渝东大焦石坝地区差异构造变形

庹秀松,陈孔全,罗顺社,汤济广,张水山,刘其军

[1.长江大学 非常规油气湖北省协同创新中心,湖北 武汉 430100； 2.长江大学 地球科学学院，湖北 武汉 430100；3.中国石化 江汉油田分公司物探研究院，湖北 武汉 430035]

当前，页岩气已成为全球油气资源勘探开发的新热点，其中川东地区广泛发育的下志留统龙马溪组是中国页岩气勘探开发最重要的目的层位之一，具有良好的勘探前景。随着涪陵焦石坝页岩气田勘探开发取得重大进展，中国学者先后对其沉积相、储集层、保存条件、富集因素等方面开展了大量针对性研究，认为页岩品质在平面上分布稳定，不同区块之间页岩气产量差异取决于其保存条件，主要受构造变形差异性的影响[1-5]。而前期构造变形特征研究主要着眼于局部焦石坝背斜[6-7]，忽略了其在区域构造上的特殊性，缺乏与周缘关系研究。为揭示涪陵及其周缘的大焦石坝地区差异构造变形特征，本文以地震资料为基础，结合区域构造资料，依据断层相关褶皱理论[8]，对其构造特征进行分析，总结了其差异变形规律，并进一步讨论了区内近南北向大耳山和乌江断裂构造变形带的成因机制，为下一步页岩气勘探评价和选区工作提供参考。

1 地质概况

大焦石坝地区位于湘鄂西隔槽式褶皱向川东隔挡式褶皱过渡区，同时也是川东高陡褶皱带与川东南帚状构造带的转换带，其东部为万县复向斜与方斗山背斜、齐岳山背斜交汇处，南部被金佛山构造所限制。受江南雪峰造山带的陆内控制作用，从湘鄂西到川东构造具有从南东向北西逐步递进扩展的发育过程，区内发育多层次滑脱构造，构造变形具有明显的南东向早北西向晚、南东强北西弱特征[9-11]。

根据钻井揭示，大焦石坝地区地层发育较全，沉积基底为前震旦系板溪群浅变质岩，其上覆盖除缺失泥盆系、石炭系外震旦纪至侏罗纪地层，其中上二叠统龙潭组与下二叠统茅口组、石炭系黄龙组与上覆二叠系梁山组及下伏志留系韩家店组均为平行不整合接触。大焦石坝地区内受多期构造应力作用影响[12-13]，主要发育北东向和近南北向两组断层，其中焦石坝背斜核部断裂不发育，近南北向断裂主要发育于乌江断层北段和大耳山断层附近，北西向断层仅分布于乌江断层南段和白马向斜南端。主控断裂-齐岳山断层具有明显的走滑特征，在大焦石坝地区内分为3支，呈右阶左行雁列式分布，其中北段位于方斗山以东，中段与大耳山断层相接，位于白马向斜东侧，南段位于平桥构造东侧，其北端消失于自北向南由北东向转为北西向的石门2号断层之下，向南延伸到南川地区(图1)。

图1 大焦石坝地区地质图及五峰组底界断裂分布Fig.1 The geological map and fault distribution in the bottom boundaries of the Wufeng Formation at the Dajiaoshiba areaa.大焦石坝地区地质图；b.五峰组底界断裂分布

2 差异构造变形特征

2.1 分层差异变形特征

构造作用过程中，由于塑性岩层的滑脱作用，造成滑脱层上下岩层构造样式、褶皱类型等存在一定的差异。区内分层构造变形主要与前寒武基底滑脱层、中下寒武统膏泥岩、下志留统泥页岩以及三叠系雷口坡组-嘉陵江组膏盐4套区域滑脱层有关，其中前寒武基底滑脱层为中-新元古界板溪群-冷家溪群与中-古元古界之间的岩石密度、物性的转换面[7,10]。受控于深浅层次四级滑脱层系，大焦石坝地区发生多重滑脱作用，在垂向上表现出明显的构造分异，自下而上分为前寒武系形变层、下形变层、中形变层和上形变层(图2)。

前寒武系形变层从寒武系底部到板溪群-冷家溪群顶面，构造变形强烈，主控断层发生基底滑脱作用，控制了上部盖层的构造形变特征，向西越过齐岳山断层消失于焦石坝-南川背斜底部。

齐岳山以西主要滑脱层由前寒武系转变为寒武系，下形变层发生褶皱作用以及断层相关褶皱作用，主干断层倾向南东，褶皱缓翼常发育反向断裂，断层向上多消失于志留系滑脱层之中，向下消失于寒武系滑脱层中。由于中下寒武统膏盐岩主要分布在川东地区，齐岳山以东地区寒武系滑脱作用微弱。

齐岳山以西中形变层褶皱变形较强烈，除少量断层断穿志留系，大多数断层发育以志留系厚层泥页岩为底界，向上多消失于三叠系滑脱层之中，其翼部断裂发育，且在四川盆地内常发育倾向北西方向轴倾断裂[14]，构造形变与下行变层脱耦。而齐岳山以东地区志留系几乎不起滑脱作用，中形变层与下形变层合为一个形变层。

上形变层由中三叠统雷口坡组以上陆相地层组成的，主要残留于齐岳山以西的向斜内。该形变层变形形态与中形变层基本一致，背斜区地层较陡，向斜区地层平缓，仅发育少量反冲断层。

2.2 分带差异变形特征

根据前陆逆冲推覆构造的构造变形规律，大焦石坝地区位于雪峰逆冲推覆构造西北缘的前锋带，为区域性滑脱层转换带，自东向西区域性滑脱层由前寒武系转换为寒武系，其滑脱层呈阶梯状向上传递位移。根据构造变形方式、断裂与褶皱样式及组合关系，自东向西分为冲断褶皱带、逆冲-滑脱褶皱带和滑脱褶皱带(表1)。

2.2.1 冲断褶皱带

冲断褶皱带位于齐岳山以东，构造变形复杂，主要为以寒武系-志留系为核部的开阔背斜构造和以三叠系、二叠系为核部的紧闭向斜构造，构造形迹以北东向为主，可见南北向构造横跨切割或斜接北东向褶皱。地质剖面显示前寒武系变形强烈，发生强烈冲断作用，形成系列断夹块，其中志留系和三叠系不起滑脱作用，下形变层与中形变层合并成一个形变层(图2a)。由于强烈的冲断作用，地层抬升幅度大，上形变层已被剥蚀殆尽，仅在向斜核部出露。

表1 大焦石坝地区构造分带差异变形特征一览表Table 1 Characteristics of the differential structural deformation in different segments of the Dajiaoshiba area

图2 大焦石坝地区地震地质解释剖面(测线位置见图1)Fig2 The geological interpretation of seismic reflection profiles at the Dajiaoshiba area(see Fig.1 for the location of seismic lines)a. AA′剖面；b. BB′剖面；c. CC′剖面；d. DD′剖面；e. EE′剖面

2.2.2 逆冲-滑脱褶皱带

逆冲-滑脱褶皱带内前寒武系滑脱层向西逐渐消亡，前寒武系形变层构造起伏变弱。根据构造变形特征，以石门2号断层和大耳山断层为界又可分为逆冲-压扭褶皱带和断层相关褶皱带。

1) 逆冲-压扭褶皱带

逆冲-压扭褶皱带位于齐岳山断层分段的岩桥区，东侧以齐岳山断层为界，西侧被大耳山断层和石门2号断层分割，具体分为大耳山逆冲-压扭褶皱带和白马逆冲-压扭褶皱带。

大耳山逆冲-压扭褶皱带为石柱向斜与方斗山背斜和齐岳山背斜汇合处，位于焦石坝箱状背斜以东，构造形态为较紧闭背斜夹持紧闭向斜，且向斜向南扬起消失。受齐岳山走滑断层分段和近南北向大耳山断层的影响，剖面上表现出较强的冲断作用和一定的扭动作用，地表可见近乎直立的走滑破裂带，平缓岩层破碎严重(图3a)。自东向西，冲断作用逐渐减弱，发育冲起构造和反冲构造，其中方斗山断层上盘地层抬升幅度稍低于齐岳山断层上盘，呈台阶状。大耳山断层向下消失于寒武系底部，上盘呈断展褶皱，且与伴生断层形成冲起构造。区内前寒武滑脱层滑脱作用强，寒武系滑脱作用微弱，志留系和三叠系几乎不起滑脱作用，上形变层、中形变层和下形变层可合并为一个形变层。

白马逆冲-压扭褶皱带处于焦石坝箱状背斜以南，石门2号断层与齐岳山断层、大耳山断层之间，南部被金佛山隆起限制。剖面上构造变形表现为沿寒武底滑脱的逆冲作用，并伴随一定的扭动作用，形成较紧闭褶皱和系列断夹块，且自北向南石门2号断层断距逐渐增大，齐岳山断层断距逐渐减小，褶皱带内断层密度逐渐增大，扭动作用逐渐增强，在地表可观察到产状为21°∠82°的压扭断层，断面上近乎水平的斜向擦痕和阶步指示该断裂具有左行平移特征(图3b)；在龙马溪组层段的岩心上也观察到明显的水平擦痕(图3c)，其阶步同样显示出左行滑动特征；同时在褶皱带南部发育左阶雁列式展布断层(图3d)。该褶皱带在北段CC＇剖面上，受基底断层顺层滑脱控制，地层隆升较高，石门2号断层隐冲于二叠系地层内，发育冲起和反冲构造，中形变层断层作用多未直接断开下志留统滑脱层，上形变层被剥蚀殆尽(图2c)。至南段DD＇剖面，基底断层呈铲形向上逐渐消失，盖层内石门2号断层发生较强的逆冲作用，断层断距增大，底端消失于寒武系底部，上盘形成较紧闭背斜，区内寒武系和志留系滑脱作用较弱，三叠系几乎不起滑脱作用，中、上形变层合并为一个形变层(图2d)。

图3 大焦石坝地区发育的走滑构造现象Fig.3 The strike-slip structural zones occurring at the Dajiaoshiba areaa. D001近乎直立的走滑破裂带；b. D002左行平移断层；c. D003高角度裂缝及水平擦痕；d.白马地区左阶雁列式断层

2) 断层相关褶皱带

断层相关褶皱带中前寒武系滑脱作用减弱，寒武系滑脱作用逐渐增强，构造变形主要受滑脱断层控制，以乌江断层和龙济桥断层为界可细分为焦石坝断滑褶皱带、梓里场断展褶皱带和南川断展褶皱带。

焦石坝断滑褶皱带位于乌江断层以北，石门2号断层与天台场断层之间，前寒武系、寒武系和志留系滑脱层均起滑脱作用，发育明显的“下三层楼构造”，前寒武形变层变形强烈，控制了上部盖层的构造格架，中形变层对下形变层构造特征具有继承性，上变形层剥蚀殆尽。盖层中断层规模较小，仅发生强度较弱的隐冲作用，未突破上下滑脱层，主体构造变形为前寒武基底顺层滑脱断层所形成的箱状褶皱，褶皱形态较完整，背斜核部地层平缓，翼部陡立，在转折部位发育密集的断层(图2b)。在断滑作用过程中，前缘发生反冲，发育西倾的天台场断层，同时箱状背斜东西两侧由于轴面处应力集中，岩石发生破裂，发育相向倾斜的吊水岩断层和石门1号断层，分别形成对冲格局下的向斜构造(图2c)。西南侧构造变形后期受乌江断层改造，上盘发育断展褶皱，与焦石坝背斜以浅凹过渡。

梓里场断展褶皱带位于乌江断层以南，石门2号断层与梓里场断层之间，主体形态为呈北东向展布的紧闭背斜夹开阔向斜。前寒武地层变形较弱，东部由于基底断层呈铲形向上消失的影响，地层褶皱形成较开阔向斜，西侧主控断层—梓里场断层向下切入基底，向上断至三叠系，具典型的坡坪式结构，造成盖层中的断展作用，形成紧闭的梓里场背斜(图2d)。背斜北部变形被乌江断裂构造变形带限制，南端逐渐向下倾伏消失，并使东西两侧向斜连通合并为一个大的开阔向斜(图1a)。区内志留系和三叠系滑脱层滑脱作用较弱，断层密度小，上形变层和中形变层的变形特征受下形变层构造变形控制。

南川断展褶皱带位于龙济桥断层与齐岳山断层之间，构造形态为较紧闭背斜与紧闭向斜相间发育。前寒武系基底断层活动微弱，寒武系和志留系滑脱层作用较强，具有明显的“下三层楼”构造特征，主控断层沿寒武底呈坡坪式滑脱，形成断弯和断展背斜，且均向北逐渐倾伏消亡(图2e)。中形变层与下形变层构造形态较为一致，断层也未突破上下滑脱层，以对冲、背冲和冲起特征为主。东部上形变层几乎被剥蚀殆尽，西部靠近向斜处部分残留。

2.2.3 滑脱褶皱带

滑脱褶皱带位于逆冲推覆的锋外带，受各滑脱层呈阶梯状向上传递位移作用，主要滑脱层已由前寒武系转为寒武系，发生褶皱作用，构成薄皮构造。构造形态为以侏罗系为核部的开阔向斜夹持以三叠系为核部的紧闭背斜。区内寒武系和志留系滑脱作用强，三叠系滑脱作用较弱，各形变层断层发育复杂，其中下形变层受北西向挤压作用，主干断层倾向南东，而中、上形变层形态较为一致，受自西向东的逆冲作用影响，与下形变层脱耦，主干断层和地表褶皱轴面倾向北西。

2.3 分期差异变形特征

通过精细地质填图，大焦石坝地区内观察到3期褶皱，其中以北东向褶皱为主，轴迹在区域上的总体弯曲形态与江南-雪峰造山带相协调，该期褶皱以齐岳山为界，自东向西褶皱轴面由东倾逐渐转为西倾，反映在受北西向挤压应力场作用进行构造扩展时，华蓥山先存断裂对川东上部变形的阻挡限制作用[15]。近南北向构造在大焦石坝地区内也较普遍发育，由不对称紧闭褶皱组成，横跨或衔接在北东向的构造上，形成既联合切割又反接或斜接的复合关系，例如近南北向接龙场背斜切割北东向后坪背斜(图4a)，近三角状的武隆向斜连接在北东向沧沟向斜的末端(图4b)，二者表明北东向构造形成后期叠加发育了近南北向构造。同时，西部近南北向大山场背斜初始隆升时间较晚[15]，其北部同时与北东向黄草峡背斜、北北东向苟家场背斜斜接构成类似“人”型的褶皱(图4c)，其成因与南部金佛山菱形构造相似，为在早期北东向和南北向两组基底断裂控制下，由北西向及其派生出的东西向侧压力同时联合作用的结果[16-17]。北西向构造在大焦石坝地区内发育较少，仅零星可见，主要表现为北西向逆断层和小型褶皱，例如北东向后坪背斜内发育的北西向小型背斜，方斗山背斜、黄草峡背斜两侧小型构造形迹向北西向偏转(图4d)。

褶皱的叠加关系反映了挤压应力场的演化顺序，根据的叠加关系和区域构造背景研究，大焦石坝地区受3期挤压应力场影响。第一期受南东-北西向挤压应力场形成北东向褶皱，为雪峰陆内造山的北西向推挤作用，持续时间较长，一直到早白垩世末；第二期受近东西向挤压应力场形成近南北向褶皱，推测为受先存近南北向断层的影响而使北西向挤压应力派生出近东西向的挤压作用，发生于早白垩世末-晚白垩世初；第三期受北东-南西向挤压应力场形成北西向褶皱，推测为南大巴山弧形褶皱带形成期的应力场向南传递的结果，形成于晚白垩纪初[12-14]。

图4 大焦石坝地区三期叠加褶皱实例Fig.4 Examples of three-stage superimposed folds at the Dajiaoshiba areaa.南北向、北西向小背斜叠加在早期北东向背斜上；b.近三角状的向斜叠加于早期北东向向斜上；c.近南北向背斜与北东向、北北东向背斜斜接形成“人”型的构造；d.南北向背斜、北西向小向斜叠加在早期北东向背斜上

3 南北段差异构造变形规律

由于边界齐岳山断层在大焦石坝地区呈现明显的分段性，整体表现出右阶雁列式特征，同时受控于前寒武系基底滑脱断层的结构差异和近南北向断层改造，导致大焦石坝地区南北段呈现不同的前展式变形规律(图5)。

北段乌江断层以北接龙场—焦石坝一线(图2a—c，图5a)，由于方斗山背斜、石柱向斜和齐岳山背斜的汇聚，前寒武系基底断层延伸较远，导致前寒武地层堆积，断滑作用增强，形成受深部变形控制的焦石坝背斜，构造变形自东向西发育冲断作用—压扭作用—断滑作用—滑脱作用，形成“下两层楼”—“下三层楼”—“上三层楼”构造。其中齐岳山断层以东发生冲断作用，形成高角度压性断层，以西与天台场断层之间前寒武系顺层滑脱产生强烈的褶皱变形，上部地层形成箱状背斜，且背斜东翼后期被近南北向大耳山断层切割改造。天台场断层以西，前寒武系滑脱断层消亡，主要沿寒武系顺层滑脱发育褶皱作用，形成隔挡式褶皱。

图5 大焦石坝地区构造变形分布Fig.5 A map showing the distribution of structural deformation at the Dajiaoshiba areaa.北段构造变形范围；b.中段构造变形范围；c.南段构造变形范围

中段乌江断层以南白马—梓里场一线(图2d，图5b)，由于齐岳山分段性导致构造形变量向前传递，梓里场断层卷入基底，其构造变形自东向西发育冲断作用—压扭作用—断展作用—滑脱作用，形成“下两层楼”—“下三层楼”—“上三层楼”构造。齐岳山断层以东发育高角度基底冲断褶皱，其与石门2号断层之间的岩桥区发育压扭性构造。石门2号断层以西受切入基底的坡坪式断层——梓里场断层的控制，形成紧闭的梓里场断展褶皱。梓里场断层以西则以寒武系为主要滑脱面，仅发生滑脱作用和反冲作用。

南段黄帽岭—南川—龙潭一线(图2e，图5c)，由于前寒武系基底断层越过齐岳山不远，呈平缓的铲型消失，而寒武系滑脱作用强烈，自东向西的构造变形为冲断构造—断弯褶皱—断展褶皱—滑脱褶皱，发育“下两层楼”—“下三层楼”—“上三层楼”构造。齐岳山断层以东冲断作用较强，下古生界出露，其与龙济桥断层之间为逆冲作用，沿寒武系底发育坡坪式断层及断层相关褶皱。龙济桥断层以西，递进变形作用减弱，前寒武滑脱断层消亡，呈台阶状向上传递变为沿寒武系发生顺层滑脱作用。

4 讨论

综上所述，大焦石坝地区构造变形主要受齐岳山断层和基底滑脱断层控制，其分段性则与乌江断层和大耳山断层密切相关。根据区域构造展布特征分析，大焦石坝地区近南北向大耳山和乌江断裂构造变形带的轴向形迹与川东弧形褶皱不一致，同时由于二者剖面特征不同，表明其具有不同的形成机制。

大耳山断层在剖面上表现为逆冲性质，下端沿寒武系底滑脱，恢复其构造形变后，焦石坝背斜构造仍然是一个完整的箱状褶皱，故大耳山断层对焦石坝箱状构造不起控制作用，仅对箱状背斜北部倾伏端有一定的改造作用，这表明大耳山断层的形成时期晚于焦石坝主体构造。同时通过区域地质填图可以发现，大耳山断层为丰都-道真-贵定断裂向北延伸部分[18]，整体形迹与南川-遵义-贵阳构造相协调，二者具有相似的形成机理，为燕山期雪峰造山向西构造扩展过程中，在黔中地区形成近东西向挤压应力场，受黔中隆起阻挡而产生强烈的自东向西逆冲兼左行剪切作用[19]，同时由于右阶走滑的齐岳山断层分段处——岩桥区受推挤隆起形成近南北向调节断层，导致丰都-道真-贵定断裂向北延伸改造焦石坝箱状背斜，从而形成大耳山断裂构造变形带(图6a)。

与大耳山形成机理不同，虽然乌江断层整体走向也为近南北向，但不同段有所变化，表现出由北向南—南东—南的变化过程，最南端消失于石门2号断层之下。剖面上乌江断层呈现“之”形分别滑脱于寒武系和志留系中，发育坡坪式褶皱，断层倾向北东，未卷入基底，不具有走滑断层高角度、上缓下陡、直插基底的典型性质，为横向调节断层晚期受挤压变形的结果[20-22]。乌江断裂构造变形带北侧为断滑作用形成的焦石坝箱状构造，南侧为断展作用形成的梓里场紧闭背斜，由于两侧基底断层的形态不同，在北西向挤压应力作用下的推挤滑脱过程中，其南、北段收缩变形不均一，产生构造变形量的调节形成调节断层。晚期在北西向的挤压与近南北向乌江断层的联合作用下，引起乌江断层东盘遭受近东西方向的挤压作用，从而在乌江断层上盘形成断展褶皱(图6b)。

5 结论

1) 受控于深浅层次四重滑脱作用，大焦石坝地区发育4套构造形变层。其中前寒武系形变层主要发育基底滑脱和冲断作用，控制了上部盖层的构造形变特征，分布于焦石坝—南川及以东地区。下形变层主要发生断层相关褶皱作用以及伴生构造，中形变层构造变形强度稍弱，与下形变层构造变形脱耦，且在齐岳山以东二者合为一个形变层，以冲断变形为主。上形变层主要残存于川东隔挡式褶皱带内，对中形变层形态具有一定的继承性，构造变形弱，仅发育少量反冲断层。

图6 大焦石坝地区近南北向构造形成演化过程Fig.6 The initiation and evolution processes of the nearly SN-trending structure at the Dajiaoshiba areaa.大耳山断裂构造变形带演化过程；b.乌江断裂构造变形带演化过程

2) 大焦石坝地区差异构造变形表现为东西分带、南北分段。自东向西分为冲断褶皱带、逆冲-滑脱褶皱带和滑脱褶皱带，主滑脱层由前寒武系变为寒武系，体现了递进式变形强度自南东向北西减弱的时空迁移规律。同时由于前寒武基底断层结构和齐岳山断层分段发育，大焦石坝地区南北段呈现不同的递进变形规律，其中北段构造变形自东向西发育冲断作用—压扭作用—断滑作用—滑脱作用，中段为冲断作用—压扭作用→断展作用—滑脱作用，南段为冲断作用—断弯作用—断展作用—滑脱作用。

3) 大焦石坝地区近南北向大耳山和乌江断裂构造变形带与川东弧形褶皱成因不同，其中大耳山断裂构造变形带是南北向丰都-道真-贵定构造的向北延伸部分，为雪峰造山向西构造扩展时受黔中隆起阻挡，产生自东向西逆冲兼左行剪切作用改造早期箱状褶皱而成。乌江断裂构造变形带则是由于其南北两侧基底断层形态不同，造成不同段收缩变形不均一，产生变形量的调节而形成的调节断层，晚期又受近东西方向的挤压形成断展褶皱。