川西拗陷须二段断裂演化特征

张世华

(中国石化西南油气分公司 勘探开发研究院，成都 610041)

四川盆地是中国“盆山”构造体系中最为典型的盆地之一，周缘“多山”特性造就了盆内构造、断裂的多期、多方向复合与叠加[1-2]。上三叠统须家河组第二段(T3x2，简称“须二段”)致密砂岩是四川盆地重要的勘探领域，国内外众多学者对其开展过大量研究工作，其中“断层作为沟通烃源岩与储层的油气优势运聚通道，控制着油气运聚成藏”的观点已经达成共识[3-9]。受盆缘“多山”的叠加推覆，使得断层发育时期难以准确厘定，制约着该层系的勘探。笔者通过梳理周缘山系的活动特征，明确盆内形变的外动力条件，从几何学上分序次理顺同类走向断裂的“父子、兄弟”等传递关系，建立起盆缘形变的外动力与盆内形变存在的可能对应关系，并运用多种方法联合厘定各组断裂在盆内发育历史；耦合其他油气成藏控制因素，探讨有利成藏模式。

1 盆缘动力特征

川西前陆盆地是由来自龙门山造山带及米仓山-大巴山造山带等方向的应力共同上冲推覆控制下的中生代—新生代多旋回叠合盆地，其形成演化与周缘造山带的构造活动有着密切联系[1,10-12]。造山带在时空上隆升变动，挤压形成盆内具有不同结构面的构造，它们相互之间在时空上叠合形成现今构造。

每一侧造山方向的构造变动，它所产生的构造都是相互联系的，在空间上以一定方式组合，并相互配合排列出现。来自西侧龙门山方向的造山挤压运动形成的构造和断层结构面多呈NE-SW向，促使发生的盆缘动力可能有：印支早中期的平武地块与扬子板块碰撞，表现为龙门山北段开始隆升上冲；印支晚期古特提斯洋萎缩，并向南闭合，表现为龙门山全面上冲造山运动及燕山晚期—喜马拉雅早期的扬子板块向西俯冲，表现为龙门山全面的被动造山。来自米仓山—大巴山造山带方向的造山挤压运动形成的结构面则多呈近EW向，促使其发生的动力可能有：印支早中期的扬子板块与华北板块碰撞,表现为南秦岭造山并向南推覆；燕山期—喜马拉雅期的特提斯洋闭合，太平洋板块扩张，表现为米仓山-大巴山上冲造山推覆。来自青藏高原挤压形成的结构面多呈近SN向，促使其发生的动力可能有：喜马拉雅晚期新特提斯洋关闭、印度板块与亚欧板块碰撞，表现为青藏高原隆升推覆(图1)。

2 断裂特征分析

在盆缘“多山”上冲推覆的背景下，盆内形成了各种不同性质的断裂组合。依据构造形迹特征，把川西拗陷断裂划分为NE-SW向、EW向、SN向3组断裂系统。

NE-SW向断裂主要发育于龙门山前带、前陆隆起带和中部隆起带，凹陷带也有少许分布。其中山前带的北段相对于中段、南段而言，相对不发育，这一特征在前陆隆起带也如此。就断层的活动强度而言，北段都是微小断裂，而中南段的山前带发育断距较大的断层，以PXF、DaYF2为主断裂。其中PXF延伸长度大约200 km，断距300～500 m；DaYF2延伸长度大约25 km，断距200～500 m。前陆隆起带则以龙泉山F3、F5为主断裂，其中F3断层延伸长度30 km，断距20～300 m；F5断层延伸长度30 km，断距100～200 m。中部隆起带NE-SW向断层成组出现，但规模较小，以X10F为例，延伸长度为5 km，断距75 m。就NE-SW向断裂分布密度与强度差异而言，龙门山依次递进推覆造山，北弱南强(图2、图3-A、表1)。

SN向断裂主要发育于中部隆起带与前陆隆起带的北端，山前带、凹陷带也有少许分布，其中NE-SW向断层末端发育SN向断层，例如DaYF2断层。就断层的活动强度而言，中部隆起带都是断距相对较小的断层，延伸长度短，例如L150F，延伸距离4 km，断距20～80 m。前陆隆起带发育相对活动较强的断裂，以F8、F1-1为代表。其中F8延伸长度大约38 km，断距30～150 m；F1-1断层延伸长度34 km，断距20～250 m。盆内SN向断裂分布密度与强度差异方面，前陆隆起带依次由南向北递进，北弱南强(图2、图3-B、表1)。

EW向断裂主要分布于中部隆起带，斜坡带有少许分布，以GMF1、GMF2、FGF1为代表。GMF1延伸长度大约7.5 km，断距25～50 m；GMF2、FGF1断层延伸长度5 km，断距25～50 m(图2、图3-C、表1)。

表1 川西拗陷须二段主要断裂特征Table 1 Characteristics of major faults in T3x2,western Sichuan Depression

从力学的角度而言，在同一应力的作用下，低序级断裂之间的方位被高序次位移所控制，低序次断裂的应力分布在高序次断层可以找到起源，而从低序次断层的运动性质、方位也可以找到高序次断层的方位及其位移。这一特性在各组断裂内部之间体现较为明显，例如PXF与DaYF2形成较小的断裂与该主干断层反冲等断层组合，形成了“父子”关系。明确了上述3组主断层的演化特征，也就明确了3组断层可能的发育时期。3组方向各异的断裂在空间上依次由南向北、由西向东出现，源于盆缘的“多山”推覆；因此3组断裂内部力学之间无相互依存，断裂的出现是构造复合，三者之间切割关系反映的是时序的前后联系，而并非力学上的依存。从图4-A、图4-B关系看， EW断裂被NE-SW、SN向断裂所切割，说明在发育的时序上应该是EW向断裂早于NE-SW、SN向断裂；NE-SW向与SN向断裂在空间上并无切割，纵向上存在继承性发育，SN向断裂晚于NE-SW向断裂。

3 活动期次及演化

利用现有的构造解析模型[13-15]，在明确外部动力环境的基础上，综合几何分析的结果，解析其构造形成、发展历史是地质分析的基础。笔者运用断层活动速率法，结合碳氧同位素测定裂缝方解石充填物流体法，对川西拗陷须二段3组断裂进行活动期次厘定，明确其演化特征。

H.C.Urey[16]首次应用δ18O测定古海洋水的温度，之后S.Epstein等[17]进一步深化，C.Emiliani等[18]通过修改得出最终经验公式

t=16.9-4.38×(δ18O-δ18Ow)+

0.1×(δ18O-δ18Ow)2

其中：δ18O为样品碳酸盐胶结物氧同位素值；δ18Ow为地层水氧同位素值，δ18Ow=-10‰。

可以看出δ18O与成岩强度之间的定性关系：成岩强度越大，δ18O值越低。学者[19-22]据此机理将测定构造成因裂缝方解石充填物的δ18O值，利用上述公式可以求得方解石充填物形成时期的流体温度，结合埋藏史来解析断裂活动特性与油气充注时间。根据川西拗陷须二段的埋藏史(图5)可知，印支晚期，埋藏较浅，温度较低，裂缝充填物具有较高的氧同位素值(δ18O>-12‰)；燕山早中期，随着埋深的增加，温度升高，裂缝充填物氧同位素值降低(-15‰<δ18O<-12‰)；燕山晚期，埋深进一步增大，温度进一步升高，裂缝充填物氧同位素值进一步降低(δ18O<-15‰)；喜马拉雅期，随着构造抬升，地层温度降低，裂缝充填物氧同位素值增大(-15‰<δ18O<-12‰)。

断层活动速率原理是基于断层活动造成观测到的断层上盘与下盘岩层沉积厚度存在差异(图6)，多期次、多方向应力的作用下，断层不可能处于某一种稳定的姿态，而是会发生不共轴的旋转、递变等，因此该类情况也可以观测到断层上下盘厚度的变化，厚度的变化进而影响到断层断距的变化。目前该方法在断层与油气运移关系的研究领域中被广泛应用，并取得了较好效果[23-25]。

断层活动速率法分析表明山前带的NE-SW向PXF断层存在3个活动期次，分别为215 Ma B.P.、210 Ma B.P.和131 Ma B.P.之后；而DaYF2断层存在2个活动期次，为210 Ma B.P.和131 Ma B.P.之后。不同时期断层不同部位表现出不同的活动特征，215 Ma B.P.、210 Ma B.P.时，活动强度为Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ，PXF、DaYF2断层表现为由北向南传递；131 Ma B.P.之后活动强度则为Ⅱ>Ⅰ>Ⅲ，断层表现为由南向北传递。前陆隆起带的F3、F5主要活动期次为210 Ma B.P.与145 Ma B.P.之后，断层活动强度皆为：Ⅱ>Ⅰ>Ⅲ，由南向北传递生长(图7)；中部隆起带的X10F断层活动期次与山前带的断裂活动特征相类似。

NE-SW向断层裂隙充填物方解石胶结物δ18O分析说明最少存在2类(表2、图8-A)，一类为δ18O<-15‰， 另一类为δ18O>-12‰，分别对应印支晚期、燕山晚期之后。综合区域资料，受地震资料影响，活动速率法对于131 Ma B.P.之后无法精细划分；但是一个沉积时间段内，不能出现2种不同方向应力，符合131 Ma B.P.由南向北传递生长的活动特征的断层只有喜马拉雅晚期的青藏高原向东挤应力，这一点与几何学上断裂末端存有SN向的特征相互印证。而符合131 Ma B.P.之后产生北东向构造及断裂、由北向南活动的只有晚燕山-喜马拉雅早期龙门山向东部被动上冲应力；因此NE-SW向断层活动有3期，分别为晚印支期、晚燕山-喜马拉雅早期和喜马拉雅晚期。

活动速率法分析表明前陆隆起带的SN向断层F1-1、F8断层存在2个活动期次，分别为210 Ma B.P.与145 Ma B.P.之后；不同时期断层不同部位表现出相同的活动特征(图9-A、B、C)，就活动强度而言Ⅱ>Ⅰ>Ⅲ，说明SN向断层由南向北传递生长的活动特征(图8-A、B)；中部隆起带的L150F断层活动特征与前陆隆起带相类似。SN向断层邻近的裂隙充填物方解石胶结物δ18O分析说明只有一类(表2、图8-B)，为δ18O<-15‰，对应于燕山晚期之后。综合区域资料，活动速率法对于145 Ma B.P.之后无法精细划分，符合145 Ma B.P.由南向北传递生长的活动特征的断层只有喜马拉雅晚期的青藏高原向东挤压应力；而210 Ma B.P.断层发育外部动力来源于龙门山造山带的上冲，其形成的断裂走向为NE-SW向，SN向断层在该时期的活动是NE-SW向断层受其后期的继承、改造所转变形成，这也从几何学上得到了验证(图4-C)：因此SN向断层活动有2期，分别为晚印支期和喜马拉雅晚期。

表2 川西拗陷须二段裂缝充填物方解石胶结物碳氧同位素特征Table 2 Carbon and oxygen isotopes of calcite cement in T3x2 fracture fillings of western Sichuan Depression

断层活动速率法分析表明中部隆起带的EW向GaoF1、GMF2断层存在多个活动期次，就活动强度而言Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ，说明EW向断层正常生长的活动特征(图9-D、E)。但是断层邻近的裂隙充填物方解石胶结物δ18O分析说明有一类(表2、图8-C)，为δ18O>-12‰，对应于印支期。综合区域资料，符合断层活动特征的只有印支早中期南秦岭造山并向南推覆；因此EW向断层活动有印支早中期。

综上所述，印支早期-中期，在下扬子、华北板块碰撞的大背景下，米仓山-大巴山造山带向南挤压，在盆内产生近南北向挤压应力，形成了一系列的EW向断层；平武地块与扬子板块的碰撞，形成了龙门山北段隆升并依次向南递进，促使中段山前带发育NE-SW向断层。印支晚期，龙门山全面造山，川西拗陷整体抬升，加剧盆内NE-SW向断层的发育程度，使得盆地山前带、前陆隆起带NE-SW向断层开始全面发育。早、中燕山期是断裂活动的平静期，断裂不发育。晚燕山—喜马拉雅早期，太平洋板块扩张、米仓山和大巴山上冲、龙门山被动上冲造山，原有NE-SW、EW向断层在此基础上向上生长发育。喜马拉雅晚期，随着印度板块与亚欧板块碰撞，青藏高原隆升推覆，龙门山整体由西向东推覆，造成了SN向断层的生长壮大，也使得NE-SW向断层部分发生活动特征的改变，此现象持续发生至今。

4 与油气关系分析

川西拗陷须二段储层致密化时间为中侏罗世末期[1-2]。在印支期之后，川西拗陷普遍经历了燕山早期的构造平静期，断层都不活动；燕山中期之后，周缘山系一直处于一个动态的持续造山过程，这也是导致断层持续活动的主要因素。须二段的3类断层既有早生成、晚持续活动型的NE-SW向断层，也有早生成、早封闭的EW向断层，还有晚生成、晚沟通的特征SN向断层。3类断层活动特征与油气大规模生排烃期耦合形成了多期活动持续充注、早期活动封闭、晚期活动一次充注等3种油气充注的成藏模式(图10)。

NE-SW向断层——多期活动持续充注成藏模式：在该成藏过程中，断层持续活动，须二段储层尚未致密化，整体为开放流体动力场，水溶气沿断层向上幕式运移，进入砂体后继续向构造高部位作侧向运移；运移过程中减压脱溶、气水分异，并于构造高部位聚集成藏。如X10井区，X10F断层为晚印支期、晚燕山-喜马拉雅早期和喜马拉雅晚期多期活动的断层，持续的活动沟通，使得水溶气运移顺畅，X10井钻获多套含气砂体。

SN向断层——晚期活动一次充注：在该成藏过程中，须二段储层已经致密，整体处于局限流体动力场，早期形成的常规油气藏转变成致密油气藏，浮力作用受限，晚期断层的发生使得早期的油藏发生调整或改造，于断裂破碎带内发生快速分异或减压脱溶，重新于断裂带附近等低势区形成富集。例如L150井区，L150F断层活动期次为晚印支期和喜马拉雅晚期，在喜马拉雅晚期活动时，储层已经致密化，于断层附近形成通道调整或改造原有油藏，使L150井钻遇的砂体呈上气下水。

EW向断层：在该成藏过程中，由于断层早期活动后封闭，天然气生烃增压过程中，只能在泥页岩接触面附近形成小规模的生烃增压裂缝，因断层周边裂缝分布有限，不能形成良好的通道而聚集成藏。例如GM2井区，GMF2断层活动时间为印支早中期，烃源大规模排烃期时断层已经封闭，不能形成有效通道，使得GM2井钻遇的砂体呈气水同层。

综上所述，多期活动持续充注与晚期活动一次充注是有利成藏模式(图11)。

5 结 论

a.川西拗陷的周缘山系活动特征形成了盆内走向分别为NE-SW、SN、EW向的3组断裂。其中NE-SW向断裂具有由北向南、由南向北传递的特征，SN向断裂具有由南向北传递的特征，而EW向断裂为正常活动特征。

b.川西拗陷NE-SW、SN、EW向3组断裂的活动时期各异。NE-SW向断裂活动时间有3期，分别为晚印支期、晚燕山-喜马拉雅早期和喜马拉雅晚期；SN向断裂活动时间为喜马拉雅晚期；EW向断裂活动时间为印支早中期。

c.川西拗陷NE-SW、SN、EW向3组活动时期各异的断裂形成了3类不同的成藏模式。NE-SW向断裂形成了多期持续充注模式；SN向断裂形成了晚期一次充注模式；EW向断裂形成了早期封闭模式。其中多期持续充注模式与晚期一次充注模式为有利成藏模式。