四川盆地南部构造变形特征及其与页岩气保存条件的关系

2021-06-13郭卫星唐建明欧阳嘉穗

天然气工业 2021年5期

郭卫星唐建明欧阳嘉穗王同王信王岩

1.中国石化西南油气分公司勘探开发研究院 2.中国石化西南油气分公司

0 引言

四川盆地南部（以下简称川南地区）下志留统龙马溪组页岩气资源丰富，优质页岩储层分布相对稳定（厚度介于30～50 m），是目前我国页岩气勘探开发的主要层系。龙马溪组页岩气的勘探主要集中在齐岳山和大娄山的山前带和盆内永川至南川附近的隔档式褶皱，在构造相对宽缓的地区（涪陵、威远、长宁双河和太阳—大寨等）已探明若干页岩气田，而埋深较大的赤水与威远地区南部则是今后的勘探方向。川南地区构造受江南雪峰造山作用向北西方向递进扩展的影响[1]，从齐岳山向盆内由厚皮构造过渡为薄皮构造[2]，发育多种构造样式[3]，盆山过渡带可细分为冲断带、褶皱带和斜坡带等构造单元[4]；中—下寒武统与中—下三叠统膏盐岩、下志留统与下寒武统泥页岩等塑性地层[5-6]对构造样式具有控制作用，受寒武系膏盐岩影响在盐上、盐间与盐下发育多种构造样式[7]。复杂多变的构造条件是影响该地区页岩气勘探开发效果的重要因素之一。其中保存条件影响着页岩气的富集程度，其主控因素为构造作用，包括断层、裂缝、构造样式与变形强度等，另外也与顶底板岩性与厚度、埋深和与露头区距离等有关[3-4,8-12]。但是，关于川南地区由盆缘到盆内差异构造变形对页岩气保存条件的影响目前尚欠缺系统性研究。

为此，笔者根据川南地区的地震、露头和钻井等资料，对该区构造特征进行了系统解析，划分了3个构造带，分析了其构造变形特征；利用平衡剖面，揭示了不同类型构造的演化过程，明确了构造形成的关键时期，探讨了构造形成的主控因素；进而根据构造特征的差异，明确了各类构造作用与龙马溪组页岩气保存条件之间的关系，以期有助于厘清该区页岩气勘探的方向和目标。

1 构造变形特征

川南地区构造复杂多样，包含盆缘的山前带构造、盆内的隔档式褶皱和华蓥山以西的宽缓褶皱等；经历了古生代至新生代多期构造运动。笔者本次研究区范围为齐岳山和大娄山的山前带向北至涪陵、向西至威远的广大区域（图1）。

图1 川南地区构造纲要图

研究区地层主要为古生界和中生界（缺失泥盆系和石炭系），总厚度超过10 km。地层的力学性质及岩性组合直接影响构造样式及构造组合。前人研究结果表明川南及其周缘地区存在多套膏盐岩和泥岩，并起到滑脱层和油气盖层的作用[5-6]。笔者结合地震资料反映的变形特征研究认为：存在3套滑脱层对川南地区构造变形有明显控制作用，即中—下寒武统（1-2）膏盐岩、下志留统龙马溪组（S1l）泥页岩和下三叠统嘉陵江组（T1j）膏盐岩。

研究区构造样式丰富，且构造变形强度不一，构造走向主要有NE—SW向、S—N向和E—W向。盆缘的齐岳山、大娄山逆冲推覆强烈；盆内重庆、赤水地区构造走向多变，但总体具有背斜紧闭、向斜宽缓的“隔档式褶皱”特征；华蓥山以西具有低缓构造特征。根据构造变形的差异，川南地区可划分为基底逆冲构造带（齐岳山、大娄山的山前带）、盖层滑脱构造带（齐岳山、大娄山和华蓥山之间的区域）和基底升降构造带（华蓥山南段的以西区域）（图1、2）。

图2 川南地区区域构造地震剖面图

1.1 基底逆冲构造带

基底逆冲构造带以“基底逆冲”为特征，构造作用包括造山带的水平挤压和垂向隆升。齐岳山作为中—上扬子的传统分界线，是基底卷入的隔槽式褶皱（齐岳山以东）和盖层滑脱的隔档式褶皱（齐岳山以西）的转换部位。齐岳山与大娄山的逆冲作用使三叠系及更老的地层逆冲至地表，在山前可形成宽缓的背斜（如焦石坝、丁山和长宁双河）、紧闭的断背斜（如林滩场）或单斜（如良村、古蔺）（图1）。

基底逆冲构造带具有“双滑脱层、基底逆冲断层”的剖面结构特征（图2-a、3）。龙马溪组泥页岩滑脱作用较弱，规模稍大的断层可断穿该层。以中—下寒武统膏盐岩和下三叠统（嘉陵江组）膏盐岩为界，垂向上可分为3个变形层。基底断层冲断作用强烈时，断层向上突破寒武系膏盐岩层和龙马溪组泥页岩等塑性地层，最后沿嘉陵江组膏盐岩滑脱，且断层断距向上逐渐变小；基底断层冲断作用较弱时，断层向上沿中—下寒武统膏盐岩滑脱。

丁山构造为宽缓的等轴背斜（图2-a右），冲断作用较弱，剖面中3条基底断层向上均在中—下寒武统膏盐岩滑脱；志留系断层欠发育，仅有少量断层向上在龙马溪组内部滑脱。林滩场构造断背斜特征明显（图3-a），冲断作用较强，剖面中基底发育5条断层，其中规模较大的2条断层（背斜的主控断层）向上断穿多套地层，最终在嘉陵江组膏盐岩滑脱；共解释断层9条，其中4条断层向上在中—下寒武统膏盐岩滑脱，3条断层在嘉陵江组膏盐岩滑脱，2条小断层在龙马溪组泥页岩滑脱。良村构造总体为单斜（图3-b），可划分陡斜坡与缓斜坡，剖面中发育2个三角楔，①由基底断至嘉陵江组膏盐岩的浅层三角楔，形成邻近齐岳山的陡斜坡；②由基底断至中—下寒武统膏盐岩的深层三角楔，形成邻近盆内的缓斜坡。

图3 川南地区盆缘构造地震剖面图

1.2 盖层滑脱构造带

盖层滑脱构造带中背斜相对紧闭、向斜宽缓（隔档式褶皱）；以“沉积盖层滑脱、变形基底稳定”为特征，构造作用为来自造山带的水平挤压作用。由于不同时期水平挤压应力方向的变化，形成了多组走向的构造，主要为NE—SW向、S—N向和E—W向（图1）。永川及周边地区主要发育NE—SW向构造；重庆南和赤水北以S—N向构造为主；赤水以E—W向构造为主，同时叠加了S—N向构造。受大娄山与齐岳山山前坳陷沉降作用的影响，沉积盖层向南变厚；相应地，地表出露地层由永川和重庆地区背斜处的三叠系、向斜处的侏罗系，向南过渡为侏罗系，再往南至赤水地区以白垩系为主。

盖层滑脱构造带具有“三滑脱层、坡坪式断层”的剖面结构特征（图2-a、4）。以中—下寒武统膏盐岩、龙马溪组泥页岩和嘉陵江组膏盐岩为界，垂向上可分为上、中、下3个变形层和相对稳定的变形基底（图4）。由于构造作用主要为水平挤压（来自基底的垂向作用较弱，背斜处基底的低幅度隆起，可能是受老地层地震波速度较快，引起地层上拉而造成的假象），收缩变形时，断层易沿滑脱层顺层滑脱；不同变形层之间断层不直接连通，下部地层的变形常会引起上部地层产生相似的变形。

图4 川南地区盆内构造地震剖面图

源自中—下寒武统膏盐岩的断层，向上断穿上寒武统与奥陶系后，若沿龙马溪组底部滑脱，则形成的断层上部和下部倾角较小、中部倾角较大，即“坡坪式断层”；若断穿部分龙马溪组并尖灭，则形成的断层上部倾角大、下部倾角小，即“铲式断层”。这两类断层分别形成断弯褶皱（主要为永川周边）和断展褶皱（主要为赤水地区）（图4）。当两条断层背向逆冲或相向逆冲，形成冲起构造和逆冲三角带（图4-a）；当两条及以上断层同向逆冲，形成叠瓦构造（图4-b）。

1.3 基底升降构造带

基底升降构造带远离盆缘构造活跃带，水平方向构造作用较弱；以“基底缓慢升降”为特征，构造作用主要为川中基底的相对隆升。威远—荣县以北，基底隆升明显，三叠系、侏罗系出露地表（乐山—龙女寺古隆起）；威远—荣县以南，总体呈大型向斜（自流井向斜），侏罗系、白垩系出露地表（图1）。

基底升降构造带具有“深层伸展、浅层挤压”的剖面结构特征，图2-b为基底隆起形成的斜坡剖面图，整体为宽缓的背斜与向斜。深层的志留系与二叠系呈不整合接触，剖面上可见志留系的削蚀与二叠系的超覆，不整合面之下发育小型正断层。浅层的三叠系与侏罗系具有弱挤压变形特征，在基底隆起形成的背斜顶部发育小型的逆冲断层。

2 构造形成与演化

川南地区覆盖范围广，区内发育多个走向的构造，构造的形成与演化可以划分4个关键阶段。①志留纪末的加里东运动（广西运动）[13-14]引起区内志留系的部分剥蚀和泥盆系与石炭系的缺失，基底升降构造带内由于基底不均匀的隆升，形成二叠系与志留系之间的不整合（图2）。②晚侏罗世至早白垩世，雪峰山向北西方向的挤压，引起湘鄂西至川东的递进变形[1,15]，基底逆冲构造带和盖层滑脱构造带内NE—SW向的构造开始发育。③晚白垩世，大娄山及其北部的赤水和宜宾等地区褶皱隆升明显[16-17]，在大娄山向北挤压作用下，赤水地区近E—W向构造开始发育。④新生代伴随印—亚板块碰撞和青藏高原向东扩展，在近E—W向区域挤压作用下，赤水地区及其北部形成近S—N向构造（图1）。

基底逆冲构造带的逆冲挤压作用通过寒武系滑脱层向盆内传递，引起盖层滑脱构造带的褶皱变形。因此，两者可以作为一个整体进行分析，平衡剖面（图5、6）分析表明其构造演化具有3个特点：①基底逆冲构造带内寒武系滑脱层之下地层收缩量大于之上地层收缩量，不平衡的收缩量通过寒武系滑脱层向盆内传递，因此盖层滑脱构造带内寒武系滑脱层之下地层收缩量小于之上地层收缩量（表1）；②寒武系滑脱层之上地层收缩量基本一致（图6），志留系与三叠系滑脱层仅为垂向变形的分界面，较少从盆缘向盆内传递变形（图5剖面的三叠系滑脱层之上与之下收缩量不一致，是由于三叠系之上地层剥蚀和断层难以恢复所致）；③构造发育时间和收缩量方面，侏罗纪末仅发生轻微褶皱变形，白垩纪形成基本的构造形态，构造主要形成于新生代（表1）。

图5 川南地区盆缘平衡剖面图（C—C'剖面）

图6 川南地区盆内平衡剖面图（E—E'剖面）

表1 平衡剖面收缩量统计表

基底升降构造带主要经历了两期构造作用。①志留纪末的加里东运动，基底强烈隆升，缺失泥盆系和石炭系，志留系与二叠系呈不整合接触；B—B'剖面由于处于乐山—龙女寺古隆起的边缘斜坡部位，受重力牵引作用，志留系及下伏地层发育小型正断层。②燕山晚期至喜马拉雅期，基底再次强烈隆升并伴有区域性挤压作用，引起地层褶皱变形，发育规模不大的逆冲断层（主要分布在中生界，少量分布在古生界）。

3 构造形成的主控因素

川南地区复杂多样构造类型的形成，主要与滑脱层的分布和变形层系的受力方式有关。

3.1 滑脱层

中—下寒武统膏盐岩、龙马溪组泥页岩和嘉陵江组膏盐岩是构造变形的垂向分隔层，其分布直接影响川南地区断层与褶皱的变形方式。

川南地区中—下寒武统膏盐岩厚几十米至数百米，重庆—赤水一线较厚，向西（华蓥山以西）、向东（齐岳山附近）减薄并尖灭[7]；因此，中—下寒武统膏盐岩在盖层滑脱构造带中滑脱作用较强，在基底逆冲构造带与基底升降构造带中因厚度减薄、滑脱作用受影响。

龙马溪组沉积中心位于重庆—宜宾一线[18-19]。钻井揭示盆内的威远、永川和赤水地区龙马溪组厚度超过400 m，以泥页岩为主，上部含少量粉砂质泥岩、灰质泥岩夹层（累计厚度约为10 m）；盆缘的丁山、林滩场构造龙马溪组厚度约为150 m，下部为泥页岩，上部为灰质泥岩和泥质灰岩频繁互层。龙马溪组泥页岩在基底逆冲构造带因厚度与岩性的变化，其滑脱作用相对较弱，盖层滑脱构造带中滑脱作用明显。

川南地区嘉陵江组膏盐岩厚度约为50 m[6]，是协调浅部地层变形的滑脱层。

3.2 受力方式

变形层系的受力方式取决于基底及其活动方式。前人通过重力、航磁等资料分析表明，华蓥山和齐岳山两侧的基底结构和基底性质具有较大差异[20-21]，以华蓥山和齐岳山为界可划分不同类型基底，并以基底断层相分隔；这种差异决定了基底活动方式的差异，进而影响其沉积盖层的变形。基底逆冲构造带中基底兼有水平挤压和垂向隆升，加上中—下寒武统膏盐岩和龙马溪组泥页岩厚度较薄，规模较大的断层向上可突破这两套滑脱层。盖层滑脱构造带中基底较为稳定、以沉积盖层的水平挤压为主，加上滑脱层发育，断层易沿水平方向滑脱，故垂向分层变形特征明显。基底升降构造带中以基底相对升降为主，伴有弱的水平伸展或水平挤压，滑脱层作用相对较弱。

膏盐岩的流变性和不可压缩性使其在很多地质条件下不稳定，并形成类型丰富的盐构造[22-23]。断层通常难以断穿膏盐层，公开文献中也少见断层断穿膏盐层的案例及描述。林滩场构造部分基底断层断穿了中—下寒武统膏盐岩，图7展示了同一条断层沿走向断穿膏盐岩的过程，该过程中膏盐岩在断层下盘聚集，同时亦有膏盐岩在走向上的运移。该类断层引起的膏盐岩底板断距大、膏盐岩顶板断距小，另外在断层下盘可发育顺膏盐岩滑脱、调节水平位移的小断层。断层形成与两个因素有关：①位于盆缘，除受水平挤压外，基底隆升强烈（齐岳山和盆内相比隆升约为5 000 m）；②中—下寒武统膏盐岩厚度较小（约为30 m），而基底断层规模较大（断距大于500 m）。基底断层可能通过3种方式断穿膏盐岩：①膏盐岩受挤压后，从断层上盘流出、在断层下盘聚集，当断层上盘的膏盐岩顶板与底板闭合（盐焊接构造）后，基底断层继续活动，从而断层断穿膏盐岩（图8-a）；②基底断层活动的早期沿膏盐岩滑脱，后期向上断穿膏盐岩（图8-b）；③基底断层向上断穿膏盐岩过程中，下盘发育分支断层、并沿膏盐岩滑脱（图8-c）。

图7 林滩场构造断层冲破寒武系膏盐岩地震剖面图

图8 基底断层冲破膏盐岩层示意图

4 构造与页岩气保存

前人研究结果表明，构造变形、埋深、地层水、盖层、天然气组分和地层压力系数等参数均能反映页岩气保存情况[8-12]。川南地区龙马溪组页岩气的保存取决于构造类型与变形强度、构造隆升时间及导致目的层埋深变化、盖层条件等因素，地层压力系数与页岩含气量等是页岩气保存结果的反映。

川南地区不同构造带由于滑脱层和受力方式不同，断层和裂缝特征不同、变形强度不同，导致页岩气保存条件不同（表2）。

表2 川南地区龙马溪组构造与页岩气保存关系表

4.1 基底逆冲构造带

在基底逆冲构造带中，断层常断穿龙马溪组，高角度裂缝发育，且通常构造变形强，易导致页岩气散失。宽缓褶皱总体保存好，背斜顶部受埋藏浅影响、通常为常压区，但仍有较好勘探潜力，如丁山背斜常压区DY3-1井测试获得天然气日产量为16×104m3，太阳—大寨背斜常压区已投入开发建产；基底大断层附近保存受影响，如涪陵与太阳—大寨背斜的边界断层附近[24]；埋深较浅的向斜翼部保存差，如建武向斜的北翼页岩气易顺层向北部的露头区扩散。

紧闭断背斜具有变形强、断层规模大的特点，对保存不利，如林滩场背斜。林滩场背斜核部断层与裂缝发育、埋藏浅，页岩气受破坏，如L1井地层水已遭受地表水侵入，地层压力系数小于1.0；背斜翼部受断层切割、地层倾角大，保存条件差，向深部位保存变好；背斜的两个倾没端断层规模小、地层平缓，随埋深增大、保存逐渐变好，LY1井地层压力系数达1.1。

单斜总体保存较差，陡斜坡断层发育、地层倾角大、埋藏浅，页岩气受破坏；缓斜坡断层规模小、地层变平缓、埋藏深，保存变好，可能具备一定的勘探潜力。

4.2 盖层滑脱构造带

在盖层滑脱构造带中，断层通常不断穿龙马溪组（沿龙马溪组底滑脱或向上在龙马溪组内尖灭）、以低角度裂缝为主，总体保存较好。隔档式背斜的断弯褶皱中，断层在龙马溪组底部滑脱、不影响保存，低角度缝与水平缝发育，有利于页岩储层压裂改造，如永川新店子背斜Y7井地层压力系数达1.6，并获得较好产气量；断展褶皱中，断层断穿部分龙马溪组并尖灭，可能对保存有一定影响，在赤水地区的勘探中有待验证。

隔档式向斜具有地层平缓、断层规模小的特点，保存好。近期，永川、大足、泸州[25]等地区已有一批钻井获得高产，是目前勘探的热点区域。

4.3 基底升降构造带

在基底升降构造带中，断层与裂缝欠发育、构造变形弱，总体保存好。燕山晚期至喜马拉雅期的基底隆升，使威远与荣县地区龙马溪组底埋深适中（介于2 000～3 800 m），该区前期已获勘探突破，目前正开发建产。基底隆起背斜附近，受加里东期不整合面强烈剥蚀影响，保存较差。

从构造隆升时间来看，齐岳山前构造晚侏罗世末开始隆升，大娄山前构造晚白垩世开始隆升；晚期发育的构造页岩气散失时间相对短，这可能是长宁与筠连等地区页岩气田虽构造变形较强，但仍能获较好产量的原因。从封盖条件来看，盆缘存在两个不利因素，一是龙马溪组泥页岩厚度仅150 m，自身封闭性不足；二是基底隆升常导致间接盖层嘉陵江组膏盐岩的剥蚀，导致部分基底断层断至地表附近。盆内龙马溪组泥页岩厚度约为400 m，自身封闭性好，且间接盖层嘉陵江组膏盐岩较为完整。