川西北天井山構造變形特征與物理模擬

李 卿 李忠權

（油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室（成都理工大學），成都610059）

2008年汶川大地震后，天井山地區發現了大量的油氣苗，引起了許多學者的關注，并進行了大量的研究工作，如周文等（2008）、鄧紹強等（2009）認為天井山古油藏分布受控于構造，只有把該地區的構造變形規律及演化規律弄清楚，才能對油氣圈閉進行正確的評價［1－2］。但迄今為止對天井山地區的構造變形和演化過程的研究主要基于野外調查和鉆井分析，還沒有針對構造模式和結果進行過構造物理模擬。因此，筆者通過野外調查和地震資料，探討了天井山構造的構造變形，在此基礎上對天井山構造進行構造物理模擬，為天井山構造的構造樣式和構造變形建立試驗證據，這對龍門山北段地區的構造變形和構造樣式也具有一定的指導意義。

1 地質概況

天井山地區位于四川盆地的西北部，為一大體呈北東向展布且大致與龍門山山脈平行的區塊（圖1）。東邊區域跨入廣元市境內羅妙真（屬劍閣縣），其東南起于江油市厚壩—廣元鹽店一線，西北達江油市沉永—雁門一線。

圖1 龍門山褶皺沖斷帶構造綱要圖及研究區域Fig.1 Structural outline of the fold－thrust belt and study area of Longmen Mountains

天井山地區地形險峻，山體綿延，溝壑縱橫，山系以北東向為主，地表海拔高度變化在0.5～2 km之間，總趨勢呈西北高、東南低，屬龍門山前陸推覆—沖斷帶和龍門山前陸盆地。由于特殊的構造位置，區內斷裂眾多，因而地面構造復雜多樣，其構造與斷層的走向多為近北東向，主要的區域性大斷裂為雁門壩斷裂和馬角壩斷裂（也稱彭灌斷裂），區域性大斷層破碎帶寬度可達數米，地層傾角變化劇烈。區內地面主要正向構造為天井山背斜，其次有茍家埡倒轉背斜和水跟頭倒轉背斜等。天井山背斜（圖2）為一線狀背斜，其南西端延至二郎廟一帶，后消失在超覆層之下，北東端以13°傾角傾沒于馬鹿壩以東。背斜核部由石炭系、泥盆系及寒武系組成，兩翼地層主要為三疊系、二疊系，巖性總體上以碳酸鹽巖為主［2］。

圖2 天井山地區地質圖Fig.2 Geological map of Tianjingshan area

2 構造變形特征

綜合TJ1井鉆井分層、傾角測井資料、地表地質調查、構造樣式分析，結合地震解釋的地腹構造、演化特征、形成機制分析等建立以TJS1114（A－B）線為基礎的天井山構造地質模型。

印支期在重力滑覆的作用下，在現今天井山構造主體部位發育沖斷構造，斷坡陡直，并且大多出露當時地面（須三頂）。喜馬拉雅期在北西向南東強大的擠壓力作用下，早期構造被改造，疊加后期褶皺，從而形成地層倒轉及斷面彎曲。在擠壓推覆過程中，地腹中堅硬層中形成一系列的疊瓦狀斷層，將地層切割成若干疊瓦狀斷塊，形成疊瓦式構造及雙重構造；疊瓦狀斷層上陡下緩，向下消失在前震旦系非堅硬層中［3］。

綜上所述，根據構造形成機制、所發育的構造樣式及所處構造部位，區內的構造可劃分為3個構造單元（圖3）。

圖3 天井山構造模式圖Fig.3 Tectonic model of Tianjingshan

淺層推覆構造單元（a）：位于馬角壩斷裂帶與天井山主高點之間，淺部滑脫層之上，后翼突破構造為斷層相關褶皺前翼上形成的調節主構造應變狀態的次生破裂構造。運動學特征表現為多產生于主構造已有相當強烈的變形之后，龍門山山前帶的地震剖面上大量發育后翼突破構造。后翼突破構造主要位于天井山背斜西北翼發育一系列斷片，斷裂產狀通常較陡，呈密集產出，組成后翼突破構造多表現為擴展性質，形成于喜馬拉雅期。

中部沖斷滑覆構造單元（b）：位于馬角壩斷裂帶下盤的天井山構造主體部位，東至天井山構造前翼東緣，包括從基底至地表的所有地層，是在早期沖斷構造上疊加推覆構造，形成疊瓦狀構造和斷彎褶皺。組成疊瓦構造的斷層，傾向為北西，向下延伸至下寒武統長江溝組第一段的非堅硬層；斷層的產狀向下漸漸趨于水平，且多條斷層合并為共同的斷層滑脫面。總體而言，后翼地層相對較緩；前翼地層陡直破碎，形成堆垛；核部為斷彎褶皺，出露最老地層為寒武系。形成于印支期，定型于喜馬拉雅期。

地腹疊瓦雙重構造單元（c）：指天井山構造主體以東地腹三疊系以下地層組合形成的構造。該套地層中，主要發育疊瓦式構造、雙重構造和沖起構造。雙重構造的底板逆斷層為下寒武統長江溝組砂泥巖層，頂板逆斷層為下三疊統飛仙關組上部紫紅色砂泥巖層［3］，形成于喜馬拉雅期。

3 構造物理模擬與結果

3.1 模型分析

3.1.1 構造變形

龍門山地區經歷了多期構造運動，在印支運動前天井山構造的地質應力主要以拉張為主，控制了地層的巖性組合、發育范圍及沉積厚度，而影響天井山構造現有構造形態的地質運動應該從印支運動開始。總的來說，該地區主要的構造運動有3期：喜馬拉雅運動、燕山運動、印支運動［4］。其中印支運動、燕山運動的右旋剪切擠壓造成了構造呈雁列狀排列的構造格局，而喜馬拉雅運動的強烈擠壓在原有構造的基礎上形成了天井山構造，并最終定型（圖4）。

印支期、燕山期原有的張性斷層發生反轉，并沿下三疊統內的區域性滑脫層發生滑脫，現在天井山構造地表的一系列古生界地層推覆，出露地表；喜馬拉雅期，擠壓活動再次進行，但受到巨厚推覆體的阻擋，推覆體隨下伏地層沿下寒武系發生滑脫、隆起，形成現在的構造格局［5］。

3.1.2 變形特征

印支第三幕時期，隨著秦嶺大洋的全面關閉，南秦嶺構造帶最終形成，以及印度板塊向歐亞板塊的俯沖作用使青藏高原和松潘－甘孜高原抬升，在松潘－甘孜和龍門山之間形成了一斜坡。由于后緣拉張，在重力滑覆作用下于龍門山前緣形成局部擠壓環境，前期先存的正斷層發生反轉，發育一系列高角度逆斷層，形成了龍門山前緣沖斷帶，發育薄皮構造，在沖斷帶東側發育川西前陸盆地，沉積須四（T3x4）－須六段（T3x6）地層［5］。

喜馬拉雅運動使龍門山后緣發生強烈的基底卷入型褶皺變形，地層及早期滑脫面在強烈擠壓作用下褶皺抬升，并發育了一系列上沖斷層。由于后緣地層變形十分強烈，地層大量遭受剝蝕，泥盆系以上地層被剝蝕殆盡。天井山構造印支第三幕構造活動時期形成的逆斷層再次活動，上沖推覆，在天井山構造核部形成斷彎褶皺，甚至是倒轉背斜。天井山構造后翼淺層發育一系列后翼突破構造，斷裂密集，大多消失于上部滑脫層飛仙關組內部。天井山構造前翼，前期斷層除繼續活動斷距加大外，還產生分支斷裂，形成帚狀構造。天井山構造靠近盆地一側，在下部震旦－飛仙關組中發育雙重構造，下滑脫層位于寒武系底部，上滑脫位于飛仙關組內部；同時，該期還形成大量對沖和背沖構造，切割改造早期構造［6］。

3.2 模型設計

根據天井山地區的變形過程，在厚度不變的條件下，設計的多組實驗分別考慮了基底坡度、滑脫層性質等條件對構造的控制作用。實驗模型長為160cm、高為20cm、寬為20cm，兩側為有機玻璃，一端由馬達驅進的活動擋板。本次物理模擬實驗選擇石英砂來模擬脆性地層，選擇硅膠和玻璃珠來模擬膏巖層。實驗中所選擇的石英砂的密度為 1297kg／m3，玻璃珠直徑為0.2～0.3 mm，硅膠的黏滯系數為1.2×104Pa·s，硅膠的密度為926kg／m3。實驗在中國石油勘探開發研究院（北京）構造物理模擬實驗室進行。

圖4 TJS1114線印支、喜馬拉雅期演化剖面圖（AB剖面）Fig.4 Evolution profile of Indo－Chinese epoch and Himalayan epoch in Line TJS1114

3.3 實驗結果

模型基底為3°斜坡，上面一套滑脫層的材料為玻璃珠，厚度為5mm；下面一套滑脫層的材料為硅膠，厚度為0.5cm；模型總長為40cm（表1）。總縮短量為13.5cm，壓縮率約為33%，符合原始剖面壓縮量。圖5中A，B，C，D和E的伸縮量分別為0cm，5.5cm，7cm，10cm 和13.5 cm，模型側面及頂面運行過程分別由背面及正面兩臺相機記錄。實驗由北西向南東的速度為0.0025cm／s。照片的時間間隔為8s。

圖5 實驗模擬過程圖Fig.5 Diagram of the experimental simulation process

表1 實驗模型數據Table 1 Experimental model data

開始擠壓后，當伸縮量達到7cm時，開始出現傾角約為30°的后沖斷層，隨后出現一條傾角約為40°的前沖斷層，2條斷層組成不對稱背斜（圖5－B）。當伸縮量達到12cm時，在不對稱背斜的前緣出現傾角平緩的4號斷層，爾后在變形的過程中發育調節性3號斷層，2條斷層組成一個平頂背斜（圖5－C）。當伸縮量達到13cm時，出現6號斷層（圖5－E），出現倒轉背斜，前展變為后展。模型主要有以下特點：（1）硅膠上覆砂層。變形主要集中在硅膠的兩端，兩端之間的變形不明顯，對應前端增厚區的前端變形為一箱狀背斜，其開始發育的時間較早，發育距離遠。（2）靠近擠壓端的強烈變形帶，發育一倒轉褶皺。（3）硅膠主要有2個聚集區，分別對應于變形的前端和變形后端的前部，上覆沉積負載的硅膠流向兩邊的聚集區。（4）出現倒轉背斜，變形序列為：后緣褶皺形—前緣褶皺—回跳至中間變形，前展變為后展。

3.4 模擬結果討論

實驗一代表多套滑脫層（玻璃珠）、基底為3°斜坡、正向擠壓應力條件下的結果。模型總體仍保持楔體形態，靠近推進擋板厚，向推進方向逐漸減薄。前緣產生前展式上沖構造，斷層呈平行狀組合。玻璃珠以上變形則以推覆構造為主。變形的形態發育比較均一，從剖面上可以看出，主要為3條產狀相似的推覆構造。與實際剖面有較大區別（圖6－A）。

實驗二代表多套滑脫層（硅膠）、基底為3°斜坡、正向擠壓應力條件下的結果。隨著側板向沙層推擠，軟弱的硅膠層有阻擋下部上沖斷層向上擴展和作為上部沙層變形的滑脫層的作用，將沙層分為2個變形層，并且上下變形層之間的滑脫導致硅膠層局部加厚。有2個值得注意的現象：（1）下部沙層形成的沖斷褶皺的倒轉翼部位，軟弱層有加厚的趨勢。（2）硅膠層下沙層的收縮變形相對集中，硅膠層之上沙層的變形相對分散，說明軟弱的硅膠層有順層滑動位移。形成的褶皺－沖斷帶形態為狹窄高錐度，與其較高的韌性基底層黏度有關［7－10］（圖6－B）。

圖6 天井山物理模擬結果與實際剖面對比Fig.6 The comparison of physical simulation results with the actual profile of Tianjingshan

實驗三代表多套滑脫層（玻璃珠）、基底水平、斜向擠壓應力擠壓條件下的結果。玻璃珠以下的變形比較單一，是由單純的上沖斷層組成的前展式疊瓦構造，玻璃珠以上則主要是一系列以玻璃珠為核心的斷層相關褶皺。自造山帶向前陸方向，模型大體上呈楔形，即在擠壓端比較厚，而越向前厚度越薄。總的來說，模型的垂向的不協調性和變形的方式主要受到玻璃珠的控制，隨著縮短量的增加，前翼發育一系列疊瓦狀上沖斷層。上沖斷層呈前展式發育，并且變形間距逐步加大（圖6－C）。

實驗四代表多套滑脫層（硅膠）、基底為3°斜坡、斜向擠壓應力擠壓條件下的結果。（1）硅膠上覆沙層，變形主要集中在硅膠的兩端，兩端之間的變形不明顯，對應前端增厚區的前端變形為一箱狀背斜，其開始發育的時間較早，發育距離遠。（2）靠近擠壓端的強烈變形帶，發育一倒轉褶皺。（3）硅膠主要有2個聚集區，分別對應于變形的前端和變形后端的前部，上覆沉積負載的硅膠流向兩邊的聚集區。（4）出現倒轉背斜，變形序列為：后緣褶皺變形—前緣褶皺—回跳至中間變形，前展變為后展。說明隨著基底層黏度的增加，后沖斷層開始占據主導地位，呈現后展式序列［7－10］，與天井山的構造變形過程比較一致（圖6－D）。

4 結論

天井山構造位于龍門山沖斷前鋒帶，淺層表現為一系列斷片組成的后翼突破構造，中部以呈前展式發育的疊瓦狀構造和斷彎褶皺為主，地腹則發育疊瓦式構造、雙重構造為主，經物理模擬實驗，表明了：

a.在擠壓應力作用下，變形主要集中在施力方，越靠近力源，變形越強烈，并且發育基底卷入的厚皮構造。而天井山地區印支期主要發育薄皮構造，由此可見該地區印支期動力學機制不是以擠壓為主，而是受南北向擠壓應力與北西－南東向重力滑覆共同作用。

b.證實了天井山構造存在多個滑脫層系，滑脫層上下形成分層變形、垂向疊置的不協調收縮構造變形。

c.喜馬拉雅期天井山構造在北西－南東向擠壓應力作用下變形序列為以前展式為主。

d.由于實驗條件的限制，無法進行多軸應力、重力滑覆實驗，因而變形特征不可能完全一致，但其主要變形特征和變形序列大體相似。

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