川西北前陆扩展砂箱物理模拟及其深层晚期扩展变形特征

罗 强，何 宇，黄家强，张 静，梁 霄，于 豪，杨荣军，邓 宾

(1.成都理工大学“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室，成都 610059；2.中国石油 塔里木油田分公司，新疆 库尔勒 841000；3.中国石油勘探开发研究院 四川盆地研究中心，成都 610094)

基于几何学—运动学相似性和“实验—实例”互证过程的砂箱构造物理模型模拟，能够最大限度地再现自然界地质结构中潜在的复杂性和不确定性，尤其是多边界条件的物理模型，如：结构机制层模型、应力—应变叠加模型和同构造剥蚀—沉积模型等[1-2]。砂箱构造物理模型模拟和断层相关褶皱端元模型等方法相结合，已广泛地应用于冲断褶皱带—前陆盆地系统等结构—构造特征研究，它们能够有效解释自然界冲断带—前陆盆地系统浅表构造变形过程及其相关含油气系统过程[3-5]。

扬子板块西缘晚三叠世以来形成的龙门山造山带—川西前陆盆地系统既是中国大陆西部中—新生代冲断构造和陆内前陆盆地的典型代表，又是四川盆地天然气勘探最重要的区块之一。前陆盆地形成演化是四川盆地油气基础地质研究的重要内容[6-9]，从造山带向前陆盆地的前展式扩展变形特征与川西油气聚集有紧密联系[10]。但限于地层埋深大、钻探难等复杂条件，川西油气勘探成果主要集中于上三叠统须家河组和侏罗系等几套浅层陆相储集体中，如：中坝气田和平落坝气田。前陆盆地陆相地层天然气探明储量超过1.0×1012m3 [11]，近年川西北双鱼石地区深层下二叠统栖霞组(完钻7口井、获工业气井5口、平均单井测试产量56.67×104m3/d)和泥盆系观雾山组的突破[12]，揭示川西北段深层海相层系巨大的油气勘探潜力。但当前川西北段油气勘探仍存在诸多问题，如：多相态的油气显示特征与构造分带性、多期构造演化与油气保存条件、复杂构造与圈闭落实等。

因此，本文基于构造物理模型模拟手段，以川西北段造山带—前陆盆地系统为研究目标，模拟川西前陆盆地山前带隐伏带构造形成演化过程，为川西北山前带双鱼石地区古生界层系含油气构造模型解释及其油气成藏过程研究提供模型参考。

1 川西北段区域地质特征

晚三叠世松潘—甘孜褶皱带SE向逆冲推覆与川西前陆盆地形成了龙门山造山带—川西前陆盆地系统，导致龙门山冲断带自北西向南东发育4条主干断裂：茂县—汶川断裂、北川—映秀断裂、安县—灌县断裂和广元—大邑(隐伏)断裂。通常以北川—映秀断裂为界将龙门山冲断带划分为龙门山后山带和前山带，将安县—灌县—马角坝断裂和广元—大邑(隐伏)断裂之间称为前陆扩展变形带或山前带。龙门山—川西前陆系统沿主干断裂倾向由北西向南东具明显构造变形层次渐浅、变形强度减弱、卷入层位变新的趋势，总体上呈从冲断带到前陆方向的扩展分带性特征；走向上基底性质及展布、地层发育和活动构造等具差异性走向分带性特征[13-15]。川西北段通常指川西北川—安县一带以北至广元地区的龙门山—川西前陆盆地系统的北段(图1)。

图1 川西北地区地质概况Fig.1 Geological map of northwestern Sichuan Basin

川西北段通常由凉水—南坝断裂和马角坝断裂分为以具浅变质特征的志留系—元古代层系后山带(常简称为轿子顶推覆体)和以古生界碳酸盐岩层系为主的前山带(常简称为唐王寨推覆体)。川西北段山前隐伏断层常被上覆侏罗系红层覆盖而断续出露，分割前陆扩展变形带(山前带)和前陆盆地；前者为寒武系—三叠系组成、发育强烈断裂和褶皱体系，明显区别于前陆盆地地区的近水平展布的侏罗系—白垩系陆相红层。受控于龙门山—川西前陆盆地系统晚三叠世和新生代两期NW向SE扩展变形过程[16-17]，在山前带—前陆盆地区形成沿NE—SW走向展布的冲断褶皱构造，如：矿山梁、天井山、青林口、中坝和双鱼石等构造。由于前陆冲断带多期活动性，沿山前带不同层系出露沥青(如：矿山梁、碾子坝等下寒武统和天井山泥盆系黑色沥青)、液态油(如：天井山泥盆系、青林口侏罗系等油砂)和浅层凝析油—稠油(如：长江沟飞仙关组原油、厚坝侏罗系稠油)等。

川西前陆北段乃至大部分四川盆地区，受加里东期构造运动相关剥蚀作用导致区域泥盆系、石炭系和志留系总体上大量缺失，其余古生界—中生界层系在本地区出露较全，尤其是近期基于盆缘地表—盆内地球物理资料联合研究揭示出的川西早古生界拉张槽及其相关下寒武统巨厚深水沉积成因的筇竹寺组黑色泥岩层系[18]。早—中三叠世受控于碳酸盐岩台地相沉积，川西地区沉积了巨厚的泥岩—膏盐层系(即飞仙关组泥岩、嘉陵江—雷口坡组膏盐层系)；随后川西前陆盆地进入陆相前陆盆地演化阶段。受控于上述2套滑脱层系和冲断带前展式扩展变形过程，川西前陆盆地发育复杂构造样式，如：隐伏堆垛背斜构造/叠置背斜、叠瓦状冲断、断层转折/传播褶皱和双重构造等，且存在深、浅部滑脱分割形成的不同构造样式。川西北双鱼石地区三维地震资料解释，揭示出本地区具巨厚下寒武统筇竹寺组黑色页岩层系和中—下三叠统膏盐滑脱层系，构造样式上具有典型的前展式冲断构造与冲起构造样式，尤其古生界层系发育典型的反向冲断层，它们与前展式冲断层局部构成断层三角带等。

2 砂箱物理模拟模型设置

砂箱物理模型基于相似性原理模拟冲断褶皱带—前陆盆地系统浅表构造变形作用过程，即它们普遍被认为遵循Mohr-Coulomb破裂准则[19-21]。因此实验中采用石英砂建模，它们普遍具有中等磨圆、较好分选性，平均粒度和密度分别为0.2～0.4 mm和1.55 g/cm3，内摩擦角和摩擦系数分别为29°～31° 和0.58[22-23]，且石英砂普遍具有近似线性的库伦—摩尔破裂变形行为和近似为零的内聚力值(20～100 Pa)，能够有效模拟0～10 km浅表地壳构造变形过程[24-26]。实验过程中，分别使用玻璃珠和硅胶代表自然界泥岩(下寒武统筇竹寺组泥岩、下志留统龙马溪组泥页岩)和膏盐滑脱层系(中—下三叠统膏盐层系)[27]。为了获得合理的实验模拟结果，需要遵循实验室模型和自然界实际构造模型几何学、运动学和动力学的相似性[2, 24]。因此，需结合川西前陆地区实际地层展布特征和区域结构—构造特征设计具体物理模型垂向物质比例系数和结构边界条件(图2)。

本次共设计2组川西北段砂箱物理模型模拟实验，即(1)实际地层比例模型标准实验和(2)断坪—断坡结构模拟实验。地层比例模型实验为标准化实验基础，以川西北双鱼石地区平均地层厚度结构为几何学标准，采用的几何学比例系数为5×10-6，即砂箱模型中1 cm代表自然界中2 km厚度，模型底部、中部和上部分别加入1～2 mm、2～3 mm、3～4 mm和2～3 mm玻璃珠或硅胶代替垂向地层中滑脱层系。断坪—断坡结构模型实验中与标准化实验仅2个边界条件不同，(1)基底加入4～5 mm厚度玻璃珠代替现今下寒武统牛蹄塘组页岩层系和(2)基底厚度4～5 mm的树脂面板代替现今下寒武统底部上超界面“陡坡带”(为基底滑脱变形的应变集中带)，断坡角为国际常用的45°[28-29]。实验都在成都理工大学“油气藏地质与开发工程”国家重点实验室构造物理模拟实验室开展。均质石英砂物质通过匀速筛网自动铺设并分步骤间序加入玻璃珠和硅胶，形成长宽高为850 mm×345 mm×39 mm砂体，且石英砂中铺设约1 mm厚彩色石英砂作为标志层以便于构造变形过程监测和量化对比等(图2)。为减小砂箱物理模型中石英砂均质体周围玻璃隔板的边界效应，铺设石英砂前使用有机去泡剂润滑模型周围玻璃隔板。

重力条件下应变比例系数能够通过物理模型与自然界模型比例系数来表达，应变比例系数σ*=ρ*L*g*, 其中ρ*、L*、g*分别为物理模型和自然模型的密度、长度和重力加速度间比例系数，因此计算得到，σ*=6.6×10-6。若自然界岩石剪切强度为5～20 MPa，物理模型内聚力强度约为20～100 Pa，它们普遍适用于正常重力条件下比例砂箱物理模型。本次实验模型中采用挤压速率为0.003 mm/s，代表自然界中大致缩短速率为7.1 km/Myr，进行模型模拟对比实验。

表1 砂箱物理模型模拟实验比例系数特征Table 1 Scale coefficient for sandbox physical model of simulation experiments

系数。表中部分参数来源于文献[23]，计算公式参考文献[4]。

图2 川西北段砂箱物理模型边界条件示意Fig.2 Boundary conditions for sandbox model of northwestern Sichuan Basin

每组砂箱物理模型实验中，通过砂箱装置左侧活动挡板恒定速率挤压砂箱物质产生缩短变形。挤压缩短变形过程中，使用同步数码相机每间隔1.0 mm 缩短量记录物质变形过程，挤压缩短完成后使用图像编辑软件每间隔5 mm缩短量量化测量楔形体几何参数并进行对比研究，如：楔高、楔长、楔顶角等。

3 砂箱物理模型模拟结果

3.1 川西北段地层比例模型标准实验结果

伴随持续挤压缩短过程，砂箱物质变形过程可以分为2个典型阶段，即前展式扩展变形阶段和双重构造扩展变形阶段。前展式扩展变形阶段中，楔形体后缘挤压缩短导致砂箱物质浅部和深部发生一致的构造变形，以从冲断带到前陆盆地的冲断扩展变形过程为主；楔形体楔高和楔长伴随砂箱物质前缘新生断层形成而快速生长，且楔长具有与新生断层形成相一致的跃迁性和阶段性(图4)，每当新生断层形成后楔长伴随挤压缩短具有逐渐减小的特征，与砂箱物质明显的平行层挤压缩短变形特征相一致，如：当缩短量为40 mm时形成新生T2逆断层、楔长从75 mm快速生长至95 mm，随后挤压缩短过程中楔长逐渐减小至约80mm(对应缩短量约为65mm时)。双重构造扩展变形阶段中，伴随挤压缩短砂箱物质首先沿浅部滑脱层系发生前展式逆冲与扩展变形，形成浅部滑脱逆冲断层，随后发生深部逆冲断层及其相关断坪—断坡结构，形成典型的双重构造。由于砂箱物质浅部和深部先后分别发生前展式扩展过程，虽然本阶段楔形体楔长生长仍然与浅部滑脱逆冲断层新生具有一致性，呈现出阶段性生长过程，但其楔形体高度生长速率明显较早期阶段缓慢(图4)。

图3 川西北段地层比例标准(a)和断坪—断坡结构(b)模型实验演化及其解释①-⑨.挤压缩短量逐渐增加导致造山带楔形体物质序次变形过程，⑨.模型挤压结果构造解释图。图中冲断层及其相关褶皱结构按照形成演化序列标注，等.浅部滑脱层系逆冲断层，等.深部前展式逆断层，深部反冲断层Fig.3 Evolution and interpretation of standard scaled (a)and the pre-existingramp-flat structure(b)experiment of northwestern Sichuan Basin

图4 川西北段砂箱物理模型模拟楔形体几何学特征Fig.4 Geometric features of wedges in sandbox analogue experiments of northwestern Sichuan Basin

3.2 川西北段断坪—断坡结构模型模拟结果

与标准实验模型模拟结果相似，断坪—断坡结构模型中楔形体高度生长大致也分为早期快速生长阶段和晚期缓慢生长阶段，同时楔形体长度(即楔长)伴随楔形体前缘新生逆冲断层形成呈现出阶段性跃迁生长特征(图4)。至最终挤压缩短量为300 mm时，标准模型和断坪—断坡结构模型楔长、楔形体高度和楔顶角等特征总体一致，揭示出断坪—断坡结构虽然导致砂箱物质深部变形过程与构造特征存在重要差别，但对楔形体浅表几何学特征作用不明显。

4 川西北前陆冲断构造特征及其物理模拟意义

4.1 分层式扩展变形过程及其双重构造特征

冲断褶皱带挤压变形过程中通常形成3种典型的扩展变形过程模式(图5)，即“背驮式”扩展变形模式(或前展式扩展变形模式)、后陆式扩展变形模式和介于二者之间的无序冲断扩展变形模式[30]，常形成典型的叠瓦状冲断岩片。前展式扩展变形模式强调受造山带向盆地方向挤压变形作用控制，新生断层常发育于早期断层下盘，成“背驮式”依次向前陆盆地冲断扩展，导致前陆盆地方向断层形成活动年龄变新。后陆式扩展变形模式则与前者相反，强调新生断层通常在早期断层的上盘形成，逐渐向后陆地区冲断扩展、导致往盆地方向断层年龄变老，常常发育在以重力扩展成因为主的构造变形地区[31]，它通常会导致基底主滑脱层及其前缘层系构造变形停止；而无序冲断扩展变形过程则介于上述两种端元之间，没有明显的扩展变形活动序列过程。

图5 冲断褶皱带典型扩展生长变形过程模式Fig.5 Typical propagation process of fold and thrust belt

川西前陆盆地构造物理模型中(即标准实验模型和断坪—断坡结构模型中)，伴随楔形体后缘持续挤压缩短过程，前展式扩展变形过程分别发生在基底滑脱层系和浅部滑脱层系，从而体现出分层式扩展冲断变形特征。在楔形体挤压生长后期(临界楔后期)通常率先发生浅部滑脱层系的前展式滑脱扩展冲断变形(形成浅部叠瓦状冲断结构)，随后再发生深部层系的前展式滑脱扩展冲断变形(图5d)，从而在冲断层前缘深部(如：山前隐伏断层带地区等)形成典型的双重构造，其前缘断层普遍存在多期活动特征，而明显区别于上述3种扩展变形模式及其相关叠瓦状冲断带特征。结合川西北地区地震剖面结构解析，也揭示出前陆盆地山前隐伏带深层区域存在广泛的双重构造，如：矿山梁双重构造、天井山双重构造等[9, 17, 32]，其顶底板逆冲断层应分别沿中—下三叠统膏盐层系和下寒武统筇竹寺组泥岩层系滑脱。BONINI 通过多滑脱层系构造物理模型模拟，强调受控于基底、上部滑脱层系和砂箱物质间强度比及其厚度[33-34]，通常会形成(1)从冲断带到前陆盆地扩展传播的双重构造和(2)被动顶板冲断双重构造样式，而前陆盆地区同构造沉积作用也进一步加剧形成被动顶板双重构造的趋势。与之相似，NILFOUROUSHAN等[35]通过双层滑脱属性数字模型模拟实验中也得到相似的分层式扩展变形演化过程及其相关双重构造，但他更强调物质材料本身属性(即内聚力大小)对于多层滑脱模型与变形过程的控制作用。

分层式前陆扩展变形模式及其形成演化过程也表明砂箱物质和自然界实例中垂向空间格架上可能存在构造变形强度、变形样式和缩短变形量等差异。如：标准模型试验中缩短量为300 mm时其深部简单的双重构造与上覆层系滑脱冲断变形(图3a的⑨)，断坪—断坡构造模型中缩短量为205 mm时，深部简单冲起构造与上覆层系滑脱冲断变形(图3b的⑦)等。垂向空间变形特征差异性主要受控于浅部滑脱层系的顺层滑脱作用，从而导致山前带深部层系构造变形明显弱于浅部强构造变形，因此具有更加有利的油气保存条件。

4.2 川西北构造带新生代扩展变形构造特征

分层式前陆扩展变形演化过程强调冲断褶皱带—前陆盆地中浅部滑脱冲断变形过程明显早于深部逆冲断层构造变形活动过程，冲断带后缘持续挤压过程导致深部层系发生前展式冲断扩展变形，形成典型深部断坡结构，最终连接顺滑脱层的断坪和浅部断坡结构，形成典型的双重构造；导致冲断带系统持续向前陆盆地扩展变形生长，其砂箱物质深部层系构造样式通常为楔形体前展式扩展最晚期构造变形过程中形成。晚三叠世以来，龙门山造山带—川西前陆盆地系统在印支期、燕山期和新生代喜玛拉雅期持续发生多期挤压构造变形，导致冲断带持续由NW向SE扩展变形[7, 14, 36]。因此，川西前陆地区山前隐伏带中—下三叠统滑脱层之下的古生界层系构造样式应为龙门山冲断带晚期前展式扩展变形过程中形成，结合龙门山地区新生代显著的构造缩短特征和现今强烈的地震活动等[37]，我们认为川西北双鱼石构造带深层古生界结构样式及其相关变形为晚期新生代构造成因。

标准实验模型和断坪—断坡结构模型实验对比，揭示出后者深部砂箱物质受控于基底滑脱层和断坡结构的反向作用过程，从而形成典型的深部冲起构造和相关冲断层等(图3b)。DENG 等[23]通过砂箱物理模型模拟，揭示出低速挤压缩短变形过程及其相关典型的对称性冲起构造特征。同时NILFOUROUSHAN 等[35]也强调深部冲起结构带发育的位置及其规模受控于浅部滑脱层系与下伏层系间的脱耦作用，伴随砂箱物质属性内聚力减小，深部层系更加容易形成冲起构造带。川西前陆盆地早寒武世受控于兴凯地裂运动，沉积了巨厚的下寒武统筇竹寺组泥岩层系，它既是川西地区最优质的烃源岩之一，又是典型基底滑脱层系[18]。受控于龙门山冲断带向前陆盆地扩展变形过程，沿基底滑脱层系发生晚期滑脱扩展变形过程，滑脱层系越厚、滑脱扩展变形作用越强，其上覆地层卷入变形形成冲起构造规模影响越显著。对川西北前陆区的地震测线构造解释，揭示出在下伏包含巨厚筇竹寺组泥岩层系的区域普遍发育典型的冲起构造(图6)，且部分冲起构造主断层滑脱归并于下伏基底滑脱面，它们充分表明区域晚期扩展变形作用的重要性。值得一提的是，川西北双鱼石构造冲断前缘深部隐伏了绵阳—长宁拉张槽的东部边界，现今的构造解释表明，拉张槽边界(几何形态可充当基底断坡)对上覆地层中—新生代以来的前展式扩展变形有重要控制作用，主要体现在断坡位置附近发育由NW向前展式逆冲断层和SE向反冲断层构成的冲起构造和构造三角带，不同于两侧仅发育单向的逆冲断层，钻获高产工业气流的ST1井和ST3井均钻于该区构造高点(图6)。

4.3 山前带古生界深层油气勘探潜力

图6 川西北前陆区地震测线及其深部冲起结构构造解释对比测线位置见图1。Fig.6 Seismic lines of the foreland zone in northwestern Sichuan Basin and the interpretation of their thrust and pop-up structures

受龙门山造山带新生代扩展变形作用控制，川西北前陆盆地区古生界层系主体构造形成期较晚，同时其上覆中—下三叠统膏盐层系作为盆地区域盖层具较好封盖保存条件。因此，川西北前陆区深层古生界圈闭成藏的关键是能否有效捕获和聚集油气。由于川西地区生油气层较多，如：陡山沱组黑色泥岩、筇竹寺组黑色泥岩等，我们认为川西前陆区晚期形成的原地构造系统具有较佳的油气勘探前景；尤其是古生界层系中发育大量构造圈闭，部分断层能够垂向沟通多个有效烃源岩层，具有形成大中型油气聚集带的天然优势条件。目前川西北双鱼石地区下二叠统栖霞组多口探井平均测试产量高达56.67×104m3/d，初步展示了川西前陆区原地系统古生界层系的良好勘探前景。

5 结论

(1)龙门山冲断带—川西前陆盆地系统砂箱构造物理模型模拟揭示，伴随持续挤压缩短过程砂箱物质变形可以大致分为前展式扩展变形阶段和双重构造扩展变形两阶段。早期阶段以砂箱物质浅部和深部发生一致的前展式冲断扩展变形为主；晚期双重构造扩展变形阶段，首先沿浅部滑脱层系发生前展式扩展变形与逆冲变形，形成浅部叠瓦状滑脱逆冲断层，随后再发生深部逆冲断层并发育相关断坪—断坡结构，最终形成深部隐伏双重构造，整体上表现为分层式扩展变形特征。

(2)分层式扩展变形模式揭示出龙门山川西前陆区原地系统隐伏构造晚期新生代构造扩展变形成因机制及其相对较弱的构造变形特征。深部物质受控于基底滑脱和断坪—断坡结构形成前陆盆地深部古生界层系冲起构造和构造三角带，它们构成了川西北深层古生界最有利的油气圈闭，是目前川西北深层勘探的潜力区。