鄂西仙女山斷裂構造演化及其對長陽背斜圈閉性的影響

鄧銘哲，何登發(fā)，張煜穎

(中國地質大學(北京) 能源學院，北京 100083)

中國南方揚子地區(qū)海相地層有著巨大的油氣勘探潛力[1]。但是，揚子地區(qū)經歷了復雜的構造演化過程，各時期形成的盆地、地質體、地下流體均受到了多次的改造作用，油氣保存條件受到了一定的影響和破壞。湘鄂西褶皺帶位于中揚子地區(qū)，發(fā)育多套滑脫層和多套有利烴源巖，形成了多個相對穩(wěn)定油氣保存單元，具有較好的成藏潛力。仙女山斷裂位于湘鄂西褶皺帶東部，長期以來，圍繞仙女山斷裂帶的研究主要集中在其延伸范圍[2-4]、活動歷史[5-7]及其與三峽庫區(qū)安全性和地震活動特征的關系[8-12]等方面。在仙女山斷裂的北段，可見多處地表瀝青顯示，在其中段東側和南段，可見油苗顯示，說明仙女山斷裂所在區(qū)域有著一定的油氣成藏潛力。但是，以長陽背斜為代表的湘鄂西褶皺帶東部卻未能形成可供開采的油氣藏，這可能是由于湘鄂西地區(qū)東部的保存單元受到了仙女山斷裂影響。

本文利用區(qū)內最新的地震剖面，結合區(qū)域地質圖分析、淺表構造剖面繪制等手段，刻畫了仙女山斷裂的幾何形態(tài)，并結合油氣成藏史，探討了仙女山斷裂對湘鄂西東部長陽背斜地區(qū)油氣藏調整、散失的作用及其對油氣圈閉有效性的破壞作用。

1 區(qū)域地質背景

湘鄂西地區(qū)古生代早期為古斜坡沉積環(huán)境，印支期隨著雪峰陸內變形系統(tǒng)的活動形成大規(guī)模古隆起，造成了三疊系頂部地層的部分剝蝕；燕山早期，湘鄂西地區(qū)發(fā)生劇烈的沖斷褶皺變形，奠定了現(xiàn)今構造格局的基礎。該區(qū)以下震旦統(tǒng)陡山沱組暗色泥頁、下寒武統(tǒng)筇竹寺組暗色泥巖、上奧陶統(tǒng)五峰組暗色泥巖和下志留統(tǒng)龍馬溪組暗色泥巖為主要的烴源巖，以厚度較大的三疊系嘉陵江組、巴東組白云巖和上三疊統(tǒng)砂巖為主要儲集層，以龍馬溪組和中三疊統(tǒng)泥巖為主要蓋層；生儲蓋組合為陡山沱組—上震旦統(tǒng)燈影組—下寒武統(tǒng)組合，下寒武統(tǒng)—中上寒武統(tǒng)—下奧陶統(tǒng)組合，五峰組+龍馬溪組泥巖—龍馬溪組上部+中志留統(tǒng)組合，上二疊統(tǒng)—下三疊統(tǒng)—中三疊統(tǒng)組合。加里東期構造活動控制了油氣成藏的物質基礎與油氣運聚，印支期構造活動控制了油氣藏的調整和再次運移，而燕山期對油氣圈閉的保存條件產生了改造作用。

仙女山斷裂位于黃陵背斜西南、湘鄂西褶皺帶東部，與長陽背斜近垂直相交，屬于湘鄂西褶皺帶內的近南北向斷裂系統(tǒng)，此系統(tǒng)內還包括高坪斷裂、松園坪斷裂等構造。仙女山斷裂延伸長度最大，斷裂自秭歸地區(qū)荒口延伸至漁洋關斷裂(圖1)，前人將該斷裂分為北段(狹義的仙女山斷裂或荒口斷裂)、中段(都鎮(zhèn)灣斷裂)、南段(橋溝斷裂)三部分[13-14]。仙女山斷裂整體呈NNW至SSE走向，長約90 km，北段西傾，中段、南段傾角高陡，整體東傾。

在仙女山斷裂的北段，早白堊世地層沿斷裂東側分布，與下伏古生代地層成不整合接觸，斷層西側古生代至中生代早期地層逆沖于早白堊世地層之上。仙女山斷裂中段切過長陽背斜，兩側地層最老為震旦系，斷裂兩側，背斜的軸跡發(fā)生了明顯的錯斷。長陽背斜南翼，仙女山斷裂右行走滑的特征明顯，將長陽背斜南翼的向斜錯斷裂為西側的馬連向斜和東側的馬鞍山—落雁山向斜。仙女山斷裂南段，斷裂兩側地層為寒武系和奧陶系，垂直斷裂走向發(fā)育數(shù)條南傾的次級斷裂。

仙女山斷裂地區(qū)中生代地層主要為陸相沉積的砂巖和礫巖，古生代地層以海相沉積為主，志留系與寒武系在仙女山斷裂區(qū)域內厚度較大，志留系下部、中寒武統(tǒng)下部、下寒武統(tǒng)下部均發(fā)育厚度較大的頁巖層，可以作為區(qū)域內構造變形的主要滑脫層。

2 仙女山斷裂構造特征

2.1 地震剖面解釋

仙女山斷裂中段地震剖面的基準面高程為1 300 m，由于本區(qū)域內缺少鉆井資料，本次研究通過將地質圖上地層分界點與數(shù)字高程數(shù)據(jù)投影到地震剖面上方，確定地震剖面中反射軸所對應的層位；地表未出露的中、下寒武統(tǒng)所對應的同相軸，通過其他與此地震剖面相交剖面，按同樣的方法從地表地層分界點對應的同相軸追蹤得出。剖面上，南華系、震旦系底界分別對應一套中—高振幅的連續(xù)反射，頻率中等，震旦系對應同相軸的連續(xù)性好于南華系；震旦系底界與南華系底界之間為一套弱反射，局部為空白反射；震旦系底界以上為一套中振幅的連續(xù)反射，其頂面變?yōu)槿醴瓷涞牟课粚潞浣y(tǒng)底界；下寒武統(tǒng)整體為一套中—弱反射，內部同相軸連續(xù)性差；中寒武統(tǒng)和上寒武統(tǒng)分別對應一套中振幅連續(xù)反射，中寒武統(tǒng)對應同相軸連續(xù)性差，上寒武統(tǒng)底界對應同相軸連續(xù)性較好。地震剖面上，對應地表仙女山斷裂帶所在位置，地震同相軸彎曲，連續(xù)性差，頻率高。

地震剖面解釋表明，中寒武統(tǒng)在剖面中部沿一條連通了中寒武統(tǒng)和下寒武統(tǒng)頁巖滑脫層的斷裂發(fā)生了疊置(圖2①)。仙女山斷裂所對應的位置，恰好為剖面東部平緩反射軸上部一組彎曲反射軸的西翼，仙女山斷裂沿這一向斜的底部向下切入下寒武統(tǒng)頁巖滑脫層中，仙女山斷裂在此處為一東傾的正斷層。剖面東部地層遭受了明顯的抬升，下伏的逆沖斷裂活動可能是促使此處地層抬升的主要原因。

2.2 構造樣式分析

圖1 鄂西仙女山斷裂區(qū)域地質特征及其附近油氣顯示修改自參考文獻[15]。

根據(jù)由地震剖面解釋的結果，本文結合區(qū)域地質圖提供的地層厚度信息，補出了剖面上已經遭受剝蝕的部分，得到仙女山斷裂中部的構造樣式圖(圖2②)。依據(jù)斷層相關褶皺理論[16]，此條剖面上主要存在3種構造樣式。剖面中部中寒武統(tǒng)的疊置增厚是以圖2②A中斷層轉折褶皺的形式實現(xiàn)的；東側的地層沿中寒武統(tǒng)內部破裂面逆沖到西側地層之上，從位移量上分析，此斷層轉折褶皺的位移量已經大于其褶皺后翼的長度，發(fā)展到了平頂拓寬階段(圖2②A3)。此時，斷層相關褶皺的斷層切層角等同于褶皺的后翼長度，斷層位移距離等同于褶皺后翼長度加上褶皺平頂活動軸面到背斜抬升階段不活動軸面的距離。此斷層轉褶皺遭受了改造，這樣的改造作用是由圖2②B中構造楔的活動所引起的，此構造楔形成于斷層轉折褶皺的下方，形成了2個不同傾角的膝折帶，說明此構造楔由2個次級的構造楔組成。構造楔前沖斷層在構造變形開始時與南華系下部的片麻巖滑脫層共同構成了構造楔的初始形態(tài)(圖2②B)，在構造楔運動過程中，通過活動軸面后，構造楔自身也發(fā)生轉折，構造楔的楔頂角等同于構造楔位移后形成膝折帶的傾角，位移量等同于膝折帶的長度。

圖2 鄂西仙女山斷裂中部地震剖面解釋及構造樣式分析

仙女山斷裂為一條東傾的正斷層，在此剖面上(圖2②)的傾角自上而下可分為逐漸變緩的3個等傾角區(qū)。其基本構造模式如圖2②C所示，符合正斷層轉折褶皺模型，在斷層上盤向東位移的過程中，不活動軸面從斷層2個轉折點的活動軸面出發(fā)，在活動軸面與對應的不活動軸面間，地層受剪切作用影響，發(fā)生減薄，上下盤同一時期地層端點間距、活動軸面與不活動軸面間距離與伸展活動形成的斷裂位移量相等。

地震剖面所揭示的構造樣式表明，仙女山斷裂所在背斜的深部發(fā)生了地層疊置，形成了較為良好的封閉空間，而仙女山斷裂自地表延伸至下寒武統(tǒng)滑脫層，并以正斷層為主要活動方式，使得背斜遭受改造，原有的密閉空間遭受了破壞。

在分析仙女山斷裂構造模式的基礎上，結合圖1中其他淺表構造地質剖面，本次研究繪制了仙女山斷裂的擬三維結構(圖3)，并根據(jù)形成過程對仙女山斷裂進行了重新分段。北段從秭歸盆地東南延伸至仙女山斷裂與九灣溪斷裂的交界處，此時仙女山斷裂兩側的地層主要為中生代、古生代地層，整體走向約165°，局部發(fā)生彎曲，傾向西或西南，主要表現(xiàn)為逆沖斷裂的性質；中段從仙女山斷裂與九灣溪斷裂的交界處延伸至長陽背斜軸部北側，兩側地層主要為古生代地層，整體走向為157°，局部近南北走向，傾向東，主要表現(xiàn)為正斷層活動性質，后期可能遭受擠壓應力的改造而在局部形成了小位移量的逆斷層；南段從長陽背斜軸部北側延伸至漁洋關斷裂，兩側地層主要為寒武系、奧陶系等早古生代地層，走向從144°變?yōu)?67°，傾向東，斷裂主要表現(xiàn)為正斷層的特征，局部發(fā)生了較為強烈的右行走滑運動和逆沖活動。

2.3 仙女山斷裂形成演化

結合湘鄂西褶皺帶的遞進變形過程和區(qū)域地質資料的分析，本次研究認為，仙女山斷裂各部分的形成先后次序可以大致分為晚侏羅世—早白堊世南段右行剪切與局部逆沖、晚白堊世中、南段伸展破裂和古近紀北段逆沖推覆3個階段。

(1)晚侏羅世，在湘鄂西褶皺帶向北遞進變形的過程中[18]，仙女山斷裂帶開始形成。隨著褶皺變形量的增加，在同一構造不同部位變形量差異的不斷累積，促使了以仙女山斷裂南段為代表的近南北走向走滑斷裂的形成，此時仙女山斷裂實際是一條調節(jié)湘鄂西褶皺帶北緣內部變形的調節(jié)斷裂。在仙女山斷裂南段調節(jié)長陽背斜南翼褶皺構造位移量的過程中，斷裂作為一條右行走滑斷裂也改造了褶皺的局部形態(tài)，使得長陽背斜及其兩側的眾多向斜褶皺構造軸跡并不連續(xù)，仙女山斷裂西側的褶皺被向北錯動，下樹背斜的軸跡形成了向北彎曲的形態(tài)。仙女山斷裂向南、北方向傳播破裂的時間在長陽背斜形成之后，地質圖上可以清楚看到長陽背斜的軸跡被仙女山斷裂錯斷約2 km，而其形態(tài)并未發(fā)生受斷裂右行牽引形成的明顯彎曲(圖4a)，而且仙女山斷裂走滑活動的位移向北逐漸減小。此階段內，受區(qū)域內構造變形擠壓應力的影響，仙女山斷裂局部與構造應力方向呈一定夾角的部位也發(fā)生了逆沖構造活動。隨著變形的進一步加劇，垂直于仙女山斷裂南段的次級逆沖斷裂和集中分布在漁洋關斷裂和仙女山斷裂兩側的右行走滑斷裂也開始形成(圖4b)，長陽背斜的軸跡也被錯斷。仙女山斷裂的北段可能也受走滑作用影響，發(fā)生了破裂，但并未形成明顯的位移。值得注意的是，走滑斷裂面的傾角大多陡立，在局部可以為西或南西傾向，也可以為東或北東傾向，這可能為之后仙女山斷裂不同部分上出現(xiàn)產狀陡變埋下伏筆。總體而言，此階段仙女山斷裂南段的活動具備壓扭性斷裂活動的特點，而構造變形的范圍主要局限于長陽背斜及其南側的褶皺構造內。

(2)晚白堊世，在走滑活動發(fā)生之后，仙女山斷裂發(fā)生了一期以伸展為主的正斷層活動，此期構造活動是中國東部晚白堊世發(fā)生廣發(fā)伸展構造活動的一部分。此階段正斷層活動產生的位移量并不大，但促使仙女山斷裂向南、北方向擴展，也對長陽背斜形成了明顯的破壞作用。九灣溪斷裂帶是仙女山斷裂帶中段向北延伸時形成的(圖4c)，此時九灣溪斷裂為一條正斷層。同時，仙女山斷裂帶南段延伸至漁洋關斷裂，形成了現(xiàn)今仙女山斷裂南段以正斷層為主要變形形式的部分。此階段仙女山斷裂的活動仍具有一定的右行走滑性質，在仙女山斷裂南段仍形成了不少垂直斷裂走向的次級逆沖構造。處于伸展作用下的地層相對擠壓環(huán)境更容易發(fā)生破裂，由此使得仙女山斷裂切穿了中寒武統(tǒng)頁巖滑脫層，到達寒武系底部，這一期伸展活動形成的斷裂終止于寒武系頁巖滑脫層，小于仙女山斷裂南段斷裂形成的位置。此時，仙女山斷裂已經成為區(qū)域內一條具有較大規(guī)模的斷裂。

(3)古近紀末期，青藏高原隆升對中國中、西部地區(qū)產生了廣泛的擠壓作用，仙女山斷裂發(fā)生東向逆沖活動，形成了仙女山斷裂北段的逆沖斷面(圖4d)，使得仙女山斷裂北段中生代早期、古生代地層逆沖在白堊紀地層之上。在這一期活動中，先期仙女山斷裂北段由于走滑和伸展形成的微弱破裂連接成了一條向西傾斜的逆沖斷層，并最終與仙女山斷裂中段相連。九灣溪斷裂同樣發(fā)生了逆沖活動。仙女山斷裂中、南段也在此應力環(huán)境下在先期正斷層活動位移量較小的部位形成逆斷層，并在斷層東西兩側形成次級的褶皺構造。此階段最終促使了仙女山斷裂的定型。

3 仙女山斷裂對油氣藏的破壞作用

長陽背斜所在區(qū)域內的主要烴源巖與湘鄂西地區(qū)的相同。前人的研究表明，湘鄂西地區(qū)以下寒武統(tǒng)為區(qū)域蓋層的下部成油氣組合和以志留系為區(qū)域蓋層的上部成油氣組合，為油氣組合的主要類型[19]。加里東期湘鄂西地區(qū)進入生油階段，至華力西—印支期達到生油高峰，晚三疊世—侏羅紀，油氣藏發(fā)育至生成凝析油階段，并進入生氣高峰。因此，晚三疊世后的燕山運動成為影響湘鄂西地區(qū)油氣保存條件的最主要構造運動。

晚侏羅世—早白堊世，長陽背斜形成，仙女山斷裂發(fā)生早期走滑活動。長陽背斜內部，寒武系發(fā)生疊置、彎曲，同時震旦系、下寒武統(tǒng)烴源巖在此區(qū)域內又具有較大的厚度，而志留系泥頁巖等上覆地層還未遭受剝蝕，長陽背斜具有成為油氣藏有利圈閉構造的可能。仙女山斷裂早期的走滑活動對長陽背斜產生了一定改造，但是由于其自身壓扭性的活動方式，仙女山斷裂同樣具有較好的封閉性，能夠與長陽背斜形成背斜—斷裂復合的構造圈閉。此階段內，仙女山斷裂對長陽背斜地區(qū)油氣藏的破壞作用并不明顯，而是油氣圈閉形成的有利條件之一。

仙女山斷裂晚白堊世的伸展活動，促使斷裂向南、北方向延伸，使得長陽背斜本身的構造圈閉封閉性大大降低；同時，斷裂以伸展活動為主，縱向上切割了寒武系、奧陶系、志留系等上覆地層，并形成大量近垂直的次級破裂構造，使得原有的地層圈閉條件大大減弱，而斷層自身也不再具有封閉性，促使了區(qū)域內油氣的大量散失。圖1中仙女山斷裂南、北兩端的構造均可見明顯的油氣顯示，而仙女山斷裂所在區(qū)域卻不見油氣顯示，這種差異性直接證明了仙女山斷裂正是破壞了長陽背斜圈閉的構造，也是背斜內油氣向南、北方向在此運移的通道。因此，仙女山斷裂在此階段內的活動是破壞長陽背斜所在區(qū)域油氣圈閉的主要因素。

圖4 鄂西仙女山斷裂形成過程示意

古近紀末期仙女山斷裂逆沖活動的主要作用是對斷裂帶的形態(tài)產生了一定的改造，與區(qū)域內油氣保存條件的關系不大。

結合仙女山斷裂所在的斷裂系統(tǒng)，可以進一步推測，在湘鄂西地區(qū)，縱向切穿褶皺的斷裂構造，在疊加了晚白堊世伸展構造活動之后，均有可能成為破壞油氣圈閉的構造，會大大降低所在背斜的油氣封閉性。

4 結論

(1)仙女山斷裂帶是一條北段西傾，中段、南段東傾的斷裂帶。仙女山斷裂的形成過程可分為3個階段：晚侏羅世—早白堊世，斷裂南段形成，并發(fā)生走滑作用；晚白堊世，斷裂中、南段發(fā)生伸展作用，同時斷裂向南、北方向擴展；古近紀，斷裂北段發(fā)生逆沖活動，形成現(xiàn)今的斷裂形態(tài)。

(2)晚侏羅世仙女山斷裂的走滑活動對湘鄂西長陽背斜的油氣圈閉沒有明顯的破壞作用，晚白堊世仙女山斷裂的伸展活動，破壞了長陽背斜的油氣圈閉。

(3)湘鄂西地區(qū)已經發(fā)生類似斷裂活動的地區(qū)，其油氣勘探潛力可能相對較小。

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