与马角坝断裂下盘的出露地层厚度差异明显，显示出异地推覆特征；北川—映秀断裂是龙门山后山推覆带和前山推覆带的分界断层[2,18]，主要出露前震旦的基底和下古生界地层（图2）。

2 精细构造建模

2.1 构造模型建立

根据构造变形特征的差异，龙门山前逆冲推覆构造带北段由北东至南西方向可分为前山推覆带、前锋带和上古生界隐伏前缘带（以下简称隐伏前缘带）3个构造单元（图2）。其中前山推覆带为巨厚志留系—泥盆系岩片，不具备有利的油气勘探条件；隐伏前缘带的构造变形特征相对简单，为滑脱褶皱的隆凹结构组合，双鱼石构造即发育在该带内；中间的前锋带的构造变形复杂，构造建模难度大。

2.1.1 前山推覆带的构造变形特征

龙门山前逆冲推覆构造带北段地震反射剖面A—A'北西端为前山推覆带（图2）。马角坝断裂带内断面波地震反射特征较为清楚，为一组北西倾向的强波峰地震反射、与断裂带两侧相对杂乱地震反射区别明显，断裂带中间夹持着石炭系—泥盆系的岩片，断裂带上盘的泥盆系—志留系前山推覆带地层成层状反射，没有表现明显的复杂构造变形特征（图2）。

2.1.2 前锋带的构造变形特征

A—A'剖面中部为前锋带，地震反射波组在垂向和横向的变化快，特别是在前锋带的前缘，地震反射杂乱，没有有效、可靠的地震反射成像，但新近钻到前锋带前缘的S9井给构造建模提供了很好的约束条件（图2）。结合地表出露地层的构造特征和S9井测井数据，S9井钻穿侏罗系后没有钻遇上三叠统须家河组，而是钻遇复杂的中三叠统雷口坡组—下三叠统嘉陵江组倒转背斜，该井点须家河组印支晚期已被完全剥蚀；在倒转背斜的核部，钻遇数条小断层，没有明显的断距，钻穿倒转背斜后，相比正常厚度，钻遇了巨厚的嘉陵江组—下三叠统飞仙关组四段的膏盐地层，表现出典型断层传播褶皱特征[19-21]；①号断裂推覆二叠系岩片逆掩在相对弱变形的隐伏构造上，同时，在深层近水平层状的寒武系地层的北西端（图2左下角红圈位置），有一段南东倾角的地震强反射波组，反射特征与寒武系地层特征一致。综合分析认为，①号断裂是三断坡—两断坪的断层转折褶皱—断层传播褶皱组合[19-22]，断层根部形成下断坡卷入基底（寒武系以下地层），然后在寒武系泥页岩形成下断坪滑脱，再错断二叠系形成中断坡后沿嘉陵江组膏盐层形成上断坡，在上断坡的构造前锋发育形成断层传播褶皱，①号断裂的位移量主要消耗在断层传播褶皱前端的倒转背斜以及断下盘的嘉陵江组膏盐层增厚中。

图2 A—A'深度地震剖面构造模型图

①号断裂上盘，4套逆冲叠瓦岩片垂向叠置形成叠瓦构造[23]，顶部被侏罗系角度不整合覆盖，侏罗系已变形为向斜，表明4套逆冲叠瓦岩片及其相关断层在印支晚期和喜马拉雅期发生两次挤压构造变形活动。侏罗系向斜的南东端，f1和f2断层卷入的岩片出露地表的地层为飞仙关组和嘉陵江组，须家河组被完全剥蚀；向斜的北西端，f3断层卷入的岩片地表出露地层为飞仙关组。4套岩片相关的断层向北西深部收敛，汇聚到①号断裂上盘的寒武系泥页岩滑脱面上。

2.1.3 隐伏前缘带的构造变形特征

A—A'剖面南东端为隐伏前缘带，南东倾向的侏罗系单斜及其下覆保存较完整的须家河组—寒武系构造结构较为简单，表现为3套构造层分层变形的特征（图2）。下部构造层即寒武系以下地层，没有明显逆冲构造变形；中部构造层包括上古生界—飞仙关组，在寒武系泥页岩滑脱层上受南东向的挤压应力发生构造变形，表现为隆凹结构的特点；嘉陵江组膏盐层通过其塑性变形作用吸收调节了二叠系—飞仙关组的构造变形挤压应力，造成上覆的上部构造层雷口坡—侏罗系没有卷入到中部构造层变形中，仅形成南东倾的单斜。因此，龙门山前逆冲推覆构造带北段的隐伏前缘带主要受寒武系泥页岩与嘉陵江组膏盐岩两套区域性滑脱层的构造作用，3套构造层夹持两套区域主要滑脱层发生构造变形，导致3套构造层的构造特征不一致，形成分层构造变形结构，但整体构造变形较为简单，形成龙门山前逆冲推覆构造带北段隐伏前缘带构造变形的主要构造特征。

隐伏前缘带二叠系的构造变形模式以断层滑脱褶皱为主[24]。寒武系泥页岩在滑脱褶皱的背斜核部聚集，背斜的翼部由于挤压应力释放形成高角度断层错断其翼部[25]，但整体以褶皱变形为主、断层错断为辅；嘉陵江组的膏盐层由于塑性变形强烈，在二叠系背斜的核部向翼部向斜流动，背斜顶部直接与雷口坡组底界接触，形成盐焊接[26]。

基于以上精细构造分析，龙门山前逆冲推覆构造带北段从造山带向盆地方向的构造变形差异明显。靠造山带方向，外来巨厚泥盆系—志留系推覆体直接逆掩在三叠系—二叠系之上；前锋带以多套三叠系—二叠系岩片的垂向叠置形成叠瓦状构造，在其下盘，存在一套隐伏的二叠系构造；靠盆地的隐伏前缘带因寒武系泥页岩和嘉陵江组膏盐岩上下两套滑脱层形成分层构造变形，下部构造层（寒武系—前寒武）没有明显构造变形，中部构造层的二叠系—飞仙关组以断层滑脱褶皱的构造模式为主，上部构造层受嘉陵江组膏盐岩的塑性协调，形成整体南东倾的单斜。

图3 A—A'剖面构造模型的平衡恢复示意图

2.2 构造运动学演化和变形期次

龙门山前逆冲推覆构造带北段的龙门山挤压变形主要在印支晚期和喜马拉雅期两个期次发生。A—A'剖面中的侏罗系与下伏地层的角度不整合接触、侏罗系的构造变形均明显表现出两期挤压构造变形特征。为了验证以上构造建模的合理性，判断主要断层和构造在印支晚期和喜马拉雅期的构造变形活动期次，开展了平衡恢复和构造运动学演化研究。

马角坝断裂带属于前山推覆带，泥盆系以上地层被完全剥蚀、没有印支晚期的不整合特征，且其志留系—泥盆系厚度与叠瓦构造、隐伏构造的志留系—泥盆系厚度差异明显，无法有效计算其位移量，因此，忽略了其构造变形过程。通过平衡恢复，A—A'剖面的构造变形缩短量约19 km，缩短率约为48%（图 3）。

运动学演化过程，在初始状态下（图4-a），f1、f2、f3等3条断层向深部收敛于寒武系泥页岩滑脱层，①号断裂沿寒武系和嘉陵江组两个滑脱层形成断坪—断坡组合，向深部寒武系以下基底形成断坡。

印支晚期，f1、f2、f3等3条断层沿前列式从造山带向盆地内先后发育（图4-b），向盆内逆冲，垂向叠置，①号断裂在构造前沿形成断层传播褶皱，褶皱倒转紧闭（图4-c）。侏罗系沉积前三叠系抬升受到剥蚀（图4-d）。

喜马拉雅期，侏罗系—白垩系沉积后，受龙门山再次挤压，①号断裂、f1、f2、f3断层再次活化（图4-e、f），以前列式的序列发生构造变形，侏罗系和下伏地层的角度不整合面被卷入变形中。

①号断裂下盘的隐伏前缘带在喜马拉雅期发生构造变形（图4-g），其表现为隐伏构造带沉积的须家河组与侏罗系之间不存在印支晚期的构造角度不整合，且侏罗系与须家河组一同卷入喜马拉雅期的构造变形，构造特征没有差异。在喜马拉雅晚期，出露地表的地层均被剥蚀，形成现今的构造形态（图4-h、i）。

计算机运动学模拟的结果表明，①号断裂、f1、f2、f3等4条断层在印支晚期和喜马拉雅期都发生了挤压构造变形，且都产生了位移量，而隐伏前缘带的构造变形主要发生在喜马拉雅期。

图4 构造模型的运动学构造变形过程示意图

3 油气勘探启示

基于断层褶皱理论及计算机运动学模拟的研究建立的构造模型，主要地震反射波组特征都得到了包括地表露头、实钻井的测井资料等数据的有效约束，①号断裂等断层的位移量和挤压应力也得以有效地消耗在构造变形中，并且每个推覆岩片内的地层结构都可正常填充区域的地层层序及厚度，没有突然异常的地层减薄或者增厚现象，构造模型合理、可靠并且符合研究区地质背景。

基于精细构造建模方法建立的构造模型和早期构造模型的铲式断层形态的①号断裂对比（图5），新方案解释的①号断裂错断下盘二叠系的断点相比早期方案解释的①号断裂向北东方向迁移（图5中箭头位置），并解释出在该断裂逆掩下盘发育上古生界“前锋带下盘逆掩隐伏背斜”，该隐伏背斜与双鱼石构造具备相似储层条件，且上覆嘉陵江组膏盐层和①号断裂上盘的寒武系泥页岩组合作为优良的盖层，油气保存条件好，是下一步油气勘探的甜点目标区。

①号断裂推覆形成的二叠系“红星构造”为形态完整背斜构造，具备较好油气保存条件，值得下一步油气勘探的精细研究。

逆冲推覆体上部f1、f2、f3断层卷入的3套岩片和相关断层均已出露地表，油气保存条件较差，不具备有利的油气勘探条件。

除了构造模型外，通过计算机模拟的断层和构造的活动期次也是油气勘探有利区的油气运移和成藏分析的基础资料，具有重要价值。譬如对于“红星构造”，如果油气的主要运移和成藏期主要发生在喜马拉雅期，那么“红星构造”的油气保存条件是非常有利的，具备较好的勘探潜力，但如果是在印支晚期生烃运移，就要综合考虑印支晚期的抬升剥蚀等地质因素对油气成藏的影响。

下一步的研究中，基于精细构造模型，需要对于①号断裂的横向变化与展布特征开展精细研究以最终落实①号断裂逆掩的下盘隐伏构造的横向展布范围，同时，基于精细构造模型开展叠前深度偏移成像攻关以最终落实构造细节和构造圈闭，并提出可靠的勘探井位目标。

图5 A—A'剖面构造解释新旧方案对比图

4 结论

1）四川盆地西北部地区受到印支晚期和喜马拉雅期两期的构造挤压运动，山前构造带的4条主要逆冲推覆断层在印支晚期构造变形发生位移，喜马拉雅期再次活化发生位移量，总位移量为19 km；但受寒武系泥页岩和嘉陵江组膏盐岩控制发生分层构造变形的隐伏构造带的构造变形主要发生在喜马拉雅期，印支晚期没有明显构造活动。

2）龙门山前逆冲推覆构造带北段前锋带下盘发育隐伏的二叠系“推覆带下盘隐伏背斜”，油气保存条件好，具有较大的油气勘探潜力；前锋带前端的①号断裂推覆形成二叠系“红星构造”具备油气保存条件。

3）基于平衡恢复和构造演化的精细构造建模方法对龙门山前复杂构造带的构造精细模型建立和构造圈闭落实都具有重要作用，其研究成果扩展了川西北部地区的油气勘探领域和前景，在复杂构造带的油气勘探中具有重要参考价值。

致谢：本文在成文过程中得到了中国石油勘探开发研究院杭州分院唐鹏程、西南石油大学的陈伟、李世琴、余养里、中国石油西南油气田公司勘探开发研究院吴长江等的帮助，在此一并致以谢意。