邱澤華 周 路*② 陳 驍 關 旭 吳 勇② 錢妤婕

(①西南石油大學天然氣地質(zhì)四川省重點實驗室，四川成都 610500； ②西南石油大學地球科學與技術學院，四川成都 610500； ③中國石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院，四川成都 610041)

0 引言

近年來，四川盆地高石梯—磨溪地區(qū)二疊系棲霞組不斷發(fā)現(xiàn)天然氣，油氣勘探潛力巨大。以往認為高石梯—磨溪地區(qū)屬于川中穩(wěn)定地塊，通常將發(fā)育的區(qū)域斷層簡單歸類為正斷層[1]。隨著油氣勘探的深入，揭示川中地區(qū)發(fā)育走滑斷層。黎榮等[2]引入塔里木盆地“斷溶體”概念，認為在川中中二疊統(tǒng)普遍發(fā)育斷溶體； 楊平等[3]、楊柳等[4-5]根據(jù)曲率屬性分析，認為四川盆地發(fā)育的柱狀凹陷異常體為走滑斷層控制的構造拉分和熱液溶蝕作用下的產(chǎn)物； 丁博釗等[6]認為高石梯地區(qū)震旦系巖溶塌陷體受走滑斷層及熱液作用控制； 蔣裕強等[7]認為深大基底斷層對熱液白云巖的形成具有積極意義。但是，目前多將走滑斷層作為結論使用，而對于走滑斷層本身的特征研究較少，僅有馬德波等[8]從構造角度對走滑斷層開展分析工作。

相較于正斷層和逆斷層，走滑斷層斷距小、層位錯動不明顯、構造特征復雜，僅根據(jù)地震剖面和時間切片識別走滑斷層難度大。因此，需要應用地球物理方法，從地震、地質(zhì)等多種角度才能更準確地識別走滑斷層。李海英等[9]利用傾角導向技術增大斷層的地震反射強度，以提高斷層識別效果； 劉群等[10]利用相干體和螞蟻體技術識別了碳酸鹽巖地層中的走滑斷層； 司文朋等[11]利用物理模擬的方法建立走滑斷層的響應模式； 李樹珍等[12]運用曲率分析技術識別走滑斷層。上述方法在不同研究區(qū)均獲得了較好的效果，但傾角導向和相干等技術多用于伴有較強地層錯動的走滑斷層識別； 曲率屬性和螞蟻體技術等可以同時識別多種尺度斷層，但需要對斷層性質(zhì)加以區(qū)分； 物理模擬方法則較為直觀，但多基于受力條件簡單的理想情況，存在模擬材料與實際巖層物理性質(zhì)之間有差別且效率較低的缺點。因此，針對不同研究區(qū)的走滑斷層的識別，需要優(yōu)選最適合該區(qū)的地震屬性或地球物理方法。

為了準確識別高石梯—磨溪地區(qū)走滑斷層，本文在分析力學機制基礎上，綜合分析走滑斷層的橫向、縱向構造特征，建立研究區(qū)棲霞組走滑斷層的構造樣式； 對比、分析多種地震屬性，從而優(yōu)選最適合本區(qū)走滑斷層識別的地震屬性； 最終在構造樣式的指導下，利用優(yōu)選屬性，完成走滑斷層的準確識別。

1 技術方法

1.1 技術路線

高石梯—磨溪地區(qū)走滑斷層識別的技術路線如圖1所示。首先，在研究區(qū)構造地質(zhì)背景分析基礎上，確定走滑斷層發(fā)育背景； 其次，在力學機制的指導下，利用鉆井、地震資料，結合剖面、平面構造特征，建立走滑斷層構造樣式(模型)； 然后，優(yōu)選并利用最適合該區(qū)域走滑斷層識別的地震屬性，依據(jù)構造樣式，完成走滑斷層的識別。

圖1 走滑斷層識別技術路線

1.2 地質(zhì)背景分析

高石梯—磨溪地區(qū)位于四川盆地川中古隆起東部的平緩構造帶，是上揚子地區(qū)殘留的最穩(wěn)定地塊[13]。在加里東期興凱地裂運動的強烈拉張作用下，震旦紀—寒武紀發(fā)育一系列張扭斷層。二疊系棲霞組沉積時期，該區(qū)處于相對穩(wěn)定的環(huán)境[14-16]，在海西期峨眉地裂運動北東—南西向拉張應力作用下，伴隨走滑效應[17-18]。同時，重新激活了部分先存斷層，使棲霞組內(nèi)斷層具有繼承性，表現(xiàn)出與下伏地層類似的斷層發(fā)育特征(圖2)。

圖2 高石梯—磨溪地區(qū)走滑斷層發(fā)育特征

1.3 走滑斷層構造樣式

1.3.1 力學機制

明確形成走滑斷層的力學機制對走滑斷層構造樣式建立具有指導作用。根據(jù)受力模式的不同，走滑斷層的形成可以分為純剪機制和單剪機制。其中，純剪機制符合安德森破裂準則和庫倫破裂準則，在平面上形成一組共軛的、左旋和右旋互補的走滑斷層，兩條斷層的銳角夾角指向壓縮方向(圖3a)。單剪機制符合里德爾剪切模式，是一種旋轉應變模式，主要形成五組斷層(圖3b)[19]：①R剪切(里德爾剪切)，與主走滑斷層滑移方向相同且與其小角度相交的斷層，一般稱為羽狀構造； ②R′剪切(共軛里德爾剪切)，與主走滑斷層滑移方向相反且成大角度相交； ③P剪切，與R剪切相對于主走滑斷層大致對稱，滑移方向與主走滑斷層一致； ④T斷層(局部張性斷層)，與主位移帶呈45°相交，一般延伸較短，主要由垂直最小主應力方向拉張形成； ⑤Y剪切，與主走滑斷層平行的斷層。

圖3 走滑作用純剪機制和單剪機制模式圖

研究區(qū)走滑斷層的形成主要為里德爾剪切模式的單剪機制。以F2斷層(圖4)為例，可見的里德爾剪切斷層主要有以下幾種：①R剪切，主要在F2斷層的尾端(Z1區(qū))，分支斷層與主斷層呈小角度相交(夾角多為10°～20°)，并且呈羽狀分布； ②P剪切，處于F2斷層尾端(Z2區(qū))，與R剪切大致對稱分布，斷層線呈一定弧度彎曲，分支斷層呈馬尾狀分布； ③Y剪切，與主干斷層走向平行，延伸距離較短，在走滑斷層中部(Z3、Z4區(qū))較為多見。

1.3.2 構造樣式

走滑斷層的構造樣式主要有花狀構造(包括壓扭性的正花狀構造和張扭性的負花狀構造，以及多期走滑作用疊加形成的“花上花”構造)、雁列構造、線狀直立構造、馬尾構造、羽狀構造、辮狀構造等。

圖4 F2走滑斷層分布圖底圖為棲霞組底曲率屬性； 紅框為走滑斷層發(fā)育區(qū)，藍框為走滑分支斷層發(fā)育區(qū)

(1)花狀構造。是走滑斷層特有的構造樣式，產(chǎn)狀上緩下陡，下部可延伸至基底，頂部因應力釋放而成“花狀”[20]。因應力類型的不同，可分為壓扭性的“正花狀”構造和張扭性的“負花狀”構造。研究區(qū)在張扭作用下，頂部地層呈下凹形態(tài)，多發(fā)育類似地塹狀的“負花狀”構造(圖5a～圖5c)。

另外，興凱地裂運動導致震旦系—寒武系發(fā)育一期花狀構造[21]，其后的峨眉地裂運動導致二疊系發(fā)育第二期花狀構造，從而形成多期花狀構造疊合的“花上花”構造(圖5d)。

(2)“Y”字型、反“Y”字型構造。當主斷層的拉張作用較強時，其分支斷層也可向上錯斷較多層位，形成大型的地塹構造，表現(xiàn)為“Y”字型或反“Y”字型構造樣式(圖5e～圖5g)。該類構造中，拉張作用強于走滑作用，以發(fā)育正斷層為主，平面上可表現(xiàn)為走向相互平行的兩條斷層，如F3斷層與其分支斷層形成“Y”字型構造(圖5e、圖5f)； F18、F19斷層之間形成反“Y”字型構造(圖5g)。

圖5 研究區(qū)走滑斷層構造樣式

(3)線狀構造。一般發(fā)育在走滑作用較弱的位置，剖面上表現(xiàn)為層位錯動小，以擾動為主，斷層角度大(圖5h)。

(4)辮狀構造。走滑斷層在強烈滑動、拉分作用下所形成，在平面上通常表現(xiàn)為一系列小斷層相互錯斷，小斷層交織之間可見拉分形成的菱形或近橢圓形區(qū)域(圖6)； 剖面上可見由于拉分作用形成的地層下凹或壘塹構造(圖5b)。多個小斷層相接可形成延伸較長的辮狀構造，并具帶狀分布，形成較大規(guī)模的破碎帶。

圖6 F4辮狀構造(紅框內(nèi))分布特征底圖為棲霞組底曲率屬性

(5)馬尾構造。主要形成于走滑斷層末端，走滑作用減弱，應力發(fā)散，沿主斷層延伸方向形成一系列發(fā)散狀小斷層。平面上小斷層一般延伸距離較短，延伸方向與主斷層呈一定夾角，多個小斷層在平面上組合形成馬尾狀(圖4中Z2區(qū)域)。馬尾構造發(fā)育區(qū)易形成裂縫，為淺層地下水下滲和深層熱液上涌提供有利條件。

(6)雁列構造。走滑斷層應力向上釋放，在頂部應力發(fā)散而成。在剖面上可見地層呈上凸(圖7a棲霞組內(nèi)部)或下凹(圖7b棲霞組、茅口組內(nèi)部)形態(tài)，還可發(fā)育多個雁列形成的花狀構造。雁列構造中，斷層在老地層(筇竹寺組)中大多呈線性延伸(圖8a)，淺層(棲霞組)則變?yōu)橐幌盗凶呦蛞恢?、斜向排列的小斷?圖8b)。根據(jù)小斷層的排列方向，研究區(qū)雁列構造主要為右階排列。

圖7 F7(a)與F13(b)斷層剖面特征剖面位置見圖8、圖13

圖8 F13斷層平面特征(a)筇竹寺組底曲率屬性切片； (b)棲霞組底曲率屬性切片紅框內(nèi)為斷層所在位置

1.3.3 海豚效應和絲帶效應

海豚效應和絲帶效應均是識別走滑斷層的重要標志。

海豚效應是指在沿走滑斷層走向上、下盤的相對位置發(fā)生變化，但斷層傾向不變[22]，即可以在一條剖面上顯示為正斷層，而在另一條剖面上顯示為逆斷層。這是由于走滑斷層線大多具彎折特征，走滑作用可在一點表現(xiàn)為擠壓，而在另一點表現(xiàn)為拉張，使同一條走滑斷層在不同位置發(fā)育正、逆兩種不同性質(zhì)的斷層。以F3斷層為例，以斷層走向發(fā)生明顯改變之處為分段點，可將F3斷層分為四段(圖9中H1～H4段)。由F3斷層在不同位置的地震剖面可見，H1、H3、H4段在中二疊統(tǒng)中發(fā)育正斷層，H2段發(fā)育逆斷層(圖9)，呈現(xiàn)海豚效應。

按照受力分析(圖10)，當F3斷層受到右行應力作用時，可在H2段將應力分解為沿斷層走向和垂直于斷層走向的兩個分量，此時斷層左、右兩側垂直于走向的分力顯示為擠壓作用，在此處易發(fā)育逆斷層或正花狀構造； 在H3段的斷層左、右兩側垂直于走向的分力顯示為拉張作用，在此處易發(fā)育正斷層或負花狀構造，其余各段同理。

絲帶效應是指走滑斷層趨于直立，傾向不斷發(fā)生變化，左右擺動，如同絲帶一般[23]。這是由于走滑斷層一般傾角大，不同位置傾向易發(fā)生變化。以F4斷層 (圖11)為例，傾向在OO′剖面為左傾，至PP′剖面為右傾，在QQ′剖面又變?yōu)樽髢A，RR′剖面為右傾，即沿F4走向，傾向發(fā)生多次改變。這是由于F4先存斷層在海西期重新被激活時，應力在二疊系中釋放，在斷層向上延伸時易發(fā)生傾向的左右擺動。

圖9 F3斷層剖面(上)和平面(下)分段特征

圖10 F3斷層受力分析圖

1.4 走滑斷層識別屬性的優(yōu)選

僅通過地震剖面進行走滑斷層的識別具有一定的主觀性和局限性，還需要同時利用振幅、頻率等地震屬性從平面角度識別走滑斷層，提高準確性。

在斷層的平面識別方法中，一般有大尺度描述的相干算法、中尺度的曲率算法、小尺度的螞蟻體算法等。對比、分析不同屬性識別效果(圖12，表1)，可以優(yōu)選識別走滑斷層的敏感屬性。

1.4.1 傾角

在不拾取層位的情況下，提取地層反射界面傾角屬性，可分析地震反射的不連續(xù)性。

由圖12a可見，傾角屬性較好地展示了棲霞組底界主要斷層的平面展布規(guī)律。F1正斷層和F2、F3、F4等主要走滑斷層可清晰刻畫，F(xiàn)7、F16等雁列構造也可識別，但F4辮狀構造未能識別； 研究區(qū)西側F9附近正斷層未能識別。傾角屬性對正斷層及走滑斷層均能識別，斷層形態(tài)較為清晰，但對于形態(tài)較為復雜的辮狀構造等，識別效果較差。

圖11 F4斷層不同位置地震剖面特征剖面位置見圖6

圖12 不同屬性切片

表1 不同地震屬性斷層識別效果

1.4.2 相干

相干屬性主要是計算相鄰地震道或相鄰多地震道的波形相似性。對于反射波同相軸錯動明顯、斷距較大的斷層，識別效果較好。

由圖12b可見，對于同相軸錯斷明顯、斷距較大的筇竹寺組斷層，相干屬性均能很好地反映平面延伸范圍，如F1、F2、F3、F4、F18、F19等。但是，對于以同相軸擾動和傾角變化為主要特征的棲霞組斷層，相干屬性識別斷層效果較差(圖12c)。在主要斷層F2、F3附近，斷層線不明顯，難以確認主斷層的平面位置。

1.4.3 曲率

曲率屬性是描述曲線上任意一點的彎曲程度，曲率越大越彎曲，存在斷層可能性就越大[24]。對斷距較小的棲霞組斷層，曲率屬性(本文所用為最大正曲率)識別斷層效果均較好，斷層線清晰可見，分支斷層形態(tài)較為明確(圖12d)。曲率屬性可以刻畫F4斷層辮狀構造(圖6)，F(xiàn)7、F13、F16雁列構造(圖8)，F(xiàn)2斷層的羽狀構造和馬尾構造，而相干屬性卻難以做到。

1.4.4 相干能量梯度

相對于相干體，相干能量梯度更能突出一些細小的地質(zhì)特征。從不同方位角提取對應的相干能量梯度可以突出不同走向的斷層。

相干能量梯度標量屬性則對不同走向的斷層均有不錯的顯示效果，但部分小斷層未能識別，如F11、F12等斷層未能識別(圖12e)。對F1、F2、F3斷層交界處(圖12e紅框內(nèi))為片狀陰影區(qū)域，斷層也未能很好識別。

1.4.5 螞蟻體

螞蟻體屬性是利用螞蟻尋優(yōu)算法來實現(xiàn)全局尋優(yōu)的一種機器學習方法[25]，本文將識別走滑斷層效果較好的曲率屬性作為螞蟻體屬性的輸入數(shù)據(jù)體，以此為基礎計算螞蟻體屬性。由圖12f可見，螞蟻體屬性可同時突出大、小斷層，比曲率屬性更清晰地識別斷層線，可以指示主斷層延伸、消失的位置。

1.4.6 屬性優(yōu)選

根據(jù)研究區(qū)識別的23條主要斷層，分析不同屬性的識別效果(表1)。由表可見，曲率屬性及螞蟻體屬性是研究區(qū)斷層，特別是走滑斷層識別的優(yōu)勢屬性。

2 應用效果

根據(jù)本文方法，識別研究區(qū)斷層結果如圖13所示。

參考油氣勘探成果，結合區(qū)域構造地質(zhì)特征，根據(jù)走滑斷層的力學機制與特征一致性，可以判斷在構造樣式的指導下，利用曲率和螞蟻體優(yōu)勢屬性識別走滑斷層的準確性。

在曲率屬性切片中(圖4)可見F2斷層里德爾剪切的各類分支斷層； 根據(jù)曲率屬性識別出的走滑斷層F3、F4，也可見相應的海豚效應(圖9)和絲帶效應(圖11)，證明曲率屬性對走滑斷層的平面識別是較為細致、準確的。同時，研究區(qū)內(nèi)目前油氣勘探成果揭示，深大斷層附近含油氣性好[26]。如具有規(guī)模產(chǎn)能的GS18井位于走滑斷層F2附近、GS001-X45井位于F1斷層附近，GS1、GS11等氣測良好的井均位于F5走滑斷層附近(圖13)，從一個側面證實了走滑斷層識別的準確性。

另外，區(qū)域構造地質(zhì)背景揭示研究區(qū)發(fā)育兩期走滑構造。早期興凱地裂運動導致深層(如寒武系筇竹寺組)發(fā)育走滑斷層，垂向位移較大，同相軸錯動較為明顯，以正斷層特征為主。而晚期峨眉地裂運動導致淺層(如二疊系棲霞組)發(fā)育走滑斷層垂向位移小，同相軸擾動彎曲為主，多發(fā)育花狀構造(圖5b～圖5d)。走滑斷層(F2、F3、F4、F5、F7、F13、F16)多為繼承性發(fā)育，但由于峨眉地裂運動相對較弱，棲霞組發(fā)育的斷層F1、F15等未能全部激活，相對筇竹寺組斷層局部有缺失(圖13),這也與川中古隆起構造特征相吻合。

圖13 筇竹寺組底界(左)與棲霞組底界(右)斷層分布

3 結論

(1)研究區(qū)二疊系棲霞組走滑斷層形成的應力機制符合里德爾剪切的單剪模式，發(fā)育花狀構造、“Y”字形、線形、辮狀、馬尾狀、雁列等構造樣式。走滑斷層具海豚效應和絲帶效應。

(2)曲率屬性和螞蟻體屬性是識別走滑斷層的優(yōu)勢屬性。

(3)結合區(qū)域構造地質(zhì)背景，在走滑構造樣式的指導下，利用曲率和螞蟻體屬性能準確識別走滑斷層，可為油氣勘探和構造特征研究提供基礎。