四川盆地龍門山前復雜構造帶北段精細構造建模及對油氣勘探的啟示

梁 瀚 肖富森 冉 崎 關 旭 韓 嵩 陳 驍 狄貴東 謝 枕 劉 冉

中國石油西南油氣田公司勘探開發研究院

0 引言

四川西北部地區一直是四川盆地油氣勘探的重要研究領域。近年來該地區上古生界多個層系取得了重要的勘探突破，顯示了該地區具有豐富的油氣資源和勘探前景[1-4]。龍門山前復雜構造帶的油氣勘探開發過程中，精細構造建模是需要解決的首要目標，合理、準確的構造模型對構造圈閉的落實具有重要指導作用，相對其他山前擠壓構造地區[5-8]，四川西部地區龍門山前構造經歷了多期次的逆沖推覆變形疊加，構造變形更加復雜[9-15]，但早期二維地震資料深層反射成像差、鉆至復雜帶的鉆井少，導致構造不落實，形成的“構造陷阱”對地質研究和油氣勘探都造成了很大的困擾。

新近獲得的線束三維地震數據中，龍門山前復雜構造帶的深層地震反射成像品質有了較大改善，同時新鉆井數據也對前山帶的前鋒帶幾何模型做到了很好的約束，為本項研究提供了非常重要的地質基礎資料。斷層褶皺理論[16]、構造平衡演化和構造變形定量研究[17]（計算機運動學模擬）等現代構造地質學理論方法是精細構造建模的有效手段，在國內外多個推覆帶的地質建模及油氣勘探中得到了充分運用并取得了顯著成效[16-17]。利用線束三維地震、測井、地表地質等資料，結合計算機運動學演化模擬，運用斷層褶皺理論進行構造幾何學分析，通過該套精細構造建模方法在龍門山前逆沖推覆構造帶北段應用，解析該地區的構造變形模式，落實構造，進一步拓展了該地區的油氣勘探領域，對下一步的勘探決策具有重要參考意義。

1 地質背景

龍門山地區中生代以來主要發育了晚三疊世（印支晚期）和新生代（喜馬拉雅期）兩期強烈構造擠壓和地殼變形，造成了龍門山前逆沖推覆構造帶南段和北段構造變形特征和地貌特征的顯著差異[9-11]。龍門山前逆沖推覆構造帶北段逆沖推覆構造在晚三疊世基本定型，發育了大規模的擠壓構造縮短變形，并在龍門山前緣形成厚達數千米的上三疊統陸相磨拉石沉積，形成與沖斷帶耦合發育的晚三疊世川西周緣前陸盆地[9-10]。在后期的地質構造活動中，龍門山前逆沖推覆構造帶北段受到的褶皺沖斷構造變形相對較弱，主要在其沖斷構造前緣和川西北部地區發育了局部褶皺變形和區域構造抬升[10,15]。

龍門山前逆沖推覆構造帶北段在地表出露馬角壩斷裂（F3）和北川—映秀斷裂（F2）兩條區域上的逆沖斷裂（圖1），侏羅系—白堊系不整合覆蓋在古生界—三疊系之上。

圖1 四川盆地龍門山構造帶構造綱要圖（據湯良杰等[12]修改）

向北東盆地方向，地表出露白堊系—侏羅系，地層層序正常，構造形態為南東傾的平緩單斜，構造變形弱；向北西造山帶方向，地層傾角逐漸變陡，侏羅系不整合覆蓋在三疊系上，地層構造變形強烈、斷層和褶皺大量發育；再向龍門山方向，馬角壩斷裂將大套的泥盆系—志留系推覆出露地表，該套地層與馬角壩斷裂下盤的出露地層厚度差異明顯，顯示出異地推覆特征；北川—映秀斷裂是龍門山后山推覆帶和前山推覆帶的分界斷層[2,18]，主要出露前震旦的基底和下古生界地層（圖2）。

2 精細構造建模

2.1 構造模型建立

根據構造變形特征的差異，龍門山前逆沖推覆構造帶北段由北東至南西方向可分為前山推覆帶、前鋒帶和上古生界隱伏前緣帶（以下簡稱隱伏前緣帶）3個構造單元（圖2）。其中前山推覆帶為巨厚志留系—泥盆系巖片，不具備有利的油氣勘探條件；隱伏前緣帶的構造變形特征相對簡單，為滑脫褶皺的隆凹結構組合，雙魚石構造即發育在該帶內；中間的前鋒帶的構造變形復雜，構造建模難度大。

2.1.1 前山推覆帶的構造變形特征

龍門山前逆沖推覆構造帶北段地震反射剖面A—A'北西端為前山推覆帶（圖2）。馬角壩斷裂帶內斷面波地震反射特征較為清楚，為一組北西傾向的強波峰地震反射、與斷裂帶兩側相對雜亂地震反射區別明顯，斷裂帶中間夾持著石炭系—泥盆系的巖片，斷裂帶上盤的泥盆系—志留系前山推覆帶地層成層狀反射，沒有表現明顯的復雜構造變形特征（圖2）。

2.1.2 前鋒帶的構造變形特征

A—A'剖面中部為前鋒帶，地震反射波組在垂向和橫向的變化快，特別是在前鋒帶的前緣，地震反射雜亂，沒有有效、可靠的地震反射成像，但新近鉆到前鋒帶前緣的S9井給構造建模提供了很好的約束條件（圖2）。結合地表出露地層的構造特征和S9井測井數據，S9井鉆穿侏羅系后沒有鉆遇上三疊統須家河組，而是鉆遇復雜的中三疊統雷口坡組—下三疊統嘉陵江組倒轉背斜，該井點須家河組印支晚期已被完全剝蝕；在倒轉背斜的核部，鉆遇數條小斷層，沒有明顯的斷距，鉆穿倒轉背斜后，相比正常厚度，鉆遇了巨厚的嘉陵江組—下三疊統飛仙關組四段的膏鹽地層，表現出典型斷層傳播褶皺特征[19-21]；①號斷裂推覆二疊系巖片逆掩在相對弱變形的隱伏構造上，同時，在深層近水平層狀的寒武系地層的北西端（圖2左下角紅圈位置），有一段南東傾角的地震強反射波組，反射特征與寒武系地層特征一致。綜合分析認為，①號斷裂是三斷坡—兩斷坪的斷層轉折褶皺—斷層傳播褶皺組合[19-22]，斷層根部形成下斷坡卷入基底（寒武系以下地層），然后在寒武系泥頁巖形成下斷坪滑脫，再錯斷二疊系形成中斷坡后沿嘉陵江組膏鹽層形成上斷坡，在上斷坡的構造前鋒發育形成斷層傳播褶皺，①號斷裂的位移量主要消耗在斷層傳播褶皺前端的倒轉背斜以及斷下盤的嘉陵江組膏鹽層增厚中。

圖2 A—A'深度地震剖面構造模型圖

①號斷裂上盤，4套逆沖疊瓦巖片垂向疊置形成疊瓦構造[23]，頂部被侏羅系角度不整合覆蓋，侏羅系已變形為向斜，表明4套逆沖疊瓦巖片及其相關斷層在印支晚期和喜馬拉雅期發生兩次擠壓構造變形活動。侏羅系向斜的南東端，f1和f2斷層卷入的巖片出露地表的地層為飛仙關組和嘉陵江組，須家河組被完全剝蝕；向斜的北西端，f3斷層卷入的巖片地表出露地層為飛仙關組。4套巖片相關的斷層向北西深部收斂，匯聚到①號斷裂上盤的寒武系泥頁巖滑脫面上。

2.1.3 隱伏前緣帶的構造變形特征

A—A'剖面南東端為隱伏前緣帶，南東傾向的侏羅系單斜及其下覆保存較完整的須家河組—寒武系構造結構較為簡單，表現為3套構造層分層變形的特征（圖2）。下部構造層即寒武系以下地層，沒有明顯逆沖構造變形；中部構造層包括上古生界—飛仙關組，在寒武系泥頁巖滑脫層上受南東向的擠壓應力發生構造變形，表現為隆凹結構的特點；嘉陵江組膏鹽層通過其塑性變形作用吸收調節了二疊系—飛仙關組的構造變形擠壓應力，造成上覆的上部構造層雷口坡—侏羅系沒有卷入到中部構造層變形中，僅形成南東傾的單斜。因此，龍門山前逆沖推覆構造帶北段的隱伏前緣帶主要受寒武系泥頁巖與嘉陵江組膏鹽巖兩套區域性滑脫層的構造作用，3套構造層夾持兩套區域主要滑脫層發生構造變形，導致3套構造層的構造特征不一致，形成分層構造變形結構，但整體構造變形較為簡單，形成龍門山前逆沖推覆構造帶北段隱伏前緣帶構造變形的主要構造特征。

隱伏前緣帶二疊系的構造變形模式以斷層滑脫褶皺為主[24]。寒武系泥頁巖在滑脫褶皺的背斜核部聚集，背斜的翼部由于擠壓應力釋放形成高角度斷層錯斷其翼部[25]，但整體以褶皺變形為主、斷層錯斷為輔；嘉陵江組的膏鹽層由于塑性變形強烈，在二疊系背斜的核部向翼部向斜流動，背斜頂部直接與雷口坡組底界接觸，形成鹽焊接[26]。

基于以上精細構造分析，龍門山前逆沖推覆構造帶北段從造山帶向盆地方向的構造變形差異明顯。靠造山帶方向，外來巨厚泥盆系—志留系推覆體直接逆掩在三疊系—二疊系之上；前鋒帶以多套三疊系—二疊系巖片的垂向疊置形成疊瓦狀構造，在其下盤，存在一套隱伏的二疊系構造；靠盆地的隱伏前緣帶因寒武系泥頁巖和嘉陵江組膏鹽巖上下兩套滑脫層形成分層構造變形，下部構造層（寒武系—前寒武）沒有明顯構造變形，中部構造層的二疊系—飛仙關組以斷層滑脫褶皺的構造模式為主，上部構造層受嘉陵江組膏鹽巖的塑性協調，形成整體南東傾的單斜。

圖3 A—A'剖面構造模型的平衡恢復示意圖

2.2 構造運動學演化和變形期次

龍門山前逆沖推覆構造帶北段的龍門山擠壓變形主要在印支晚期和喜馬拉雅期兩個期次發生。A—A'剖面中的侏羅系與下伏地層的角度不整合接觸、侏羅系的構造變形均明顯表現出兩期擠壓構造變形特征。為了驗證以上構造建模的合理性，判斷主要斷層和構造在印支晚期和喜馬拉雅期的構造變形活動期次，開展了平衡恢復和構造運動學演化研究。

馬角壩斷裂帶屬于前山推覆帶，泥盆系以上地層被完全剝蝕、沒有印支晚期的不整合特征，且其志留系—泥盆系厚度與疊瓦構造、隱伏構造的志留系—泥盆系厚度差異明顯，無法有效計算其位移量，因此，忽略了其構造變形過程。通過平衡恢復，A—A'剖面的構造變形縮短量約19 km，縮短率約為48%（圖 3）。

運動學演化過程，在初始狀態下（圖4-a），f1、f2、f3等3條斷層向深部收斂于寒武系泥頁巖滑脫層，①號斷裂沿寒武系和嘉陵江組兩個滑脫層形成斷坪—斷坡組合，向深部寒武系以下基底形成斷坡。

印支晚期，f1、f2、f3等3條斷層沿前列式從造山帶向盆地內先后發育（圖4-b），向盆內逆沖，垂向疊置，①號斷裂在構造前沿形成斷層傳播褶皺，褶皺倒轉緊閉（圖4-c）。侏羅系沉積前三疊系抬升受到剝蝕（圖4-d）。

喜馬拉雅期，侏羅系—白堊系沉積后，受龍門山再次擠壓，①號斷裂、f1、f2、f3斷層再次活化（圖4-e、f），以前列式的序列發生構造變形，侏羅系和下伏地層的角度不整合面被卷入變形中。

①號斷裂下盤的隱伏前緣帶在喜馬拉雅期發生構造變形（圖4-g），其表現為隱伏構造帶沉積的須家河組與侏羅系之間不存在印支晚期的構造角度不整合，且侏羅系與須家河組一同卷入喜馬拉雅期的構造變形，構造特征沒有差異。在喜馬拉雅晚期，出露地表的地層均被剝蝕，形成現今的構造形態（圖4-h、i）。

計算機運動學模擬的結果表明，①號斷裂、f1、f2、f3等4條斷層在印支晚期和喜馬拉雅期都發生了擠壓構造變形，且都產生了位移量，而隱伏前緣帶的構造變形主要發生在喜馬拉雅期。

圖4 構造模型的運動學構造變形過程示意圖

3 油氣勘探啟示

基于斷層褶皺理論及計算機運動學模擬的研究建立的構造模型，主要地震反射波組特征都得到了包括地表露頭、實鉆井的測井資料等數據的有效約束，①號斷裂等斷層的位移量和擠壓應力也得以有效地消耗在構造變形中，并且每個推覆巖片內的地層結構都可正常填充區域的地層層序及厚度，沒有突然異常的地層減薄或者增厚現象，構造模型合理、可靠并且符合研究區地質背景。

基于精細構造建模方法建立的構造模型和早期構造模型的鏟式斷層形態的①號斷裂對比（圖5），新方案解釋的①號斷裂錯斷下盤二疊系的斷點相比早期方案解釋的①號斷裂向北東方向遷移（圖5中箭頭位置），并解釋出在該斷裂逆掩下盤發育上古生界“前鋒帶下盤逆掩隱伏背斜”，該隱伏背斜與雙魚石構造具備相似儲層條件，且上覆嘉陵江組膏鹽層和①號斷裂上盤的寒武系泥頁巖組合作為優良的蓋層，油氣保存條件好，是下一步油氣勘探的甜點目標區。

①號斷裂推覆形成的二疊系“紅星構造”為形態完整背斜構造，具備較好油氣保存條件，值得下一步油氣勘探的精細研究。

逆沖推覆體上部f1、f2、f3斷層卷入的3套巖片和相關斷層均已出露地表，油氣保存條件較差，不具備有利的油氣勘探條件。

除了構造模型外，通過計算機模擬的斷層和構造的活動期次也是油氣勘探有利區的油氣運移和成藏分析的基礎資料，具有重要價值。譬如對于“紅星構造”，如果油氣的主要運移和成藏期主要發生在喜馬拉雅期，那么“紅星構造”的油氣保存條件是非常有利的，具備較好的勘探潛力，但如果是在印支晚期生烴運移，就要綜合考慮印支晚期的抬升剝蝕等地質因素對油氣成藏的影響。

下一步的研究中，基于精細構造模型，需要對于①號斷裂的橫向變化與展布特征開展精細研究以最終落實①號斷裂逆掩的下盤隱伏構造的橫向展布范圍，同時，基于精細構造模型開展疊前深度偏移成像攻關以最終落實構造細節和構造圈閉，并提出可靠的勘探井位目標。

圖5 A—A'剖面構造解釋新舊方案對比圖

4 結論

1）四川盆地西北部地區受到印支晚期和喜馬拉雅期兩期的構造擠壓運動，山前構造帶的4條主要逆沖推覆斷層在印支晚期構造變形發生位移，喜馬拉雅期再次活化發生位移量，總位移量為19 km；但受寒武系泥頁巖和嘉陵江組膏鹽巖控制發生分層構造變形的隱伏構造帶的構造變形主要發生在喜馬拉雅期，印支晚期沒有明顯構造活動。

2）龍門山前逆沖推覆構造帶北段前鋒帶下盤發育隱伏的二疊系“推覆帶下盤隱伏背斜”，油氣保存條件好，具有較大的油氣勘探潛力；前鋒帶前端的①號斷裂推覆形成二疊系“紅星構造”具備油氣保存條件。

3）基于平衡恢復和構造演化的精細構造建模方法對龍門山前復雜構造帶的構造精細模型建立和構造圈閉落實都具有重要作用，其研究成果擴展了川西北部地區的油氣勘探領域和前景，在復雜構造帶的油氣勘探中具有重要參考價值。

致謝：本文在成文過程中得到了中國石油勘探開發研究院杭州分院唐鵬程、西南石油大學的陳偉、李世琴、余養里、中國石油西南油氣田公司勘探開發研究院吳長江等的幫助，在此一并致以謝意。