中扬子强烈叠加改造区断裂系统与成因机制：当阳复向斜断裂特征及其与页岩气保存的关系

何 勇 张东涛 栗维民 张介辉 姚秋昌 张文萍 牛卫涛 梅 珏

1. 中国石油浙江油田公司 2. 中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司研究院

0 引言

近年来，我国南方页岩气勘探在上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组获得了一系列重大发现，先后在上扬子地区的四川盆地及其周缘建立了多个页岩气示范区[1]。随着页岩气勘探的不断深入，中扬子地区黄陵隆起东缘的当阳复向斜地区已成为页岩气勘探开发下一个重要目标区。中国石油浙江油田公司前期的勘探成果显示，该区五峰组—龙马溪组页岩品质较好、页岩气资源潜力大[2-4]。但该区由于受多期构造运动影响，构造变形复杂，目前油气勘探程度低。受前期勘探资料少、品质不高的影响，前人在该区的研究成果多局限于构造史—热史恢复以及对中扬子盆地区域构造分析[5-13]，而对当阳复向斜内部构造变形研究则相对较少，从而制约了该区页岩气勘探开发的进程。为了获得页岩气勘探突破，中国石油浙江油田公司在当阳复向斜西翼巡检斜坡区采集了高品质三维地震资料，为笔者的研究提供了资料基础。

笔者在三维地震资料精细构造解释的基础之上，结合盆地周缘造山带的演化，对当阳复向斜巡检斜坡区不同构造层断裂进行几何学和运动学特征解析，确定了区内复杂断裂系统的演化过程和形成机制，同时探讨了其对五峰组—龙马溪组页岩气保存条件的影响，以期为当阳复向斜非常规天然气精细勘探评价奠定基础。

1 地质背景

当阳复向斜位于中扬子区江汉盆地北缘，夹持于秦岭—大别造山带与江南—雪峰造山带之间，西侧以通城河断裂为界与黄陵隆起、宜昌斜坡相邻，东部以南荆断裂为界与乐乡关—潜江复背斜相邻，北侧以阳日湾—京山断裂为分界与巴洪冲断复背斜带毗邻，南侧则以问安寺断裂为界与江陵凹陷相隔（图1）。主体构造变形先后受秦岭—大别造山作用自东向西的前陆逆冲褶皱作用和自北向南的逆冲推覆褶皱作用影响[7-8]，整体呈近北北西向展布，且北部被强烈叠加改造，地表剥露地层自北向南由志留系逐渐过渡到侏罗系后被上白垩统—第四系覆盖，地势呈现北高、南低的箕状。其中巡检斜坡三维地震区处于当阳复向斜中段西翼，临近远安断裂，地表出露下三叠统。

地表露头和钻井揭示，研究区新元古代以来历经多期沉积建造，除普遍缺失下泥盆统和下石炭统外，自下而上震旦系到第四系大部分地层发育齐全，主要发育下白垩统与下伏地层、新近系与古近系2个区域性角度不整合面（图1），目前的主要勘探层位为五峰组、龙马溪组。该地区构造演化阶段与江汉盆地的演化密切相关，自稳定克拉通内陆架海相盆地形成以来，先后经历了加里东末期缓慢而稳定的隆升、燕山中期强烈挤压变形并遭受大幅度抬升剥蚀、晚燕山期—喜马拉雅早期拉张沉降，以及喜马拉雅中期区域抬升剥蚀和晚期南部的坳陷沉降，并最终形成了现今的构造格局。

2 断裂发育特征

2.1 断裂系统具有纵向分层特征

巡检斜坡三维地震资料解释结果显示，受寒武系、志留系塑性岩层的影响，区内断层在纵向上的发育具有明显的分带性，依据断裂样式和断层性质差异，可划分为深层、中层、浅层3套断裂系统。其中，深层断裂系统向下断至基底、向上消失于寒武系；中层断裂系统发育于上寒武统—龙马溪组；浅层断裂系统断开地层最厚，从志留系一直断至三叠系。3套断裂系统在剖面上衔接性较差，仅有少量几条断层跨层发育（图2）。根据断层的成因和组合规律，以3套断裂系统均发育的FA、FB断裂带为界，巡检斜坡区平面上可划分为3块断裂发育特征差异明显的区域（图3）。

2.1.1 深层断裂系统特征

区内3块区域的深层断层发育特征具有明显的差异，主要发育NW80°、NW60°、NE20°、NE35°、NE60°走向5个方向断裂（图4-a）。

Ⅰ区断层最发育，以“梳状”组合为特征。北西走向（NW60°）的FA断裂带是该断裂系统的主控断层，构成“梳把”，其派生断层在FA断裂带的东侧中大量发育，主要断层走向为北东向（NE20°），部分断层东段转为北北西向（NW20°），以平行或平行交织状组合为特征，与FA断裂带主控断层以80°斜交，并受FA断裂带限制，分支断层在纵向上表现“复合地堑组合”“复合Y字形组合”样式（图4-b）。

Ⅱ区断层不发育。东侧受FA断裂带阻挡，Ⅰ区北东向派生断层被限制，未继续向西南延伸。其南部边界为FB断裂带，自西向东由北西西向（NW80°）转为北东东向（NE60°）展布，断面平直陡立，向下断入基底，其中西段与FA断裂带中一组断层近乎平行，向上断至浅层，东段与FA断裂带呈60°斜交，向上断至中层，表现为正断层（图4-c）。

Ⅲ区断层较发育，以“平行状”正断层组合为特征。该区断层密度小于Ⅰ区，北部被FB断裂带限制，在其南侧发育大量与FB主控断层相差约15°的北东向（NE35°）正断层，以及少量北西向断层；纵向上表现“复合式地堑”组合样式（图4-d）。

2.1.2 中层断裂系统特征

与深层断裂系统相比，中层断裂系统的断层性质和组合关系差异明显，且不同区域间断裂特征差异较大，主要发育NW80°、NW60°、NW20°、NW5°、NE20°、NE30°、NE60°、NE75°等 8个走向的断裂（图 5-a）。

Ⅰ区断层较发育。北段发育近东向走向（NE75°）、倾向北、沿下寒武统膏盐滑脱的逆冲断层和北北西向（NW20°）逆断层（图5-b），以及与北西向FA断裂带近乎平行的北西走向（NW60°）断层；南段断层特征与深层断裂系统相似，断层密度降低，仍发育“梳状”断层组合，在FA断裂带东侧发育近乎平行的北东走向（NE20°）派生走滑断层，断面陡立，上、下断穿3套构造层，在纵向上表现为“丝带效应”（图5-c）。

Ⅱ区断层发育。主要包括近南北向（NW5°）和北东向（NE30°）两组平行断层，以及少许北北西向（NW20°）断层。其中，北东走向（NE30°）断层与Ⅰ区南段北东向派生断层近乎平行，与FA断裂带走向夹角约为80°，且限制了近南北向断层的发育，剖面上表现为向南倾的“阶梯状”正断层组合样式（图5-d）；近南北走向（NW5°）断层与FA断裂带走向夹角约为55°。南部边界FB断裂带西段由呈右阶展布的北西西向（NW80°）断层组成，断面平直陡立，东段末端向北弯曲，除断距减小外，其余特征与深层断裂相同。

Ⅲ区断层规模减小，断面平直陡立，以南倾的近平行“阶梯状”正断层组合为特征（图5-e），与Ⅱ区北东向（NE35°）派生断层近乎平行。

2.1.3 浅层断裂系统特征

浅层断裂系统特征与中层、深层断裂系统相比差异较大，其断层性质主要为正断层，表现为“阶梯状”“复合型地堑”组合，平面上发育NW80°、NW60°、NW5°、NE5°、NE20°、NE50°、NE60°、NE76°等8个走向断裂（图6-a）。

Ⅰ区断层主要分布于该区中部，与中层断裂系统相比，与FA断裂平行的北西走向（NW60°）小断层较发育，剖面上显示为地堑构造（图6-b）；北东走向（NE20°）派生走滑断层减少，近东西走向（NE76°）断层规模减小且向南移动，北北西向（N20°W）小断层也有所南移。

Ⅱ区断层发育。包括近南北向（NW5°）和北西向（NW60°）两组断层，其中以近南北向断层为主，以平行或平行交织状组合为特征，且被FA、FB断裂及与之平行的北西向（NW60°）断层限制，剖面上表现为平直陡立断层形成的“复合式地堑”组合样式（图6-c）。

Ⅲ区断层规模较中层断裂系统有所增加，除北东东走向（NE60°）断层外，还新增了“平行状”北西走向（NW80°、NW60°）断层和近南北向（NE5°）断层，且近南北走向断层被北西走向切割改造，二者断面均平直陡立，表现为阶梯状构造，断开层位较多（图6-d）。

2.2 主控断裂特征

从3个构造层断裂分布来看，FA、FB断裂带不仅在不同构造层上均发育，而且其位置相对固定、展布方向一致，还将三维地震工区分隔为断层发育差异明显的3个区块。因此FA、FB断裂带控制了研究区内断层的分布。地震剖面上显示FA、FB断裂带产状陡直，由一系列小断层构成。平面上断层不连续，为两条未完全贯通的走滑断层主位移带的剪切破裂系统，处于走滑断层发育初期—早期阶段[14-15]（图 7-a、b）。

FA断裂带沿北西走向展布，南侧发育多条北西西走向（NW80°）、不连续断层，整体呈现为右阶排列的3个不连续段，具有右行滑移特征，且不同段剖面特征差异明显，具有明显的压扭构造特征（图7-a）。北段剖面显示FA断裂深部发育向上撒开、向下收敛、直插基底的正花状构造样式，同时还具有“海豚效应”特征，上部盖层由多条高陡平直、相对倾斜断层形成正向构造内的“复合地堑”构造样式（图7-c）。中段剖面显示FA断裂深层产状变缓，紧闭的负花状构造边缘发育出正向挤压变形，上部盖层发育多条断穿中层、浅层构造的大规模高陡平直的正断层，形成负向构造的“复合地堑”构造样式（图7-d）。南段剖面显示FA断裂深层仍发育负花状构造，但比中段开阔，其中层底部表现为正向构造、顶部地层未受影响，浅层则发育几条小规模正断层（图7-e）。

FB断裂带呈向南凸出的弧形，整体沿近东向走向展布，表现出左行滑移特征（图7-a、b）。该断裂东、西两段差异明显，其中西段由3条右阶排列的北倾正断层组成，走向为北西西向，剖面显示其产状由深到浅逐渐变陡，且由基底向上贯通3套构造层系，具有明显的张扭构造特征（图7-f、g）；东段为1条连续的向北倾的北东东走向断层，主要发育在深层、中层构造层，断层产状相对较缓，且上端消失于龙马溪组（图7-h）。表明FB断裂带为早期加里东期伸展作用形成的断层在后期受张扭作用再次活化运动而成。

3 断裂形成机理

研究区复杂的断裂系统是多期应力场叠加变形的结果，断层的形成演化过程受先存断层与区域应力场的联合控制[14-18]。已有区域地球动力学研究结果表明，巡检斜坡三维地震区现今构造变形主要与中新生代构造作用密切相关[9-13]。自中生代以来，研究区域应力场性质经历过3次大转变：①中燕山期第一阶段由于秦岭海槽关闭，华北板块与扬子板块首先在东部碰撞对接形成秦岭—大别造山带，产生北东东向挤压应力场，发育穿时递进式构造变形，其构造应力随着传递距离的增大而逐渐减小，前缘受黄陵隆起阻挡（图8-a）；②中燕山期第二阶段，华北板块与扬子板块在北部碰撞对接形成秦岭造山带，产生向南逆冲作用，发育前陆冲断带，一直推覆到当阳复向斜北部（图8-b），强烈的近南北向挤压应力压力施加在3条边界断裂带（板桥断裂、南荆断裂和通城河断裂）上，由于边界条件的不对称性，研究区处于形成典型的南东向右旋压扭应力场；③晚燕山期，由于太平洋海山岛链漂移方向发生重大转折，顺时针偏转约80°，改向北西方向向欧亚板块俯冲，产生远程板片窗效应[19-24]，当阳复向斜处于“东西向伸展”构造应力场中，受先存断层的影响，研究区转变为近东西向左旋张扭应力场环境。根据该3期应力场演化特征及研究区深层、中层、浅层断裂系统分布特征，结合里德尔剪切理论[17-18]，研究区断层可分为逆冲断裂体系、压扭断裂体系、张扭断裂体系等3个断裂体系（表1）。

表1 巡检斜坡三维地震区断裂体系划分与成因机制对比表

逆冲断裂体系形成的断层规模小，断面较缓，下端沿塑性岩层滑脱，主要呈NW20°走向展布，形成于中燕山期东部大别山碰撞造山产生北东东向挤压应力场中。中燕山期早期，最大主应力源于北部大别山碰撞造山，在中扬子东侧产生向西南方向挤压。中燕山期晚期，最大主应力源于东部秦岭碰撞造山，在中扬子产生北侧向南方向挤压，由于挤压作用的不均一，区内形成东南向压扭走滑作用，在主动盘形成大量派生断层。由于研究三维地震区处于褶皱的翼部，曲率较小，断层不易形成。因此3套断裂系统中断层数量都较少。

压扭断裂体系断层分布于FA断裂北侧，为FA断裂带压扭—走滑过程中的派生断层，发育于中燕山期右旋压扭应力场中，其形成时间稍晚于逆冲构造体系。受此应力场作用，区内形成走向NW60°、具有右行滑移特征的FA断裂带，并在断裂带北侧主动盘形成大量派生断层，南侧被动盘断层较少发育，其中FA断裂带为右旋剪切的主位移带，内部发育的小断层分别为右旋剪切的P面和R面，NE20°走向断层为右旋剪切的R'面。由于该右旋压扭应力来自于秦岭造山由深部向地表传递的推覆作用，断裂形成过程中，首先是基底开始断开，再逐渐向盖层中传导。因此研究区由深至浅层断层密度逐渐减小。晚期受拉张伸展环境影响，部分断层反转为正断层。

张扭断裂体系断层分布于FA断裂南侧，主要与FB断裂带密切相关，发育于晚燕山期左旋张扭应力场环境。受此应力作用，沿早期先存FB断裂带形成大量派生断层，其中FB断裂带东段为左旋剪切的主位移带，西段及与其共轭的小断层分别为左旋张扭的R面和P面，近NE5°断层为左旋张扭的R'面。由于伸展拉张作用形成断裂过程中，首先是浅部开始断开，再逐渐向深部基底中传导。因此研究区由深至浅断层密度逐渐增大。

4 断裂对页岩气保存条件的影响

五峰组—龙马溪组是当阳复向斜页岩气勘探的主要目的层。前期关于页岩气地质条件的研究结果表明，页岩气主要以吸附态和游离态共存赋存于泥页岩中，其本身既是储层又是盖层，因而断裂的是影响页岩气保存条件的主要因素之一[25-26]。由于目的层断裂带内主要为塑性的泥页岩碎屑充填，断面被泥岩涂抹，因此区内断裂的垂向封闭性受由上覆岩层压力和水平挤压应力两部分组成的断面压力控制，其中水平挤压应力则与现今水平最大主应力大小及其方向与断层走向夹角有关[27-31]。巡检斜坡区五峰组—龙马溪组页岩气保存条件主要与中层断裂系统密切相关，受加里东期先存断裂影响较小，主要受中生代以来3期构造作用控制，不同成因断裂对页岩气保存影响的差异明显。

4.1 逆冲断层对页岩气保存的影响

区内北北西向逆断层规模小，对页岩气保存影响较小；北部近东西走向逆冲断层是由中燕山期由北向南的挤压作用形成，其上盘形成低幅断背斜圈闭，由于该期圈闭形成时期晚于龙马溪组烃源岩主生烃期，早期生成后赋存于页岩孔隙和页理中的页岩气可沿页理横向运移聚集到上盘背斜圈闭，但圈闭成藏有效性概率偏低。由于该类断层在目的层内断距较小，向上消失于龙马溪组中，未断穿盖层，而钻井等资料显示研究区现今水平最大主应力方向以近东西向为主[32-33]，与该逆冲断层走向夹角小于15°，对断面压力影响弱。因此其垂向封闭性受上覆岩层压力控制。研究结果表明上覆岩层在断面上正应力为50～60 MPa，大于泥页岩屈服强度。因此区内逆冲断层垂向封闭性较强，对页岩气保存条件破坏较弱，Ⅰ区北部保存条件较好。

4.2 压扭断层对页岩气保存的影响

区内压扭断层发育于中燕山期北向南的挤压派生的右旋压扭过程中，同样发育烃源岩生气高峰期之后。断层大部分断面平直陡立，向上断开盖层，同时形成了大量高角度派生小断层及伴生裂缝。因此其垂向封闭性主要受水平挤压应力控制，其中FA断裂带走向与现今水平最大主应力夹角约为30°，对断面压力影响较弱，且内部断层密集，断层封闭性差，为页岩气向上逸散提供了良好的运移通道，破坏了页岩气保存条件。而北东东向（NE20°）R'断层贯穿中、浅层构造，走向与现今水平最大主应力夹角约为70°，断层封闭性相对较强，对页岩气保存条件破坏相对较弱。

4.3 张扭断层对页岩气保存的影响

张扭断层形成是由浅部向深部断开，导致FB断层西段、近NW5°断层中层断裂系统与浅层断裂系统相连接形成高角度贯通性正断层，同时张扭构造作用形成大量张裂缝和高角度剪裂缝，沟通了龙马溪组页岩气散失到地表的运移通道，破坏了页岩气保存条件，而FB断层东段和北东向（NE30°）R'断层未断穿龙马溪组、走向与现今水平最大主应力夹角约为60°，裂缝闭合，断层封闭性较强，对龙马溪组页岩气保存破坏较弱，Ⅱ区南部保存条件也较好。

5 结论

1）当阳复向斜纵向上划分为深层、中层、浅层3套断裂系统，平面上受北西向右旋压扭FA断裂带和近东西向左旋张扭FB断裂带控制划分断层特征差异明显的3个区块，其中FA、FB断裂带为两条未完全贯通形成走滑断层主位移带的剪切破裂带，处于走滑断层发育初期—早期阶段。

2）当阳复向斜巡检斜坡区块受中燕山期北东东向挤压、中燕山期南东向右旋压扭和晚燕山期近东西向左旋张扭3期应力场控制，形成逆冲断裂体系、压扭断裂体系、张扭断裂体系等3套断裂体系。其中逆冲构造体系断层较少，由深至浅层断层密度相差不大，呈NW20°走向展布；压扭断裂体系发育FA断裂及其派生断层，主要分布于FA断裂以北，由深至浅层断层密度逐渐减小；张扭构造体系包括FB断裂及其派生断层，主要分布于FB断裂以北，由深至浅层断层密度逐渐增大。

3）巡检斜坡区3个断裂体系对五峰组—龙马溪组页岩气保存条件具有重要影响，逆冲断裂体系、压扭构造体系R'面断层、张扭断裂体系FB断裂东段及其R'面断层的断层垂向封闭性较好，对页岩气保存破坏较弱。其余断层封闭性差，为页岩气向上逸散提供了良好的运移通道。