中揚子強烈疊加改造區斷裂系統與成因機制：當陽復向斜斷裂特征及其與頁巖氣保存的關系

何 勇 張東濤 栗維民 張介輝 姚秋昌 張文萍 牛衛濤 梅 玨

1. 中國石油浙江油田公司 2. 中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司研究院

0 引言

近年來，我國南方頁巖氣勘探在上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組獲得了一系列重大發現，先后在上揚子地區的四川盆地及其周緣建立了多個頁巖氣示范區[1]。隨著頁巖氣勘探的不斷深入，中揚子地區黃陵隆起東緣的當陽復向斜地區已成為頁巖氣勘探開發下一個重要目標區。中國石油浙江油田公司前期的勘探成果顯示，該區五峰組—龍馬溪組頁巖品質較好、頁巖氣資源潛力大[2-4]。但該區由于受多期構造運動影響，構造變形復雜，目前油氣勘探程度低。受前期勘探資料少、品質不高的影響，前人在該區的研究成果多局限于構造史—熱史恢復以及對中揚子盆地區域構造分析[5-13]，而對當陽復向斜內部構造變形研究則相對較少，從而制約了該區頁巖氣勘探開發的進程。為了獲得頁巖氣勘探突破，中國石油浙江油田公司在當陽復向斜西翼巡檢斜坡區采集了高品質三維地震資料，為筆者的研究提供了資料基礎。

筆者在三維地震資料精細構造解釋的基礎之上，結合盆地周緣造山帶的演化，對當陽復向斜巡檢斜坡區不同構造層斷裂進行幾何學和運動學特征解析，確定了區內復雜斷裂系統的演化過程和形成機制，同時探討了其對五峰組—龍馬溪組頁巖氣保存條件的影響，以期為當陽復向斜非常規天然氣精細勘探評價奠定基礎。

1 地質背景

當陽復向斜位于中揚子區江漢盆地北緣，夾持于秦嶺—大別造山帶與江南—雪峰造山帶之間，西側以通城河斷裂為界與黃陵隆起、宜昌斜坡相鄰，東部以南荊斷裂為界與樂鄉關—潛江復背斜相鄰，北側以陽日灣—京山斷裂為分界與巴洪沖斷復背斜帶毗鄰，南側則以問安寺斷裂為界與江陵凹陷相隔（圖1）。主體構造變形先后受秦嶺—大別造山作用自東向西的前陸逆沖褶皺作用和自北向南的逆沖推覆褶皺作用影響[7-8]，整體呈近北北西向展布，且北部被強烈疊加改造，地表剝露地層自北向南由志留系逐漸過渡到侏羅系后被上白堊統—第四系覆蓋，地勢呈現北高、南低的箕狀。其中巡檢斜坡三維地震區處于當陽復向斜中段西翼，臨近遠安斷裂，地表出露下三疊統。

地表露頭和鉆井揭示，研究區新元古代以來歷經多期沉積建造，除普遍缺失下泥盆統和下石炭統外，自下而上震旦系到第四系大部分地層發育齊全，主要發育下白堊統與下伏地層、新近系與古近系2個區域性角度不整合面（圖1），目前的主要勘探層位為五峰組、龍馬溪組。該地區構造演化階段與江漢盆地的演化密切相關，自穩定克拉通內陸架海相盆地形成以來，先后經歷了加里東末期緩慢而穩定的隆升、燕山中期強烈擠壓變形并遭受大幅度抬升剝蝕、晚燕山期—喜馬拉雅早期拉張沉降，以及喜馬拉雅中期區域抬升剝蝕和晚期南部的坳陷沉降，并最終形成了現今的構造格局。

2 斷裂發育特征

2.1 斷裂系統具有縱向分層特征

巡檢斜坡三維地震資料解釋結果顯示，受寒武系、志留系塑性巖層的影響，區內斷層在縱向上的發育具有明顯的分帶性，依據斷裂樣式和斷層性質差異，可劃分為深層、中層、淺層3套斷裂系統。其中，深層斷裂系統向下斷至基底、向上消失于寒武系；中層斷裂系統發育于上寒武統—龍馬溪組；淺層斷裂系統斷開地層最厚，從志留系一直斷至三疊系。3套斷裂系統在剖面上銜接性較差，僅有少量幾條斷層跨層發育（圖2）。根據斷層的成因和組合規律，以3套斷裂系統均發育的FA、FB斷裂帶為界，巡檢斜坡區平面上可劃分為3塊斷裂發育特征差異明顯的區域（圖3）。

2.1.1 深層斷裂系統特征

區內3塊區域的深層斷層發育特征具有明顯的差異，主要發育NW80°、NW60°、NE20°、NE35°、NE60°走向5個方向斷裂（圖4-a）。

Ⅰ區斷層最發育，以“梳狀”組合為特征。北西走向（NW60°）的FA斷裂帶是該斷裂系統的主控斷層，構成“梳把”，其派生斷層在FA斷裂帶的東側中大量發育，主要斷層走向為北東向（NE20°），部分斷層東段轉為北北西向（NW20°），以平行或平行交織狀組合為特征，與FA斷裂帶主控斷層以80°斜交，并受FA斷裂帶限制，分支斷層在縱向上表現“復合地塹組合”“復合Y字形組合”樣式（圖4-b）。

Ⅱ區斷層不發育。東側受FA斷裂帶阻擋，Ⅰ區北東向派生斷層被限制，未繼續向西南延伸。其南部邊界為FB斷裂帶，自西向東由北西西向（NW80°）轉為北東東向（NE60°）展布，斷面平直陡立，向下斷入基底，其中西段與FA斷裂帶中一組斷層近乎平行，向上斷至淺層，東段與FA斷裂帶呈60°斜交，向上斷至中層，表現為正斷層（圖4-c）。

Ⅲ區斷層較發育，以“平行狀”正斷層組合為特征。該區斷層密度小于Ⅰ區，北部被FB斷裂帶限制，在其南側發育大量與FB主控斷層相差約15°的北東向（NE35°）正斷層，以及少量北西向斷層；縱向上表現“復合式地塹”組合樣式（圖4-d）。

2.1.2 中層斷裂系統特征

與深層斷裂系統相比，中層斷裂系統的斷層性質和組合關系差異明顯，且不同區域間斷裂特征差異較大，主要發育NW80°、NW60°、NW20°、NW5°、NE20°、NE30°、NE60°、NE75°等 8個走向的斷裂（圖 5-a）。

Ⅰ區斷層較發育。北段發育近東向走向（NE75°）、傾向北、沿下寒武統膏鹽滑脫的逆沖斷層和北北西向（NW20°）逆斷層（圖5-b），以及與北西向FA斷裂帶近乎平行的北西走向（NW60°）斷層；南段斷層特征與深層斷裂系統相似，斷層密度降低，仍發育“梳狀”斷層組合，在FA斷裂帶東側發育近乎平行的北東走向（NE20°）派生走滑斷層，斷面陡立，上、下斷穿3套構造層，在縱向上表現為“絲帶效應”（圖5-c）。

Ⅱ區斷層發育。主要包括近南北向（NW5°）和北東向（NE30°）兩組平行斷層，以及少許北北西向（NW20°）斷層。其中，北東走向（NE30°）斷層與Ⅰ區南段北東向派生斷層近乎平行，與FA斷裂帶走向夾角約為80°，且限制了近南北向斷層的發育，剖面上表現為向南傾的“階梯狀”正斷層組合樣式（圖5-d）；近南北走向（NW5°）斷層與FA斷裂帶走向夾角約為55°。南部邊界FB斷裂帶西段由呈右階展布的北西西向（NW80°）斷層組成，斷面平直陡立，東段末端向北彎曲，除斷距減小外，其余特征與深層斷裂相同。

Ⅲ區斷層規模減小，斷面平直陡立，以南傾的近平行“階梯狀”正斷層組合為特征（圖5-e），與Ⅱ區北東向（NE35°）派生斷層近乎平行。

2.1.3 淺層斷裂系統特征

淺層斷裂系統特征與中層、深層斷裂系統相比差異較大，其斷層性質主要為正斷層，表現為“階梯狀”“復合型地塹”組合，平面上發育NW80°、NW60°、NW5°、NE5°、NE20°、NE50°、NE60°、NE76°等8個走向斷裂（圖6-a）。

Ⅰ區斷層主要分布于該區中部，與中層斷裂系統相比，與FA斷裂平行的北西走向（NW60°）小斷層較發育，剖面上顯示為地塹構造（圖6-b）；北東走向（NE20°）派生走滑斷層減少，近東西走向（NE76°）斷層規模減小且向南移動，北北西向（N20°W）小斷層也有所南移。

Ⅱ區斷層發育。包括近南北向（NW5°）和北西向（NW60°）兩組斷層，其中以近南北向斷層為主，以平行或平行交織狀組合為特征，且被FA、FB斷裂及與之平行的北西向（NW60°）斷層限制，剖面上表現為平直陡立斷層形成的“復合式地塹”組合樣式（圖6-c）。

Ⅲ區斷層規模較中層斷裂系統有所增加，除北東東走向（NE60°）斷層外，還新增了“平行狀”北西走向（NW80°、NW60°）斷層和近南北向（NE5°）斷層，且近南北走向斷層被北西走向切割改造，二者斷面均平直陡立，表現為階梯狀構造，斷開層位較多（圖6-d）。

2.2 主控斷裂特征

從3個構造層斷裂分布來看，FA、FB斷裂帶不僅在不同構造層上均發育，而且其位置相對固定、展布方向一致，還將三維地震工區分隔為斷層發育差異明顯的3個區塊。因此FA、FB斷裂帶控制了研究區內斷層的分布。地震剖面上顯示FA、FB斷裂帶產狀陡直，由一系列小斷層構成。平面上斷層不連續，為兩條未完全貫通的走滑斷層主位移帶的剪切破裂系統，處于走滑斷層發育初期—早期階段[14-15]（圖 7-a、b）。

FA斷裂帶沿北西走向展布，南側發育多條北西西走向（NW80°）、不連續斷層，整體呈現為右階排列的3個不連續段，具有右行滑移特征，且不同段剖面特征差異明顯，具有明顯的壓扭構造特征（圖7-a）。北段剖面顯示FA斷裂深部發育向上撒開、向下收斂、直插基底的正花狀構造樣式，同時還具有“海豚效應”特征，上部蓋層由多條高陡平直、相對傾斜斷層形成正向構造內的“復合地塹”構造樣式（圖7-c）。中段剖面顯示FA斷裂深層產狀變緩，緊閉的負花狀構造邊緣發育出正向擠壓變形，上部蓋層發育多條斷穿中層、淺層構造的大規模高陡平直的正斷層，形成負向構造的“復合地塹”構造樣式（圖7-d）。南段剖面顯示FA斷裂深層仍發育負花狀構造，但比中段開闊，其中層底部表現為正向構造、頂部地層未受影響，淺層則發育幾條小規模正斷層（圖7-e）。

FB斷裂帶呈向南凸出的弧形，整體沿近東向走向展布，表現出左行滑移特征（圖7-a、b）。該斷裂東、西兩段差異明顯，其中西段由3條右階排列的北傾正斷層組成，走向為北西西向，剖面顯示其產狀由深到淺逐漸變陡，且由基底向上貫通3套構造層系，具有明顯的張扭構造特征（圖7-f、g）；東段為1條連續的向北傾的北東東走向斷層，主要發育在深層、中層構造層，斷層產狀相對較緩，且上端消失于龍馬溪組（圖7-h）。表明FB斷裂帶為早期加里東期伸展作用形成的斷層在后期受張扭作用再次活化運動而成。

3 斷裂形成機理

研究區復雜的斷裂系統是多期應力場疊加變形的結果，斷層的形成演化過程受先存斷層與區域應力場的聯合控制[14-18]。已有區域地球動力學研究結果表明，巡檢斜坡三維地震區現今構造變形主要與中新生代構造作用密切相關[9-13]。自中生代以來，研究區域應力場性質經歷過3次大轉變：①中燕山期第一階段由于秦嶺海槽關閉，華北板塊與揚子板塊首先在東部碰撞對接形成秦嶺—大別造山帶，產生北東東向擠壓應力場，發育穿時遞進式構造變形，其構造應力隨著傳遞距離的增大而逐漸減小，前緣受黃陵隆起阻擋（圖8-a）；②中燕山期第二階段，華北板塊與揚子板塊在北部碰撞對接形成秦嶺造山帶，產生向南逆沖作用，發育前陸沖斷帶，一直推覆到當陽復向斜北部（圖8-b），強烈的近南北向擠壓應力壓力施加在3條邊界斷裂帶（板橋斷裂、南荊斷裂和通城河斷裂）上，由于邊界條件的不對稱性，研究區處于形成典型的南東向右旋壓扭應力場；③晚燕山期，由于太平洋海山島鏈漂移方向發生重大轉折，順時針偏轉約80°，改向北西方向向歐亞板塊俯沖，產生遠程板片窗效應[19-24]，當陽復向斜處于“東西向伸展”構造應力場中，受先存斷層的影響，研究區轉變為近東西向左旋張扭應力場環境。根據該3期應力場演化特征及研究區深層、中層、淺層斷裂系統分布特征，結合里德爾剪切理論[17-18]，研究區斷層可分為逆沖斷裂體系、壓扭斷裂體系、張扭斷裂體系等3個斷裂體系（表1）。

表1 巡檢斜坡三維地震區斷裂體系劃分與成因機制對比表

逆沖斷裂體系形成的斷層規模小，斷面較緩，下端沿塑性巖層滑脫，主要呈NW20°走向展布，形成于中燕山期東部大別山碰撞造山產生北東東向擠壓應力場中。中燕山期早期，最大主應力源于北部大別山碰撞造山，在中揚子東側產生向西南方向擠壓。中燕山期晚期，最大主應力源于東部秦嶺碰撞造山，在中揚子產生北側向南方向擠壓，由于擠壓作用的不均一，區內形成東南向壓扭走滑作用，在主動盤形成大量派生斷層。由于研究三維地震區處于褶皺的翼部，曲率較小，斷層不易形成。因此3套斷裂系統中斷層數量都較少。

壓扭斷裂體系斷層分布于FA斷裂北側，為FA斷裂帶壓扭—走滑過程中的派生斷層，發育于中燕山期右旋壓扭應力場中，其形成時間稍晚于逆沖構造體系。受此應力場作用，區內形成走向NW60°、具有右行滑移特征的FA斷裂帶，并在斷裂帶北側主動盤形成大量派生斷層，南側被動盤斷層較少發育，其中FA斷裂帶為右旋剪切的主位移帶，內部發育的小斷層分別為右旋剪切的P面和R面，NE20°走向斷層為右旋剪切的R'面。由于該右旋壓扭應力來自于秦嶺造山由深部向地表傳遞的推覆作用，斷裂形成過程中，首先是基底開始斷開，再逐漸向蓋層中傳導。因此研究區由深至淺層斷層密度逐漸減小。晚期受拉張伸展環境影響，部分斷層反轉為正斷層。

張扭斷裂體系斷層分布于FA斷裂南側，主要與FB斷裂帶密切相關，發育于晚燕山期左旋張扭應力場環境。受此應力作用，沿早期先存FB斷裂帶形成大量派生斷層，其中FB斷裂帶東段為左旋剪切的主位移帶，西段及與其共軛的小斷層分別為左旋張扭的R面和P面，近NE5°斷層為左旋張扭的R'面。由于伸展拉張作用形成斷裂過程中，首先是淺部開始斷開，再逐漸向深部基底中傳導。因此研究區由深至淺斷層密度逐漸增大。

4 斷裂對頁巖氣保存條件的影響

五峰組—龍馬溪組是當陽復向斜頁巖氣勘探的主要目的層。前期關于頁巖氣地質條件的研究結果表明，頁巖氣主要以吸附態和游離態共存賦存于泥頁巖中，其本身既是儲層又是蓋層，因而斷裂的是影響頁巖氣保存條件的主要因素之一[25-26]。由于目的層斷裂帶內主要為塑性的泥頁巖碎屑充填，斷面被泥巖涂抹，因此區內斷裂的垂向封閉性受由上覆巖層壓力和水平擠壓應力兩部分組成的斷面壓力控制，其中水平擠壓應力則與現今水平最大主應力大小及其方向與斷層走向夾角有關[27-31]。巡檢斜坡區五峰組—龍馬溪組頁巖氣保存條件主要與中層斷裂系統密切相關，受加里東期先存斷裂影響較小，主要受中生代以來3期構造作用控制，不同成因斷裂對頁巖氣保存影響的差異明顯。

4.1 逆沖斷層對頁巖氣保存的影響

區內北北西向逆斷層規模小，對頁巖氣保存影響較小；北部近東西走向逆沖斷層是由中燕山期由北向南的擠壓作用形成，其上盤形成低幅斷背斜圈閉，由于該期圈閉形成時期晚于龍馬溪組烴源巖主生烴期，早期生成后賦存于頁巖孔隙和頁理中的頁巖氣可沿頁理橫向運移聚集到上盤背斜圈閉，但圈閉成藏有效性概率偏低。由于該類斷層在目的層內斷距較小，向上消失于龍馬溪組中，未斷穿蓋層，而鉆井等資料顯示研究區現今水平最大主應力方向以近東西向為主[32-33]，與該逆沖斷層走向夾角小于15°，對斷面壓力影響弱。因此其垂向封閉性受上覆巖層壓力控制。研究結果表明上覆巖層在斷面上正應力為50～60 MPa，大于泥頁巖屈服強度。因此區內逆沖斷層垂向封閉性較強，對頁巖氣保存條件破壞較弱，Ⅰ區北部保存條件較好。

4.2 壓扭斷層對頁巖氣保存的影響

區內壓扭斷層發育于中燕山期北向南的擠壓派生的右旋壓扭過程中，同樣發育烴源巖生氣高峰期之后。斷層大部分斷面平直陡立，向上斷開蓋層，同時形成了大量高角度派生小斷層及伴生裂縫。因此其垂向封閉性主要受水平擠壓應力控制，其中FA斷裂帶走向與現今水平最大主應力夾角約為30°，對斷面壓力影響較弱，且內部斷層密集，斷層封閉性差，為頁巖氣向上逸散提供了良好的運移通道，破壞了頁巖氣保存條件。而北東東向（NE20°）R'斷層貫穿中、淺層構造，走向與現今水平最大主應力夾角約為70°，斷層封閉性相對較強，對頁巖氣保存條件破壞相對較弱。

4.3 張扭斷層對頁巖氣保存的影響

張扭斷層形成是由淺部向深部斷開，導致FB斷層西段、近NW5°斷層中層斷裂系統與淺層斷裂系統相連接形成高角度貫通性正斷層，同時張扭構造作用形成大量張裂縫和高角度剪裂縫，溝通了龍馬溪組頁巖氣散失到地表的運移通道，破壞了頁巖氣保存條件，而FB斷層東段和北東向（NE30°）R'斷層未斷穿龍馬溪組、走向與現今水平最大主應力夾角約為60°，裂縫閉合，斷層封閉性較強，對龍馬溪組頁巖氣保存破壞較弱，Ⅱ區南部保存條件也較好。

5 結論

1）當陽復向斜縱向上劃分為深層、中層、淺層3套斷裂系統，平面上受北西向右旋壓扭FA斷裂帶和近東西向左旋張扭FB斷裂帶控制劃分斷層特征差異明顯的3個區塊，其中FA、FB斷裂帶為兩條未完全貫通形成走滑斷層主位移帶的剪切破裂帶，處于走滑斷層發育初期—早期階段。

2）當陽復向斜巡檢斜坡區塊受中燕山期北東東向擠壓、中燕山期南東向右旋壓扭和晚燕山期近東西向左旋張扭3期應力場控制，形成逆沖斷裂體系、壓扭斷裂體系、張扭斷裂體系等3套斷裂體系。其中逆沖構造體系斷層較少，由深至淺層斷層密度相差不大，呈NW20°走向展布；壓扭斷裂體系發育FA斷裂及其派生斷層，主要分布于FA斷裂以北，由深至淺層斷層密度逐漸減小；張扭構造體系包括FB斷裂及其派生斷層，主要分布于FB斷裂以北，由深至淺層斷層密度逐漸增大。

3）巡檢斜坡區3個斷裂體系對五峰組—龍馬溪組頁巖氣保存條件具有重要影響，逆沖斷裂體系、壓扭構造體系R'面斷層、張扭斷裂體系FB斷裂東段及其R'面斷層的斷層垂向封閉性較好，對頁巖氣保存破壞較弱。其余斷層封閉性差，為頁巖氣向上逸散提供了良好的運移通道。