位于四川盆地东部的雪峰山在燕山期碰撞造山形成的位移量沿上地壳滑脱面向北西方向挤压, 由东向西形成北东— 南西向延伸的湘鄂西隔槽式褶皱带和川东隔挡式褶皱带, 它们与雪峰山构造隆起一起形成了完整的逆冲系统(Yan et al., 2003; 王宗秀等, 2012)。川东地区主要发育7排北东— 南西向的褶皱, 向南部散开成帚状(图1), 向北受到大巴山构造带的应力阻挡形成弧形构造。

图 1

Fig.1

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	图 1 川东地区地质简图Fig.1 Simple geological map of the eastern Sichuan Basin

四川盆地东部地区存在3套区域性的主要滑脱层(表 1), 分别是下部中— 下寒武统膏盐岩滑脱层、中部的志留系泥页岩滑脱层、上部的下三叠统嘉陵江组2段及中三叠统雷口坡组膏盐岩。三套滑脱层具有明显的构造拆离变形作用。

表 1

Table 1

表 1(Table 1)

表 1 四川盆地东部沉积盖层强、弱性构造层分层 Table 1 Detachment layers and competent layers in eastern Sichuan Basin

表 1 四川盆地东部沉积盖层强、弱性构造层分层 Table 1 Detachment layers and competent layers in eastern Sichuan Basin

据钻井和野外地质露头数据(金之钧等, 2006; 王淑丽等, 2012; 徐安娜等, 2016), 四川盆地内的下寒武统清虚洞组(等同川中地区龙王庙组)和中寒武统高台组沉积有膏盐层, 膏盐层在洗象池群内也有沉积, 但分布范围局限。

四川盆地的寒武系膏盐层主要分布在东部地区, 该地区钻到中— 下寒武统的钻井几乎都钻遇了这套寒武系的膏盐层。根据前人对钻井数据的统计分析(门玉澎等, 2010; 王淑丽等, 2012; 林良彪等, 2014), 座3井在石龙洞组中部钻遇60 m的膏盐层; 临7井石盐岩层厚达 420 m; 建深1井自覃家庙组中上部见有巨厚含膏盐层的致密白云岩与膏盐层互层现象, 膏盐层累计厚达622.50 m, 其中含膏盐层、膏质膏盐层和石膏盐层累计厚度达120 m。

该套寒武系膏盐层包括石盐、膏质云岩、云质膏盐等多种岩性, 具有岩性变化大、夹层多的特点; 既有钻遇几百米、也有钻井单层仅几米的膏盐层, 厚度差异明显; 显示了沉积和构造的复杂性。

川东方斗山构造(图 2)3套主要滑脱层的塑性滑脱作用明显。下滑脱层内寒武系膏盐层形成了明显的塑性加厚, 表现为盐背斜构造形态。盐背斜内部地震反射杂乱, 不能连续对比追踪, 膏盐内部发育揉皱等塑性变形小构造形成加厚(Epard and Groshong, 1995)。构造变形主要发生在寒武系至侏罗系之间, 中能干层发育多个次级褶皱, 下能干层没有卷入到这几个次级褶皱变形中, 显示出志留系泥页岩作为软弱层的塑性作用。上滑脱层嘉陵江组的塑性构造变形又调节了上能干层与中能干层的构造变形, 上滑脱层表现出强烈的膏盐塑性构造变形特征。

图 2

Fig.2

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	图 2 过川东方斗山构造的AA' 地震测线构造解释剖面(测线位置见图 1) ∈ — 寒武系; O2— 中奥陶统; P2l— 上二叠统; T1f— 下三叠统飞仙关组; T3x— 上三叠统须家河组Fig.2 Interpreted structural profile of AA’ seimic section(see its location in Fig.1) across Fangdoushan structure in eastern Sichuan Basin

四川盆地东部构造变形中, 2个滑脱层限制1套能干层的变形, 滑脱层作为润滑剂调节不同能干层的变形, 深部能干层没有卷入到其上部地层的构造变形中。

在四川盆地东部包括华蓥山及其以北的川东高陡构造(图 3, 图 4), 3套滑脱层都表现出强烈的塑性构造变形特征, 其拆离变形作用形成了3套构造层(表 1), 构造分层变形明显, 主断层都没切过上滑脱层, 而是在上滑脱层内形成揉皱等小构造消耗变形量。但在华蓥山以南的川南低陡构造(图 5, CC'长剖面)的构造变形特征, 中滑脱层和上滑脱层的塑性构造变形特征弱(表 1),

图 3

Fig.3

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	图 3 川东高陡构造基础构造模式Fig.3 Basic structural mode of high-steep structures of eastern Sichuan Basin

图 4

Fig.4

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	图 4 川东北部BB'地震测线构造解释剖面(测线位置见图 1)Fig.4 Interpreted structural profile of BB’ seimic section(see its location in Fig.1) in north eastern Sichuan Basin

图 5

Fig.5

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	图 5 川东南部CC'构造解释地震长剖面(测线位置见图 1)Fig.5 Interpreted structural profile of CC' seimic section(see its location in Fig.1) in south eastern Sichuan Basin

只在二叠系内发育次级滑脱层形成小背斜, 3套主滑脱层仅寒武系下滑脱层具有强烈的塑性变形, 主断层甚至冲出地表(图 6)。

图 6

Fig.6

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	图 6 川南低陡构造基础构造模式Fig.6 Basic structural model of low-steep structures of southern Sichuan Basin

北部(图 4)寒武系膏盐层厚度相比南部更厚(图 5), 以致构造滑脱作用更强烈, 并且川东高陡构造带由走向南西的长轴背斜向南西方向到川南低陡构造逐渐转变为南南西或近南北走向的一系列短轴小背斜乃至穹窿构造、散开为弧形。推断: 一是由于寒武系膏盐层厚度的变化, 二则可能是受到挤压构造带“ 弓箭规则” (bow-and-arrow rule)(Marshak and Wilkerson, 2004)的作用, 川东高陡构造带的挤压应力向南变弱, 因此, 四川盆地东部的北段(图 4)和南段(图 5)的滑脱层构造变形具有差异性。

根据地震剖面显示的构造特征, 结合区域上川东高陡构造和川南低陡构造的构造差异(表 1), 建立了川东高陡构造(图 3)和川南低陡构造(图 6)的构造模式。

四川盆地东部寒武系膏盐层主要具有2个构造特征:

1)通过塑形作用或膏盐层内小构造变形方式(揉皱、小断层等)调节形成膏盐层内部加厚, 发育滑脱褶皱, 形成盐背斜;

2)强烈的挤压变形导致背斜翼部易发育褶皱调节断层(Mitra, 2002), 褶皱翼部被冲断。

膏盐岩具有独特的岩石力学特点和构造作用, 包括流变性和不可压缩性等特殊的物理性质(Weijermars et al., 1993; Zulauf and Zulauf, 2004)。膏盐层的物理性质导致其非常容易发生构造变形, 构造形态变化多样(Jackson and Talbot, 1991), 异常复杂, 并且盐的变形强度大大低于其他沉积物, 且几乎不随埋藏深度改变, 具有很低的剪切强度, 作为滑脱层具有极佳软弱性(Jackson and Vendeville, 1994)。因此, 在薄皮构造中, 膏盐层是一套优良的滑脱层(Davis and Engelder, 1985)。

四川盆地东部寒武系膏盐层的构造作用以盐背斜为主。挤压触发的盐底辟发生在上覆层较薄时, 否则, 即使受到剥蚀, 上覆层厚度仍大于底辟临界厚度, 盐岩无法克服其上覆层强度, 只会发育整合型盐构造(如盐背斜)(唐鹏程, 2011)。对比四川盆地东部的寒武系膏盐层一般上覆厚度5000 m以上的地层, 远大于寒武系膏岩层沉积厚度, 也没有同沉积生长地层导致的地层沉积厚度差异等盐底辟形成的条件, 所以该地区没有类似库车凹陷(汪新等, 2009)发育的底辟、膏盐层刺穿和挤入上覆层等盐构造变形。

在非膏盐层作为底部滑脱层的褶皱冲断带普遍展现出由后陆向前陆逐渐传递的前列式挤压特征, 但在膏盐岩作为底部滑脱层的挤压构造带, 常常发育形成开阔的向斜、紧闭的背斜, 盐核背斜也表现为对称的构造几何形态, 没有显示明显的区域构造挤压指向(Davis and Engelder, 1985)。同时背斜与断层的挤压指向并不以向前陆方向为主, 向前陆和后陆方向皆有发育, 与非膏盐滑脱层的构造对比没有显示优势的主挤压指向, 盐相关的挤压构造相比发育不对称的逆冲断层而言, 更易发育两翼错断的突发构造(Letouzey et al., 1995)。对比川东高陡构造带, 因具有开阔向斜和紧闭背斜的特征被称为“ 隔档式” 构造, 并且川东隔挡式构造的背斜与寒武系膏盐层的盐构造具有典型的正相关关系, 当下滑脱层发育盐构造形成盐背斜对应中、上滑脱层同样形成强烈的塑性变形, 并在地表出露高陡构造。寒武系盐构造形成的盐背斜构造幅度较小, 逆冲断层倾角较缓; 中部构造层向盆地内滑脱、受底部盐背斜对其的阻挡作用, 志留系泥页岩在盐背斜上部形成明显增厚和塑性变形, 并造成中能干层发生强烈地滑脱褶皱变形, 背斜翼部产状高陡甚至倒转, 伴生的褶皱调节断层倾角陡立; 嘉陵江组膏盐层上滑脱层由于下伏中能干层强烈褶皱变形对其形成抬升作用大于横向挤压应力, 被动发生塑性变形在背斜处被挤出、并堆积到向斜部位, 由于塑性膏盐调节了主要的应力作用, 上能干层没有发育大断层。当塑性滑脱层受横向挤压应力发生主动变形时, 在背斜核部发育揉皱、小断层和塑性变形等形成增厚, 例如寒武系膏盐层与志留系泥页岩; 当塑性滑脱层主要受到下部强烈抬升构造作用时, 在下部正向构造抬高的同时被挤出减薄, 反而在负向构造处增厚, 譬如上滑脱层嘉陵江组膏盐岩。

四川盆地东部寒武系膏盐岩作为底部滑脱层, 对整个区带具有构造控制作用, 这也是川东高陡构造带包括川南低陡背斜与川西龙门山前逆冲推覆带构造特征差异明显的主因之一(表 2)。

表 2

Table 2

表 2(Table 2)

表 2 四川盆地西部和东部的构造变形差异 Table 2 Differences in structural deformation between the western and the eastern Sichuan Basin 区域由造山带向盆地内发育前列式的逆冲断层 四川盆地西部 发育底部滑脱断层, 褶皱翼部发育次级的褶皱调节断层 四川盆地东部断层 类型 构造 指向 背斜构造指向向盆地内挤压为主 构造指向向盆地和向造山带的背斜均有发育, 没有主要的挤压指向 构造 类型 基础样式为断层转折褶皱、断层传播褶皱, 形成叠瓦状构造, 钻遇大套重复地层 主要发育(断层)滑脱褶皱, 形成高陡翼部, 发育次级断层错断翼部, 无大规模重复地层

表 2 四川盆地西部和东部的构造变形差异 Table 2 Differences in structural deformation between the western and the eastern Sichuan Basin

在薄皮褶皱冲断带中, 膏盐层作为滑脱面时, 允许水平挤压应变传递到前陆的前端边缘(Letouzey et al., 1995)。基于物理模拟实验(Cotton and Koyi, 2000; Bahroudi et al., 2003), 膏盐的分布范围对构造变形范围有着明显的控制作用: 没有膏盐作为底部滑脱层时, 构造以前列式叠瓦构造为主, 构造变形范围窄, 不能向盆地内大范围传递构造变形, 但膏盐岩作为底部滑脱层时, 构造应力在膏盐分布范围内可较快的传递到膏盐盆的沉积前端, 即构造变形扩展到膏盐盆的盆内边界。

四川盆地东部没有寒武系出露地表, 且钻穿寒武系的钻井少, 因此, 利用膏盐层极佳的滑脱作用对构造变形范围有明显控制作用的认识、结合膏盐层的地震反射特征分析并预测四川盆地东部寒武系膏盐层的分布范围。

剖面DD'(图 7)中, 寒武系膏盐层在华蓥山北构造倾伏端形成盐构造, 到水口厂构造的构造幅度变弱并且向盆地内该套膏盐层的厚度明显减薄, 没有形成典型的膏盐层加厚, 但膏盐层底在地震剖面上表现为向西连续对比追踪的强振幅地震反射同相轴特征(黑色为地震波峰反射), 到黑色箭头节点处, 这套强反射同相轴向西振幅明显变弱, 显示出了地震反射界面在这个节点的东西两侧岩性有明显变化, 并且在节点东侧, 沿着这套地震强反射发育了一系列小幅度挠曲, 但到节点的西侧, 地震强反射同相轴终止对应地震剖面上没有寒武系膏盐层的构造变形发育。地震剖面上的膏盐滑脱层的构造变形边界与地震反射特征变化具有很好的一致表现。寒武系膏盐层的厚度对构造的变形强度和变形幅度有控制作用。

图 7

Fig.7

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	图 7 川东北部DD'构造解释地震长剖面(测线位置见图 1)Fig.7 Interpreted structural profile of DD’ seimic section(see its location in Fig.1) in north eastern Sichuan Basin

铁山构造(图 7)发育为对称背斜, 而华蓥山北构造倾伏端中部构造层发育3个次级背斜, 东边2个背斜表现出向西盆地内(D方向)的逆冲方向, 但靠西边的背斜则主要向东(D’ 方向)逆冲, 几个背斜没有显示出一致的构造挤压指向, 这也是由于志留系泥页岩的强塑性变形作用所导致的构造没有统一挤压指向。

剖面EE'(图 8)中, 螺观山构造深部显示从寒武系膏盐层内发育2条向西逆冲的逆断层, 构造的东侧向川东方向这套膏盐层地震反射表现为强振幅。而在螺观山构造以西, 这套强振幅地震反射同相轴能量明显减弱, 且没有明显的构造变形沿这套同相轴发育, 在螺观山西侧的P1井、HS1井只在中寒武统高台组内钻到了数套累计厚度10~20 m的膏盐, 这说明了薄互层膏盐层的地震反射剖面中不会形成强振幅同相轴特征, 也不具有明显的构造滑脱作用。薄层状膏盐层代表该区域内膏云质潟湖相并非优势沉积。

图 8

Fig.8

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	图 8 川东南部EE'构造解释地震长剖面(测线位置见图 1)Fig.8 Interpreted structural profile of EE’ seimic section(see its location in Fig.1) in south eastern Sichuan Basin

基于以上寒武系膏盐层表现的地震反射特征和构造滑脱作用, 结合钻井数据对四川盆地东部的寒武系膏盐层的主要展布作分析(图 9), 川东高陡构造带构造变形前沿到华蓥山一线, 挤压变形没有再向盆地内传递, 显示川东高陡构造带的西端北东走向的华蓥山构造带是该地区寒武系膏盐盆的西沉积边缘, 由于构造挤压应力不能继续向盆地内传递, 强烈的挤压应力累积, 将古生界推出地表; 到川东北地区, 膏盐层的构造范围与沉积分布范围向北东延伸到大巴山前; 向南, 膏盐盆西边界向西南自贡背斜展开。

图 9

Fig.9

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	图 9 川东寒武系膏盐盆分布图Fig.9 Distribution map of the Cambrian salt in eastern Sichuan Basin

在盆地内仅有少量钻井钻遇寒武系薄层膏盐层(一般累计厚度小于10 m), 说明盆地内没有广泛沉积这套寒武系膏盐层, 四川盆地东部寒武系滑脱层的构造变形也就没有传递到盆地中部, 可以对比的是, 上滑脱层嘉陵江组— 雷口坡组的膏盐层由于在川中地区广泛沉积, 地震剖面反映小揉皱等小型变形, 显示滑脱褶皱的构造变形特征。因此, 沉积相的变化也直接影响到四川盆地东部到中部的构造变化。

从沉积厚度上分析, 这套寒武系膏盐层在方斗山一线沿北东— 南西向沉积厚度最大, 向北西逐渐减薄, 过华蓥山在盆地内没有膏盐岩沉积, 龙王庙组沉积物主要为白云岩、高台组为白云质粉砂岩— 泥粉晶白云岩; 向北到大巴山前— 龙岗一带逐渐减薄; 向南向蜀南地区、自贡— 威远一带逐渐减薄。沉积范围和沉积厚度的变化显示了四川盆地寒武纪的膏盐潟湖沉积中心在现今川东高陡构造带的北东边沿。

寒武系的膏盐层分布范围和厚度对沉积相带的划分具有重要影响。但目前四川盆地东部钻到该套膏盐层的井都在背斜构造的核部, 该部位的膏盐层厚度恰是膏盐层由于挤压导致异常增厚之后的厚度, 并不反映原始沉积的厚度, 可能不能正确代表膏盐盆的沉积中心, 并且强烈的构造变形作用也导致膏盐在三维空间内发生塑性流动, 如果直接运用钻井资料来编制膏盐层的原始沉积厚度图, 会产生较大的误差。相关研究工作要考虑如何消除地震反射剖面与钻井厚度中膏盐揉皱加厚等构造作用对膏云质潟湖盆的原始沉积厚度及沉积中心的影响。

川东构造3套构造层的分层变形特征使得该地区具有立体勘探优势, 包括上部构造层的须家河组储集层, 中部构造层的嘉陵江组嘉二段储集层、下三叠统飞仙关组鲕滩、上二叠统长兴组生物礁、石炭系白云岩储集层, 下部构造层的奥陶系储集层, 深部构造层的龙王庙组— 震旦系等构造圈闭、构造— 岩性复合圈闭或岩性圈闭多种类型的油气圈闭。但对于复杂构造的油气勘探而言首要工作仍然是落实构造细节和构造圈闭特征, 特别是叠前时间偏移剖面中盐背斜高速层对盐下地层的速度拉伸作用会引起构造假象, 应依据川东高陡构造带构造模式建立精细的构造模型开展叠前深度偏移研究, 以消除这种异常的速度拉伸作用, 落实盐下构造的圈闭。

四川盆地东部广泛沉积的中、下寒武统的膏盐层塑性构造变形强烈, 与志留系泥页岩、嘉陵江组膏盐层在该地区组合为3套区域滑脱层, 形成构造分层变形。寒武系膏盐层发育的盐背斜与川东隔挡式构造的背斜成正相关关系, 寒武系膏盐层主要发育盐背斜; 志留系泥页岩由于下伏盐背斜对其阻挡作用, 形成强烈的滑脱构造作用, 中能干层强烈发育褶皱变形形成高陡背斜; 上覆嘉陵江组膏盐层受到下伏高陡滑脱褶皱强烈的抬升作用, 膏盐从正向构造向负向构造流动、增厚。寒武系膏盐层的构造作用对隔挡式构造格局具有控制作用。

膏盐层具有极佳的滑脱作用, 其构造变形在早期就能传递到膏盐层分布范围的前沿, 因此, 四川盆地东部寒武系膏盐盆的主要分布范围控制着构造变形的范围, 构造变形的前沿又约束了膏云质潟湖盆的原始沉积边界。寒武系膏盐盆西边界沿华蓥山向北沿水口厂构造向北西向延伸, 前延到大巴山前; 向南沿川南低陡构造带向南西延伸。