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通南巴背斜几何学、运动学与构造模型的构建

中国学术期刊网【地理地质论文】 编辑:天问 地质科学 2016-05-04通南巴背斜几何学、运动学与构造模型的构建论文作者:陈龙博 何登发 文竹 梅庆华 李英强,原文发表在《地质科学杂志》,经中国学术期刊网小编精心整理,仅供您参考。

关键词: 通南巴构造带 几何学 运动学 多层滑脱变形 构造楔
摘要: 通南巴背斜发育于四川盆地东北米仓山冲断构造带和大巴山弧形冲断构造带的构造叠合部位, 其形成与演化受到米仓山与大巴山的联合影响, 然而目前其变形特征以及变形机制认识尚且不清楚, 精细研究通南巴背斜构造几何学、运动学对于揭示背斜成因机制以及认识陆内构造变形具有积极作用.本文以覆盖通南巴背斜的三维地震资料为基础, 运用断层相关褶皱理论和平衡复原等方法, 精细刻画出通南巴背斜几何学与运动学特征, 并建立构造模型, 探讨其成因机制.研究表明, 通南巴背斜总体具有"东西分段、上下分层、早晚期构造叠加"的特征, 具体表现为: 1)受控于三叠系嘉陵江组膏盐滑脱层、志留系泥岩局部滑脱层以及前震旦系滑脱层, 通南巴背斜分为上、中、下、深4套构造层, 表现为多层滑脱变形特征, 其中, 中部构造层变形强度最大; 2)深部(前震旦系)构造楔发育于整个通南巴背斜, 其个数和几何学形态的变化直接影响了上覆背斜形态以及分段性背斜高点差异; 3)位移沿楔端点向前传递过程中, 受到川中刚性基底的阻挡, 背斜前翼旋转, 形成次级褶皱调节断层; 4)通南巴背斜晚期受大巴山向西南推覆挤压的叠加作用, 表现为中部构造层在东北段发育一系列双重构造和叠瓦构造, 并导致嘉陵江组以上地层被动变形褶皱. 

陈龙博1, 何登发1 , 文竹2, 梅庆华1, 李英强1 1. 中国地质大学海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室 北京 100083;
2. 国土资源部页岩气资源勘查重点实验室, 重庆地质矿产研究院 重庆 400042
基金项目: 国家自然科学基金重点项目(编号: 41430316)资助
陈龙博,男,1990年4月生,硕士研究生,构造地质学和石油地质学专业.
何登发,男,1967年12月生,博士,教授,构造地质学专业.本文通讯作者.
2015-05-10 收稿, 2016-01-22 改回.
 
中图分类号:P542 doi: 10.12017/dzkx.2016.004

川东北地区构造上即处于上扬子板块北缘与南秦岭板块交接部位,亦处于米仓山构造带和大巴山构造带的叠加部位。其特殊的大地构造位置吸引了大量学者进行构造变形与演化的研究(魏显贵等,1997;杜思清等,1998;罗开平等,2003;刘树根等,2006),研究者普遍认为米仓山山前发育3套构造层:下部为基底冲断构造,中部受控于震旦系和嘉陵江组—雷口坡组滑脱层,表现为被动顶板双重构造,上部呈现原地抬升的单斜构造(吴世祥等,2006a,2006b;李岩峰等,2008;吴磊等,2011;文竹等,2013);还有学者认为米仓山山前东段构造主要受晚三叠世—早侏罗世、晚侏罗世—早白垩世两期构造事件影响(董树文等,2006;施炜等,2007;武红岭等,2009;张忠义等,2009;张岳桥等,2010)。低温热年代学证据则表明米仓山在早白垩世以及新生代晚期发生强烈隆升(雷永良等,2009;常远等,2010;田云涛等,2010),而大巴山则表现为具有多期构造隆升,由山向盆地波动传递的特点(沈传波等,2007,2008;李瑞保等,2010;徐长海等,2010;Tian et al.,2012)。然而,通南巴背斜处于川东北地区,与两侧的米仓山和大巴山构造带具有重要的耦合关系,目前对其认识不够深入,缺乏细致的构造几何学、运动学定量研究与分析。本文以覆盖通南巴背斜的三维地震资料为基础,运用断层相关褶皱理论和平衡复原等方法,精细刻画出通南巴背斜几何学与运动学特征,并建立构造模型,探讨其成因机制。

断层与褶皱在变形过程中的相互作用是研究岩石构造变形几何学与运动学的关键,其理论基础主要包括经典的断层转折褶皱(Suppe,1983)、断层传播褶皱(Suppe and Medwedeff,1984,1990;Mitra,1990)、滑脱褶皱(Poblet and McClay,1996)以及褶皱调节断层(Dahlstrom,1970;Serra,1977;Mitra,2002),其余分支如构造楔、叠瓦构造、三角剪切、干涉构造等均是在前3个理论上发展起来的。本文主要涉及构造楔以及褶皱调节断层两种类型。构造楔是指具有明显的两个断坡或者一个断坡一个滑脱层中的断层,在楔型体的顶端合并,组成一个楔形三角形,并且上下断层滑移吸收楔形体顶端位移,从而形成褶皱(Medwedeff,1989);构造楔最主要的特征是上下断层同时形成并且同时发生相向的位移。而褶皱调节断层主要指在岩层褶皱过程中,其应力的变化被随后的次生断层调节,从而形成断层。

1 区域地质背景

通南巴背斜发育于米仓山冲断构造带和大巴山弧形冲断构造带的构造叠合部位,构造格局上受盆地基底构造形态、龙门山冲断带应力向南东传递、米仓山冲断带向南构造抬升以及大巴山冲断带向南西构造推覆的联合影响(图 1)。通南巴背斜构造形迹整体为北东方向,构造走向与米仓山冲断带斜交,斜切角约为30°,表现为一狭长的凸起,并在以北东方向凸起为主体的基础上叠加北西向构造。构造单元上属于米仓山前陆盆地中前陆隆起的一部分(吴世祥等,2006a)。通南巴背斜早期受到北东东向米仓山造山带的控制,其北东段表现为复背斜以及叠加褶皱特征,表明后期受到南大巴山逆冲推覆带影响(董树文等,2006,2010;施炜等,2007;武红岭等,2009;张岳桥等,2010)。

图 1(Figure 1)
图 1 通南巴背斜区域地质概况图
Fig. 1 Regional tectonic map of Tongnanba anticline
通南巴地区沉积充填完整,在前震旦系结晶基底上发育震旦系、寒武系、奥陶系、志留系、二叠系、三叠系、侏罗系以及白垩系多套地层,沉积厚度超过10 000 m。其中,晚三叠世之前沉积环境为海相沉积,中三叠世以后转变为陆相沉积。通南巴构造带背斜轴部出露最老的地层为侏罗系上沙溪庙组,向斜最新地层为白垩系。根据前人对四川盆地北部不整合面研究(李启桂等,2010;文竹等,2012;武赛军等,2015),米仓山前通南巴地区主要发育5个构造地层层序(图 2),分别为:基底构造层、震旦系构造层、下古生界构造层、二叠系—中三叠统构造层和上三叠统—白垩系构造层。基底构造层以变质岩和侵入岩为特征,自晋宁运动和澄江运动后,基底固结基本完成,表明四川盆地北部开始进入稳定的台地发展阶段(汪泽成等,2002);震旦系构造层是四川盆地铜湾运动的产物,导致了震旦系灯影组白云岩中发育大量溶蚀孔洞。下古生界构造层代表四川盆地进入稳定深水沉积时期,沉积了寒武系和志留系暗色泥岩。进入泥盆纪后,四川盆地整体抬升使米仓山前通南巴地区缺失泥盆系与石炭系,导致二叠系直接覆盖在志留系之上。二叠系—中三叠统构造层代表四川盆地北部进入相对稳定的海相沉积期,沉积了厚层中二叠统—中三叠统海相碳酸盐岩,是目前四川盆地北部主要的石油天然气产层(谢邦华等,2007),上三叠统—白垩系构造层是印支运动的产物,四川盆地从此由海相转为陆相,海水全部退出四川盆地,露头上以上三叠统须家河组砂岩平行不整合覆盖在中三叠统雷口坡组白云岩之上。通南巴地区同时发育多套滑脱层,包括:前震旦系变质岩深部滑脱层、下寒武统泥岩滑脱层、志留系泥岩滑脱层、三叠系嘉陵江组膏岩滑脱层(膏盐层主要发育于嘉陵江组二段、四段、五段)(金之钧等,2006;李辛子等,2013),这些滑脱层的发育影响了米仓山前通南巴地分层滑脱构造变形的格局。

图 2(Figure 2)
图 2 区域综合地层柱状图
Fig. 2 Regional stratigraphic column
2 通南巴背斜几何学与运动学特征

通南巴背斜构造带轴长90~100 km左右,幅度为1 100~1 750 m。背斜受多期次、多方向构造叠加而成,并且表现为上下分层,东西分段特征。前人根据通南巴背斜构造圈闭样式以及断裂展布特征,将通南巴背斜构造带划分为南阳场断鼻构造、涪阳坝断块构造和黑池梁段背斜构造(罗开平等,2003;吴世祥等,2006a,2006b)。在此基础上,笔者结合地震剖面的褶皱形态以及深部断裂特征,将通南巴背斜构造带划分为西南段、中段以及东北段。

2.1 西南段几何学特征

根据地表露头信息,通南巴背斜西南段核部出露上侏罗统蓬莱镇组,背斜浅表南翼地层约为18°,北翼地层约为14°,整体呈对称式背斜。从地震剖面上看,通南巴背斜形态规整(图 3a),但通过轴面分析,我们发现背斜轴面分别终止于雷口坡组底部以及志留系底部,背斜的高点也相应地发生了两次迁移,表明背斜上、中、下构造层变形不一致,表现为多层滑脱变形特征(图 3b、图 3c)。钻井资料证实三叠系嘉陵江组膏盐层在研究区主要发育于二段(T1j2)以及于四段—于五段(T1j4-T1j5),岩性为硬石膏盐岩、砂屑白云岩以及灰岩互层。以三叠系嘉陵江组膏盐滑脱层和志留系泥岩局部滑脱层为界,上部构造层表现为对称的隆状背斜,南北两翼地层倾角以及地层厚度基本保持一致,并且发育沿膏盐层滑脱的北西向反冲断层;中部构造层变现为近平顶状背斜,但南翼倾角相对更大;而下部构造层则表现为非对称的平顶箱状背斜,地层厚度顶薄翼厚,北翼宽缓,南翼陡窄并且发育一条逆冲断层,向上断入嘉陵江组地层,可能消失于嘉陵江组膏盐滑脱层中,向下则可能断开前震旦系地层。下部构造层的几何学形态往往与深部的断层几何学特征息息相关,通过分析下部构造层的背斜、向斜轴面的个数以及生成原因,认为深部构造楔的发育控制了下部构造层的几何学特征。该构造楔由F1断裂和前震旦系滑脱层(充当反冲断层)相互连接组合楔形三角形,楔端点位于前翼向斜轴面的位置,位移由北西向南东传递。

图 3(Figure 3)
图 3 通南巴背斜西南段地震剖面解释结果(剖面位置见图1A-A′)
Fig. 3 Seismic interpretation along southwest segment of Tongnanba anticline(see profile location A-A′ on Fig. 1)
2.2 中段几何学特征

通南巴背斜中段构造变形明显强于西南段,并且表现出典型的多层变形特征(图 4a)。同样受控于三叠系嘉陵江组膏盐滑脱层和志留系泥岩局部滑脱层,上部构造层整体表现为地层北东倾的单斜形态,并且向南西方向逐渐变平。浅表地层倾角在6°~13°之间,后缘出露中三叠统沙溪庙组,前缘出露白垩系。受到三叠系嘉陵江组膏盐层的调节,中-下部构造层发育复背斜,北高,南低,褶皱幅度中等。在单个复背斜的前翼均发育断距较小的次级断层,但通过地震剖面无法确定断层上下端点的终止位置,可能向上终止于嘉陵江组膏盐层中,以及向下终止于构造楔拐点(图 4b与图 4c虚线部分)。同样根据轴面分析,解释出深部发育双构造楔,该双构造楔由F1断层、 F2断层以及前震旦系滑脱层(充当反冲断层)组成,两个构造楔的拐点分别控制了复背斜的两个背斜轴面,两个楔端点分别对应复背斜前翼的两个向斜轴面。

图 4(Figure 4)
图 4 通南巴背斜中段地震剖面解释结果(剖面位置见图1B-B′)
Fig. 4 Seismic interpretation along middle segment of Tongnanba anticline(see profile location B-B′ on Fig. 1)
2.3 东北段几何学特征

通南巴背斜构造带的东北段受到米仓山前缘基底逆冲推覆作用的影响,整体出现构造抬升现象,亦是通南巴构造带中构造隆升幅度最高的部位,同时又受到南大巴山西段挤压应力叠加改造的影响,导致东北段构造变形特征十分复杂(图 5a)。从地震反射剖面上看,东北段同样表现出明显的多层滑脱变形特征,上部构造层褶皱作用中等,地层相对连续,但沿三叠系嘉陵江组膏盐滑脱层,仍发育较多由山向盆,由北西向南东的逆冲断层。中部构造层被北东向以及北西向断层大规模错断,断距近千米,褶皱强烈,同时在靠山的区域,膏岩层的构造增厚现象明显。而下部构造层反而表现出相对较弱的构造变形特征,通过轴面分析,解释出发育具有3个背斜高点的低幅度复背斜,以及两条发育与复背斜前翼的小断距断层。虽然变形复杂,但仔细分析轴面成因,同样可以解释出深部发育3个构造楔。其特征是由F1、 F2、 F3前震旦系滑脱层(充当反冲断层)组成,形成具有3个楔端点的复合构造楔,每个构造楔的拐点对应复背斜的每个背斜高点,每个楔端点则对应复背斜每个前翼的向斜轴面。

图 5(Figure 5)
图 5 通南巴背斜东北段地震剖面解释结果(剖面位置见 图1C-C′)
Fig. 5 Seismic interpretation along northeast segment of Tongnanba anticline(see profile location C-C′ on Fig. 1)
2.4 北东—南西向几何学特征

除主体北东向构造以外,通南巴背斜构造带还发育大规模的近东西向—北西向展布的构造,它们的形成受到大巴山弧形构造带向盆地推覆的直接影响(黄继钧,2000;罗寿兵等,2007;姜复东等,2008;樊靖宇等,2009)。因此,分析通南巴背斜北东—南西向的几何学特征具有重要意义,可以进一步认识大巴山构造带对通南巴背斜形成的影响。

结合地表地层与产状,钻井资料以及地震剖面信息,笔者选取三维测线中的一条过井的北东—南西向地震测线(图 6a),对其进行精细的构造解释。纵向上,通南巴背斜表现为明显的多层滑脱特征,以三叠系嘉陵江组膏盐滑脱层为界,受膏盐层的调节,以上岩层变形相对较弱,发育一系列次级褶皱以及一定数量的反冲断层,表现为被动变形特征。而以下的岩层则变形相对较强,在靠山的位置发育一系列以三叠系嘉陵江组膏盐层为顶板、志留系泥岩层为底板,以及以志留系泥岩层为顶板、下寒武统泥岩为底板的双重构造,致使膏盐层构造增厚(图 6b、图 6c)。下寒武统泥岩滑脱层以下的岩层则变形微弱,地层平整,仅受前震旦滑脱层影响而形成褶皱,且无断裂发育。横向上,通南巴背斜分段性特征明显可见,西南段褶皱幅度以及强度较小,仅在陈家坝地区发育“y”字型断裂。中段则发育一系列的次级小褶皱以及小规模的逆冲和中等规模的反冲断层。东北段变形最强烈,褶皱幅度大,大量断裂发育,表现出明显的叠加现象,后期大巴山西段近东西向应力构造叠加于早期米仓山东段近东西向应力之上,地表表现为构造轴线发生明显的变化,而地下则表现为明显的薄皮构造,中部构造层发育一系列双重构造和叠瓦构造,使地层明显加厚,并导致嘉陵江组以上地层被动变形褶皱。

图 6(Figure 6)
图 6 通南巴背斜北西向构造地震剖面解释结果(剖面位置见 图1 D-D′)
Fig. 6 Seismic interpretation along NE trend of Tongnanba anticline(see profile location D-D′ on Fig. 1)
对覆盖背斜西南段、中段以及东北段骨干剖面以及联络线的上、中、下构造层分别进行平衡剖面复原,并计算每层的缩短量/率(表 1),从垂直于背斜轴迹的剖面缩短率可以看出,北西—南东向整体的缩短率从西南段到中段再到东北段逐渐增大,以三叠系嘉陵江组膏盐层以上的上构造层为例,南段缩短量约在0.35 km(1.5%)左右,中段在0.73 km(3.1%)左右,而东北段达1.28 km(5.4%)。纵向上来看,不同构造层表现出不同的缩短率,除了L340测线,其余测线中部构造层的缩短率均大于上下两层,并且缩短率的差异越靠近东北段越大,这种现象的出现表明了多层滑脱变形特征。

表 1(Table 1)

表 1 通南巴背斜分层分段构造缩短量/率统计表Table 1 Tectonic shortening amount/rate of Tongnanba anticline across different structural layers and segments L340 L640 L1260 L1580 L2200 L2500 Trace710
上构造层 0.35 km
(1.5%) 0.37 km
(1.6%) 0.34 km
(1.45%) 0.73 km
(3.1%) 0.99 km
(4.2%) 1.28 km
(5.4%) 1.58~3.3 km
(2.2%~4.6%)
中构造层 0.7 km
(3.0%) 0.8 km
(3.4%) 0.99 km
(4.2%) 1.44 km
(6.1%) 3.95 km
(16.3%) 3.01 km
(15.2%) 5.32~7.91 km
(7.4%~11.0%)
下构造层 0.83 km
(3.5%) 0.78 km
(3.3%) 0.82 km
(3.5%) 1.39 km
(5.9%) 2.25 km
(9.5%) 2.25 km
(9.5%) 2.16~5.04 km
(3.0%~7.0%)
三维骨干剖面(L)长度均为23.658 km, 联络线(Trace)为71.935 km
表 1 通南巴背斜分层分段构造缩短量/率统计表
Table 1 Tectonic shortening amount/rate of Tongnanba anticline across different structural layers and segments
3 通南巴背斜运动学特征

断层相关褶皱以及褶皱相关断层理论(准确的说,褶皱调节断层应为“褶皱相关断层”理论的一部分)的提出至今已经得到深入的研究以及广泛的应用(卢华复等,2000;何登发等,2005;邬光辉等,2007),然而在自然界中,岩层的褶皱过程很难受单一模型的影响,其褶皱变形往往伴随着其中两者,甚至三者的混合。