川南长宁地区构造变形特征及演化过程

公子龙, 李智武, 李金玺, 罗 超, 童 馗,张毫生, 黄瑞广, 刘傲东

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学),成都 610059;2.地球勘探与信息技术教育部重点实验室(成都理工大学),成都 610059;3.中国石油西南油气田公司 页岩气研究院,成都 610051;4.页岩气评价与开采四川省重点实验室,成都 610051)

页岩气富集理论揭示了页岩气保存条件是页岩气高产的必要条件,构造变形导致页岩储层的微裂缝发育,破坏了页岩内吸附气和游离气的初始平衡状态,页岩自封闭性受到影响,这表明构造变形是影响页岩气保存条件的关键因素[1-7]。四川盆地作为中国页岩气储量和产量的重要基地,其南缘主体由逆冲-褶皱构造组合而成,具晚中生代—新生代多期构造运动叠加的特征。地质学者对该区域进行过大量的研究,均认为川南地区早期构造运动并不复杂,以整体抬升为主;但晚白垩世—喜马拉雅期川南地区经历了多期构造的复合、联合叠加构造作用,形成了多组多向的复杂构造变形,同时叠加了新生代强烈隆升剥蚀[8-15]。邓宾[16]根据野外剖面露头观察、构造特征分析,系统对比四川盆地与周缘不同造山带中-新生代不同时期构造变形及其演化等特征,初步建立了板缘线性突变型和板内弥散渐变型盆-山体系类别。苏金宝等[17]对雪峰山向川东南扩展进行讨论分析,仅仅对NE向构造特征及形成机理进行讨论分析,未对川东南缘多方向构造叠加及改造进行分析讨论。覃作鹏等[18]根据节理、擦痕及褶皱的分析认为川东南中-新生代以来主要经历了4期构造活动,分别为第一期E-W向,第二期S-N向,第三期NE-SW向以及第四期NW-SE向,但没有明确的构造交切关系来支撑这4期构造活动的早晚次序。范存辉等[19]结合野外露头、岩心、成像测井以及地化实验分析,认为川东南丁山构造区构造裂缝形成期次为3期。唐永等[20]通过研究直立褶皱、共轭节理等各种构造形迹,采用构造解析分析方法,认为川东南主要受到4期不同方向、不同大小构造应力作用。由于长宁地区的地腹构造与地表构造差异较大,而前人对于长宁地区构造变形特征及演化的研究大多基于褶皱、节理和擦痕等地表构造的分析[21-22],缺乏对于地腹构造特征的深刻解析,这些诸多因素导致目前对长宁地区构造变形特征及演化的认识存在较大的争议。本文基于地震剖面解析、构造切割关系以及前人研究成果整理,精细剖析长宁区块的构造特征,探讨不同构造期次的叠加关系和构造序列,深化对长宁地区构造演化过程的认识,同时为科学评价构造变形对页岩气保存条件提供约束,服务于川南深层龙马溪组页岩气的勘探开发。

1 地质构造背景

川南构造位于华蓥山断裂带以东齐岳山断裂带以西地区(图1-A),由川东高陡褶皱带向西南延伸,地表构造形迹呈帚状散开,其构造位置与川东构造有一定的延续性,但又有其独特性。川南地区主体表现为由3条构造边界构成的一个典型直角三角形构造格局[23],这3条主要边界断裂带分别是:北东-南西向的华蓥山断裂带、近南北向南川-遵义断裂带以及南部的近东西向古蔺-盐津断裂带。其中南川-遵义断裂带向南延伸至贵州东部直到广西境内,而盐津-古蔺断裂带为一条隐伏的大断裂。燕山期以来的2次主要构造事件分别是燕山早期板块汇聚事件及燕山晚期—喜马拉雅期挤压事件。每期构造事件产生的构造形迹在空间上发生复合叠加,造就了川南地区多组构造形迹复合与叠加的构造格局[24]。

川南地表构造以发育典型的滑脱褶皱为主,局部发育少量逆冲断裂,不同构造单元的构造特征存在较明显的差异[25](图1-B)。川南地区发育多组构造组合,主要有北东向、南北向和近东西向,在南侧发育以长宁背斜为代表的北西向构造。构造走向呈现明显的边界断层主控的构造格局,北东向构造受华蓥山断裂影响,是川东以及川南最发育的构造组合;南川-遵义断裂控制了南北向构造,使其向西逐渐减弱;近东西向构造从泸州地区向南逐渐增强,表明盐津-古蔺断裂对其有控制作用。川南地区上白垩统夹关组盖层已卷入多期构造变形,反映其主要形成于燕山期晚期和喜马拉雅期[2,8,14-15]。

图1 四川盆地东南地区构造纲要图和地质剖面图[25]Fig.1 Tectonic outline map and geological profile of southeast Sichuan Basin

2 长宁区块构造变形特征

长宁区块位于川南低陡构造带南部的长宁背斜以南(图1),西侧紧邻华蓥山断裂带南段,南缘靠近盐津-古蔺断裂带;地表构造平缓,由罗场向斜、玉河乡背斜、建武向斜组成;地表构造走向主要为北东向、北西向和近东西向。

长宁区块内地腹构造与地表构造差异较大,向斜构造走向呈近东西向,断层走向变化较大,从西侧罗场向斜的北北东向(图2),在宁216井区转变为北东向,往东断层近东西向。此外,在宁209井区发育少量北西向断层。

图2 长宁区块五峰组底反射界面构造图Fig.2 Structural map of reflection interface of Wufeng Formation bottom in Changning Block

2.1 褶皱特征

长宁区块主要发育罗场向斜、建武向斜和玉和乡背斜。罗场向斜和建武向斜平缓,呈近东西向,二者之间为玉和乡背斜,构造变形强烈,断裂发育。

罗场向斜(图3)发育于珙县孝儿场、高县罗场、盐津落雁一带(图2中A-A’剖面),为箱状褶皱。其轴向北偏东80°,轴面略弯曲,地表出露的地层主要有三叠系和侏罗系,向斜核部地层为遂宁组泥页岩,两翼地层为香溪群,以页岩和长石石英砂岩为主。在高县安乐乡环山嘴产状为30°∠24°,在珙县孝儿场产状为250°∠6°;在盐津艾田坝,向斜呈现陡急而尖瘦,飞仙关组产状为135°∠8°。两翼地层倾角10°～25°,向斜的长度为64 km,宽度约为12 km,缩短率为16.8%。

建武向斜(图4)分布于兴文县建武至珙县上罗场一带(图2中B-B’剖面),两翼近似对称,为箱状向斜,轴向近东西,两翼倾向大致为正北偏东、正南偏西,被北部的长宁背斜所包围,轴迹保存了向NW偏移的现象。地表出露的地层主要有三叠系和侏罗系,核部出露沙溪庙组,岩性以侏罗系紫红色泥岩和灰紫色砂岩为主;两翼出露三叠系飞仙关组和铜街子组,岩性以灰白色石灰岩为主[26]。向西雷口坡组以80°∠12°翘起于珙县上罗场附近。地层倾角5°～15°,向斜的宽度约为17 km,缩短率为14.3%。

图3 罗场向斜地震剖面解释图Fig.3 Seismic profile interpretation for Luochang syncline(测线位置见图2)

图4 建武向斜地震剖面解释图Fig.4 Seismic profile interpretation for Jianwu syncline(测线位置见图2)

对比分析罗场向斜和建武向斜,罗场向斜变形比建武向斜略强,地层倾角值及变化相对更大,裂缝相对更为发育。

玉河乡背斜(图5)发育在罗场向斜和建武向斜之间(图2中C-C’剖面),为箱状褶皱,走向北东向,核部发育大量NE向断裂。地表出露的地层主要有三叠系和侏罗系,核部出露飞仙关组和嘉陵江组以紫红色砂页岩和灰白色石灰岩为主,两翼出露香溪群以页岩和长石石英砂岩为主。背斜的宽度约9 km,地层倾角5°～25°,变形程度较强,发育多条断裂,缩短率10.5%。

2.2 断裂特征

地震剖面揭示出区块基底卷入了构造变形(图6),基底滑脱层和盖层滑脱层形成双重构造。区块中南部上构造层多发育倾向北西的逆冲断层,呈叠瓦状,由北西向南东上冲,向下止于中寒武统膏岩层内部,向上消失但未出露地表,地层变形不强,发育平缓褶皱。中构造层断裂和褶皱构造非常发育,断层由南东向北西上冲,形成了叠瓦状、对冲、冲起和构造三角带等断层组合样式,断块地层变形强烈,形成断层相关褶皱。北部上构造层断层规模比中南部小,褶皱变形稍强,但中寒武统滑脱层上、下地层变形相对协调,断层主要集中于玉河乡背斜的陡翼,为褶皱伴生的次级断层。总体而言,长宁区块纵向上中构造层变形最强,为基底滑脱层主控,中、上构造层逆冲方向相反;平面上自南向北,中、上构造层变形逐渐协调。

图5 玉河乡背斜地震剖面解释图Fig.5 Seismic profile interpretation for Yuhexiang anticline (测线位置见图2)

3 构造叠加关系

3.1 建武向斜构造叠加关系

长宁区块建武向斜主要发育E-W和N-S向两组构造,这两组构造存在明显的叠加限制关系(图7)。建武向斜(图7中的①)呈E-W向,被N-S向断层F1和F5所切割。断层F2呈近E-W向,限制了断层F1发育,并且被后期应力改造。断层F4呈近N-S向,北部止于E-W向断层F3。断层F6呈E-W向,限制了一些近N-S向的断层。这些叠加构造反映E-W向构造的形成早于近N-S向构造并且被近N-S向构造切割。

3.2 罗场向斜构造叠加关系

长宁区块西北部罗场向斜,主要发育了E-W和NE向两组构造,这两组构造存在明显的叠加关系(图8)。罗场向斜呈E-W向,NE向断层F1～F4分别切割了罗场向斜。褶皱①呈NNE向,叠加于罗场向斜之上。背斜②部位可以看出罗场向斜受后期NW-SE向应力改造,使其西北部走向朝NE向偏转。这些叠加构造反映NE向构造的形成晚于E-W向构造,并切割了E-W向构造。

图8 罗场向斜构造切割关系Fig.8 Tectonic stages and cutting relationship of Luochang syncline底图为五峰组-龙马溪组底界面地震反射构造图

3.3 长宁背斜构造叠加关系

长宁区块北部长宁背斜,主要发育NW和NE向两组构造,这两组构造存在明显的叠加以及改造关系(图9)。长宁背斜(图9中的①)轴迹呈NW向,断层F1呈NEE向,断层F2呈近N-S向,断层F3呈NE向,长宁背斜被3条断层不同程度切割。褶皱③呈E-W向,褶皱④呈NE向,两者均明显叠加于长宁背斜之上。长宁背斜地区构造切割关系反映NW向构造形成较早,限制了后期NE向构造,并被后期NW-SE向应力改造,且后期NE向构造叠加于前期NW向构造之上。

图9 长宁背斜构造切割关系Fig.9 Tectonic stages and cutting relationship of Changning anticline

3.4 长垣坝背斜带构造叠加关系

长宁区块东北部长垣坝背斜带,主要发育E-W和N-S向两组构造,这两组构造存在明显的叠加以及改造关系(图10)。长垣坝背斜带呈E-W向,被后期E-W向应力造成的N-S向构造叠加演变成8个低丘状的短轴背斜(图10中的①～⑧),各背斜呈南翼陡、北翼缓以及核部平缓之势,大部分高点的翼部伴有与轴向一致的逆断层。褶皱①呈E-W向,被近N-S向断层F1所切割;褶皱⑤呈E-W向,与近N-S向褶皱⑨呈正交式叠加;褶皱⑨南部被NE向断层F2切割。长垣坝背斜北部沙溪沟向斜(图10中的呈E-W向,与长垣坝背斜带相似,有后期N-S向构造的叠加。向斜中段有N-S向构造⑩的叠加,且被NE向断层F3切割;向斜东部北翼发育E-W向断层F4以及部分近N-S向断层,这些N-S向断层不同程度地切割了沙溪沟向斜,并被断层F4所限制。长垣坝背斜带构造切割关系反映了E-W向构造形成较早,限制了后期N-S向构造并被其改造,且后期NE和N-S向构造切割前期E-W向构造。

图10 长垣坝背斜带构造切割关系Fig.10 Tectonic stages and cutting relationship of Changyuanba anticline zone底图为五峰组-龙马溪组底界面地震反射构造图

4 长宁地区构造演化历史

长宁地区的构造形迹具有明显的多向展布性,如NE向、N-S向、NW向和近E-W向(图1)。构造叠加及相互改造是构造地质学判断构造变形时序最为直接和可靠的证据[20],基于这一思想,笔者根据长宁及周边地区的褶皱发育特征、叠加关系以及地层接触关系,并结合川东南区域构造演化,建立了长宁地区的褶皱发育期次及序列(图11)。

图11 长宁地区构造演化过程Fig.11 Schematic diagram showing tectonic evolution in Changning area

第一期构造变形为NW-SE向和SW-NE向联合挤压递进扩展,同时受四川盆地东南缘南川-遵义断裂和盆地西南缘峨眉-珙县断裂控制,形成弧形构造,表现为盆地东缘NE-NNE向联合构造和南缘NW-NWW向构造,该期构造变形事件在大娄山东段区域与四川盆地东南缘边界弧形构造带可能共同发生,在长宁地区形成NW向长宁背斜的雏形。

第二期构造变形为近S-N向挤压。区域上,雪峰陆内造山系统在晚白垩世呈现由南东向北西逐渐扩展的特征,处于长宁地区以南的紫云-罗甸断裂发生强烈左旋走滑运动,形成大量牵引构造。由于黔中地区沿NW向紫云-罗甸断裂带楔入大娄山一带,同时四川盆地刚性基底具有强烈的阻挡效应,导致大娄山构造带受到近S-N向应力挤压,同时伴随强烈的右旋剪切变形,近E-W向遵义-毕节断裂带发生右旋走滑逆冲变形,大致形成大娄山构造带东-西段构造格架。大娄山地区广泛分布的第二期近E-W向构造受到近S-N向应力挤压而形成,同时右旋走滑剪切作用控制了大娄山构造带大量的“S”形褶皱及其不对称的右旋牵引褶皱[16]。根据前文所描述的构造叠加关系(图7～图10)可知,E-W向构造早于NE向和近N-S向构造,晚于NW向长宁背斜。对于长宁地区第二期近E-W向构造变形机制主要存在两种认识:一种观点认为是与盆地北缘米仓山隆起有关,磷灰石裂变径迹反映早白垩世米仓山隆起发生了快速隆升冷却事件[27-28];另外一种观点认为与南缘的大娄山构造带由南而北的递进变形有关[13],在盆内及盆缘发育了一系列近E-W向构造,如罗场向斜、建武向斜和长垣坝背斜带。构造物理模拟揭示了在川南直角三角形断裂主控的构造格局下,其内部构造越靠近边界主控断层,受到边界断层影响越明显[8]。因此我们认为长宁地区E-W向构造与大娄山褶皱带向北递进扩展关系更为密切。

磷灰石裂变径迹测试显示川南低陡褶皱带呈E-W向展布的沈公山背斜处AFT年龄为(38±4) Ma[29],而呈NW向展布的长宁-双河背斜处AFT年龄为(27±3) Ma[30]。这些数据说明不同方向构造是在不同期次构造运动作用下形成的,同时年龄数据也很好地说明了不同构造形成的先后次序[20]。根据长宁背斜的构造叠加关系(图9)可知,长宁背斜发育早于NE向构造。因此我们认为第三期构造变形为SW-NE向挤压,与印度板块持续向北推进有关;该构造形迹在长宁背斜以北不发育,表明该组构造向盆地内迅速衰减,对川东南地区影响较弱,长宁背斜NW-NWW向构造在这一时期得到进一步加强。

根据前文所描述的构造叠加关系(图7～图10)可知,NE向和近N-S向构造均不同程度地切割前期发育的构造(E-W向、NW向),因此我们认为第四期构造变形为NW-SE向和近E-W向联合挤压,形成的NE与近N-S向构造形迹如今最为明显,可能与太平洋板块向西俯冲和青藏高原向东扩展有关[16],同时受南川-遵义断裂和华蓥山断裂控制,形成川东南构造主体。从区域构造形迹来看(图1),长宁地区东北部近N-S向构造更为发育,明显受到南川-遵义断裂作用影响,指示近E-W向挤压;而西部NE向构造相对发育,明显受到华蓥山断裂作用影响,反映NW-SE向挤压。长宁地区NE向构造和N-S向构造之间没有明显的相互切割和限制的关系(图1)。但按照地腹断裂组合关系(图6)且NE向构造形迹在长宁地区发育最为明显,可以推测近E-W向挤压稍早,形成早幕近N-S向构造;NW-SE向挤压稍晚,形成晚幕NE向构造,如符江向斜,灯杆坪构造等(图2)。第四期构造均叠加于早期近E-W向构造和NW-SE向构造之上。川南三角构造带东部以近N-S向构造为主,向西减弱;西部以NE向构造为主,向东减弱[31-33]。

5 结 论

a.长宁区块位于盆外边缘,其构造应力比较大,构造变形较强烈。长宁区块基底强烈变形,属于厚皮构造,断层和褶皱变形强烈,明显受控于基底内部的滑脱断层;而中寒武统滑脱层之上的中浅部地层变形相对较弱,褶皱以平行褶皱为主。中寒武统膏岩层是长宁区块主要滑脱层,考虑基底滑脱层埋深超过10 km,该基底断层可能为脆韧性滑脱层,较盖层脆性滑脱层更易于变形;因此长宁构造变形主要沿着基底滑脱层向盆地传递,中构造层受滑脱作用影响与上、下构造层发生解耦,变形受控于基底滑脱层。

b.燕山期以来,长宁地区至少经历了四期五幕构造变形,第一期构造变形为NW-SE向和SW-NE向联合挤压形成四川盆地南缘弧形构造,长宁背斜主体初步形成;第二期构造变形为近N-S向挤压形成近E-W向构造,动力来源可能与大娄山褶皱带向北递进扩展有关;第三期构造变形为SW-NE向挤压使长宁背斜NW-NWW向构造进一步加强;第四期构造变形为近E-W向和NW向联合挤压,分别与太平洋板块向西俯冲和青藏高原东扩有关,形成了早幕近N-S向和晚幕NE向的联合构造。