許志剛

中海油研究總院，北京 100027

東非裂谷系西支中南段Karoo地層分布特點(diǎn)與勘探前景

許志剛

中海油研究總院，北京 100027

東非裂谷系一直是世界油氣勘探重點(diǎn)關(guān)注區(qū)，尤其在西支Albertine盆地獲得重大油氣發(fā)現(xiàn)，而與之具有相似成因演化的西支中南段其它盆地，勘探潛力一直不明朗并急待挖掘。中-古生代Karoo地層及分布在該地區(qū)廣泛分布，特別是作為烴源和主要的勘探層系在東非海岸陸緣盆地被廣泛證實(shí)后，Karoo的勘探潛力備受關(guān)注。然而，Karoo本身經(jīng)過漫長(zhǎng)的演變，涵蓋的地質(zhì)學(xué)內(nèi)容包羅萬象，混淆不清，十分不利于該地區(qū)油氣勘探潛力的研究和判斷。本文通過系統(tǒng)查閱國(guó)外文獻(xiàn)并結(jié)合東非裂谷系的研究工作，初步查明Karoo的成因、演變及分布，并系統(tǒng)評(píng)價(jià)Karoo地層在西支中南段裂谷盆地及周邊的分布，探討其勘探意義。但以Karoo作為東非地區(qū)未來勘探領(lǐng)域仍然面臨著一系列不確定性的問題和風(fēng)險(xiǎn)，值得思索和總結(jié)。

東非裂谷系;Rukwa;Malawi;Karoo;生烴潛力

100多年前，德國(guó)地質(zhì)學(xué)家Wilhelm C.E. Bornhardt（1900年）在其論文中首次對(duì)坦桑尼亞Ruf ji河Stieglers Gorge北部地區(qū)的Karoo地層進(jìn)行了描述[1]；而真正將“Karoo”引入地層沉積序列的術(shù)語(yǔ)則在1980年南非的大Karoo盆地（Great Karoo Basin），主要記錄晚石炭世至早侏羅世這段時(shí)期的沉積歷史。1993年，Schluter等人認(rèn)為這段時(shí)期廣泛分布于非洲撒哈拉南部的非海相地層統(tǒng)稱為Karoo群地層，而典型的Karoo群從底到頂依次由冰蹟巖、煤系地層、扇-三角洲碎屑巖和玄武巖組成，并形成了東非、南非廣泛分布的Karoo盆地[2-3]。很多學(xué)者認(rèn)為，Karoo沉積的這段時(shí)期與岡瓦納大陸破裂時(shí)期是相當(dāng)?shù)腫4-5]，Karoo地層從側(cè)面反映了整個(gè)非洲大陸，尤其東非和南非在岡瓦納破裂時(shí)期所經(jīng)歷的系列構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和氣候變化事件。

雖然世界范圍內(nèi)地質(zhì)學(xué)家對(duì)Karoo開展了廣泛深入的研究，然而，對(duì)國(guó)內(nèi)廣大地質(zhì)工作者而言，對(duì)Karoo的研究鮮有論述，對(duì)其概念的理解也不明確，尤其在東非和南非，既有廣泛分布的Karoo地層和Karoo盆地，也有典型的Karoo沉積序列。狹義的Karoo和廣義的Karoo經(jīng)常交織在一起，使我們很難準(zhǔn)確理解Karoo的形成與演化，對(duì)我們開展相關(guān)研究工作造成了一定的障礙。同時(shí)，隨著東非裂谷系西支Albert盆地的油氣大量發(fā)現(xiàn)，其它的裂谷盆地自然成為石油工作者聚焦的焦點(diǎn)。然而，通過對(duì)東非裂谷系西支各裂谷地質(zhì)情況的研究表明，西支越往南，Karoo地層分布越廣泛并越發(fā)育，并證實(shí)Karoo時(shí)期的煤層和黑色頁(yè)巖是西支Tanganyika、Rukwa、Malawi裂谷盆地最重要的潛力烴源巖。因此，厘清廣義的Karoo和狹義的Karoo之間的關(guān)系、分析Karoo地層的形成、構(gòu)造演化及分布規(guī)律，對(duì)于我們清楚認(rèn)識(shí)整個(gè)東非裂谷系西支的勘探潛力至關(guān)重要。

圖1 東非裂谷系西支中南段與Karoo盆地分布圖Fig.1 Distribution map of middle-south section of west branch and Karoo basin in East African Rift System

東非裂谷系西支中南段位于Albertine盆地的南部，共有Tanganyika、Rukwa、Malawi等三個(gè)主要盆地，近10萬平方公里，地震和鉆井很少，勘探程度極低（圖1）。然而，從東非裂谷系整體演化角度，西支中南段與北段的Albertine含油氣盆地具有相似的成因演化和沉積充填特征，因此，其勘探潛力急待挖掘。

1 Karoo構(gòu)造演化及沉積充填

如果以Schluter等人（1993）的觀念認(rèn)為撒哈拉南部的非海相地層統(tǒng)稱為Karoo群地層以及把南非Karoo盆地的作為典型的Karoo地層沉積序列，那么Karoo就具有廣義和狹義之分：廣義的Karoo泛指晚石炭世—早侏羅世這期間在東非Karoo盆地的沉積記錄和演化歷史。由于晚三疊世至白堊系期間東非構(gòu)造活動(dòng)劇烈，抬升剝蝕事件頻繁，現(xiàn)今Karoo盆地中的Karoo地層多是殘留的Karoo群地層，因此，廣義的Karoo具有明顯的穿時(shí)性并受到后期構(gòu)造的強(qiáng)烈改造而再充填。而狹義的Karoo往往特指南非的Karoo盆地，由于保存完整，其沉積序列一直被認(rèn)為是最典型和最完整的Karoo群。如果以狹義的Karoo群地層作為標(biāo)尺，那么我們比較容易窺見現(xiàn)今廣泛分布于東非的Karoo盆地中-古生界地層的發(fā)育情況以及后期受構(gòu)造改造再充填的記錄。其實(shí)，對(duì)Karoo的這種理解，源于其不同的構(gòu)造演化歷史。

1.1 Karoo克拉通前陸階段（C3-T2)

這個(gè)階段是典型Karoo群主要沉積期，位于南非的Karoo盆地內(nèi)?，F(xiàn)今南非的Karoo盆地是一個(gè)典型的前陸盆地，它是在早期裂谷盆地的基礎(chǔ)上疊合而成的（圖2）。其構(gòu)造演化經(jīng)歷了4個(gè)主要階段：①克拉通階段（1 Ga）。早期的原型盆地是在kalahari克拉通基礎(chǔ)上演化而來，此時(shí)位于非洲最南端的泛非洲構(gòu)造帶開始活躍；②岡瓦納南部伸展階段（0.6 Ga）。泛非洲構(gòu)造帶在巖石圈減薄的持續(xù)伸展作用下，形成了系列斷陷裂谷盆地；③岡瓦納南部擠壓階段（300 Ma）。伴隨著非洲大陸最南端的富蘭克林地臺(tái)（Falkland Plateau）向非洲板塊俯沖，形成新的開普造山帶，盆地也從早期的裂谷盆地演化成克拉通前陸盆地。④岡瓦納大陸裂解階段（183 Ma）。區(qū)域應(yīng)力由擠壓作用重新轉(zhuǎn)為拉張為主，持續(xù)斷陷作用沉積了厚層陸源碎屑物，后期遭受火成巖的侵入，沉積大套玄武巖。

南非的Karoo盆地的Karoo群可進(jìn)一步細(xì)分為5個(gè)組[6]，從下自上依次為Dwyka組、Ecca組、Beaufort組、Stormberg組和Drakensberg組， 最大厚度達(dá)到6 000 m，沉積環(huán)境從早期的冰川到深湖、三角洲、河流和后期的火山作用（圖3）。其中Ecca組所沉積的一套煤系地層和黑色頁(yè)巖一直受到廣泛關(guān)注。有學(xué)者指出，這套煤系地層具有“傾氣性”，而黑色頁(yè)巖具有“傾油性”[7]。

1.2 Karoo陸內(nèi)裂谷階段（T3-K）

圖2 南非Karoo盆地構(gòu)造演化圖Fig.2 Tectonic evolution of Karoo basin in South African

圖3 南非Karoo盆地地層沉積序列Fig.3 Stratigraphic sedimentary sequence of Karoo Basin in South Africa

在晚三疊世至白堊系期間，整個(gè)東非大陸遭受持續(xù)的抬升作用，早期沉積的Karoo地層剝蝕嚴(yán)重，殘存較少。而三疊系末期，隨著馬達(dá)加斯加島與非洲板塊分離，在現(xiàn)今的肯尼亞安扎盆地處形成小型“三叉裂谷”，形成一系列沿坦桑尼亞NE-SW走向伸展的陸內(nèi)裂谷，這些裂谷盆地后期隨著接受剝蝕的Karoo地層，逐漸演變成現(xiàn)今的Karoo盆地。但由于早期Karoo群地層遭受剝蝕程度不一樣，這些裂谷盆地所殘存的Karoo地層的分布差異較大（表1）[6]，統(tǒng)稱為廣義的Karoo地層。

表1 東非和馬達(dá)加斯加地區(qū)裂谷型Karoo盆地地層對(duì)比Table 1 Stratum comparison of Karoo basin between East Africa and Madagascar region rift

2 Karoo盆地及地層分布特點(diǎn)

東非裂谷系西支Karoo地層主要集中分布在Rukwa、Malawi及Ruhuhu盆 地，Rukwa和Malawi盆地雖不是典型的Karoo盆地，但盆地內(nèi)仍然沉積了大套中—古生界的Karoo地層，比較典型的是分布在盆地周邊的Karoo煤礦和露頭顯示。

2.1 Rukwa盆地

Rukwa盆地呈北西—南東走向，是新生代裂谷盆地（圖1）。中國(guó)石油考察組（1977年）[8]通過研究盆地周邊的Karoo露頭表明，Karoo地層不整合于結(jié)晶基底之上或呈斷層接觸，其上被白堊系的紅色砂巖群（Red Sandstone Group）所覆蓋。垂向上，大致可分為3套，從下而上，第一套為上部發(fā)育紋理粉砂巖，為灰白色、淺黃色多裂縫的粉砂巖和泥巖，下部有礫巖，分布不均，厚0～4 m，假整合或超覆不整合于前寒武系結(jié)晶基巖上，最大厚度為30 m。第二套為含煤的沼澤相沉積，是Karoo的主要產(chǎn)煤地層，厚約48 m。其主要巖性上部是深灰色砂質(zhì)泥巖、煤質(zhì)頁(yè)巖，煤層夾灰白色、灰黃色細(xì)砂巖，下部為砂質(zhì)泥巖和礫巖；第三套為巨厚的紅褐色或灰褐色塊狀長(zhǎng)石粗粒砂巖夾少量紫色粉砂巖。長(zhǎng)石砂巖常形成峭壁，陡峭的峽谷和瀑布。與下伏含煤層呈假整合接觸，或超覆在基底片麻巖之上，厚約1 500 m。

侏羅系—白堊系時(shí)期，在Rukwa盆地也發(fā)育大套磚紅色的粗碎屑巖夾含礫石的結(jié)核狀砂質(zhì)灰?guī)r透鏡層。這套紅色巖系在Rukwa湖的西北部分布比較廣泛，在西南只見到幾處零星的紅色砂巖露頭。這套紅色砂巖與下伏Karoo層系呈平行不整合接觸或直接不整合于結(jié)晶基底之上。據(jù)Eric M. Roberts等人（2010）這套紅色砂巖上部含有一定量的火山凝灰?guī)r，顯然受到后期火山作用的影響，并認(rèn)為早期的Karoo地層和周邊火山是其主要物源，說明這套紅色砂巖是Karoo陸內(nèi)裂谷階段的產(chǎn)物。

2.2 Malawi盆地

Malawi盆地處于東非裂谷系的最南端，亦是新生代裂谷盆地（圖1）。與Rukwa盆地相似，盆地的演化過程中經(jīng)歷了早期的Karoo克拉通前陸階段和陸內(nèi)裂谷階段。但據(jù)研究表明，Karoo前陸階段所沉積的煤系地層在盆地的北部和南部地層有所發(fā)育，這可能由于盆地周邊均發(fā)育較大的Karoo盆地，如盆地東側(cè)的Ruhuhu盆地、南側(cè)的Metangula盆地以及西側(cè)的Luangwa盆地，這些盆地通過河流搬運(yùn)持續(xù)為Malawi盆地的中—古生界地層提供物源供給；在遠(yuǎn)離Karoo盆地的地區(qū)，主要以陸內(nèi)裂谷階段所沉積的紅色砂巖層和新生代裂谷期湖相-三角洲沉積為主。盆地的累積厚度可到4 000 m。

2.3 Ruhuhu盆地

Ruhuhu盆地處于Malawi湖的東岸，是一個(gè)典型的Karoo盆地（圖1）。北東走向的斷層將盆地細(xì)分為3個(gè)次盆，各次盆之間以壘塊相隔。盆地內(nèi)的地層可細(xì)分為5套沉積層序：①冰川沉積；②煤系地層；③紅層；④沖積扇沉積；⑤河流三角洲沉積。每套層序底部基本上都發(fā)育粗粒碎屑和礫巖，并往頂部粒度逐漸變細(xì)。盆地內(nèi)的沉積層序與南非Karoo層序相比，具有一定的相似性，尤其底部的冰川和煤系地層，應(yīng)是早期Karoo群地層的殘留，屬于Karoo克拉通前陸階段的沉積產(chǎn)物；而后期的紅層、沖積扇以及河流三角洲沉積顯然受到周緣物源供給的影響。據(jù)調(diào)查，在盆地的形成過程中，河流水系很發(fā)達(dá)，均注入盆地西側(cè)的Malawi湖。

3 Karoo的勘探潛力

雖然東非裂谷系西支各裂谷形成于新生代，但盆地的構(gòu)造演化實(shí)際上經(jīng)歷了中—古生代Karoo作用階段。另外，通過研究表明，東非裂谷系西支越往南，裂谷演化越晚，沉積地層越薄，盡管不乏良好的河流三角洲儲(chǔ)層，但很難形成類似Albert裂谷盆地那樣的中新世或上新世湖相成熟烴源巖。因此，古生代二疊世Karoo群的生烴潛力直接影響東非裂谷系西支中南段各裂谷的勘探潛力，而Karoo群中生烴的層系主要集中在Ecca組的煤系地層和黑色頁(yè)巖。由于這兩套層系在Rukwa，Malawi及Ruhuhu等盆地內(nèi)及周邊均有一些零星露頭和煤礦顯示，很多學(xué)者通過取樣分析了它們的成分、品質(zhì)并對(duì)其生烴潛力進(jìn)行了簡(jiǎn)單評(píng)價(jià)[9-10]，但沒有系統(tǒng)總結(jié)西支中南段Karoo群的生烴和演化規(guī)律，尤其缺乏對(duì)各個(gè)盆地之間的比較分析。本文的研究建立在他們?nèi)臃治龅脑紨?shù)據(jù)之上，進(jìn)行了重新整理、分析和對(duì)比。

目前，東非裂谷系西支中南段的Karoo層系煤礦主要集中分布在坦桑尼亞國(guó)家境內(nèi)，如Rukwa盆地、Ruhuhu盆地和Selous盆地，少部分分布在馬拉維境內(nèi)。本文選取Rukwa盆地的Namwele Mkomolo和Muze煤田為例展開分析。

在Namwele-Mkomolo煤田，煤層累計(jì)厚度為5～6 m，單層0.05～1.8 m，煤層中往往夾有灰黑色泥巖（并有植物殘留）、碳質(zhì)頁(yè)巖，含煤頁(yè)巖。在Mkomolo地區(qū)發(fā)現(xiàn)了2 m厚的煤層，也混雜著碳質(zhì)頁(yè)巖、泥巖和粉砂巖。通過對(duì)該地區(qū)煤樣成分的分析，鏡質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24%～79%，惰質(zhì)組20%～69%，殼質(zhì)組1%～12%。該地區(qū)煤層灰度較高（22%～50%），硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高可達(dá)7.8%，一般為1.58%～5.81%，對(duì)應(yīng)的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)并不是很高（25.9%～40.24%），鏡質(zhì)體反射率（Ro%）分布在0.46%～0.59%，屬于高揮發(fā)性煙煤。而在Muze煤田，Karoo地層在該區(qū)域由4套層系組成，從下自上依次為近30 m底部砂巖、30～35 m的煤系地層、100 m的鈣質(zhì)層和上部的砂巖（McKinlay, 1954）。能被開采的煤層由于受斷層切割影響，整體比較零碎，厚度也不均勻（0.5～3.75 m）。該地區(qū)發(fā)育兩套煤層，上下煤層之間發(fā)育含砂質(zhì)泥巖和灰色砂巖，其中位于Kalakala河的下煤層由于厚度較薄，不具有經(jīng)濟(jì)開采價(jià)值。上煤層的累積厚度可達(dá)到6 m，單層最厚可到3.75 m。通過對(duì)該地區(qū)煤巖顯微組成的分析，相比Namwele-Mkomolo地區(qū)，該地區(qū)具有較高的惰質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)（32%～89%），殼質(zhì)組和鏡質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本相同。煤品質(zhì)方面，煤層中含較多的碎屑成分（14.6%～57%），硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)也較高（0.7%～2.83%），鏡質(zhì)體反射率（Ro%）0.48%～0.52%。

通過以上分析表明，Karoo地層中煤層的品質(zhì)普遍較差，生烴潛力相對(duì)有限。相比東非裂谷系，在東非海岸坦桑尼亞盆地的陸上，揭示二疊—早三疊世Karoo煤露頭及碳質(zhì)頁(yè)巖HI為258～483 mg/g，綜合分析為傾油氣型烴源巖。鄰近的魯瑪盆地陸上，Lukuledi地塹內(nèi)Karoo時(shí)期的湖相頁(yè)巖有機(jī)碳可達(dá)7.5%，氫指數(shù)為386 mg/g，屬于Ⅱ1型有機(jī)質(zhì)，生油為主，生烴潛力高，屬于優(yōu)質(zhì)烴源巖。這些數(shù)據(jù)表明，Karoo時(shí)期由于構(gòu)造演化的復(fù)雜性，導(dǎo)致其地層分布差異較大。受其影響，諸如煤層和黑色頁(yè)巖等有效烴源巖層系的分布差異較大，導(dǎo)致各地區(qū)Karoo勘探潛力的差異?？傮w而言，在圍繞東非裂谷系西支中南段及周邊，雖然Karoo煤層從目前資料表明，生烴潛力相對(duì)有限，但也不乏局部地區(qū)存在類似東非海岸陸上良好的烴源層系，尤其目前勘探程度較低，資料較少的情況下，尤其Karoo時(shí)期黑色頁(yè)巖的潛力分析還需進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)。

[1] Sunday W. Petters. Regional Geology of Africa[M]. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1991.

[2] Thomas Schluter. Geology of East Africa[M]. 1997, ISBN 3-443-11027-4.

[3] Athanas S. Macheyeki et al., 2008. Fault kinematics and tectonics stress in the seismically active Manyara-Dodoma Rift segment in Central Tanzania—Implications for the East African Rift[J]. Journal of African Earth Sciences. 51: 163-188.

[4] D.L.Cole, P.E. Wipplinger. Sedimentology and molybdenum potential of the beaufort group in the main Karoo basin, south Africa [M]. 2001, ISBN 1-875061- 47-9.

[5] W. Bosworth. 構(gòu)造對(duì)大陸裂谷盆地沉積的控制作用[M].翻譯自《地質(zhì)學(xué)會(huì)?？压认蹬璧?zé)N類環(huán)境》1995.No. 80.

[6] O. Catuneanu, H. Wopfner et al. The Karoo basins of southcentral Africa[J]. Journal of African Earth Sciences, 2005, 43:211-253.

[7] 張可寶, 史卜慶, 徐志強(qiáng),等. 東非地區(qū)沉積盆地油氣潛力淺析[J].天然氣地球科學(xué), 2007.18（6）: 869-874.

[8] 中國(guó)石油考察組. 坦桑尼亞聯(lián)合共和國(guó)石油地質(zhì)考察報(bào)告[R].1997.

[9] P. Semkiwa et al., 2003. The geology, petrology, palynology and geochemistry of Permian coal basins in Tanzania: 2. Songwe-Kiwira Coalfield[J]. International Journal of Coal Geology, 55: 157-186.

[10] P. Semkiwa et al., 1998. The geology, petrology, palynology and geochemistry of Permian coal basins in Tanzania. 1. Namwele-Mkomolo, Muze and Galula coalfields[J]. International Journal of Coal Geology, 36: 63-110.

Stratigraphic distribution features and exploration prospect of Karoo in south-central segment of west branch, East African Rift System

XU Zhi-gang
CNOOC Research Institute, Beijing 100027, China

The East African Rift System has been focused on oil and gas exploration area in the world, especially gained major oil and gas discovery in the west branch of Albertine basin. Comparing with similar genetic evolution, the basins from the middle-south section of west branch were uncertain for exploration potential. In the Mesozoic-Paleozoic, Karoo stratum distributed widely in the region, especially as hydrocarbon source and the main prospecting strata series on continental margin basin of East Africa coast were widely conf rmed, exploration potential of Karoo got lots attention. However, after long evolution, the Karoo itself contained more geological contents and was hard to be identif ed, which was not conductive to the research and judgment of oil-gas exploration potential. In this paper, Through systematical review of foreign literature and research work of the East African Rift System, the authors initially identif ed the cause, evolution and distribution of Karoo, systematically evaluated Karoo stratum distribution in the middle-south section of west branch and periphery, and discussed the prospecting signif cance. But the Karoo as future exploration areas in East Africa still faced a series of uncertainty problems and risks, which were worth thinking and summary.

East African Rift System; Rukwa; Malawi; Karoo; hydrocarbon potential

P618.13

A

1001—2427（2014）01 - 14 -6

2013-05-05;

2014-03-02

許志剛（1977—），男，湖北漢川人，中海油研究總院工程師.