川南長寧背斜形成的幾何運動學分析

姚金鵬，陳 偉

（西南石油大學 地球科學與技術學院，四川成都 610500）

長寧構造發育在川南低緩褶皺帶與大涼山-大婁山斷褶帶過渡部位，由長寧背斜、建武向斜等褶皺組成。長寧背斜呈北西-南東走向，長寧背斜東南部較寬，向西北背斜寬度逐漸變窄[1-2]。背斜的脊線呈北西-南東走向，在西北端發生弧形彎曲，背斜脊線轉為北東-南西走向，即燈桿壩背斜。川南長寧地區五峰組-龍馬溪組已證實含有豐富的頁巖氣資源。近年來隨著二維、三維地震資料品質的提高，對于長寧地區的研究較為成熟。但以往的研究，通常認為長寧背斜是由基地斷層所控制的斷層轉折褶皺。運用斷層相關褶皺理論解釋長寧背斜的形成是被普遍接受的觀點，但是長寧背斜究竟是何種斷層所控制的褶皺？其形成的主要階段是在什么時期？解決這些問題，是揭示長寧背斜構造帶幾何學、運動學特征，長寧背斜構造變形與形成機制的關鍵。

1 長寧背斜構造空間展布特征

本文在長寧背斜選取了西部、中部、東部各選取了一條北東-南西向構造地震大剖面，對比分析了長寧背斜空間上的展布特征。

1.1 長寧背斜西部幾何學特征

剖面A-A’（見圖1）位于長寧背斜主體西部，剖面上構造單元從南向北依次為羅場向斜、長寧背斜，地層除從震旦系到第四系發育較為齊全，長寧背斜呈北翼陡傾、南翼平緩的背斜變形，由于前翼傾角近于直立，因此地震剖面上長寧背斜北翼區域呈雜亂反射，難以成像。在區域地質圖上，背斜前翼（北翼）地表無斷層出露，地層縱向連接，無明顯的錯動。長寧背斜西部具典型的斷層傳播褶皺特征。受華鎣山褶皺帶北西擠壓的影響，背斜走向出現變化，轉為北東向的短軸狀背斜（圖1）。由于向北傳遞的應力在背斜處受阻，斷層在逆沖過程中向上消失，構造樣式呈現斷層傳播褶皺幾何變形特征，前翼地層近于直立。從模擬的運動學過程看，斷層從基底向上逆沖，斷層末梢逐漸向地表傳播，傾角逐漸增大，斷層滑移/傳播比偏小，主斷層未達地表，受斷層傳播褶皺三角剪切區的影響，背斜前翼與斷層末梢處（向斜區）發生強烈的剪切破裂與變形。

圖1 長寧背斜西部A-A'剖面地震解釋

1.2 長寧背斜中部幾何學特征

從B-B’開始往東，長寧背斜走向往南偏轉，由東西向轉為南東向（圖2），長寧背斜的變形機制也由斷層傳播褶皺向斷層轉折褶皺過渡，主要逆沖斷層的位移量大部轉入寒武系底部的軟弱層滑脫，并在前陸方逆沖形成次級的逆沖推覆褶皺帶。

圖2 長寧背斜中部B-B'剖面地震解釋

1.3 長寧背斜東部幾何學特征

長寧背斜東部C-C’，主要逆沖斷層在背斜北翼的末梢處出現反向逆沖，在背斜前翼疊加了一次級背斜。隨著主要逆沖斷層向東轉化為斷層轉折褶皺，斷層沿寒武系底部軟弱層滑脫，再向上逆沖，導致原來前翼的疊加次級背斜逐漸長寧背斜分離，隨著滑脫量的增大，平面上呈現出兩組向東分叉的背斜形態（圖3）。

圖3 長寧背斜東部C-C'剖面地震解釋

2 構造帶形成機制

對于長寧背斜的東中西部構造幾何學分析只是初步的推斷，為了進一步驗證上述推斷的精確性，下面將進行該區域的形成機制探討和運動學正演模擬。

2.1 形成機制探討

為了探究長寧背斜構造的形成模式以及驗證構造解釋的正確性，筆者將對A-A’典型地震反射剖面進行構造平衡恢復。為了提高構造恢復結果的準確性，對A-A’地震反射剖面不同層位賦予合理的速度，從而進行時深轉換，經時深轉換后得到的地震反射剖面與實際情況更加吻合，在此基礎上進行的構造平衡恢復可信度更高。對于構造活動相對簡單的長寧背斜構造來說，首先考慮消除控制背斜形態斷層的構造影響：先對喜馬拉雅期的高角度逆沖斷層進行構造恢復，還原早期的構造形態。根據主斷層和反沖斷層的構造特征，采用三角剪切的構造恢復方法。

通過去斷距、去褶皺等步驟，將三疊系須家河組底拉平后最終得到的模型（圖4），從圖4可以看出地層形態基本為平行的穩定沉積，證明長寧背斜的主體形成很可能為喜山期構造事件下統一應力場作用結果。早期學者對該地區所做的磷灰石裂變徑跡研究也顯示長寧地區的快速隆升發生在距今約45Ma 前的始新世，此時已經進入喜山期。初步推測長寧背斜主體是在喜山期同一應力場作用下形成的[4-6]。

圖4 長寧背斜A西部A-A'恢復（須家河組拉平）形態

2.2 正演模擬

對于長寧背斜的南中北部構造幾何分析只是初步的推斷，為了進一步驗證上述推斷的精確性，下面將進行該區域的形成機制探討和運動學正演模擬。

正演模擬結果較好地恢復了長寧背斜形成的運動學過程，與之前的吻合（圖5）。其中背斜西部A-A’剖面原始長度67.77km，現今長度59.14km，縮短量為8.63km，縮短率12.73%；中部B-B’剖面原始長度93.15km，剖面現今長度79.07km，縮短量為14.08km，縮短率15.12%；東部B-B’剖面原始長度77.16km，剖面現今長度70.29km，縮短量為6.87km，縮短率8.9%。從縮短率數據認為：長寧背斜變形強度存在空間差異，由中部向東西兩側遞減，中部累計縮短量為14.08km，累計縮短率為15.12%。

圖5 構造正演模擬結果

3 結論

1）長寧背斜主體為一典型基底卷入式斷層傳播褶皺，但空間上存在一定差異，中西部為典型的斷層傳播褶皺，東部受寒武系底部軟弱層滑脫影響，呈現由斷層傳播褶皺向斷層轉折褶皺過渡，并在前翼向上逆沖。

2）通過構造變形的運動學正演模擬認為，長寧背斜的主體形成很可能為喜山期構造事件下統一應力場作用結果，與前人利用磷灰石裂變徑跡得到的結果一致。

3）長寧背斜變形強度存在空間差異，由中部向東西兩側遞減，中部累計縮短量為14.08km，累計縮短率為15.12%。