川中地區南充構造成因機制探討

張紅波， 李忠權

(1.中國石化石油勘探開發研究院無錫石油地質研究所,無錫 214126；2.成都理工大學自然資源部構造成礦成藏重點實驗室,成都 610059)

四川盆地是在上揚子克拉通基礎上發展起來的疊合盆地,盆地經歷多期構造演化,形成了震旦系到侏羅系等多套烴源巖和優質碳酸鹽巖、泥巖蓋層組合[1]。其中川中地區油氣勘探最早開始于1956年,重點勘探區域主要集中于廣安、合川、潼南、八角、南充、磨溪、龍女寺、營山等局部構造或區塊,因此對川中局部構造展開研究很有必要。

研究區位于川中低緩褶皺區,主要構造為南充構造,通過研究區地震資料分析,南充構造嘉陵江組五段以下地層變形不大,嘉五段及雷口坡組膏鹽層在背斜核部出現加厚現象。根據以上特征,認為南充構造屬于滑脫褶皺。近年來,許多學者對南充構造研究區開展了油氣成藏評價等方面工作,但對南充構造成因機制研究,一直沒有統一的定論[2-3]。現通過區域地質資料、地震資料、鉆井資料并結合構造物理模擬實驗,探討分析南充構造成因機制。

1 地質背景

南充構造位于四川盆地川中低緩褶皺區,總體呈北西-南東走向,背斜核部出露中侏羅統上沙溪廟組(J2s),背斜翼部主要出露上侏羅統遂寧組(J3s),兩翼傾角大致相等,地表少見斷層,表現為寬緩背斜形態,其東鄰華鎣山構造帶,北鄰營山構造(圖1),主體面積約800 km2。研究區基底為單層結構的結晶基底[4-6],基底之上的沉積蓋層由震旦系至侏羅系組成,受加里東運動影響,研究區志留系及部分中上奧陶統剝蝕嚴重；泥盆系及石炭系受川中地區隆升作用影響,在本區地層缺失(圖2)。沉積蓋層中,震旦系至中三疊統屬于海相地層,上三疊統至侏羅系為陸相地層。

圖1 南充構造平面位置Fig.1 The tectonic setting of the Nanchong Structure

圖2 研究區地層簡表Fig.2 Stratigraphic sequence of the study area

通過地震資料及鉆井資料證實了嘉五段及雷口坡組膏鹽層為研究區的主要滑脫層,膏鹽巖滑脫層作為塑性巖層存在,對南充構造的形成及演化發展起了很重要的作用。

2 區域地震剖面特征

01剖面北東端位于南大巴山沖斷褶皺帶前緣的川北前陸盆地(圖3[7]),受加里東運動影響,川中地區加里東期古隆起隆升發育,奧陶系及志留系自北東往南西方向逐漸減薄,上二疊統及下三疊統厚度變化不大,沉積穩定?？傮w上,沉積地層表現為大斜坡狀。剖面上嘉陵江組及雷口坡組膏鹽層之上發育了一系列傾向南西的逆斷層,其向上止于侏羅系中,這表明傾向南西斷層形成的主要構造應力方向為南西向。由2D Move反演分析,恢復侏羅系沉積前的剖面形態,這一時期剖面南西端下古生界呈角度較小的斜坡狀,至北東端的川北凹陷區,下古生界近水平沉積,上覆下二疊統至上三疊統須家河組表現為近水平沉積,中三疊統雷口坡組往北東方向逐漸減薄,反映出剖面北東端在雷口坡組沉積后受印支運動影響較大,與現今剖面對比,侏羅系沉積前,沉積地層受構造變形影響較小,斷層還未發育。02剖面自南西往北東依次經過南充構造、營山構造、大巴山前陸盆地及南大巴山沖斷褶皺帶,沉積地層呈大斜坡狀,從前陸隆起至川北前陸盆地,嘉陵江組及雷口坡組之上為主變形層,滑脫層以下地層總體變形不太強烈,斷層自嘉陵江組及雷口坡組滑脫層向上發展,止于中下侏羅統(圖3[7])。剖面上南充構造須家河組及侏羅系厚度變化不大,表現為等厚變形,并非“頂部薄、兩翼厚”頂薄褶皺形態,認為南充構造形成應晚于侏羅系沉積時期。

圖3 區域地震剖面及平面位置分布[7]Fig.3 Regional seismic profile and distribution[7]

區域地震剖面特征分析,沉積地層呈大斜坡狀,應為侏羅系沉積后形成,川中前陸隆起至川北前陸盆地嘉陵江組及雷口坡組滑脫層之上形成的一系列傾向南西的斷層,與侏羅系沉積后的川中地區隆升作用密切相關。

3 動力學過程分析

根據區域地震剖面特征及區域地質資料分析,認為南充構造總體上經歷了兩個重要階段,即燕山晚期的構造成型以及喜馬拉雅期的構造定型。

3.1 構造成型期(燕山晚期)

晚中生代時期發生的燕山運動,對中國大陸甚至東亞地區影響深遠[8-9]。早白堊世,由于受到西伯利亞板塊向南運動遠程應力傳遞及揚子板塊繼續向華北板塊俯沖作用影響,南秦嶺造山帶向南大規模推覆運動,受此影響,南大巴山開始顯著活動[10-11](圖4[10])。而在同一時期,位于四川盆地西緣的龍門山沖斷帶北段構造活動比較平靜,中段及南段構造活動相對活躍[12]。雪峰陸內變形構造系統在早白堊世至晚白堊世這一階段,受古太平洋板塊俯沖運動影響,其構造變形依次向西傳遞。晚白堊世早期(100～90 Ma),華鎣山構造帶受雪峰陸內變形構造系統應力傳遞影響,明顯隆升,川東高陡褶皺帶開始逐漸成型[13-14]。早白堊世,受南大巴山擠壓應力作用影響,大巴山山前盆地萎縮明顯,表現為壓陷盆地性質,處于川中前陸隆起的南充研究區則相對進一步隆升[15-16]。南大巴山沖斷褶皺帶的擠壓應力,使川中研究區產生相對隆升,根據大巴山前陸構造帶磷灰石測年分析,大巴山前陸構造帶在早白堊世至晚白堊世(136～70 Ma)一直處于持續隆升階段[17],受此影響,研究區沉積地層斜坡逐漸形成,滑脫層之上地層沿嘉五段滑脫面產生重力滑脫,構造開始成型(圖5)。

圖4 大巴山前陸盆地晚侏羅世-早白堊世演化示意圖[10]Fig.4 Schematic map of late Jurassic to Early Cretaceous evolution of the Dabashan Foreland Basin[10]

圖5 燕山晚期南充構造受力形成方向Fig.5 Direction of the tress field in the Nanchong Structure in the Late Yanshanian Movement

南充構造SN01樣品測年顯示南充構造研究區經歷了兩期明顯隆升活動,分別為早白堊世至晚白堊世(125～80 Ma)的早期隆升階段和第三紀時期(20～15 Ma)的快速隆升階段[18],該測年結果與前述對南充構造成因探討分析對應吻合。同處于川中前陸隆起的營山構造電子自旋共振(electron spin resonance, ESR)測年表明營山構造受兩期構造活動影響,第一期構造活動產生于褶皺伴生的構造張裂縫,其形成于晚白堊世(83.8～68.6 Ma),第二期構造活動發生于第三紀時期(29～12.5 Ma),分析認為營山構造形成于燕山晚期,此后在喜山期改造定型[19]?；谏鲜龇治?南充構造與營山構造同處于川中前陸隆起斜坡位置,須家河組至侏羅系為主要變形層,滑脫層之下地層變形較小,嘉陵江組及雷口坡組滑脫層在褶皺核部加厚,根據地震剖面上出現諸多相似現象,認為這兩個構造形成機理相同,考慮到華鎣山構造帶明顯隆升活動發生在晚白堊世早期(100～90 Ma),南充構造、營山構造形成于晚白堊世中后期,由構造平面展布分析(圖3),華鎣山構造帶先于南充構造及營山構造開始隆升活動,對后期這兩個構造走向延伸存在一定限制作用。

3.2 構造定型期(喜馬拉雅期)

進入喜馬拉雅運動期后,四川盆地總體呈隆升狀態,主要分為兩個階段,即古新世至漸新世的隆升緩慢期(65～25 Ma)及漸新世至現今的隆升速率較快期(25 Ma至今)[20-21]。青藏高原的隆升形成是喜馬拉雅運動期的標志事件,自晚白堊世末期(69 Ma)開始,印度板塊逐漸向北運動,始新世早期(55 Ma)印度板塊向亞洲大陸俯沖匯聚,俯沖碰撞后,印度板塊仍以穩定速率向北運動,青藏高原地殼厚度逐漸增大[22-25],四川盆地總體隆升明顯,加之南大巴山遠程應力傳遞,南充構造被進一步改造。這一時期,龍門山沖斷構造帶的構造應力通過龍門山山前坳陷以及龍泉山斷裂達到應力釋放,因而對南充構造的改造影響較小,而來自四川盆地以東的雪峰山構造帶往西傳遞的擠壓應力,最終通過川東高陡褶皺帶變形改造以及華鎣山斷裂帶活動吸收了主要構造應力,加之川中基底剛性強度大,因而對南充構造改造作用較小[5]。最終構造改造定型,形成現今的南充構造。

4 物理模擬實驗驗證

4.1 實驗模型設計

選取40～80目石英砂來模擬強硬巖層,石英砂密度為1 297 kg/m3,內摩擦角約為31°,內摩擦系數約為0.55；選取硅膠作為模擬研究區膏鹽滑脫層的對象材料,硅膠密度為926 kg/m3,黏滯系數為8.5×103Pa·s,另外在每層石英砂頂面鋪設1～2 mm的彩色石英砂作為標志層，如圖6所示。

圖6 實驗模型結構示意圖Fig.6 Schematic diagram of experimental model

根據前述成因機制分析,南充構造在早白堊世受研究區相對隆升影響,滑脫層之上地層沿嘉五段滑脫面產生重力滑脫,在晚白堊世中后期的燕山晚期,構造最終成型。本次實驗主要模擬南充構造成型期,選取一條北東-南西向經過南充構造的地震測線作為實驗對象剖面,根據研究區相關鉆井資料,確定中侏羅統1.59 km,下侏羅統0.4 km,上三疊統須家河組0.6 km,滑脫層加厚后的雷口坡組為0.8 km,嘉陵江組0.9 km,下三疊統飛仙關組0.5 km,二疊系0.58 km,奧陶系0.11 km,寒武系0.7 km。考慮到研究區自晚白堊世以來受四川盆地隆升影響,下白堊統剝蝕嚴重,普遍出露中上侏羅統[26],在設計實驗方案時,按照剝蝕量趨勢恢復法,恢復出上侏羅統至下白堊統大致為0.7 km。由剖面特征分析,嘉五段及雷口坡組滑脫層之下地層受構造作用影響較小,總體為弱變形層,據此將滑脫層之下地層整合為一個弱變形層位(即震旦系至嘉四段),滑脫層之上根據反向調節斷層向上斷開位置,整合劃分為兩個層位,即上三疊統須家河組至下侏羅統和中侏羅統至下白堊統(圖7)。實驗選用比例0.75 cm代表1 km,設計模型長為650 mm,層厚為55 mm。自早白堊世開始受相對隆升影響,上覆地層沿嘉五段滑脫面在低傾角斜坡上產生重力滑脫,至晚白堊世中后期南充構造成型,這一階段地質年代非常漫長,物理模擬實驗設置同樣傾角的隆升斜坡可能會受到實驗靜置等待期過長及實驗實施條件難以還原實際地質情況等因素限制。綜合考慮設定本次構造物理模擬驗證實驗隆升端的隆升高度為100 mm,隆升速率為0.05 mm/s。

圖7 實驗對象剖面——A—A′剖面Fig.7 Profile of the experimental object： A—A′ section

4.2 實驗結果分析

按照模擬實驗設計方案將硅膠及石英砂鋪好后,啟動模擬實驗隆升裝置,右側底板在實驗隆升裝置帶動下,以0.05 mm/s的速率緩慢抬升,抬升至模擬實驗設定高度,此后進入靜置等待期,實驗靜置47 h后,平面上后緣拉張開始擴大,右側斜坡位置褶皺構造雛形逐漸形成。物理模擬驗證實驗靜置54 h后,隆升模擬實驗平面上后緣拉張不斷向斜坡中間位置擴大延伸,在平面右側斜坡位置出現了明顯的褶皺構造形態(圖8)。至此,本次隆升構造物理模擬驗證實驗階段結束。之后對模擬實驗模型進行澆水鑄模,待石英砂成型后,進行實驗切片處理。

圖8 構造物理模擬隆升實驗過程Fig.8 Tectonophysical modeling of uplifting

實驗切片結果顯示:①硅膠層在褶皺構造核部均出現加厚現象；②硅膠層之上的白色石英砂層主要表現為等厚變形；③硅膠層之下的白色石英砂層受構造變形影響較小,未發生大的構造變形；④關于斷層傾向表現為北東向斷層與褶皺構造形成的先后順序,根據實驗過程及結果分析,在隆升作用下,硅膠層之上的石英砂層沿滑脫面重力滑脫,發生等厚變形,硅膠層在構造核部聚集加厚,此后構造應力繼續集中傳遞,向著硅膠層之上的白色石英砂層產生斷層突破,以此調節構造變形位移量。因而傾向北東的反向調節斷層其在構造變形過程中出現并不是必然的,而是與構造應力傳遞強度有關。

根據實驗切片分析(圖9),切片2、切片4、切片5及切片6均出現了傾向北東的調節斷層,而切片1、切片3和切片7未出現調節斷層,切片1至切片4發育兩翼陡、轉折端平直的箱狀背斜,切片5為南西翼陡、北東相對平緩的背斜。而與本次對象剖面南充構造形態最為接近為切片6和切片7。切片6褶皺形態為兩翼傾角大致相等的寬緩背斜,硅膠層在背斜核部加厚,主要構造變形層位在硅膠層之上,硅膠層之下為弱變形層,隨著背斜形態繼續發育,構造應力傳遞往硅膠層之上突破,形成傾向北東的調節斷層,與實驗對象剖面南充構造形態最為相似(圖10)。而切片7可以看作是切片6背斜發育過程中構造應力傳遞未向硅膠層之上突破發展的形態,也是與南充構造形態較為相似的實驗切片,主要特征為硅膠層在褶皺核部加厚,硅膠層以下的地層受構造變形影響較小,硅膠層之上為主要變形層,表現為等厚變形,背斜兩翼傾角平緩、大致相等,尚未發育調節斷層。

圖9 構造物理模擬隆升實驗切片Fig.9 Experimental section of the uplift by tectonophysical modeling

圖10 構造物理模擬隆升實驗結果對比Fig.10 Comparison of uplift experimental results of tectonophysical modeling

模擬實驗驗證了南充構造形成的主要應力來源于隆升應力的可能性。早白堊世,受南大巴山逆沖沖斷作用的影響,大巴山前陸盆地進一步壓陷萎縮,往下沉降,川中研究區相對隆升,地層大斜坡逐漸形成,在隆升作用下,滑脫層之上地層沿嘉五段滑脫面產生重力滑脫,發生等厚變形,南充構造正是在此構造背景下開始成型。

5 結 論

基于區域地質資料、地震資料、鉆井資料及構造物理模擬實驗對南充構造成因機制進行分析,得出以下結論。

(1)通過對南充構造成因機制進行研究,認為南充構造形成于燕山晚期,在喜馬拉雅期改造定型。

(2)由構造物理模擬實驗結果分析,驗證了南充構造在隆升應力作用下形成成型的可能性。