龍門山北段天井山構造演化及其對油氣聚集的控制

李 卿，李忠權，張 瑋，劉愛疆，曾吉和，崔文玲

（1.成都理工大學 油氣藏地質及開發工程國家重點試驗室，四川 成都 610059； 2.成都理工大學 地球物理學院，四川 成都 610059； 3.成都理工大學 地球科學學院學院，四川 成都 610059）

0 引言

褶皺沖斷帶既是世界上最先發現大型油氣田的領域，也是耗資巨大、勘探成功率較低的領域.阿莫科公司在落基山沖斷帶打過300多口鉆井，才獲得第一口油氣井，最主要原因是對下伏構造形態不清楚.近年來，隨著現代地震技術的逐步完善，對褶皺沖斷帶構造特點有較清楚的認識，只有準確建立褶皺沖斷帶構造模式，提高褶皺沖斷帶構造解釋的正確性，油氣勘探的成功率才有所提升[1-3］.

我國龍門山沖斷帶是典型前陸褶皺沖斷帶，以“飛來峰”構造和推覆構造聞名，具有復雜的構造變形樣式.1945年，在江油海棠鋪構造上首鉆江1井，從而拉開龍門山前陸沖斷帶尋找油氣的序幕，主要研究成果有：李月等[1］認為龍門山在造山初期主要是受到北西方向力的作用；晚三疊世末期主要受到由東南方向太平洋板塊的擠壓而迫使揚子板塊擠壓的應力作用；燕山期龍門山造山帶繼承印支期的逆沖推覆構造作用繼續上升；喜瑪拉雅期推覆構造進一步發展，在推覆構造活動加劇的同時，由于受到重力作用，使被推到高處的不穩定巖體大量下滑，形成滑覆體和推覆體疊加的構造格局，最終演化為現今的構造樣式.曹俊興等[2］認為龍門山的形成演化主要受西側松潘—甘孜地塊的逆沖和其東側四川盆地的俯沖非對稱相向擠壓控制.龍門山晚三疊世開始隆升，其形成早于青藏高原的隆升，與印—亞板塊的碰撞無關；但喜馬拉雅期以來的演化受印—亞板塊碰撞和太平洋板塊俯沖的影響.金文正等[3-5］認為印支期以前的構造運動對龍門山沖斷帶應力場變換的影響作用有限，燕山運動時期和喜馬拉雅運動時期的構造運動在龍門山沖斷帶構造應力場轉換中起重要作用.這些成果多注重宏觀構造特征的研究，缺乏對局部變形差異性的精細研究.龍門山前陸沖斷帶內的礦山梁、天井山、楓順場等局部區域具有多層位的烴源巖，蘊含巨大的油氣資源，但同時構造變形和演化又極其復雜，因此，宏觀構造變形已不能滿足復雜構造區油氣勘探研究的需要，迫切需要對各個構造帶進行構造特征研究.

筆者以近東西向的06fsc0003—02tjs1111測線為基礎，研究天井山構造帶的構造演化特征，分析構造演化對油氣成藏及油氣運聚的控制作用，確定油砂的主控因素和分布區域，指導油氣勘探方向，為天井山構造帶的油氣勘探提供指導.

1 地質概況

龍門山褶皺沖斷帶整體上呈NE-NNE走向，印支晚期，古特提斯洋關閉，印度板塊向歐亞板塊俯沖，青藏高原和松潘—甘孜陸塊迅速抬升，從而形成現今的推覆構造體形態.它北起廣元，南抵雅安，高聳在四川盆地的西北部，成為揚子地臺和松潘—甘孜的分界線.一般來說，它具有“南北分段，東西分帶”的特點，本次研究的主要工區位于彭灌—馬角壩斷裂以東、安縣以北的龍門山北段山前帶的天井山構造帶.

龍門山褶皺沖斷帶北段大致為廣元到安縣，主要出露的是變形褶皺比較強烈的古生界和三疊系.通常龍門山北段地表構造從東北向西南可以劃分唐王寨推覆體、轎子頂推覆體和沖斷前鋒構造帶3個基本構造單元.其沖斷前鋒構造包括礦山梁、青林口、天井山和中壩等典型背斜構造[5］.天井山構造帶屬龍門山前陸推覆—沖斷帶和龍門山前陸盆地.其地形險峻，山體綿延，溝壑縱橫，山系以北東向山系為主，地表高程變化在500～2 000m之間，總趨勢呈西北高、東南低.其構造與斷層的走向多為近北東向，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.天井山背斜位于竹園壩斷裂與馬鹿壩斷裂之間，呈NE—SW展布.長軸約為14km，短軸約為10km，為一線狀背斜（見圖1）.其組成地層有：下寒武統、泥盆系、石炭系、二疊系和下三疊統，南西端延至二郎廟一帶，后消失在超覆地層之下，北東端以42°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[4-5］（見圖2）.

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 and study area of Longmen mountains

天井山構造帶內從寒武系至上三疊統馬鞍塘組地層以接受海相沉積為主，巖性主要為泥巖、砂巖、膏鹽巖、灰巖等，整體上呈西厚東薄.同時，由于研究區內含有寒武系、志留系、上三疊統須家河組等多套滑脫層，在構造應力的作用下，形成大量的逆沖推覆構造、疊瓦沖斷帶和反沖斷裂等構造變形樣式.

2 天井山構造帶構造演化

以天井山構造帶的地震剖面精細解釋為基礎，選取一條北西—南東向橫穿構造帶的主格架地震剖面，即06fsc0003線—02tjs1111線剖面（A-B）進行構造演化分析.天井山構造帶形成主要經歷3個階段：（1）伸展拉張成盆期（震旦紀—中三疊世末），龍門山褶皺沖斷帶處于伸展動力學環境，以拉張成盆，接受海相碳酸鹽巖沉積，地層伸展率超過8%，其中馬角壩斷層在該時期為多期活動正斷層；（2）陸隆伸展演化階段（晚三疊世—中侏羅世末），龍門山褶皺沖斷帶前緣因重力滑覆形成一系列的高角度逆沖斷層和相關褶皺，馬角壩斷層反轉成為逆斷層，地層收縮率超過20%；（3）擠壓抬升剝蝕階段（晚侏羅世—現今），歐亞板塊與印度板塊碰撞產生強烈的擠壓力作用大幅度改造前期形成的構造，并發育一系列逆沖推覆構造，地層收縮率超過30%，龍門山褶皺沖斷帶被剝蝕后表現為現今的構造形態.

圖2 天井山構造帶（AB：06fsc0003線—02tjs1111線）Fig.2 Geological map of Tianjingshan area（AB：Line 06fsc0003—Line 02tjs1111）

2.1 伸展拉張成盆期

元古代末的晉寧運動褶皺造山形成揚子古陸核之后，揚子地臺及其西緣包括龍門山和甘孜—阿壩在內的廣大地區總體屬于穩定大陸邊緣發展階段.龍門山北段深水放射蟲硅質巖和重力流沉積[6］，以及川滇地區大面積的玄武巖噴溢表明這一時期揚子地臺強烈的拉張活動.志留系沉積前，天井山構造帶寒武系地層總體上表現為南東厚北西薄，地層長度約為133.9km.此時揚子板塊西緣長期發育一個呈南北向的龍門山古島鏈，沉積一套碳酸鹽巖—頁巖建造.晚奧陶世華北板塊與中秦嶺古島弧碰撞之后，整個揚子板塊北緣結束其活動大陸邊緣伸展構造演化階段，進入板塊碰撞—弧后盆地構造反轉時期[7］.該時期已經發育有傾向為北西的正斷層，即早期的馬角壩斷裂.

志留紀末期，加里東運動使四川克拉通隆起，使沉積的志留系地層遭到剝蝕，馬角壩正斷層下盤志留系地層剝蝕殆盡，上盤志留系地層遭受部分剝蝕.此時地層總體上表現為北西厚南東薄，寒武系地層長度約為141km，相對于志留系沉積前伸展了5.3%.早期發育的馬角壩斷裂在該時期持續活動，尤其是馬角壩斷裂斷距較大，為同沉積斷層，從而造成斷裂兩側志留系地層厚度的差異.

泥盆紀和石炭紀時期，揚子板塊西緣的邛崍—寶興雜巖、彭灌雜巖隆升出露水面.邛崍—寶興雜巖向東經大邑茍家鄉已經與克拉通東部廣闊的地臺剝蝕區連成一片，剩下孤立的彭灌雜巖成為克拉通西緣向北凸出的半島環境，其西、北、東三面均有上石炭統沉積.中、晚石炭世，該半島向北延伸，致使彭灌雜巖北部缺失中、上石炭統沉積[6-7］.早期馬角壩斷層繼續活動，因而馬角壩斷層上盤泥盆系地層的沉積厚度遠大于下盤的沉積厚度.該時期天井山構造帶仍處于伸展動力學環境，寒武系地層伸展至143.80km，伸展率為3.60%.

經歷（梁山期）短暫的陸相沉積環境之后，海水開始大規模侵入.揚子板塊西緣長期發展的龍門山古島鏈消失，成為龍門山水下隆起帶；北緣的大巴山古陸亦淹沒水下.棲霞期，龍門山地區海水淺，屬揚子板塊的陸緣隆起沉積環境，其中的極淺水部位存在經常出露水面的嶼、礁，能夠接受淡水淋濾作用，從而形成棲霞組豹斑白云巖和砂糖狀白云巖[6］.此時構造活動相對平靜，受到的動力學主要以伸展為主，二疊系地層伸展至148.3km，伸展率為3.10%，馬角壩正斷層在該時期停止發育.

早三疊世，揚子板塊西北緣平武附近的摩天嶺構造帶有間歇性海底火山噴發，說明此時仍為伸展構造環境；中三疊世，龍門山島鏈將龍門山裂陷槽與川西特提斯洋分隔開來，西側沉積一套雜谷腦組海相復理石建造，東側沉積一套雷口坡組含蒸發巖的局限海碳酸鹽巖建造[7］.天井山構造帶地層總體仍表現為北西厚南東薄，二疊系地層伸展至149.10km，伸展率為0.56%.此時，總伸展量達到14.30km，最大伸展率為11.30%.

2.2 陸隆伸展演化階段

印支三幕時期，隨著秦嶺大洋的全面關閉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[8］，在松潘—甘孜和龍門山之間形成北西高南東低的一斜坡，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，發育一系列高角度逆斷層和斷彎褶皺，發育薄皮構造，并形成一系列倒轉褶皺，尤其以tjs1000線的形態較為明顯[9-10］（見圖3和圖4）.早期形成的馬角壩正斷層在該時期發生反轉變為高角度逆斷層，并在天井山構造前翼發育4條上陡下緩逆斷層，形成疊瓦狀構造.該期產生的逆沖斷層下部均在前震旦系地層內滑脫，上部大多出露地表，僅靠近前緣的2條斷層未出露地表，一條斷層上部消失在須家河組地層內，另一條斷層上部消失在飛仙關組地層斷層上盤的地層內，此時的二疊系急劇收縮至117.40km，收縮率為21.2%.

圖3 天井山構造帶重力滑動構造Fig.3 Gravity sliding structure of Tianjingshan

圖4 天井山重力滑動構造示意Fig.4 Sliding of Gravity structure Diagram of Tianjingshan

2.3 擠壓抬升剝蝕階段

晚侏羅世后，天井山構造及其以西地區均出露地表遭受剝蝕，而天井山構造以東形成前陸盆地，沉積須家河組地層.由于龍門山后緣為一斜坡，所以剝蝕量遠大于龍門山前緣，雷口坡組以上的地層全部剝蝕殆盡，雷口坡地層在靠近馬角壩斷裂附近有部分殘留.前緣地層相對剝蝕較少，只在背斜核部部分須家河組下部地層遭受剝蝕.

龍門山前緣的上侏羅系蓮花口組下部、下白堊統劍門關組下部或天馬山組下部普遍發育沖積扇相的礫巖.彭灌地區至天全的上白堊統夾關組底部也發育有沖積扇相的礫巖，上白堊統北段前緣無沉積.地層分布和沉積特征說明盆地西南部及龍門山確實存在燕山中幕（J3p-K1）及燕山晚幕（K1-K2），但燕山晚幕比較突出.若物源區的隆升與山前凹陷幅度呈負相關關系，根據上、下白堊統的厚度變化推測，龍門山北段在晚侏羅世至早白堊世較南段抬升幅度大.另外，分析沖積扇的礫石成分，碳酸鹽巖類的礫石主要是中、上泥盆統至下三疊統的灰巖及白云巖，碎屑巖類的礫石主要是下泥盆統及志留系或更老地層的砂巖.這些地層當時分布在北川斷裂或五龍斷裂一帶.據此推測，北段已切割剝蝕至下泥盆統及其以下地層[11-12］.

喜山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，形成楓順場對沖構造及仰天窩向斜，并發育一系列逆沖斷層，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[11-12］.天井山構造印支三幕構造活動時期形成的逆斷層再次活動，逆沖推覆，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地層內部.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[13］.天井山構造靠近盆地一側，在下部震旦—飛仙關組地層中發育雙重構造，下滑脫層位于寒武底部，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，從而使天井山構造帶構造更加復雜化.此時二疊系地層收縮至90.75km，收縮量為79.50 km，收縮率為32.3%.

自印支期開始，龍門山變形序列和變形域自北西向南東遞進發展，每次構造運動對龍門山的影響有局限性，總體上，變形中心由北段逐漸向南段遷移，一次強過一次，波及范圍逐漸擴大.

總之，龍門山構造帶經歷由伸展構造背景下的前緣滑覆作用到青藏高原擠出—滑動背景下的推覆作用的變遷，具有滑覆—推覆的二元造山機制，以及形成時間早、后期活動強烈的特點.

3 構造演化對油氣聚集的影響

3.1 生儲蓋組合

天井山構造演化剖面見圖5.據探井實鉆及本區地面露頭剖面統計，該區共有上三疊統、二疊系、下寒武統、震旦系4套烴源巖.其中，二疊系烴源巖中灰黑色硅質巖、硅質泥巖、碳質泥巖的厚度為23～54m，深灰、黑灰色生屑灰巖厚度達66～262m，灰色生屑灰巖厚度達40～214m.經顯微組分鑒定，二疊系灰巖腐泥組體積分數為76%～83%，鏡質組體積分數為6%～10%，惰質組體積分數為9%～13%，以腐泥型干酪根為主，部分為混合型.干酪根的碳同位素測定值在24‰～31‰之間，多數在25‰以上，與Ⅰ、Ⅱ型干酪根相近[13］，表明曾大量生油.中三疊世末，沉積區域達到最大，覆蓋整個天井山構造帶，沉積大量泥巖，泥質厚度大，泥質含量高.據青林1井鉆探表明，飛仙關組泥巖厚度達315m，泥巖厚度較大且集中，橫向分布穩定，是該區良好的區域蓋層[15］.晚三疊世，由于差異隆升，松潘—甘孜和龍門山之間形成一斜坡，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，發育一系列高角度逆斷層，形成逆掩斷裂帶.區內斷層發育，地層及構造復雜，斷層的存在一方面使油氣藏遭受強烈的破壞活動，發生散失；另一方面也為油氣的二次運移提供通道，深部烴源層生成的油氣可以通過這些斷層運移到淺部地層中，如厚壩油砂巖中的石油、礦山梁瀝青脈、江油漁洞梁飛仙關組的石油等，都源于下寒武統或震旦系烴源層.發生二次運移的油氣可能在新的有利構造中保存下來，形成新的油氣藏，且新的油氣藏中油氣可能具有混源特征，保存的油氣可能來自于多套烴源層.總體上，構造主應力的改變控制沉積相帶和生儲蓋的變化.

3.2 油氣運移和油氣保存

天井山構造帶斷層可分3類：

（1）現今出露地表的斷層.由于受強烈的構造運動作用，斷層發育，下切基底，上通地表.“通天”斷裂帶作為油氣運移通道的雙重性，它既是上三疊統油氣向上跨層運移通道，又是油氣向地表散失的通道.通常，大型“通天”斷裂帶的封閉條件較差，沿斷裂帶有大量油、氣苗分布，就是“通天”斷裂帶開啟性質的顯示.該類斷層位于天井山背斜的核部及西北翼，斷穿寒武系以上所有地層，因此不具備保存條件.

（2）印支運動時期出露地表的斷層.該類斷層位于天井山背斜前翼的上部，斷穿寒武系至三疊系地層，消失于侏羅系地層或終止于須四底界面（印支三幕構造運動形成的不整合面）.該類斷層印支三幕構造運動時出露地表，隨后接受上覆侏羅系地層的沉積，喜山期再次活動.這些斷層對于侏羅系沉積前形成的油氣藏不具備保存條件，但為侏羅系沉積后形成的油氣藏提供良好的運移通道.

（3）未出露過地表的斷層.該類斷層位于天井山背斜前翼的下部靠近盆地一側及盆地內部，斷穿寒武系至二疊系地層，消失于下三疊統地層中.該類斷層印支三幕構造運動時可能已經形成，但未出露地表，不過多數斷層形成于喜山期.這些斷層具備良好的保存條件，同時還是油氣運移的通道.

根據QL1井有機質成熟度，在礦山梁和天井山一帶，侏羅系—三疊系有機質成熟度相對較低，早三疊統有機質仍處于低成熟—成熟階段；中三疊系有機質熱演化已處于成熟末期，有機質大量生烴已經結束[13-16］.構造應力的改變引起沉積厚度、油氣運移通道的改變.天井山構造帶在晚三疊世時發生褶皺反轉，同時馬角斷層發生反轉，導致流體勢的改變，使油氣運移發生改變.

因此，天井山構造帶印支期沖斷帶上盤（現今天井山背斜西北翼及核部）不具備保存條件；印支期沖斷帶（現今天井山背斜前翼）對于侏羅系沉積前形成的油氣藏不具備保存條件，但對于侏羅系沉積后形成的油氣藏具有一定的保存條件；印支期沖斷帶下盤（現今天井山背斜前翼下部及盆地內部）具備保存條件.

圖5 天井山構造演化剖面（06fsc0003線—02tjs1111線）Fig.5 Structural evolution profile of Tianjingshan（Line 06fsc0003—Line 02tjs1111）

4 有利目標優選

印支與燕山期，天井山構造帶處在盆地西部斜坡帶，由于當時龍門山北段已開始隆升，因此，印支期龍門山北段主要形成重力推覆構造，總體上重力推覆構造前緣推擠帶變形強度較大，褶皺斷裂發育（往往為平臥或倒轉褶皺），對油氣聚集保存相對較差；喜山期本帶在強烈擠壓作用下，推覆隆升遭受剝蝕成為褶皺造山區.因此，進行油氣勘探時應注意喜山期構造的建設與破壞作用.印支期沖斷帶下盤（現今天井山背斜前翼下部及盆地內部）發育的沖起構造是油氣集聚的有利部位，具備條件：

（1）天井山構造帶具有二疊系及下志留統、下寒武統3套生烴能力強的烴源巖系，且在白堊紀后有機質演化已達成熟至過成熟階段，具備成藏的根本條件.

（2）具有飛一段、吳家坪組、茅三段、棲霞組、石炭系灘相亮晶粒屑灰巖儲集體，棲霞組上部白云巖、泥盆系石英砂巖儲集體及石炭、泥盆系古風化殼，儲集條件較好.

（3）沖起構造能形成構造圈閉.

（4）斷層發育，將二疊系、志留系及寒武系烴源巖與二疊系儲層和圈閉串通，利于烴類的運聚.

（5）沖斷構造形成于印支期晚期，第三紀以后是現今構造形成期，演化成熟至過成熟的烴類可經調節，運移至有儲滲能力的圈閉聚集成藏.

（6）天井山構造有須家河組泥巖類作為區域蓋層，飛仙關泥巖作為直接蓋層，且無斷層斷至地表，圈閉保存條件較好.

5 結束語

天井山構造帶的演化可劃分為伸展拉張成盆（震旦紀—中三疊世末）、陸隆伸展演化階段（晚三疊世—中侏羅世末）、擠壓抬升剝蝕階段（晚侏羅世—現今）.印支期沖斷帶下盤（現今天井山背斜前翼下部及盆地內部）發育形成于印支期晚期的沖起構造，其內斷層發育，將二疊系、志留系及寒武系烴源巖與二疊系儲層和圈閉串通，利于烴類的運聚；且有飛仙關泥巖作為直接蓋層，保存條件較好，是油氣聚集的有利部位.

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