庹秀松,陳孔全,羅順社,湯濟廣,張水山,劉其軍

[1.長江大學 非常規油氣湖北省協同創新中心,湖北 武漢 430100； 2.長江大學 地球科學學院，湖北 武漢 430100；3.中國石化 江漢油田分公司物探研究院，湖北 武漢 430035]

當前，頁巖氣已成為全球油氣資源勘探開發的新熱點，其中川東地區廣泛發育的下志留統龍馬溪組是中國頁巖氣勘探開發最重要的目的層位之一，具有良好的勘探前景。隨著涪陵焦石壩頁巖氣田勘探開發取得重大進展，中國學者先后對其沉積相、儲集層、保存條件、富集因素等方面開展了大量針對性研究，認為頁巖品質在平面上分布穩定，不同區塊之間頁巖氣產量差異取決于其保存條件，主要受構造變形差異性的影響[1-5]。而前期構造變形特征研究主要著眼于局部焦石壩背斜[6-7]，忽略了其在區域構造上的特殊性，缺乏與周緣關系研究。為揭示涪陵及其周緣的大焦石壩地區差異構造變形特征，本文以地震資料為基礎，結合區域構造資料，依據斷層相關褶皺理論[8]，對其構造特征進行分析，總結了其差異變形規律，并進一步討論了區內近南北向大耳山和烏江斷裂構造變形帶的成因機制，為下一步頁巖氣勘探評價和選區工作提供參考。

1 地質概況

大焦石壩地區位于湘鄂西隔槽式褶皺向川東隔擋式褶皺過渡區，同時也是川東高陡褶皺帶與川東南帚狀構造帶的轉換帶，其東部為萬縣復向斜與方斗山背斜、齊岳山背斜交匯處，南部被金佛山構造所限制。受江南雪峰造山帶的陸內控制作用，從湘鄂西到川東構造具有從南東向北西逐步遞進擴展的發育過程，區內發育多層次滑脫構造，構造變形具有明顯的南東向早北西向晚、南東強北西弱特征[9-11]。

根據鉆井揭示，大焦石壩地區地層發育較全，沉積基底為前震旦系板溪群淺變質巖，其上覆蓋除缺失泥盆系、石炭系外震旦紀至侏羅紀地層，其中上二疊統龍潭組與下二疊統茅口組、石炭系黃龍組與上覆二疊系梁山組及下伏志留系韓家店組均為平行不整合接觸。大焦石壩地區內受多期構造應力作用影響[12-13]，主要發育北東向和近南北向兩組斷層，其中焦石壩背斜核部斷裂不發育，近南北向斷裂主要發育于烏江斷層北段和大耳山斷層附近，北西向斷層僅分布于烏江斷層南段和白馬向斜南端。主控斷裂-齊岳山斷層具有明顯的走滑特征，在大焦石壩地區內分為3支，呈右階左行雁列式分布，其中北段位于方斗山以東，中段與大耳山斷層相接，位于白馬向斜東側，南段位于平橋構造東側，其北端消失于自北向南由北東向轉為北西向的石門2號斷層之下，向南延伸到南川地區(圖1)。

圖1 大焦石壩地區地質圖及五峰組底界斷裂分布Fig.1 The geological map and fault distribution in the bottom boundaries of the Wufeng Formation at the Dajiaoshiba areaa.大焦石壩地區地質圖；b.五峰組底界斷裂分布

2 差異構造變形特征

2.1 分層差異變形特征

構造作用過程中，由于塑性巖層的滑脫作用，造成滑脫層上下巖層構造樣式、褶皺類型等存在一定的差異。區內分層構造變形主要與前寒武基底滑脫層、中下寒武統膏泥巖、下志留統泥頁巖以及三疊系雷口坡組-嘉陵江組膏鹽4套區域滑脫層有關，其中前寒武基底滑脫層為中-新元古界板溪群-冷家溪群與中-古元古界之間的巖石密度、物性的轉換面[7,10]。受控于深淺層次四級滑脫層系，大焦石壩地區發生多重滑脫作用，在垂向上表現出明顯的構造分異，自下而上分為前寒武系形變層、下形變層、中形變層和上形變層(圖2)。

前寒武系形變層從寒武系底部到板溪群-冷家溪群頂面，構造變形強烈，主控斷層發生基底滑脫作用，控制了上部蓋層的構造形變特征，向西越過齊岳山斷層消失于焦石壩-南川背斜底部。

齊岳山以西主要滑脫層由前寒武系轉變為寒武系，下形變層發生褶皺作用以及斷層相關褶皺作用，主干斷層傾向南東，褶皺緩翼常發育反向斷裂，斷層向上多消失于志留系滑脫層之中，向下消失于寒武系滑脫層中。由于中下寒武統膏鹽巖主要分布在川東地區，齊岳山以東地區寒武系滑脫作用微弱。

齊岳山以西中形變層褶皺變形較強烈，除少量斷層斷穿志留系，大多數斷層發育以志留系厚層泥頁巖為底界，向上多消失于三疊系滑脫層之中，其翼部斷裂發育，且在四川盆地內常發育傾向北西方向軸傾斷裂[14]，構造形變與下行變層脫耦。而齊岳山以東地區志留系幾乎不起滑脫作用，中形變層與下形變層合為一個形變層。

上形變層由中三疊統雷口坡組以上陸相地層組成的，主要殘留于齊岳山以西的向斜內。該形變層變形形態與中形變層基本一致，背斜區地層較陡，向斜區地層平緩，僅發育少量反沖斷層。

2.2 分帶差異變形特征

根據前陸逆沖推覆構造的構造變形規律，大焦石壩地區位于雪峰逆沖推覆構造西北緣的前鋒帶，為區域性滑脫層轉換帶，自東向西區域性滑脫層由前寒武系轉換為寒武系，其滑脫層呈階梯狀向上傳遞位移。根據構造變形方式、斷裂與褶皺樣式及組合關系，自東向西分為沖斷褶皺帶、逆沖-滑脫褶皺帶和滑脫褶皺帶(表1)。

2.2.1 沖斷褶皺帶

沖斷褶皺帶位于齊岳山以東，構造變形復雜，主要為以寒武系-志留系為核部的開闊背斜構造和以三疊系、二疊系為核部的緊閉向斜構造，構造形跡以北東向為主，可見南北向構造橫跨切割或斜接北東向褶皺。地質剖面顯示前寒武系變形強烈，發生強烈沖斷作用，形成系列斷夾塊，其中志留系和三疊系不起滑脫作用，下形變層與中形變層合并成一個形變層(圖2a)。由于強烈的沖斷作用，地層抬升幅度大，上形變層已被剝蝕殆盡，僅在向斜核部出露。

表1 大焦石壩地區構造分帶差異變形特征一覽表Table 1 Characteristics of the differential structural deformation in different segments of the Dajiaoshiba area

圖2 大焦石壩地區地震地質解釋剖面(測線位置見圖1)Fig2 The geological interpretation of seismic reflection profiles at the Dajiaoshiba area(see Fig.1 for the location of seismic lines)a. AA′剖面；b. BB′剖面；c. CC′剖面；d. DD′剖面；e. EE′剖面

2.2.2 逆沖-滑脫褶皺帶

逆沖-滑脫褶皺帶內前寒武系滑脫層向西逐漸消亡，前寒武系形變層構造起伏變弱。根據構造變形特征，以石門2號斷層和大耳山斷層為界又可分為逆沖-壓扭褶皺帶和斷層相關褶皺帶。

1) 逆沖-壓扭褶皺帶

逆沖-壓扭褶皺帶位于齊岳山斷層分段的巖橋區，東側以齊岳山斷層為界，西側被大耳山斷層和石門2號斷層分割，具體分為大耳山逆沖-壓扭褶皺帶和白馬逆沖-壓扭褶皺帶。

大耳山逆沖-壓扭褶皺帶為石柱向斜與方斗山背斜和齊岳山背斜匯合處，位于焦石壩箱狀背斜以東，構造形態為較緊閉背斜夾持緊閉向斜，且向斜向南揚起消失。受齊岳山走滑斷層分段和近南北向大耳山斷層的影響，剖面上表現出較強的沖斷作用和一定的扭動作用，地表可見近乎直立的走滑破裂帶，平緩巖層破碎嚴重(圖3a)。自東向西，沖斷作用逐漸減弱，發育沖起構造和反沖構造，其中方斗山斷層上盤地層抬升幅度稍低于齊岳山斷層上盤，呈臺階狀。大耳山斷層向下消失于寒武系底部，上盤呈斷展褶皺，且與伴生斷層形成沖起構造。區內前寒武滑脫層滑脫作用強，寒武系滑脫作用微弱，志留系和三疊系幾乎不起滑脫作用，上形變層、中形變層和下形變層可合并為一個形變層。

白馬逆沖-壓扭褶皺帶處于焦石壩箱狀背斜以南，石門2號斷層與齊岳山斷層、大耳山斷層之間，南部被金佛山隆起限制。剖面上構造變形表現為沿寒武底滑脫的逆沖作用，并伴隨一定的扭動作用，形成較緊閉褶皺和系列斷夾塊，且自北向南石門2號斷層斷距逐漸增大，齊岳山斷層斷距逐漸減小，褶皺帶內斷層密度逐漸增大，扭動作用逐漸增強，在地表可觀察到產狀為21°∠82°的壓扭斷層，斷面上近乎水平的斜向擦痕和階步指示該斷裂具有左行平移特征(圖3b)；在龍馬溪組層段的巖心上也觀察到明顯的水平擦痕(圖3c)，其階步同樣顯示出左行滑動特征；同時在褶皺帶南部發育左階雁列式展布斷層(圖3d)。該褶皺帶在北段CC＇剖面上，受基底斷層順層滑脫控制，地層隆升較高，石門2號斷層隱沖于二疊系地層內，發育沖起和反沖構造，中形變層斷層作用多未直接斷開下志留統滑脫層，上形變層被剝蝕殆盡(圖2c)。至南段DD＇剖面，基底斷層呈鏟形向上逐漸消失，蓋層內石門2號斷層發生較強的逆沖作用，斷層斷距增大，底端消失于寒武系底部，上盤形成較緊閉背斜，區內寒武系和志留系滑脫作用較弱，三疊系幾乎不起滑脫作用，中、上形變層合并為一個形變層(圖2d)。

圖3 大焦石壩地區發育的走滑構造現象Fig.3 The strike-slip structural zones occurring at the Dajiaoshiba areaa. D001近乎直立的走滑破裂帶；b. D002左行平移斷層；c. D003高角度裂縫及水平擦痕；d.白馬地區左階雁列式斷層

2) 斷層相關褶皺帶

斷層相關褶皺帶中前寒武系滑脫作用減弱，寒武系滑脫作用逐漸增強，構造變形主要受滑脫斷層控制，以烏江斷層和龍濟橋斷層為界可細分為焦石壩斷滑褶皺帶、梓里場斷展褶皺帶和南川斷展褶皺帶。

焦石壩斷滑褶皺帶位于烏江斷層以北，石門2號斷層與天臺場斷層之間，前寒武系、寒武系和志留系滑脫層均起滑脫作用，發育明顯的“下三層樓構造”，前寒武形變層變形強烈，控制了上部蓋層的構造格架，中形變層對下形變層構造特征具有繼承性，上變形層剝蝕殆盡。蓋層中斷層規模較小，僅發生強度較弱的隱沖作用，未突破上下滑脫層，主體構造變形為前寒武基底順層滑脫斷層所形成的箱狀褶皺，褶皺形態較完整，背斜核部地層平緩，翼部陡立，在轉折部位發育密集的斷層(圖2b)。在斷滑作用過程中，前緣發生反沖，發育西傾的天臺場斷層，同時箱狀背斜東西兩側由于軸面處應力集中，巖石發生破裂，發育相向傾斜的吊水巖斷層和石門1號斷層，分別形成對沖格局下的向斜構造(圖2c)。西南側構造變形后期受烏江斷層改造，上盤發育斷展褶皺，與焦石壩背斜以淺凹過渡。

梓里場斷展褶皺帶位于烏江斷層以南，石門2號斷層與梓里場斷層之間，主體形態為呈北東向展布的緊閉背斜夾開闊向斜。前寒武地層變形較弱，東部由于基底斷層呈鏟形向上消失的影響，地層褶皺形成較開闊向斜，西側主控斷層—梓里場斷層向下切入基底，向上斷至三疊系，具典型的坡坪式結構，造成蓋層中的斷展作用，形成緊閉的梓里場背斜(圖2d)。背斜北部變形被烏江斷裂構造變形帶限制，南端逐漸向下傾伏消失，并使東西兩側向斜連通合并為一個大的開闊向斜(圖1a)。區內志留系和三疊系滑脫層滑脫作用較弱，斷層密度小，上形變層和中形變層的變形特征受下形變層構造變形控制。

南川斷展褶皺帶位于龍濟橋斷層與齊岳山斷層之間，構造形態為較緊閉背斜與緊閉向斜相間發育。前寒武系基底斷層活動微弱，寒武系和志留系滑脫層作用較強，具有明顯的“下三層樓”構造特征，主控斷層沿寒武底呈坡坪式滑脫，形成斷彎和斷展背斜，且均向北逐漸傾伏消亡(圖2e)。中形變層與下形變層構造形態較為一致，斷層也未突破上下滑脫層，以對沖、背沖和沖起特征為主。東部上形變層幾乎被剝蝕殆盡，西部靠近向斜處部分殘留。

2.2.3 滑脫褶皺帶

滑脫褶皺帶位于逆沖推覆的鋒外帶，受各滑脫層呈階梯狀向上傳遞位移作用，主要滑脫層已由前寒武系轉為寒武系，發生褶皺作用，構成薄皮構造。構造形態為以侏羅系為核部的開闊向斜夾持以三疊系為核部的緊閉背斜。區內寒武系和志留系滑脫作用強，三疊系滑脫作用較弱，各形變層斷層發育復雜，其中下形變層受北西向擠壓作用，主干斷層傾向南東，而中、上形變層形態較為一致，受自西向東的逆沖作用影響，與下形變層脫耦，主干斷層和地表褶皺軸面傾向北西。

2.3 分期差異變形特征

通過精細地質填圖，大焦石壩地區內觀察到3期褶皺，其中以北東向褶皺為主，軸跡在區域上的總體彎曲形態與江南-雪峰造山帶相協調，該期褶皺以齊岳山為界，自東向西褶皺軸面由東傾逐漸轉為西傾，反映在受北西向擠壓應力場作用進行構造擴展時，華鎣山先存斷裂對川東上部變形的阻擋限制作用[15]。近南北向構造在大焦石壩地區內也較普遍發育，由不對稱緊閉褶皺組成，橫跨或銜接在北東向的構造上，形成既聯合切割又反接或斜接的復合關系，例如近南北向接龍場背斜切割北東向后坪背斜(圖4a)，近三角狀的武隆向斜連接在北東向滄溝向斜的末端(圖4b)，二者表明北東向構造形成后期疊加發育了近南北向構造。同時，西部近南北向大山場背斜初始隆升時間較晚[15]，其北部同時與北東向黃草峽背斜、北北東向茍家場背斜斜接構成類似“人”型的褶皺(圖4c)，其成因與南部金佛山菱形構造相似，為在早期北東向和南北向兩組基底斷裂控制下，由北西向及其派生出的東西向側壓力同時聯合作用的結果[16-17]。北西向構造在大焦石壩地區內發育較少，僅零星可見，主要表現為北西向逆斷層和小型褶皺，例如北東向后坪背斜內發育的北西向小型背斜，方斗山背斜、黃草峽背斜兩側小型構造形跡向北西向偏轉(圖4d)。

褶皺的疊加關系反映了擠壓應力場的演化順序，根據的疊加關系和區域構造背景研究，大焦石壩地區受3期擠壓應力場影響。第一期受南東-北西向擠壓應力場形成北東向褶皺，為雪峰陸內造山的北西向推擠作用，持續時間較長，一直到早白堊世末；第二期受近東西向擠壓應力場形成近南北向褶皺，推測為受先存近南北向斷層的影響而使北西向擠壓應力派生出近東西向的擠壓作用，發生于早白堊世末-晚白堊世初；第三期受北東-南西向擠壓應力場形成北西向褶皺，推測為南大巴山弧形褶皺帶形成期的應力場向南傳遞的結果，形成于晚白堊紀初[12-14]。

圖4 大焦石壩地區三期疊加褶皺實例Fig.4 Examples of three-stage superimposed folds at the Dajiaoshiba areaa.南北向、北西向小背斜疊加在早期北東向背斜上；b.近三角狀的向斜疊加于早期北東向向斜上；c.近南北向背斜與北東向、北北東向背斜斜接形成“人”型的構造；d.南北向背斜、北西向小向斜疊加在早期北東向背斜上

3 南北段差異構造變形規律

由于邊界齊岳山斷層在大焦石壩地區呈現明顯的分段性，整體表現出右階雁列式特征，同時受控于前寒武系基底滑脫斷層的結構差異和近南北向斷層改造，導致大焦石壩地區南北段呈現不同的前展式變形規律(圖5)。

北段烏江斷層以北接龍場—焦石壩一線(圖2a—c，圖5a)，由于方斗山背斜、石柱向斜和齊岳山背斜的匯聚，前寒武系基底斷層延伸較遠，導致前寒武地層堆積，斷滑作用增強，形成受深部變形控制的焦石壩背斜，構造變形自東向西發育沖斷作用—壓扭作用—斷滑作用—滑脫作用，形成“下兩層樓”—“下三層樓”—“上三層樓”構造。其中齊岳山斷層以東發生沖斷作用，形成高角度壓性斷層，以西與天臺場斷層之間前寒武系順層滑脫產生強烈的褶皺變形，上部地層形成箱狀背斜，且背斜東翼后期被近南北向大耳山斷層切割改造。天臺場斷層以西，前寒武系滑脫斷層消亡，主要沿寒武系順層滑脫發育褶皺作用，形成隔擋式褶皺。

圖5 大焦石壩地區構造變形分布Fig.5 A map showing the distribution of structural deformation at the Dajiaoshiba areaa.北段構造變形范圍；b.中段構造變形范圍；c.南段構造變形范圍

中段烏江斷層以南白馬—梓里場一線(圖2d，圖5b)，由于齊岳山分段性導致構造形變量向前傳遞，梓里場斷層卷入基底，其構造變形自東向西發育沖斷作用—壓扭作用—斷展作用—滑脫作用，形成“下兩層樓”—“下三層樓”—“上三層樓”構造。齊岳山斷層以東發育高角度基底沖斷褶皺，其與石門2號斷層之間的巖橋區發育壓扭性構造。石門2號斷層以西受切入基底的坡坪式斷層——梓里場斷層的控制，形成緊閉的梓里場斷展褶皺。梓里場斷層以西則以寒武系為主要滑脫面，僅發生滑脫作用和反沖作用。

南段黃帽嶺—南川—龍潭一線(圖2e，圖5c)，由于前寒武系基底斷層越過齊岳山不遠，呈平緩的鏟型消失，而寒武系滑脫作用強烈，自東向西的構造變形為沖斷構造—斷彎褶皺—斷展褶皺—滑脫褶皺，發育“下兩層樓”—“下三層樓”—“上三層樓”構造。齊岳山斷層以東沖斷作用較強，下古生界出露，其與龍濟橋斷層之間為逆沖作用，沿寒武系底發育坡坪式斷層及斷層相關褶皺。龍濟橋斷層以西，遞進變形作用減弱，前寒武滑脫斷層消亡，呈臺階狀向上傳遞變為沿寒武系發生順層滑脫作用。

4 討論

綜上所述，大焦石壩地區構造變形主要受齊岳山斷層和基底滑脫斷層控制，其分段性則與烏江斷層和大耳山斷層密切相關。根據區域構造展布特征分析，大焦石壩地區近南北向大耳山和烏江斷裂構造變形帶的軸向形跡與川東弧形褶皺不一致，同時由于二者剖面特征不同，表明其具有不同的形成機制。

大耳山斷層在剖面上表現為逆沖性質，下端沿寒武系底滑脫，恢復其構造形變后，焦石壩背斜構造仍然是一個完整的箱狀褶皺，故大耳山斷層對焦石壩箱狀構造不起控制作用，僅對箱狀背斜北部傾伏端有一定的改造作用，這表明大耳山斷層的形成時期晚于焦石壩主體構造。同時通過區域地質填圖可以發現，大耳山斷層為豐都-道真-貴定斷裂向北延伸部分[18]，整體形跡與南川-遵義-貴陽構造相協調，二者具有相似的形成機理，為燕山期雪峰造山向西構造擴展過程中，在黔中地區形成近東西向擠壓應力場，受黔中隆起阻擋而產生強烈的自東向西逆沖兼左行剪切作用[19]，同時由于右階走滑的齊岳山斷層分段處——巖橋區受推擠隆起形成近南北向調節斷層，導致豐都-道真-貴定斷裂向北延伸改造焦石壩箱狀背斜，從而形成大耳山斷裂構造變形帶(圖6a)。

與大耳山形成機理不同，雖然烏江斷層整體走向也為近南北向，但不同段有所變化，表現出由北向南—南東—南的變化過程，最南端消失于石門2號斷層之下。剖面上烏江斷層呈現“之”形分別滑脫于寒武系和志留系中，發育坡坪式褶皺，斷層傾向北東，未卷入基底，不具有走滑斷層高角度、上緩下陡、直插基底的典型性質，為橫向調節斷層晚期受擠壓變形的結果[20-22]。烏江斷裂構造變形帶北側為斷滑作用形成的焦石壩箱狀構造，南側為斷展作用形成的梓里場緊閉背斜，由于兩側基底斷層的形態不同，在北西向擠壓應力作用下的推擠滑脫過程中，其南、北段收縮變形不均一，產生構造變形量的調節形成調節斷層。晚期在北西向的擠壓與近南北向烏江斷層的聯合作用下，引起烏江斷層東盤遭受近東西方向的擠壓作用，從而在烏江斷層上盤形成斷展褶皺(圖6b)。

5 結論

1) 受控于深淺層次四重滑脫作用，大焦石壩地區發育4套構造形變層。其中前寒武系形變層主要發育基底滑脫和沖斷作用，控制了上部蓋層的構造形變特征，分布于焦石壩—南川及以東地區。下形變層主要發生斷層相關褶皺作用以及伴生構造，中形變層構造變形強度稍弱，與下形變層構造變形脫耦，且在齊岳山以東二者合為一個形變層，以沖斷變形為主。上形變層主要殘存于川東隔擋式褶皺帶內，對中形變層形態具有一定的繼承性，構造變形弱，僅發育少量反沖斷層。

圖6 大焦石壩地區近南北向構造形成演化過程Fig.6 The initiation and evolution processes of the nearly SN-trending structure at the Dajiaoshiba areaa.大耳山斷裂構造變形帶演化過程；b.烏江斷裂構造變形帶演化過程

2) 大焦石壩地區差異構造變形表現為東西分帶、南北分段。自東向西分為沖斷褶皺帶、逆沖-滑脫褶皺帶和滑脫褶皺帶，主滑脫層由前寒武系變為寒武系，體現了遞進式變形強度自南東向北西減弱的時空遷移規律。同時由于前寒武基底斷層結構和齊岳山斷層分段發育，大焦石壩地區南北段呈現不同的遞進變形規律，其中北段構造變形自東向西發育沖斷作用—壓扭作用—斷滑作用—滑脫作用，中段為沖斷作用—壓扭作用→斷展作用—滑脫作用，南段為沖斷作用—斷彎作用—斷展作用—滑脫作用。

3) 大焦石壩地區近南北向大耳山和烏江斷裂構造變形帶與川東弧形褶皺成因不同，其中大耳山斷裂構造變形帶是南北向豐都-道真-貴定構造的向北延伸部分，為雪峰造山向西構造擴展時受黔中隆起阻擋，產生自東向西逆沖兼左行剪切作用改造早期箱狀褶皺而成。烏江斷裂構造變形帶則是由于其南北兩側基底斷層形態不同，造成不同段收縮變形不均一，產生變形量的調節而形成的調節斷層，晚期又受近東西方向的擠壓形成斷展褶皺。