川南云锦地区三维构造平衡恢复的断裂体系研究

尹文韬，陈 伟，余养里

（西南石油大学地球科学与技术学院，四川成都 610500）

四川盆地的构造种类较多且变化多样，例如华蓥山以西的宽缓褶皱带、盆内较为典型的隔挡式以及隔槽式构造、盆地边缘的山前构造等都是较为典型的构造。这些构造的形成经历了多期构造运动，主要由古生代至新生代。云锦区块地处四川省泸县东部、泸州东北部，东与百和镇，南与兆雅镇、太伏镇，西与奇峰镇、玄滩镇，北与立石镇接壤。距泸州主城区30.7km，距县城附近27.2km，距重庆永川区40.9km。地层分区属于华南地层大区扬子地层区的上扬子地层分区，该区地质资源丰富优质页岩储层分布相对稳定（厚度为30～50m）[1]。而构造条件包括地层变形强度、断层、构造样式以及裂缝等是控制该区地质资源勘探开发的主要影响因素之一。因此，根据四川盆地南部泸州地区包括云锦区块在内的地震、露头等资料，运用三维构造平衡恢复技术研究该区的断裂体系特征。

1 区域构造特征

研究范围在川南地区，为内江至大足以南，泸州合江县以北的泸州地区中的云锦区块。本次研究区地层主要包括古生界和中生界，但是缺失泥盆系和石炭系地层，各地层厚度总计约10km。该区出露的地层以侏罗系占主导，其余出露地层以三叠系为主。实际上，该区的构造样式以及构造组合受到多种因素的控制，例如岩性组合、岩层的拉伸及剪切强度等都对构造样式具有直接或间接的影响。此外，综合前人对该地区的研究结果发现，川南以及周遭地区存在多套滑脱层对川南地区构造变形具有比较显著的影响，且这些滑脱层以膏盐岩和泥岩为主[2]。更为具体来说此区块存在3套滑脱层，即中-下寒武统膏盐岩、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。

在不同的构造变形强度的条件下，该区块的构造具有不同的样式：华蓥山以西具有低缓褶皱构造特征；盆内泸州、重庆等地区构造具有向斜宽而缓，背斜紧且陡的“隔挡式褶皱”的特征，但部分构造走向不尽相同。区内构造走向主要有NE-SW向、近S-N向和近E-W向。该区背斜核部多以三叠系地层为主，而向斜核部以侏罗系为主且背斜核部多出露不同特征的断层，这种现象的出现可能是由于大娄山和齐岳山山前坳陷以及沉降作用的影响所产生的。

构造变形特征：该地区剖面构造样式以经典的“隔挡式”为主，即背斜较为紧闭而向斜相对宽缓；此外，该区还存在多套滑脱层以及较为稳定的变形基底，形成这种构造特征的原因是受到了来自造山带的水平挤压作用以及华蓥山的阻挡作用。在多期次不同方向应力的水平挤压条件下，该区的几个典型构造的走向以NE-SW向为主。由于受到基底的垂向作用相对不强且受到较强的水平挤压应力，导致基底处的背斜隆起幅度不及上方地层。事实上，该区还存在三个不同层位的以沉积盖层为主的滑脱层，以及与之伴生的各类断层。具体为嘉陵江组膏盐岩层、龙马溪组泥页岩层以及中-下寒武统膏盐岩层[3]，以其三者为界垂向上能将该区分为上部、中部和下部3个变形层和一个相对稳定的变形基底，不同层在受到水平应力的挤压而导致变形收缩时，断层便会沿着滑脱层顺势滑脱；区内大部分断层一般只穿过一个滑脱层，但云锦向斜区的断层却从下部滑脱层穿过中部和上部滑脱层一直延伸至近地表；多数断层只穿过一个滑脱层并可能与其存在联系，如石燕桥背斜区下部断层由中-下寒武统高盐岩出发，向上断穿上寒武统和奥陶系之后，可能沿着龙马溪组底部滑脱，从而形成背斜前翼较陡后翼较宽缓且断层中部倾角较陡、上部和下部倾角较宽缓的断层传播褶皱；也有可能断层断穿部分龙马溪组地层并形成尖灭，则产生断层上部倾角较陡、下部倾角较缓的特征，即形成断层转折褶皱。除此之外，在石燕桥背斜区二叠系到三叠系地层间存在两条断层背向逆冲形成逆冲三角带；风坡山背斜区断层相向逆冲形成冲起构造；长林村背斜区存在深部断层和浅部断层倾角相似的情况，由此推断可能该区部分深部断层和浅部断层的形成与演化存在一定的关联。

2 三维建模与三维构造平衡恢复

2.1 三维构造模型的建立与平衡恢复方法

本次研究使用三维构造建模软件来实现从二维地震解释数据到三维模型的转化，并且在此基础上进行目标层的三维地层平衡恢复。具体来说，三维构造平衡恢复的方法是将地质时间域坐标系统通过特定的算法转换为具体的三维模型，再把建立的三维模型通过不同的恢复方法（如弯滑、断层平行流等）进行各层的恢复。本次三维构造平衡恢复主要包含五个步骤。

（1）地震解释数据的准备。从地层解释软件中输出地层和断层数据。本次研究以云锦区块奥陶系五峰组和二叠系梁山组的地层单元为例。

（2）断层模型的建立。断层模型的建立是依赖于地震反射剖面中断层的多种要素，包括断层的倾角以及断层的轨迹等。与此同时，在断层模型的生成过程中还需定义或修改各个断层间的接触关系、断层体模型的边界框或边界点等。由于不同的数据类型会使模型的有效性发生变化，故需综合考虑断层数据采样点空间分布的均匀程度和断层解释数据的实际精度。

（3）地层模型的建立：在地质图、地震剖面、构造等因素的约束条件下，选取目的层和相应的断层进行建立，并在生成模型后进行检查，检查体模型是否正常，若出现异常则消除异常点。

（4）检查地层和断层模型的结构：核查地层与断层之间的接触关系以及地层与地层之间的接触关系。由于本次研究只包含五峰组和梁山组地层，故不涉及地层间的接触关系。

（5）三维构造平衡恢复：对建立好的地层模型进行重取样即美化模型的三角网格（网格的美化是必要的，因为三维恢复技术的结果部分受制于模型的构成方式以及取样密度，取样密度越大恢复后的结果相对更加理想）；选取想要恢复的主动层和将要被恢复的被动层，本次研究选取梁山组地层为主动层，五峰组地层为被动层；根据选定恢复的目的层运用合适的恢复方式进行平衡恢复（选定目的层的同时还需确立相应的基准面，正确的基准面是后续恢复后参数观察的必要条件）（见图1）；三维构造平衡恢复后会生成对应的模型且具有如曲率、断裂发生或应力变化指数等的属性可供参考。

图1 五峰组地层三维构造平衡恢复结果对比图

2.2 三维构造模型与断裂体系分析

（1）现今五峰组地层断裂体系特征：通过观察恢复后现今的五峰组地层曲率的结果可知，现今的五峰组存在多条NNE、NE-SW走向的大型断层和中小型断层，初步分析这些断层的形成可能是受到北西向和南东向的应力挤压而产生的，结合区域构造特征分析，这些断层的形成可能是因为齐岳山山前推覆带的推覆作用，即北西向的应力和华蓥山的阻碍作用即南东向的应力这两者的主导，以及其他潜在因素的影响所形成的；向斜的核部可以观察到近NEE向的断层，这些断层的形成不仅受到了华蓥山和齐岳山所产生的北西向和南东向应力的影响，还受到了来自大娄山所产生的作用力，因此断层的规模不同于部分NNE、NE-SW向的断层；此外在云锦向斜南段还存在近N-S向的小型断层，这些断层有的与大型NNE、NE-SW向断层相交或相连，产生这种现象的部分原因是因为断层在初步形成后受到二次挤压，挤压的应力条件可能与之前存在偏差，导致断层发生改变。

（2）梁山组沉积初期五峰组的断裂体系特征：梁山组沉积初期五峰组地层的断裂体系与现今的断裂体系特征存在一定的差异。虽然NNE、NE-SW向的断裂已经形成且位置与现今断裂的位置相差甚微，但是可以观察到向斜核部的断层发生了不同程度的变化：①向斜核部的中段至北段部分存在多个小型E-W向断层，这些断层的大体位置与现今NEE向的部分断层相近但是断层的规模不及现今，可能是梁山组地层沉积后这些小型断层逐渐合并，并在包括各项应力在内的不同条件影响下而形成现今的NEE向断层；②在向斜的南段也存在近N-S向的断层，但其所分布的位置与现今的位置存在一定的差异，这就表明这些断层在梁山组沉积后可能还是受到了来自北西或者南东向的应力；③在向斜的两翼不管是断层的走向、规模还是分布位置都与现今十分相似，故这些断层在梁山组沉积时就已形成并可能对于后期形成的其他断层产生影响。

3 讨论

通过对三维地质构造模型的分析可以发现，三维构造平衡恢复方法是一种十分有效的断裂体系研究方法且较地球物理学方法在某些方面有一定提升。具体来说，虽然三维模型需要受到各种条件的制约和影响，但是通过三维建模软件所建立的三维模型可以更直观且立体地观察和研究具体的区块或构造单元，不论是地层还是断层均可建立相应的模型并进行处理和分析；通过三维构造平衡恢复后曲率图与相干图中断裂体系的对比，可以观察到曲率图在断裂较为复杂的区域所反映的断裂较相干图更加清晰可见；此外，三维构造平衡恢复方法可以实现特定地层沉积初期老地层的构造形态以及与之相应的断裂体系的观察和研究，这可作为地球物理学方法之外的一种新的研究途径。

4 结论

1）该区的构造类型丰富且多样，主要以较陡的背斜和较为宽缓的向斜所组成的“隔挡式”褶皱为特征，平面上该区的几个典型构造多为NE-SW、NNE向；剖面上该区具有多套以沉积盖层为主的滑脱层及稳定变形基底，在造山带的水平挤压和华蓥山阻挡作用的共同影响下形成了各类构造和不同样式的断层。

2）云锦区块的断裂主要包含多条NNE、NE-SW走向的大型断层和中小型断层，且这些断裂的形成在一定程度上都与齐岳山山前推覆带的推覆作用及北西向的应力和华蓥山的阻碍作用及南东向的应力有关。

3）该区某些早期形成的断裂对晚期形成的断裂可能具有一定的影响或控制作用。