長寧背斜龍馬溪組頁巖裂縫發育特征及期次解析

萬遠飛，秦啟榮，范 宇，吳建發，趙圣賢，季春海，范存輝

(1.西南石油大學，四川 成都 610500;2.天然氣地質四川省重點實驗室，四川 成都 610500;3.中國石油西南油氣田分公司，四川 成都 610056)

0 引言

川南長寧地區為石油與天然氣勘探開發的重點地區，針對該區域構造演化對油氣富集與運移的影響，開展了大量研究。楊武年［1］采用遙感圖像分層解析法，對川南宏觀構造及有關橫張大裂縫系統進行詳細分析，并結合力學方法，探討了該區構造組合的空間格局及控礦(油氣)規律;唐鑫［2］通過實驗測試、數值模擬等方法，對川南地區龍馬溪組頁巖沉積—生烴—成藏或破壞的時空匹配關系進行研究，闡述了構造演化對頁巖氣成藏的控制作用;黃金亮等［3］從多個方面對川南龍馬溪組頁巖氣形成條件進行分析，認為長寧－珙縣地區為勘探開發有利區，裂縫發育程度為頁巖氣保存條件的主控因素之一。然而，目前對復雜構造條件下頁巖氣成藏模式的研究還不夠成熟，裂縫發育特征及期次對頁巖氣富集成藏的具體作用還不明確［4－7］。該文通過對川南長寧背斜兩翼出露的龍馬溪組裂縫進行觀測與統計，對原始裂縫數據進行處理并制作走向玫瑰花圖，配合野外裂縫的交切、組合關系，對裂縫分期配套;并運用赤平投影、受力反演、構造行跡等多種構造解析手段，研究裂縫特征、期次與構造應力場演化的關系，以期為下一步勘探開發提供參考。

1 區域地質概況

研究區位于四川盆地南緣，構造上位于川南低陡褶皺帶與婁山褶皺帶間的過渡區(圖1)，川南地區構造邊界由3條主要斷裂帶交錯銜接成三角形， 構造行跡完全受三角形邊界控制［8－9］。長寧背斜屬于該區域次級構造單元，背斜軸向為NWW—SEE，向西延伸至高縣以南，向東到敘永地區，北翼及東端陡，南翼及西端緩。背斜內次級褶皺和斷裂發育，根據構造走向主要有北東、北西和近東西3個方向，不同構造形跡之間相互限制、疊加，形成多高點、多斷裂、多鼻狀構造等特點。

圖1 研究區構造Fig.1 The structure of study area

研究區出露地層較全，從背斜核部至兩翼，除缺失泥盆系、石炭系地層外，震旦系—白堊系地層均有出露，各地層無明顯角度不整合。目的層下志留統龍馬溪組出露于背斜兩翼，沉積期主要處于深水陸棚環境。其中，龍11亞段為主要開發層系，沉積環境為外陸棚亞相富有機質粉砂質泥棚及硅質泥棚微相，優質頁巖厚度為20～30 m，資源勘探潛力巨大［10－11］。

2 裂縫發育特征

研究區龍馬溪組地層出露良好，在長寧背斜兩翼及轉折端設置了獅子灘、雙河、梅硐、油房頭、蝦子田、巖沙田、大坪上及楠竹林8個觀測點，對野外露頭裂縫進行觀測，最終得到264組有效裂縫產狀數據。

2.1 裂縫類型

根據野外露頭觀測，研究區裂縫包括構造成因的剪切縫、張性縫等。剪切縫發育程度最高，包括與巖層面垂直(75～90°)或高角度(45～75°)相交的平面剪切縫(圖2a—c，圖中裂縫產狀表示為走向、傾角，下文同)以及低角度(15～45°)相交的剖面剪切縫(圖2d)。平面剪切縫在野外各觀測點均有廣泛發育，以多期“X”型共軛剪切為特征，縫面平直光滑，延伸距離遠，常切穿巖層，與巖層面近于垂直相交，在部分觀測點可見階梯狀排列;剖面剪切縫發育程度較低，裂縫面平直，擦痕明顯，延伸距離不定，與巖層斜交;張性縫僅在背斜核部少量發育，產狀不穩定，延伸短，由于受到強烈的風化剝蝕，露頭觀測難度大。

圖2 野外露頭構造裂縫類型及發育特征Fig.2 The types and development characteristics of structural fractures of field outcrop

2.2 裂縫發育程度

研究區野外觀測到的裂縫長度、開度、密度、傾角及充填情況等不盡相同。野外裂縫長度主要為1.0～2.0 m，其次為0.5～1.0 m，平均長度為1.2 m，背斜北翼的觀測點裂縫發育程度更高，裂縫傾角大、縫面寬。以雙河觀測點為例，傾角大于45°的高角度裂縫占總裂縫數的65%，低角度裂縫僅占20%;裂縫發育線密度為3.0～8.0條/m，平均為5.0條/m;不同方向上裂縫開度不均，與背斜軸向近平行的裂縫開度較大，為0.2～0.3 cm，部分可達0.5 cm以上。相對而言，背斜南翼裂縫發育程度較低，傾角偏小，低角度縫約占32%，裂縫延伸長度主要在1.0 m以內，開度集中在0.1～0.2 cm，平均裂縫發育線密度為3.8條/m。野外觀測到的裂縫多被充填，根據充填程度可將裂縫劃分為全充填、半充填和未充填縫，其中，全充填縫和半充填縫占總數的75%左右，充填物包括方解石、泥質及少量黃鐵礦。

2.3 裂縫優勢方位

為了使應力分析的結果更加可靠，需以地層產狀為基準對野外平面剪切縫產狀數據進行復平，利用專業復平軟件將現今裂縫產狀恢復至地層褶皺變形之前。由復平后的產狀數據可知(表1):研究區平面剪切縫優勢方位主要為近EW、NW及NEE向，其次為NNE、NNW、NE向，剖面剪切縫優勢方位為NWW、NW、NE向，以NE向最為發育。

表1 剪切縫產狀統計表(經產狀復平)Table 1 The statistical table of the occurrence of shear fractures(after leveling)

3 裂縫配套與分期

裂縫是長期多次構造運動的產物，為了研究區域構造變形史和古構造應力場，需進行裂縫的配套與分期［12－13］。配套是將一定區域不同時期形成的裂縫加以區分，分期是將一定構造期的統一應力場中形成的各組裂縫組合在一起，再根據不同期次裂縫間的交切限制關系即可判斷形成順序。

裂縫配套的依據主要是共軛剪切縫的組合關系，以及裂縫發育的總體特征及其與有關地質構造的關系［14－15］。利用赤平投影軟件、Dips軟件等，將復平后的裂縫產狀數據制成玫瑰花圖(圖3a、b)與裂縫等密度圖(圖3c、d)。將同一應力場下形成的裂縫分配為一套，研究區野外露頭裂縫共可分配為3套:第1套為NNW、NE向平面共軛剪切與NWW向剖面剪切縫，該套剪切縫在區內發育程度較低，裂縫以方解石全充填為主;第2套為近EW、NW向平面共軛剪切縫與NE向剖面剪切縫，該套剪切縫發育線密度大，產狀近直立，充填程度高，充填物以方解石為主，其次為泥質、黃鐵礦等;第3套為NNE、NEE向平面共軛剪切縫和NW向剖面剪切 縫，該套剪切縫充填程度低，僅見少量方解石充填。

圖3 裂縫走向玫瑰花圖與裂縫等密圖Fig.3 The rose diagram of fracture strike and contour diagram of fractures

裂縫分期最主要的依據是裂縫之間的交切關系，包括錯開、限制、互切等，其次可以利用與裂縫有關的地質體提供佐證［4，12］。由圖 2a可知:NW(323°、78°)向平面縫向下延伸被 NNW(345°、76°)向與NE向(42°、81°)平面共軛剪切縫所限制，說明NW向平面剪切縫形成時間晚于NNW和NE向平面剪切縫。由圖2b可知:SSW向(193°、75°)與NEE 向(71°、82°)共軛剪切縫切穿近 EW 向(94°、75°)平面剪切縫，而近 EW 向與 SE 向(143°、72°)為平面共軛剪切縫，說明SSW(NNE)與NEE向平面剪切縫在近EW與NW(SE)向裂縫之后形成。

4 裂縫發育期次分析

構造運動產生的擠壓應力是裂縫形成的根本原因，根據庫倫破裂準則，平面“X”型共軛剪切縫的銳夾角平分線指示最大主應力方向，剖面剪切縫的垂直方向指示最大主應力方向［16－17］。因此，根據現今野外觀測裂縫復平后的分期配套情況，利用構造反演技術，結合區域構造背景，就能確定產生裂縫的構造運動的期次及應力方向，進而確定裂縫形成時期與演化模式。

4.1 構造反演受力分析

在上述裂縫分期配套的基礎上，將處理過的裂縫產狀數據利用strgraphprj軟件制成構造反演受力分析圖(圖4)，分析形成裂縫的應力方向。結合圖3、4，研究區構造裂縫的形成與演化受到3期不同方向的應力(σ1為最大主應力，MPa;σ2為中間主應力，MPa;σ3為最小主應力，MPa)作用:①受近SN向構造擠壓應力作用，形成NNW、NE向平面剪切縫及少量NWW向剖面剪切縫;②受NW向構造擠壓應力作用，發育近EW、NW向平面剪切縫及少量NE向剖面剪切縫;③由NE向構造擠壓應力產生NNE、NEE向平面剪切縫及少量NW向剖面剪切縫。3期不同應力方向的構造運動經過先后疊加改造，最終形成現今露頭裂縫的交切特征。

4.2 構造行跡分析

區域構造運動不僅反映在裂縫的交切關系上，褶皺形態特征同樣可指示構造運動的疊加特征［18－19］?？v觀研究區及周邊地質構造，長寧背斜、象鼻場向斜、長垣壩背斜等均為近EW向構造體系，而長寧背斜軸部向西偏轉為NE向，向東偏轉為NW向，具有明顯的多期次、多方向構造疊加特征(圖5a)。符江向斜向西南延伸受羅場向斜限制(圖5b)，形態發生扭轉，二者斜接復合呈“人”字形，羅場向斜受切割程度較輕，符江向斜與長寧背斜西端相連，同屬NE向構造，應為近EW向構造之后形成［20－22］。

圖5 長寧地區褶皺疊置關系Fig.5 The fold superimposition relation in Changning

區域地質調查顯示，早二疊世末，受東吳運動影響，中、上揚子臺地發生廣泛隆升與剝蝕，川南地區上升為陸。侏羅紀以來，揚子板塊整體構造格局由拉張環境變為擠壓環境，黔中古隆起向北不斷擴張，同時，受到四川盆地剛性基底的阻擋，至燕山運動晚期，在強大的近SN向水平擠壓應力作用下經“四川運動”最終使東西向構造體系定型，由此形成了長寧背斜等長軸背斜的雛形。喜山運動以來，太平洋板塊與亞歐板塊相碰撞使得青藏高原快速隆升，海相沉積期結束，劇烈的隆升對四川盆地形成NW—SE向聯合擠壓作用，長寧背斜西端被嚴重改造變形，符江向斜形態扭轉與羅場向斜斜接復合，大量近EW向和NW向平面剪切縫以及NE向剖面剪切縫在此階段形成。喜山運動中期，受印度板塊與歐亞板塊碰撞閉合的影響，大巴山、雪峰山及川中剛性基底共同作用，對研究區產生NE—SW向擠壓作用，長寧背斜東段軸部向西南偏轉，這一階段發育的部分NW向斷裂將先期形成的NE向斷裂錯開，形成了現今部分NE向與NW向斷裂共軛的形態。

綜上研究可知，長寧背斜龍馬溪組沉積后從開始發生產狀變化至今，共受到至少3期構造運動的影響。

5 結論

(1)長寧背斜龍馬溪組頁巖露頭裂縫較為發育，以構造成因的高角度平面共軛剪切縫和剖面剪切縫為主，平面剪切縫發育優勢方位包括近EW、NW、NEE、NNE、NNW、NE 向，剖面剪切縫發育優勢方位為NWW、NW、NE向。

(2)長寧背斜龍馬溪組裂縫形成于3個期次，第1期為燕山運動中—晚期，研究區受到近SN向應力擠壓作用，發育NNW、NE向平面剪切縫和近EW向剖面剪切縫;第2期為燕山運動末期—喜山運動早期，研究區受NW向擠壓應力作用，發育NW、近EW向平面剪切縫和NE向剖面剪切縫;第3期為喜山運動中期至現今，研究區受NE向應力擠壓，發育近SN、NEE向平面剪切縫和NW向剖面剪切縫。