四川盆地川西北前陆冲断带构造样式及栖霞组成藏模式

易士威，高 阳，李明鹏，郭绪杰，沈 平，范土芝，杨 帆，林世国，金武弟

(1.中国石油 勘探开发研究院，北京 100083； 2.中国石油勘探与生产公司，北京 100007；3.中国石油 西南油气田公司，四川 成都 610051)

引 言

前陆冲断带是前陆盆地油气资源最富集的区带，一直是石油地质家研究的重点勘探领域[1-3]。近年来，在前陆盆地原型恢复和晚期构造改造、前陆盆地系统盆-山耦合及其对深层结构的控制、前陆冲断带深层构造解剖、前陆冲断带分类与构造变形作用以及前陆冲断带复杂构造建模技术等领域的研究都取得了许多进展，揭示了冲断作用方式、冲断带深层结构、深层构造变形样式与构造圈闭样式[2-3]。目前，在前陆冲断带的研究中呈现模拟研究与定量分析多学科融合、盆-山耦合与原型盆地时-空关系研究不断深化、前陆深层构造变形流变学研究逐渐兴起的发展趋势[4-6]。

川西北地区发育典型的前陆冲断构造，构造对油气成藏具有重要的控制作用[7]。受多期构造运动叠加的影响，川西北地区变形结构复杂，纵向上深浅层构造变形差异大，形成多层结构；沿应力方向构造样式差异大，发育多个不同类型的复杂构造带；沿构造带方向断裂组合特征差异大，各断裂带具有不同的组合关系。许多地质学家对四川盆地西缘前陆冲断带进行过构造研究[7-9]，不同学者对冲断带整体构造特征的认识有一定差异，一般认为前陆冲断带前缘区原地构造为对冲构造样式[8]。然而这种认识不能很好地解释为什么在栖霞组能够形成下生上储的连片大气区。因此，迫切需要对该区的构造样式进行重新认识，构建新的构造样式和成藏模式。本文通过解剖该区不同带、不同段、不同层和不同期的构造结构特征，提出了新的构造样式并构建了相应的成藏模式，圆满地解释了川西北冲断带为什么能够形成大气区，可为四川盆地西缘前陆冲断带的进一步勘探提供参考。

1 地质背景

川西北前陆冲断带位于四川盆地西北部龙门山前，自西向东依次发育青川、北川—映秀、马角坝和Ⅰ号四大断裂(图1)。历经桐湾、加里东、云南、海西、印支、燕山及喜山等多期构造运动[7]，受多旋回区域构造活动影响，发育震旦系灯影组台缘带、志留纪末西部古隆起、晚古生代—中三叠世被动陆缘等特征性的构造和沉积结构，形成震旦纪—中三叠世的海相盆地和中、新生代陆相盆地的叠合。震旦系—中三叠统主要为海相克拉通碳酸盐台地和被动大陆边缘沉积，上三叠统—下白垩统为陆相前陆盆地和陆内坳陷盆地沉积，形成海陆叠合地层序列，自下而上依次发育震旦系—白垩系地层(图2)。

图1 川西北构造位置及主干断裂分布Fig.1 Structural location and main faults of northwest Sichuan Basin

图2 川西北地区地层综合柱状图Fig.2 Comprehensive stratigraphic histogram of northwest Sichuan Basin

川西北地区经历复杂的构造演化过程，构造对油气成藏具有十分重要的控制作用。尤其是中、新生代的挤压冲断构造，在川西北地区形成了复杂的变形结构，各期各层的构造变形及其动力学背景复杂且迥异，因此，正确认识川西北地区的构造特征，特别是构造样式是该区油气勘探的关键。整体而言，川西北地区发育下寒武统、二叠系和上三叠统等多套烃源岩层系和海陆相多类多层储集体，发育嘉陵江组、雷口坡组和须家河组区域性盖层，具备油气成藏的所有要素，油气地质条件优越。总之，川西北经历由拉张到挤压、由海相到陆相的多期构造和多期沉积旋回，发育海陆相多套烃源岩和多套储盖组合[8]，最终形成由常规到非常规、由构造到岩性的多层系、多类型的复式含油气系统。但多年的持续探索，始终未获规模性发现。近年来，通过强化地震采集处理技术攻关，深化前陆冲断带成藏地质研究，精细构造解释，精准落实圈闭，在川西北双鱼石地区部署风险探井双探1井，于下二叠统栖霞组获天然气勘探的历史性突破[10-11]，发现了又一个天然气规模接替区，揭示盆地西缘前陆冲断带巨大的勘探潜力。目前已经形成千亿方天然气储量区，成为四川盆地勘探的重点战场。

2 川西北前陆冲断带基本构造特征及构造样式新认识

2.1 构造特征

四川盆地川西北地区历经了桐湾、加里东、云南、海西、印支、燕山及喜山等多期构造运动[7-9,12]，其中，印支期和喜山期构造活动决定该区最终的构造格局和构造样式。自印支期以来，受不同方向挤压抬升和推覆作用为主的多期构造活动的影响，川西北龙门山前形成复杂的冲断褶皱构造，其构造具有“东西分带、南北分段、纵向分层、时间分序、构造分期”的特征。

2.1.1 东西分带特征

根据川西北地区的构造特点，自西向东将其分为逆冲推覆带、逆冲掩伏带和层间逆冲叠瓦带三带(图3)。Ⅰ号断裂以西为逆冲推覆带，以发育一系列高角度基底卷入断裂为主要特点，地层剥蚀强烈、破碎。Ⅰ号断裂下盘逆掩区为逆冲掩伏带，发育寒武系原地弱变形构造和逆冲叠瓦构造。Ⅰ号断裂以东受筇竹寺组泥岩和嘉陵江组膏盐岩双滑脱层夹持的逆冲叠瓦构造区为层间逆冲叠瓦带，为两套滑脱地层之间的原地逆冲构造。

图3 川西北地区构造特征Fig.3 Structural characteristics of northwest Sichuan Basin

2.1.2 南北分段特征

南北两端构造特征受地震资料品质的限制，在Ⅰ号断裂以西，构造特征基本相同，差异性主要体现在Ⅰ号断裂以东。根据Ⅰ号断裂与前缘冲断叠瓦构造关系以及前缘叠瓦构造特点划分为三段。北段Ⅰ号断层终止于嘉陵江组—雷口坡组,Ⅰ号断裂东侧发育的一条基底卷入大断层10号断裂将前缘逆冲叠瓦分为两部分，断层西侧以发育晚期同心圆挤压背斜构造为特点，且北段逆冲掩伏带相对狭窄。中段Ⅰ号断裂东侧的10号断裂变为逆冲滑脱断裂，逆冲掩伏带较北段有所增加。南段Ⅰ号断裂断穿雷口坡组至须家河组,Ⅰ号断裂之下掩伏多排逆冲叠瓦构造，逆掩面积大大增加。

2.1.3 上下分层特征

川西北前陆逆冲构造带以Ⅰ号断裂为界，展现两种截然不同的构造特征，在Ⅰ号断裂以西，构造以逆冲推覆作用形成的堆叠区为主，纵向上地层分布关系十分复杂。而Ⅰ号断裂以东地区构造相对简单，在纵向上表现出明显的分层构造特征。以寒武系筇竹寺组泥页岩和三叠系嘉陵江组膏盐岩两套柔软地层为界，划分为三大构造层。下部构造层为寒武系以下地层，由于冲断作用在寒武系形成滑脱，因此，下部构造层变形弱，没有明显逆冲构造。中构造层为筇竹寺组与嘉陵江组之间地层，以前缘逆冲叠瓦构造为特征。上部构造层为嘉陵江组以上地层，断裂基本不发育，呈现西高东低的单斜特征，局部发育背斜构造。

2.1.4 构造分期特征

三叠纪是四川盆地由拉张到挤压构造大变局的时期，晚三叠纪以来扬子板块与相邻板块碰撞对川西北前陆区复杂的构造样式的形成起决定性作用。其构造演化可分为初始挤压期、强烈挤压期和调整挤压期三个阶段。印支早期(晚三叠系沉积期)，川西北地区由于受到来自西侧的挤压褶皱变形，初步形成挤压推覆冲断系统。印支晚期(侏罗系沉积期)，受龙门山隆升和挤压双重影响，盆地边缘Ⅰ号断裂以西地区发生强烈构造变形，主干断裂断距增大，断裂倾角变陡，形成大量次级断裂，地层发生倒转并逐渐形成堆叠构造。在Ⅰ号断裂以东地区，逐步形成以在寒武系筇竹寺组泥页岩中滑脱并向上终止于下三叠系嘉陵江组的逆冲叠瓦构造。燕山期—喜山期(白垩系以后沉积期)，受喜马拉雅山隆升影响，川西北地区挤压冲断作用进一步增强。Ⅰ号断裂以东的叠瓦构造部分掩伏其下，前缘逆冲叠瓦构造区发育一系列东倾次级断层，形成顶冲构造。

2.2 构造样式新认识

前人对川西地区构造做过多轮研究，特别是川西北前陆冲断带勘探取得大突破以后，在大连片三维地震资料的基础上，对构造进行了精细的分析[7-9]。但研究均认为Ⅰ号断裂以东地区为原地对冲构造(图4(a))，是在与西部挤压反作用力的控制下形成的构造。本次研究认为川西北Ⅰ号断裂以东为前展式层间逆冲叠瓦构造样式(图4(b))。来自西部的挤压应力与寒武系筇竹寺组泥页岩和三叠系嘉陵江组膏盐岩两套软地层共同控制构造的形成。在西部挤压应力作用下，掩伏大断裂在寒武系筇竹寺组泥页岩中延展，并自西向东形成多个倾向向西的逆冲席，向上断开二、三叠系，最终消失于嘉陵江组地层。随着挤压应力的增加和时间的推移，在一些逆冲席上开始发育倾向向东的调节断层形成顶冲构造。由于前缘逆冲构造被限制在两套相对柔软的地层中，从而构成层间逆冲叠瓦构造样式。其主要有四大特点：一是这些逆冲断层以及受控于这些断层的相关褶皱，特别是背斜圈闭成排成带展布；二是整体上呈西高东低构造格局；三是断距总体上在二叠系表现得最大；四是自西向东断层变少，构造变形减弱，构造幅度变低。

图4 川西北地区构造解释方案对比Fig.4 Comparison of structural interpretation plans for northwest Sichuan Basin

新构造样式的提出具有很重要的勘探意义，主要体现在两个方面：一是为正确的构建成藏模式提供了构造基础，二是这种构造样式形成的断层-裂缝立体网络输导体系能够很好地解释从寒武系筇竹寺组烃源岩到二叠系栖霞组圈闭这种下生上储式“源-断-圈”组合为什么高效成藏。

3 川西北栖霞组成藏模式

3.1 烃源岩

四川盆地下寒武统、下二叠统、上二叠统3套广覆式烃源岩在川西北地区均有分布[13-15]。川西北地区震旦—寒武系位于德阳—安岳裂陷槽北翼，下寒武统筇竹寺组烃源岩厚50～300 m，生气强度(40～80)×108m3/km2，总有机碳质量分数为0.51%～14.77%，平均3.27%，与高磨地区基本相当(图5(a)—(b))。下二叠统烃源岩主要为泥灰岩、泥岩，川北地区为其生气中心，厚100～300 m，生气强度(10～40)×108m3/km2，总有机碳质量分数为0.51%～9.82%，平均1.61%(图5(c)—(d))。上二叠统烃源岩岩性主要为泥页岩、炭质页岩，川西北地区厚度10～50 m，生气强度(5～20)×108m3/km2。此外，中泥盆统金宝石组、观雾山组也发育一定规模烃源岩。前人分析认为，川西北泥盆系、二叠系油气是下寒武统筇竹寺组泥质岩和下二叠统泥灰岩、泥质岩烃源岩共同贡献的结果，且以筇竹寺组为主[12,16-19]。总体看，川西北地区烃源岩条件优越，总生烃强度大，具备形成大型气田的基础。

图5 四川盆地下寒武统、下二叠统烃源岩厚度及生烃强度Fig.5 Thickness and hydrocarbon generating potential of source rock in lower Cambrian and lower Permian of Sichuan Basin

3.2 储层

川西北双鱼石地区在泥盆系观雾山组、二叠系栖霞组、茅口组储层中均获工业发现，尤其是栖霞组发现连片分布的规模性气藏。本次研究重点对双鱼石地区主力储层栖霞组开展分析。川西地区受加里东运动影响，晚古生代具有西低东高的古地貌背景，川西北地区栖霞组自西向东发育盆地-斜坡、台缘滩和开阔台地等相[20-21]，台缘滩呈北东向展布(见图6)。沉积古地貌不仅控制了台缘滩有利相带的展布，而且对后期白云石化、溶蚀改造作用产生重要影响，造成川西北地区栖霞组滩相孔隙性白云岩储层连片分布。双鱼石及其西南地区栖霞组白云岩储层厚度在15～40 m，主要分布于栖霞组中上部，向西、向南台缘带白云岩储层更为发育(图7)，总体以低孔、低渗为主，局部发育中高孔储层，储集空间以晶间溶孔、粒间溶孔、溶洞为主[22-24](图8)，物性分析孔隙度分布介于0.42%～16.51%，平均3.11%，主要分布在2%～6%，大于2%的样品占总数的77.63%，渗透率介于(0.001～784.000)×10-3μm2，平均为11.540×10-3μm2，主要分布在(0.010～10.000)×10-3μm2，大于0.010×10-3μm2样品占总数的79.90%。

图6 四川盆地栖霞组相及沉积模式(据中石油西南油气田分公司资料修改)Fig.6 Sedimentary facies and sedimentary mode of Qixia Formation in Sichuan Basin

图7 川西北栖霞组地层剖面对比Fig.7 Stratigraphic correlation of Qixia Formation in northwest Sichuan Basin

图8 川西北地区栖霞组储层特征Fig.8 Reservoir characteristics of Qixia Formation in northwest Sichuan Basin

3.3 盖层

川西北地区三叠系发育2类3套区域性盖层，即嘉陵江组、雷口坡组膏盐岩和须家河组泥岩区域性盖层，嘉陵江组、雷口坡组膏盐岩作为二叠系、三叠系储层直接盖层，对油气保存及成藏具有重要意义。川西北地区钻井证实，嘉陵江组膏盐岩厚度可达400 m，具有厚度大、分布稳定、可对比性强的特点(图9)。此外，雷口坡组也发育一定厚度及规模的膏盐岩。川西北为三叠系膏盐岩最厚的区域之一，其良好的封盖性在纵向上对气藏具有整体封盖作用[17]。对双鱼石构造已钻井分析表明，栖霞组产层中部地层压力为95.32～-96.15 MPa，折算埋深6 655.42 m，地层压力为95.84～96.30 MPa，压力系数为1.31～1.36，且已获气井天然气组分一致，甲烷体积分数为96.65%～97.53%，硫化氢体积分数0.34%～0.41%，二氧化碳体积分数1.40%～2.00%，一方面表明该气藏为高压气藏，是天然气的富集区，另一方面证实川西北双鱼石地区栖霞组为统一气藏，充分说明嘉陵江组膏盐岩的封盖保存作用。

3.4 成藏模式

从四川盆地川西北地区生储盖的发育看，其虽然具备了基本成藏条件，但由于该区为前陆冲断带，构造特别复杂，构造对油气成藏具有重要控制作用，构造的稳定性对油气的保存至关重要。所以能否成藏，特别是能否规模性成藏，还取决于川西北冲断带构造圈闭发育的完整性、有效性、规模性以及从源岩到圈闭的输导条件。从以上几个方面综合考虑，西部中浅层的逆冲推覆带由于构造极其复杂，圈闭的完整性和有效性大部分遭到破坏，加之断层大部分断达地表，致使保存条件变差，所以很难成藏，更难规模性成藏。相比之下，深层掩覆带和冲断带前缘原地层间逆冲叠瓦构造带由于构造完整、稳定、保存条件好而成为四川盆地西部前陆冲断带最有利的成藏区，是川西北的重点勘探领域。纵向上，又由于栖霞组规模性滩相白云岩储层与中构造层层间逆冲叠瓦构造带相叠合，是重点的勘探层系。因此，本文主要针对该区该层构建成藏模式(图10)。

图9 四川盆地三叠系膏盐岩厚度等值线(据文献[25]修改)Fig.9 Thicknes scontour map of Triassic gypsum salt rock in Sichuan Basin (Modified according to [25])

图10 川西北地区双鱼石地区连井气藏剖面Fig.10 well-connecting gas reservoir profile in Shuangyushi area of northwest Sichuan Basin

图10所示是一条连井地震剖面及气藏剖面，从图上可以看出，在川西北前陆冲断带前锋区发育前展式层间逆冲叠瓦构造，形成一系列断层相关背斜、断背斜、断鼻和断块圈闭，每个冲断片断层都消失在嘉陵江组膏盐岩中，既沟通寒武系筇竹寺组和梁山组烃源岩，又未破坏圈闭的有效性，构成优越的下生上储式成藏组合，圈闭形成时间早，在须家河组之前即已形成，而成藏期为中侏罗世—早白垩世[26]，后期停止活动，对气藏成藏后持续保存十分有利。

判断川西北双鱼石地区栖霞组气藏天然气来源主要基于甲烷和乙烷碳同位素的研究[16,27]，如图11所示，川西北地区栖霞组气藏表现出独特的特点：一是在纵向层系上明显与川中震旦系灯影组和寒武系龙王庙组气藏不同(图11(a))；二是在不同区带，川西北栖霞组气藏与川中、川东以及蜀南二叠系气藏也表现出很大差别(图11(b))。总体上川西北二叠系表现出明显的混源特征，与寒武系筇竹寺组、志留系龙马溪组和早二叠系梁山组烃源岩均存在亲缘关系。说明川西北双鱼石地区栖霞组气藏来源于其下的寒武系筇竹寺组、志留系龙马溪组和梁山组烃源岩，具有多源混源成藏特征。

通过解剖双鱼石地区气藏成藏特点，将四川盆地川西北栖霞组成藏模式概括为以下四点(图12)：

(1)成排成带构造形成连片分布的大型背斜圈闭群。川西北前缘逆冲叠瓦带在寒武系筇竹寺组泥页岩与三叠系嘉陵江组膏盐层两套滑脱层间，形成多排北东西向逆冲叠瓦构造，每排断片内发育多个背斜、断背斜圈闭，平面上形成连片分布的圈闭群，为油气大规模聚集提供了有利场所。

图11 双鱼石气藏碳同位素特征Fig.11 Carbon isotope characteristics of gas reservoir in Shuangyushi area

(2)控圈断层未断穿嘉陵江组膏盐岩盖层，区域盖层完整、封闭性好。控圈断层向下沟通寒武系筇竹寺组烃源岩，向上未断穿膏盐岩盖层，既起到油气运移输导的作用又没有破坏圈闭的有效性。烃源岩中的滑脱断层和多条逆冲断层相连，与复杂次级断裂及裂缝构成网状立体输导体系，为油气的高效充注成藏提供了条件。

(3)动静态成藏要素时空匹配好。川西北前缘冲断叠瓦构造带除了具有良好的生储盖组合、规模连片圈闭、良好的运移通道、优质盖层等静态条件外，成藏要素的动态匹配性也优越。前缘叠瓦构造带背斜、断背斜圈闭群在印支期已基本定型，而该区寒武系筇竹寺组烃源岩的主要生气期为侏罗系—白垩系。

(4)三维立体封存箱保存系统。这个封存箱上下夹持于寒武系筇竹寺组泥页岩、三叠系嘉陵江组膏盐岩两套优质的封闭层之间，向东栖霞组滩相白云岩储层相变为灰岩并逐渐变低，向西抬高并由Ⅰ号断裂限制，由于筇竹寺组泥岩的拖曳效应，使得西侧也具有良好封堵条件，因此，在三维空间形成了一个自封闭系统，如果油气源充足，在该封存箱内，只要储层发育，也能突破正向圈闭，在单斜甚至向斜储层内形成连片分布的大气区。

4 结 论

(1)四川盆地川西北前陆冲断带构造具有“东西分带、南北分段、上下分层、时间分序”的特点，川西北地区前陆冲断带前缘构造样式为层间逆冲叠瓦构造。

(2)川西北前陆冲断带栖霞组滩相白云岩成藏模式为以寒武系筇竹寺组为烃源岩，以三叠系嘉陵江组膏盐岩为盖层，以栖霞组边缘滩相白云岩为储层，以逆冲断层相关背斜为圈闭，以控制叠瓦构造的逆冲断层为输导通道，向下断达烃源岩，向上未断穿膏盐岩盖层，既是油气运移的良好通道，又未破坏圈闭的有效性，从而使这些要素构成时空完美的匹配关系而成藏并形成连片分布的大气区。

(3)四川盆地川西前陆区发育以寒武系大面积分布的筇竹寺组为主的三套烃源岩。纵向上存在多套良好储盖组合，发育三叠系大面积分布的嘉陵江组、雷口坡组膏盐岩优质盖层，成排成带的逆冲叠瓦构造使断层相关背斜圈闭大面积连片分布，三维立体封存箱保存条件优越，具备形成大气区的成藏条件，是四川盆地下步天然气规模勘探的重要方向。