川南云錦地區三維構造平衡恢復的斷裂體系研究

尹文韜，陳 偉，余養里

（西南石油大學地球科學與技術學院，四川成都 610500）

四川盆地的構造種類較多且變化多樣，例如華鎣山以西的寬緩褶皺帶、盆內較為典型的隔擋式以及隔槽式構造、盆地邊緣的山前構造等都是較為典型的構造。這些構造的形成經歷了多期構造運動，主要由古生代至新生代。云錦區塊地處四川省瀘縣東部、瀘州東北部，東與百和鎮，南與兆雅鎮、太伏鎮，西與奇峰鎮、玄灘鎮，北與立石鎮接壤。距瀘州主城區30.7km，距縣城附近27.2km，距重慶永川區40.9km。地層分區屬于華南地層大區揚子地層區的上揚子地層分區，該區地質資源豐富優質頁巖儲層分布相對穩定（厚度為30～50m）[1]。而構造條件包括地層變形強度、斷層、構造樣式以及裂縫等是控制該區地質資源勘探開發的主要影響因素之一。因此，根據四川盆地南部瀘州地區包括云錦區塊在內的地震、露頭等資料，運用三維構造平衡恢復技術研究該區的斷裂體系特征。

1 區域構造特征

研究范圍在川南地區，為內江至大足以南，瀘州合江縣以北的瀘州地區中的云錦區塊。本次研究區地層主要包括古生界和中生界，但是缺失泥盆系和石炭系地層，各地層厚度總計約10km。該區出露的地層以侏羅系占主導，其余出露地層以三疊系為主。實際上，該區的構造樣式以及構造組合受到多種因素的控制，例如巖性組合、巖層的拉伸及剪切強度等都對構造樣式具有直接或間接的影響。此外，綜合前人對該地區的研究結果發現，川南以及周遭地區存在多套滑脫層對川南地區構造變形具有比較顯著的影響，且這些滑脫層以膏鹽巖和泥巖為主[2]。更為具體來說此區塊存在3套滑脫層，即中-下寒武統膏鹽巖、下志留統龍馬溪組（S1l）泥頁巖和下三疊統嘉陵江組（T1j）膏鹽巖。

在不同的構造變形強度的條件下，該區塊的構造具有不同的樣式：華鎣山以西具有低緩褶皺構造特征；盆內瀘州、重慶等地區構造具有向斜寬而緩，背斜緊且陡的“隔擋式褶皺”的特征，但部分構造走向不盡相同。區內構造走向主要有NE-SW向、近S-N向和近E-W向。該區背斜核部多以三疊系地層為主，而向斜核部以侏羅系為主且背斜核部多出露不同特征的斷層，這種現象的出現可能是由于大婁山和齊岳山山前坳陷以及沉降作用的影響所產生的。

構造變形特征：該地區剖面構造樣式以經典的“隔擋式”為主，即背斜較為緊閉而向斜相對寬緩；此外，該區還存在多套滑脫層以及較為穩定的變形基底，形成這種構造特征的原因是受到了來自造山帶的水平擠壓作用以及華鎣山的阻擋作用。在多期次不同方向應力的水平擠壓條件下，該區的幾個典型構造的走向以NE-SW向為主。由于受到基底的垂向作用相對不強且受到較強的水平擠壓應力，導致基底處的背斜隆起幅度不及上方地層。事實上，該區還存在三個不同層位的以沉積蓋層為主的滑脫層，以及與之伴生的各類斷層。具體為嘉陵江組膏鹽巖層、龍馬溪組泥頁巖層以及中-下寒武統膏鹽巖層[3]，以其三者為界垂向上能將該區分為上部、中部和下部3個變形層和一個相對穩定的變形基底，不同層在受到水平應力的擠壓而導致變形收縮時，斷層便會沿著滑脫層順勢滑脫；區內大部分斷層一般只穿過一個滑脫層，但云錦向斜區的斷層卻從下部滑脫層穿過中部和上部滑脫層一直延伸至近地表；多數斷層只穿過一個滑脫層并可能與其存在聯系，如石燕橋背斜區下部斷層由中-下寒武統高鹽巖出發，向上斷穿上寒武統和奧陶系之后，可能沿著龍馬溪組底部滑脫，從而形成背斜前翼較陡后翼較寬緩且斷層中部傾角較陡、上部和下部傾角較寬緩的斷層傳播褶皺；也有可能斷層斷穿部分龍馬溪組地層并形成尖滅，則產生斷層上部傾角較陡、下部傾角較緩的特征，即形成斷層轉折褶皺。除此之外，在石燕橋背斜區二疊系到三疊系地層間存在兩條斷層背向逆沖形成逆沖三角帶；風坡山背斜區斷層相向逆沖形成沖起構造；長林村背斜區存在深部斷層和淺部斷層傾角相似的情況，由此推斷可能該區部分深部斷層和淺部斷層的形成與演化存在一定的關聯。

2 三維建模與三維構造平衡恢復

2.1 三維構造模型的建立與平衡恢復方法

本次研究使用三維構造建模軟件來實現從二維地震解釋數據到三維模型的轉化，并且在此基礎上進行目標層的三維地層平衡恢復。具體來說，三維構造平衡恢復的方法是將地質時間域坐標系統通過特定的算法轉換為具體的三維模型，再把建立的三維模型通過不同的恢復方法（如彎滑、斷層平行流等）進行各層的恢復。本次三維構造平衡恢復主要包含五個步驟。

（1）地震解釋數據的準備。從地層解釋軟件中輸出地層和斷層數據。本次研究以云錦區塊奧陶系五峰組和二疊系梁山組的地層單元為例。

（2）斷層模型的建立。斷層模型的建立是依賴于地震反射剖面中斷層的多種要素，包括斷層的傾角以及斷層的軌跡等。與此同時，在斷層模型的生成過程中還需定義或修改各個斷層間的接觸關系、斷層體模型的邊界框或邊界點等。由于不同的數據類型會使模型的有效性發生變化，故需綜合考慮斷層數據采樣點空間分布的均勻程度和斷層解釋數據的實際精度。

（3）地層模型的建立：在地質圖、地震剖面、構造等因素的約束條件下，選取目的層和相應的斷層進行建立，并在生成模型后進行檢查，檢查體模型是否正常，若出現異常則消除異常點。

（4）檢查地層和斷層模型的結構：核查地層與斷層之間的接觸關系以及地層與地層之間的接觸關系。由于本次研究只包含五峰組和梁山組地層，故不涉及地層間的接觸關系。

（5）三維構造平衡恢復：對建立好的地層模型進行重取樣即美化模型的三角網格（網格的美化是必要的，因為三維恢復技術的結果部分受制于模型的構成方式以及取樣密度，取樣密度越大恢復后的結果相對更加理想）；選取想要恢復的主動層和將要被恢復的被動層，本次研究選取梁山組地層為主動層，五峰組地層為被動層；根據選定恢復的目的層運用合適的恢復方式進行平衡恢復（選定目的層的同時還需確立相應的基準面，正確的基準面是后續恢復后參數觀察的必要條件）（見圖1）；三維構造平衡恢復后會生成對應的模型且具有如曲率、斷裂發生或應力變化指數等的屬性可供參考。

圖1 五峰組地層三維構造平衡恢復結果對比圖

2.2 三維構造模型與斷裂體系分析

（1）現今五峰組地層斷裂體系特征：通過觀察恢復后現今的五峰組地層曲率的結果可知，現今的五峰組存在多條NNE、NE-SW走向的大型斷層和中小型斷層，初步分析這些斷層的形成可能是受到北西向和南東向的應力擠壓而產生的，結合區域構造特征分析，這些斷層的形成可能是因為齊岳山山前推覆帶的推覆作用，即北西向的應力和華鎣山的阻礙作用即南東向的應力這兩者的主導，以及其他潛在因素的影響所形成的；向斜的核部可以觀察到近NEE向的斷層，這些斷層的形成不僅受到了華鎣山和齊岳山所產生的北西向和南東向應力的影響，還受到了來自大婁山所產生的作用力，因此斷層的規模不同于部分NNE、NE-SW向的斷層；此外在云錦向斜南段還存在近N-S向的小型斷層，這些斷層有的與大型NNE、NE-SW向斷層相交或相連，產生這種現象的部分原因是因為斷層在初步形成后受到二次擠壓，擠壓的應力條件可能與之前存在偏差，導致斷層發生改變。

（2）梁山組沉積初期五峰組的斷裂體系特征：梁山組沉積初期五峰組地層的斷裂體系與現今的斷裂體系特征存在一定的差異。雖然NNE、NE-SW向的斷裂已經形成且位置與現今斷裂的位置相差甚微，但是可以觀察到向斜核部的斷層發生了不同程度的變化：①向斜核部的中段至北段部分存在多個小型E-W向斷層，這些斷層的大體位置與現今NEE向的部分斷層相近但是斷層的規模不及現今，可能是梁山組地層沉積后這些小型斷層逐漸合并，并在包括各項應力在內的不同條件影響下而形成現今的NEE向斷層；②在向斜的南段也存在近N-S向的斷層，但其所分布的位置與現今的位置存在一定的差異，這就表明這些斷層在梁山組沉積后可能還是受到了來自北西或者南東向的應力；③在向斜的兩翼不管是斷層的走向、規模還是分布位置都與現今十分相似，故這些斷層在梁山組沉積時就已形成并可能對于后期形成的其他斷層產生影響。

3 討論

通過對三維地質構造模型的分析可以發現，三維構造平衡恢復方法是一種十分有效的斷裂體系研究方法且較地球物理學方法在某些方面有一定提升。具體來說，雖然三維模型需要受到各種條件的制約和影響，但是通過三維建模軟件所建立的三維模型可以更直觀且立體地觀察和研究具體的區塊或構造單元，不論是地層還是斷層均可建立相應的模型并進行處理和分析；通過三維構造平衡恢復后曲率圖與相干圖中斷裂體系的對比，可以觀察到曲率圖在斷裂較為復雜的區域所反映的斷裂較相干圖更加清晰可見；此外，三維構造平衡恢復方法可以實現特定地層沉積初期老地層的構造形態以及與之相應的斷裂體系的觀察和研究，這可作為地球物理學方法之外的一種新的研究途徑。

4 結論

1）該區的構造類型豐富且多樣，主要以較陡的背斜和較為寬緩的向斜所組成的“隔擋式”褶皺為特征，平面上該區的幾個典型構造多為NE-SW、NNE向；剖面上該區具有多套以沉積蓋層為主的滑脫層及穩定變形基底，在造山帶的水平擠壓和華鎣山阻擋作用的共同影響下形成了各類構造和不同樣式的斷層。

2）云錦區塊的斷裂主要包含多條NNE、NE-SW走向的大型斷層和中小型斷層，且這些斷裂的形成在一定程度上都與齊岳山山前推覆帶的推覆作用及北西向的應力和華鎣山的阻礙作用及南東向的應力有關。

3）該區某些早期形成的斷裂對晚期形成的斷裂可能具有一定的影響或控制作用。