川中地区南充构造成因机制探讨

张红波， 李忠权

(1.中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所,无锡 214126；2.成都理工大学自然资源部构造成矿成藏重点实验室,成都 610059)

四川盆地是在上扬子克拉通基础上发展起来的叠合盆地,盆地经历多期构造演化,形成了震旦系到侏罗系等多套烃源岩和优质碳酸盐岩、泥岩盖层组合[1]。其中川中地区油气勘探最早开始于1956年,重点勘探区域主要集中于广安、合川、潼南、八角、南充、磨溪、龙女寺、营山等局部构造或区块,因此对川中局部构造展开研究很有必要。

研究区位于川中低缓褶皱区,主要构造为南充构造,通过研究区地震资料分析,南充构造嘉陵江组五段以下地层变形不大,嘉五段及雷口坡组膏盐层在背斜核部出现加厚现象。根据以上特征,认为南充构造属于滑脱褶皱。近年来,许多学者对南充构造研究区开展了油气成藏评价等方面工作,但对南充构造成因机制研究,一直没有统一的定论[2-3]。现通过区域地质资料、地震资料、钻井资料并结合构造物理模拟实验,探讨分析南充构造成因机制。

1 地质背景

南充构造位于四川盆地川中低缓褶皱区,总体呈北西-南东走向,背斜核部出露中侏罗统上沙溪庙组(J2s),背斜翼部主要出露上侏罗统遂宁组(J3s),两翼倾角大致相等,地表少见断层,表现为宽缓背斜形态,其东邻华蓥山构造带,北邻营山构造(图1),主体面积约800 km2。研究区基底为单层结构的结晶基底[4-6],基底之上的沉积盖层由震旦系至侏罗系组成,受加里东运动影响,研究区志留系及部分中上奥陶统剥蚀严重；泥盆系及石炭系受川中地区隆升作用影响,在本区地层缺失(图2)。沉积盖层中,震旦系至中三叠统属于海相地层,上三叠统至侏罗系为陆相地层。

图1 南充构造平面位置Fig.1 The tectonic setting of the Nanchong Structure

图2 研究区地层简表Fig.2 Stratigraphic sequence of the study area

通过地震资料及钻井资料证实了嘉五段及雷口坡组膏盐层为研究区的主要滑脱层,膏盐岩滑脱层作为塑性岩层存在,对南充构造的形成及演化发展起了很重要的作用。

2 区域地震剖面特征

01剖面北东端位于南大巴山冲断褶皱带前缘的川北前陆盆地(图3[7]),受加里东运动影响,川中地区加里东期古隆起隆升发育,奥陶系及志留系自北东往南西方向逐渐减薄,上二叠统及下三叠统厚度变化不大,沉积稳定。总体上,沉积地层表现为大斜坡状。剖面上嘉陵江组及雷口坡组膏盐层之上发育了一系列倾向南西的逆断层,其向上止于侏罗系中,这表明倾向南西断层形成的主要构造应力方向为南西向。由2D Move反演分析,恢复侏罗系沉积前的剖面形态,这一时期剖面南西端下古生界呈角度较小的斜坡状,至北东端的川北凹陷区,下古生界近水平沉积,上覆下二叠统至上三叠统须家河组表现为近水平沉积,中三叠统雷口坡组往北东方向逐渐减薄,反映出剖面北东端在雷口坡组沉积后受印支运动影响较大,与现今剖面对比,侏罗系沉积前,沉积地层受构造变形影响较小,断层还未发育。02剖面自南西往北东依次经过南充构造、营山构造、大巴山前陆盆地及南大巴山冲断褶皱带,沉积地层呈大斜坡状,从前陆隆起至川北前陆盆地,嘉陵江组及雷口坡组之上为主变形层,滑脱层以下地层总体变形不太强烈,断层自嘉陵江组及雷口坡组滑脱层向上发展,止于中下侏罗统(图3[7])。剖面上南充构造须家河组及侏罗系厚度变化不大,表现为等厚变形,并非“顶部薄、两翼厚”顶薄褶皱形态,认为南充构造形成应晚于侏罗系沉积时期。

图3 区域地震剖面及平面位置分布[7]Fig.3 Regional seismic profile and distribution[7]

区域地震剖面特征分析,沉积地层呈大斜坡状,应为侏罗系沉积后形成,川中前陆隆起至川北前陆盆地嘉陵江组及雷口坡组滑脱层之上形成的一系列倾向南西的断层,与侏罗系沉积后的川中地区隆升作用密切相关。

3 动力学过程分析

根据区域地震剖面特征及区域地质资料分析,认为南充构造总体上经历了两个重要阶段,即燕山晚期的构造成型以及喜马拉雅期的构造定型。

3.1 构造成型期(燕山晚期)

晚中生代时期发生的燕山运动,对中国大陆甚至东亚地区影响深远[8-9]。早白垩世,由于受到西伯利亚板块向南运动远程应力传递及扬子板块继续向华北板块俯冲作用影响,南秦岭造山带向南大规模推覆运动,受此影响,南大巴山开始显著活动[10-11](图4[10])。而在同一时期,位于四川盆地西缘的龙门山冲断带北段构造活动比较平静,中段及南段构造活动相对活跃[12]。雪峰陆内变形构造系统在早白垩世至晚白垩世这一阶段,受古太平洋板块俯冲运动影响,其构造变形依次向西传递。晚白垩世早期(100～90 Ma),华蓥山构造带受雪峰陆内变形构造系统应力传递影响,明显隆升,川东高陡褶皱带开始逐渐成型[13-14]。早白垩世,受南大巴山挤压应力作用影响,大巴山山前盆地萎缩明显,表现为压陷盆地性质,处于川中前陆隆起的南充研究区则相对进一步隆升[15-16]。南大巴山冲断褶皱带的挤压应力,使川中研究区产生相对隆升,根据大巴山前陆构造带磷灰石测年分析,大巴山前陆构造带在早白垩世至晚白垩世(136～70 Ma)一直处于持续隆升阶段[17],受此影响,研究区沉积地层斜坡逐渐形成,滑脱层之上地层沿嘉五段滑脱面产生重力滑脱,构造开始成型(图5)。

图4 大巴山前陆盆地晚侏罗世-早白垩世演化示意图[10]Fig.4 Schematic map of late Jurassic to Early Cretaceous evolution of the Dabashan Foreland Basin[10]

图5 燕山晚期南充构造受力形成方向Fig.5 Direction of the tress field in the Nanchong Structure in the Late Yanshanian Movement

南充构造SN01样品测年显示南充构造研究区经历了两期明显隆升活动,分别为早白垩世至晚白垩世(125～80 Ma)的早期隆升阶段和第三纪时期(20～15 Ma)的快速隆升阶段[18],该测年结果与前述对南充构造成因探讨分析对应吻合。同处于川中前陆隆起的营山构造电子自旋共振(electron spin resonance, ESR)测年表明营山构造受两期构造活动影响,第一期构造活动产生于褶皱伴生的构造张裂缝,其形成于晚白垩世(83.8～68.6 Ma),第二期构造活动发生于第三纪时期(29～12.5 Ma),分析认为营山构造形成于燕山晚期,此后在喜山期改造定型[19]。基于上述分析,南充构造与营山构造同处于川中前陆隆起斜坡位置,须家河组至侏罗系为主要变形层,滑脱层之下地层变形较小,嘉陵江组及雷口坡组滑脱层在褶皱核部加厚,根据地震剖面上出现诸多相似现象,认为这两个构造形成机理相同,考虑到华蓥山构造带明显隆升活动发生在晚白垩世早期(100～90 Ma),南充构造、营山构造形成于晚白垩世中后期,由构造平面展布分析(图3),华蓥山构造带先于南充构造及营山构造开始隆升活动,对后期这两个构造走向延伸存在一定限制作用。

3.2 构造定型期(喜马拉雅期)

进入喜马拉雅运动期后,四川盆地总体呈隆升状态,主要分为两个阶段,即古新世至渐新世的隆升缓慢期(65～25 Ma)及渐新世至现今的隆升速率较快期(25 Ma至今)[20-21]。青藏高原的隆升形成是喜马拉雅运动期的标志事件,自晚白垩世末期(69 Ma)开始,印度板块逐渐向北运动,始新世早期(55 Ma)印度板块向亚洲大陆俯冲汇聚,俯冲碰撞后,印度板块仍以稳定速率向北运动,青藏高原地壳厚度逐渐增大[22-25],四川盆地总体隆升明显,加之南大巴山远程应力传递,南充构造被进一步改造。这一时期,龙门山冲断构造带的构造应力通过龙门山山前坳陷以及龙泉山断裂达到应力释放,因而对南充构造的改造影响较小,而来自四川盆地以东的雪峰山构造带往西传递的挤压应力,最终通过川东高陡褶皱带变形改造以及华蓥山断裂带活动吸收了主要构造应力,加之川中基底刚性强度大,因而对南充构造改造作用较小[5]。最终构造改造定型,形成现今的南充构造。

4 物理模拟实验验证

4.1 实验模型设计

选取40～80目石英砂来模拟强硬岩层,石英砂密度为1 297 kg/m3,内摩擦角约为31°,内摩擦系数约为0.55；选取硅胶作为模拟研究区膏盐滑脱层的对象材料,硅胶密度为926 kg/m3,黏滞系数为8.5×103Pa·s,另外在每层石英砂顶面铺设1～2 mm的彩色石英砂作为标志层，如图6所示。

图6 实验模型结构示意图Fig.6 Schematic diagram of experimental model

根据前述成因机制分析,南充构造在早白垩世受研究区相对隆升影响,滑脱层之上地层沿嘉五段滑脱面产生重力滑脱,在晚白垩世中后期的燕山晚期,构造最终成型。本次实验主要模拟南充构造成型期,选取一条北东-南西向经过南充构造的地震测线作为实验对象剖面,根据研究区相关钻井资料,确定中侏罗统1.59 km,下侏罗统0.4 km,上三叠统须家河组0.6 km,滑脱层加厚后的雷口坡组为0.8 km,嘉陵江组0.9 km,下三叠统飞仙关组0.5 km,二叠系0.58 km,奥陶系0.11 km,寒武系0.7 km。考虑到研究区自晚白垩世以来受四川盆地隆升影响,下白垩统剥蚀严重,普遍出露中上侏罗统[26],在设计实验方案时,按照剥蚀量趋势恢复法,恢复出上侏罗统至下白垩统大致为0.7 km。由剖面特征分析,嘉五段及雷口坡组滑脱层之下地层受构造作用影响较小,总体为弱变形层,据此将滑脱层之下地层整合为一个弱变形层位(即震旦系至嘉四段),滑脱层之上根据反向调节断层向上断开位置,整合划分为两个层位,即上三叠统须家河组至下侏罗统和中侏罗统至下白垩统(图7)。实验选用比例0.75 cm代表1 km,设计模型长为650 mm,层厚为55 mm。自早白垩世开始受相对隆升影响,上覆地层沿嘉五段滑脱面在低倾角斜坡上产生重力滑脱,至晚白垩世中后期南充构造成型,这一阶段地质年代非常漫长,物理模拟实验设置同样倾角的隆升斜坡可能会受到实验静置等待期过长及实验实施条件难以还原实际地质情况等因素限制。综合考虑设定本次构造物理模拟验证实验隆升端的隆升高度为100 mm,隆升速率为0.05 mm/s。

图7 实验对象剖面——A—A′剖面Fig.7 Profile of the experimental object： A—A′ section

4.2 实验结果分析

按照模拟实验设计方案将硅胶及石英砂铺好后,启动模拟实验隆升装置,右侧底板在实验隆升装置带动下,以0.05 mm/s的速率缓慢抬升,抬升至模拟实验设定高度,此后进入静置等待期,实验静置47 h后,平面上后缘拉张开始扩大,右侧斜坡位置褶皱构造雏形逐渐形成。物理模拟验证实验静置54 h后,隆升模拟实验平面上后缘拉张不断向斜坡中间位置扩大延伸,在平面右侧斜坡位置出现了明显的褶皱构造形态(图8)。至此,本次隆升构造物理模拟验证实验阶段结束。之后对模拟实验模型进行浇水铸模,待石英砂成型后,进行实验切片处理。

图8 构造物理模拟隆升实验过程Fig.8 Tectonophysical modeling of uplifting

实验切片结果显示:①硅胶层在褶皱构造核部均出现加厚现象；②硅胶层之上的白色石英砂层主要表现为等厚变形；③硅胶层之下的白色石英砂层受构造变形影响较小,未发生大的构造变形；④关于断层倾向表现为北东向断层与褶皱构造形成的先后顺序,根据实验过程及结果分析,在隆升作用下,硅胶层之上的石英砂层沿滑脱面重力滑脱,发生等厚变形,硅胶层在构造核部聚集加厚,此后构造应力继续集中传递,向着硅胶层之上的白色石英砂层产生断层突破,以此调节构造变形位移量。因而倾向北东的反向调节断层其在构造变形过程中出现并不是必然的,而是与构造应力传递强度有关。

根据实验切片分析(图9),切片2、切片4、切片5及切片6均出现了倾向北东的调节断层,而切片1、切片3和切片7未出现调节断层,切片1至切片4发育两翼陡、转折端平直的箱状背斜,切片5为南西翼陡、北东相对平缓的背斜。而与本次对象剖面南充构造形态最为接近为切片6和切片7。切片6褶皱形态为两翼倾角大致相等的宽缓背斜,硅胶层在背斜核部加厚,主要构造变形层位在硅胶层之上,硅胶层之下为弱变形层,随着背斜形态继续发育,构造应力传递往硅胶层之上突破,形成倾向北东的调节断层,与实验对象剖面南充构造形态最为相似(图10)。而切片7可以看作是切片6背斜发育过程中构造应力传递未向硅胶层之上突破发展的形态,也是与南充构造形态较为相似的实验切片,主要特征为硅胶层在褶皱核部加厚,硅胶层以下的地层受构造变形影响较小,硅胶层之上为主要变形层,表现为等厚变形,背斜两翼倾角平缓、大致相等,尚未发育调节断层。

图9 构造物理模拟隆升实验切片Fig.9 Experimental section of the uplift by tectonophysical modeling

图10 构造物理模拟隆升实验结果对比Fig.10 Comparison of uplift experimental results of tectonophysical modeling

模拟实验验证了南充构造形成的主要应力来源于隆升应力的可能性。早白垩世,受南大巴山逆冲冲断作用的影响,大巴山前陆盆地进一步压陷萎缩,往下沉降,川中研究区相对隆升,地层大斜坡逐渐形成,在隆升作用下,滑脱层之上地层沿嘉五段滑脱面产生重力滑脱,发生等厚变形,南充构造正是在此构造背景下开始成型。

5 结 论

基于区域地质资料、地震资料、钻井资料及构造物理模拟实验对南充构造成因机制进行分析,得出以下结论。

(1)通过对南充构造成因机制进行研究,认为南充构造形成于燕山晚期,在喜马拉雅期改造定型。

(2)由构造物理模拟实验结果分析,验证了南充构造在隆升应力作用下形成成型的可能性。