李卿 ，李忠权 ，王森 ，马启科 ，李娟 ，万双双

（1.成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610059；2.四川省安全科学技术研究院，四川 成都 610000）

近年来，随着石油勘探技术的进步和人们对油气资源需求的增加，国内外石油勘探学家对龙门山构造带日趋关注。该区受多重应力影响，构造形变强烈，加之地质条件复杂，在纵向上发育多套滑脱层；滑脱层在受到应力作用的过程中，容易发生塑性流动，且受变形不规则性等因素的影响，导致地震资料信噪比不高，地震资料效果差，地震解释成果存在较强的多解性，给构造模式认识带来很大困难。因此，还需对地震地质开展深入研究。

1 地质概况

天井山地区主要位于四川省江油市境内，东边区域跨入广元市境内罗妙真村（属剑阁县）。工区为一北东向的长方形区块，其东南起于江油市厚坝—广元盐店一线，西达江油市沉永—雁门一线。

天井山地区属山地地貌，地势险峻，山体绵延，沟壑纵横，山系以北东向为主，地表高程在500～2 000 m，总体呈西北高、东南低，属龙门山前陆推覆-冲断带和龙门山前陆盆地。区内地面正向构造主要为天井山构造（南段)，其次有苟家垭倒转背斜和水跟头倒转背斜等，断裂众多，主要的区域性大断裂为雁门坝断裂和马角坝断裂（也称彭-灌断裂）。由于特殊的构造位置，地面构造复杂多样，其构造与断层的走向多为近北东向。出露地层以古生界和中生界为主，主要为三叠系、二叠系、石炭系、泥盆系及寒武系，岩性总体上以碳酸盐岩为主。在侏罗系出露区其地面构造简单；而在三叠系及其更老地层出露区地面构造极其复杂，断层也十分发育，多伴有断裂破碎带产生，有的区域性大断层破碎带宽度可达数米，地层倾角变化剧烈，山体部位地层陡倾，褶皱强烈，局部地层直立倒转，各层系间多以大倾角的断层接触分界［1-8］。

2 构造演化

以天井山地区的主要地震剖面精细解释为基础，选取了一条北西—南东向横穿构造带的主格架地震剖面——天井山14线剖面，进行构造演化分析。总体来说，龙门山构造带的形成主要经历了4个阶段：1）伸展拉张成盆阶段（震旦纪—中三叠世末），龙门山处于伸展动力学环境，拉张成盆，接受海相碳酸盐岩沉积，地层伸展率超过8%，其中马角坝断层在该时期为多期活动正断层；2）陆隆伸展演化阶段（晚三叠世—中侏罗世末），龙门山前缘因重力滑覆形成一系列的高角度逆冲断层和相关褶皱，马角坝断层反转成为逆断层，地层收缩率达到20%以上；3）抬升剥蚀阶段（晚侏罗世—早白垩世末），以垂直升降和剥蚀作用为主，该时期构造变形很小；4）继承改造阶段（晚白垩世—现今），欧亚板块与印度板块碰撞产生强烈的挤压作用，大幅改造前期形成的构造，并发育一系列逆冲推覆构造，收缩率超过30%，剥蚀后表现为现今的构造形态（见图1）。

2.1 伸展拉张成盆阶段

寒武系地层，总体表现为南东厚、北西薄，地层长度约133.9 km（见图1a）。此时扬子板块西缘长期发育一个呈南北向的龙门山古岛链，持续保持伸展构造环境，沉积了一套碳酸盐岩-泥、页岩建造。晚奥陶世华北板块与中秦岭古岛弧碰撞之后，整个扬子板块北缘结束了其活动大陆边缘伸展构造演化阶段，进入板块碰撞-弧后盆地构造反转时期［9］。该时期已经发育有倾向为北西的正断层，即早期的马角坝断裂。

志留纪末期，加里东运动使四川克拉通盆地隆起，沉积的志留系地层遭到剥蚀，马角坝正断层下盘志留系地层剥蚀殆尽，上盘志留系地层遭受一部分剥蚀。志留系沉积剥蚀后，地层总体上还是表现为北西厚南东薄，地层长度约141 km，相对于志留系沉积前伸展了5.3%（见图1c）。早期发育的北西端的马角坝断裂在该时期持续活动，尤其是马角坝断裂断距较大，为同沉积断层，从而造成断裂两侧志留系地层厚度的差异，北西厚，南东薄。

图1 天井山14线演化史剖面图

泥盆、石炭系沉积时期，早石炭世，扬子板块西缘的邛崃-宝兴杂岩、彭灌杂岩隆升出露水面。邛崃-宝兴杂岩向东经大邑苟家乡已经与克拉通东部广阔的地台剥蚀区连成一片，剩下孤立的彭灌杂岩成为克拉通西缘向北凸出的半岛环境，其西、北、东三面均有下石炭统沉积。中、晚石炭世，该半岛向北延伸，致使彭灌杂岩北部缺失中、上石炭统沉积［9-10］。早期马角坝断层继续活动，为同沉积正断层，因而马角坝断层上盘泥盆系地层的沉积厚度远大于下盘的沉积厚度。该时期枫顺场、天井山地区仍处于伸展动力学环境，地层伸展至143.8 km，伸展率为3.6%（见图1d）。

二叠系地层沉积时期，在经历早期（梁山期）短暂的陆相沉积环境之后，海水开始大规模侵入。扬子板块西缘长期发展的龙门山古岛链消失，成为龙门山水下隆起带；北缘的大巴山古陆亦淹没水下。栖霞期，龙门山地区海水还不太深，属扬子板块的陆缘隆起沉积环境，其中的极浅水部位存在经常出露水面的屿、礁，能够接受淡水淋滤作用，从而形成栖霞组豹斑白云岩和砂糖状白云岩［10］。此时构造活动相对平静，受到伸展运动的影响，地层伸展至148.3 km，伸展率为3.1%。马角坝正断层在该时期已经停止发育（见图1e）。

嘉陵江组—须家河三段沉积期间，早三叠世，扬子板块西北缘平武附近的摩天岭构造带有间歇性海底火山喷发，仍为伸展构造环境；中三叠世，龙门山岛链将龙门山裂陷槽与川西特提斯洋分隔开来，西侧沉积一套杂谷脑组海相复理石建造，东侧沉积了一套雷口坡组含蒸发岩的局限海碳酸盐岩建造［10］。天井山地区构造稳定，地层总体表现为北西厚、南东薄，仅受到伸展运动影响，使地层延伸至149.1 km，伸展率为0.56%（见图1f）。该时期地层总伸展量达到14.3 km，最大伸展率为11.3%。

2.2 陆隆伸展演化阶段

印支三幕时期，随着秦岭大洋的全面关闭，南秦岭构造带的最终形成，以及印度板块向欧亚板块的俯冲作用，使青藏高原和松潘-甘孜高原抬升［11］，在松潘-甘孜和龙门山之间形成了一斜坡。由于后缘拉张，在重力滑覆作用下，于龙门山前缘形成局部挤压环境，发育一系列高角度逆断层，形成了龙门山前缘冲断带，发育薄皮构造；由于后缘抬升，北西高南东低形成一斜坡。早期形成的马角坝正断层在该时期发生反转变为高角度逆断层，并在天井山构造前翼发育4条上陡下缓逆断层，形成叠瓦状构造。该期产生的逆冲断层下部均在前震旦系地层内滑脱，上部大多出露地表，仅靠近前缘的2条断层未出露地表；一条断层上部消失在须家河组地层内，另一条断层上部消失在飞仙关组地层断层上盘的地层内。该时期剖面急剧收缩至117.4 km，收缩率为 21.2%（见图 1g）。

2.3 抬升剥蚀阶段

图1h显示，龙门山形成后，天井山构造及其以西地区均出露地表，遭受剥蚀；而天井山构造以东形成前陆盆地，沉积了须家河组上部地层。由于龙门山后缘为一斜坡，所以剥蚀量远大于龙门山前缘，雷口坡组以上地层剥蚀殆尽，雷口坡地层也在靠近马角坝断裂附近有部分残留。前缘地层相对剥蚀较少，只在背斜核部部分须家河组下部地层遭受剥蚀。

龙门山前缘的上侏罗系莲花口组下部、下白垩统剑门关组下部或天马山组下部普遍发育冲积扇相的砾岩。彭灌至天全地区的上白垩统夹关组底部也发育有冲积扇相的砾岩，上白垩统北段前缘无沉积。上述地层的分布和沉积特征说明，盆地西南部及龙门山确实存在燕山中幕（J3p—K1）及燕山晚幕（K1—K2），但燕山晚幕更突出。若物源区的隆升与山前凹陷幅度呈负相关关系，根据上、下白垩统的厚度变化推测，龙门山北段在晚侏罗世至早白垩世较南段抬升幅度大。另外，从冲积扇的砾石成分分析，碳酸盐岩类的砾石主要是中、上泥盆统至下三叠统的灰岩及白云岩，碎屑岩类的砾石主要是下泥盆统及志留系或更老地层的砂岩。这些地层当时分布在北川断裂或五龙断裂一带，据此推测北段已切割剥蚀至下泥盆统及其以下地层［12］。

2.4 继承改造阶段

喜山运动使龙门山后缘发生强烈的基底卷入型褶皱变形，地层及早期滑脱面在强烈挤压作用下褶皱抬升，形成枫顺场对冲构造及仰天窝向斜，并发育了一系列逆冲断层，由于后缘地层变形十分强烈，地层大量遭受剥蚀，泥盆系以上地层被剥蚀殆尽［13-15］。天井山构造印支三幕构造活动时期形成的逆断层再次活动，逆冲推覆，在天井山构造核部形成断弯褶皱，甚至是倒转背斜。天井山构造后翼浅层发育一系列后翼突破构造，断裂密集，大多消失于上部滑脱层飞仙关组地层内部。天井山构造前翼，前期断层除继续活动断距加大外，还产生分支断裂，形成帚状构造［16］。天井山构造靠近盆地一侧，在下部震旦系—飞仙关组地层中发育双重构造，下滑脱层位于寒武系底部，上滑脱位于飞仙关组内部，同时该期还形成大量对冲和背冲构造，切割改造早期构造，从而使天井山地区构造更加复杂化。喜山期剖面收缩至90.75km，收缩量79.50km，收缩率32.3%（见图1i）。

自印支期开始，龙门山变形序列和变形域自北西向南东递进发展，每次构造运动对龙门山的影响均有局限性。总体上，变形中心由北段逐渐向南段迁移，一次强过一次，波及范围逐渐扩大。

总之，龙门山构造带经历了由伸展构造背景下的前缘滑覆作用到青藏高原挤出-滑动背景下推覆作用的变迁，具有滑覆-推覆的二元造山机制，以及形成时间早、后期活动强烈的特点。

3 构造物理模拟与结果

本次模拟实验主要针对龙门山北段天井山构造的形成演化过程，选取06fsc03线—02tjs14线地震解释剖面（见图2）和演化史剖面（见图1）作为模拟实验参考对象。

图2 06fsc03线—02tjs14线地震解释剖面

3.1 模型设计

根据天井山地区的变形过程，在厚度不变的条件下，设计多组实验，分别考虑了基底坡度、滑脱层性质等条件对构造形成的控制。实验模型长160 cm，高20 cm，宽20 cm，两侧为有机玻璃，一端为马达驱进的活动挡板。选择了硅胶和玻璃珠来模拟膏岩层，选择石英砂来模拟脆性地层。实验中所选择的硅胶密度为926 kg/m3，黏滞系数为 1.2×104Pa·s，石英砂密度为 1 297 kg/m3，玻璃珠粒径为 0.2～0.3 mm。

3.2 实验结果

模型基底为3°斜坡，最上面一套滑脱层的材料为玻璃珠，厚度为5 mm；下面一套滑脱层的材料为硅胶，厚度为5 mm。模型总长400 mm，总缩短量135 mm，压缩率33%，符合原始剖面压缩量。图3a—3e的伸缩量分别为 0.0，5.5，7.0，10.0，13.5 cm， 模型侧面及顶面运行过程分别由背面及正面2台相机记录，实验由北西向南东推进速度0.002 5 cm/s，照片时间间隔为8 s。

开始挤压后，当伸缩量达到7.0 cm时，出现倾角大小约为30°的后冲断层，随后又出现一条倾角大小约为40°的前冲断层，2条断层组成不对称背斜 （见图3b）。当伸缩量达到12.0 cm时，在不对称背斜的前缘出现倾角平缓的4号断层，尔后在变形的过程中发育调节性3号断层，2条断层组成一个平顶背斜 （见图3c）。当伸缩量达到13.0 cm时，出现倒转背斜，并出现6号断层（见图 3e）。

模型主要有以下特点：1）硅胶上覆砂层，变形主要集中在硅胶的两端，两端之间的变形不明显，对应前端增厚区的变形为一箱状背斜，其开始发育的时间较早，发育距离远；2）靠近挤压端的强烈变形带发育一倒转褶皱；3）硅胶主要有2个聚集区，分别对应变形的前端和变形后端的前部，上覆沉积负载的硅胶流向两边的聚集区；4）出现倒转背斜，变形序列为后缘褶皱—前缘褶皱，再回跳至中间变形，前展变为后展。说明随着基底层黏度增加，后冲断层开始占据主导地位，呈现后展式序列［17-19］。

图3 模拟实验过程

3.3 模拟结果讨论

实验1代表在多套滑脱层（玻璃珠）、基底为3°斜坡、正向挤压应力条件下的结果：模型总体仍保持楔体形态，靠近推进挡板厚，向推进方向逐渐减薄。前缘产生前展式逆冲构造，断层呈平行状组合。玻璃珠以上变形则以推覆构造为主，变形形态均一，从剖面上可以看出，主要为3条产状相似的推覆构造，与实际剖面有较大区别（见图4a）。

实验2代表在多套滑脱层（硅胶）、基底为3°斜坡、正向挤压应力条件下的结果：随着侧板向沙层推挤，软弱的硅胶层有阻挡下部逆冲断层向上扩展和作为上部沙层变形的滑脱层的作用，将砂层分为2个变形层，并且上下变形层之间的滑脱导致硅胶层局部加厚。实验过程中，有2种值得注意的现象：第一，下部沙层形成的冲断褶皱的倒转翼部位，软弱层有加厚趋势；第二，硅胶层下砂层的收缩变形相对集中，硅胶层之上砂层的变形相对分散，说明软弱的硅胶层有顺层滑动位移。实验中形成的褶皱-冲断带形态为狭窄高锥度，应该与其较高的韧性基底层黏度有关［16］（见图 4b）。

实验3代表在多套滑脱层（玻璃珠）、基底水平、斜向挤压应力条件下的结果：玻璃珠以下的变形比较单一，是由单纯的逆冲断层组成的前展式叠瓦构造，玻璃珠以上则主要是一系列以玻璃珠为核心的断层相关褶。自挤压端向前陆方向，整个模型呈楔体形态，即靠近挤压端厚，向前则逐渐减薄。整个模型的变形范围有限，变形方式和垂向的不协调性受到玻璃珠的控制。总的来说，随着缩短量的增加，前翼发育一系列叠瓦状逆冲断层，逆冲断层呈前展式发育，并且变形间距逐步加大（见图 4c）。

实验4代表在多套滑脱层（硅胶和玻璃珠）、基底为3°斜坡、斜向挤压应力条件下的结果：变形序列为后缘褶皱变形—前缘褶皱变形，再回跳至中间变形，前展变为后展。实验结果与天井山地区的构造发育过程比较一致，形成前端的平顶背斜构造后，受挤压应力和左端重力滑覆的共同作用，导致马角坝断层发生反转，由正断层逆转为逆断层，并生成天井山构造和苟家垭倒转背斜、水跟头倒转背斜等（见图4d）。

图4 天井山变形物理模拟结果

4 结论

1）天井山地区的演化可划分为伸展拉张成盆阶段（震旦纪—三叠纪中期）、陆隆伸展演化阶段（三叠纪末—侏罗纪中期）、抬升剥蚀阶段（侏罗纪晚期—白垩纪晚期）和继承改造阶段（第三纪早期—现今）。

2）构造物理模拟实验初步证实：天井山地区印支期发育的薄皮构造是受南北向挤压应力与北西—南东向重力滑覆共同作用形成的；天井山构造存在多个滑脱层系，滑脱层上下形成分层变形、垂向叠置的不协调收缩构造变形；该地区喜山期在北西—南东向挤压应力作用下，变形序列为前展式逆冲叠瓦式构造组合。

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