雷雨婷，李江海，王殿舉，楊夢蓮

(1.造山帶與地殼演化教育部重點實驗室,北京 100871； 2.北京大學(xué),北京 100871;3.北京大學(xué)石油與天然氣研究中心, 北京 100871)

0 引 言

尼日爾三角洲盆地面積約為359 025km2，待發(fā)現(xiàn)油氣資源量為4.6×109t，是南大西洋被動陸緣盆地重要的油氣勘探區(qū)[1-3]。目前，全球?qū)δ崛諣柸侵夼璧氐难芯考性诳坍嬆嗟妆贅邮?、分析沉積體系模式、地質(zhì)變量對盆地構(gòu)造的影響及泥底辟構(gòu)造對油氣藏的影響等方面[4-13]。將泥底辟作為研究對象，探討其形成的控制因素及構(gòu)造演化模式方面存在較大空白。盡管有學(xué)者對該區(qū)進行過二維離散元模擬及三維物理模擬，討論了基底傾角及基底斷裂帶等因素對泥底辟形成及變形的影響[14-20]，例如，Wu通過3D物理模擬，把進積方式和底部大洋斷裂帶作為實驗變量，討論泥底辟的受控因素，但盆地基底設(shè)為簡單水平面，未考慮基底傾角的影響；Dean的二維離散元模擬討論了底部泥巖厚度、上覆巖層厚度、基底角度、沉積速率及末端巖層減薄5個變量對泥底辟的影響，但實際地層剖面的基底形態(tài)不僅受陸殼形態(tài)的控制，還受到洋殼的影響，并不能以簡單斜面進行替代；Tulbah研究刻畫了盆地西部深水區(qū)褶皺沖斷帶的幾何形態(tài)，并構(gòu)建4D演化模型，但泥底辟是三角洲相關(guān)重力構(gòu)造的產(chǎn)物，并非主要研究對象，需要進一步刻畫。綜合來看，以上研究均未討論大西洋張開的動態(tài)地質(zhì)過程對盆地內(nèi)泥底辟發(fā)育的影響，即隆起的新生洋殼造成的基底格局對泥底辟的影響并未明確討論。因此，該文結(jié)合南大西洋構(gòu)造演化背景，將Dean的二維離散元模擬實驗優(yōu)化，考慮實際地層剖面的基底形態(tài)，最佳泥層與上覆巖層的厚度及快速沉積模式下的泥底辟構(gòu)造樣式，探討了尼日爾三角洲泥底辟的控制因素及其構(gòu)造演化模式。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

尼日爾三角洲位于西非海岸幾內(nèi)亞灣，處于深水區(qū)伸展帶向擠壓逆沖帶轉(zhuǎn)換處[14-17]，是伴隨岡瓦那古大陸解體和大西洋擴張發(fā)育形成的典型三角洲被動大陸邊緣型盆地[18]。盆內(nèi)泥底辟是底辟構(gòu)造中的一種，主要是密度較小的高塑性低黏度泥巖向上流動、拱起所形成的穹隆狀構(gòu)造，屬于隱刺穿構(gòu)造[12]。

1.1 盆地構(gòu)造

盆地由陸向海分為5個構(gòu)造帶。近陸緣以伸展作用為主，發(fā)育大型生長正斷層；末端以逆沖推覆作用為主，發(fā)育大量逆沖斷層；中部為過渡區(qū)，發(fā)育大量的泥底辟[1，19](圖1)。

圖1 尼日爾三角洲盆地構(gòu)造

1.2 盆地地層

盆地縱向沉積為退覆式近海三角洲沉積地層(圖2)，存在明顯的三元結(jié)構(gòu)[21]。底部阿卡塔組為厚層海相泥頁巖，是泥底辟主要的物質(zhì)來源，厚度最大為7 km；中部阿格巴達組為進積三角洲前緣沉積，厚度為3～4 km；頂部貝寧組以砂巖為主，夾少量泥巖[21-23]。以上3組地層均為穿時地層。

1.3 盆地演化

盆地演化分為裂谷期(阿普特期—桑頓期)和漂移期(晚白堊世坎潘期—現(xiàn)今)2個階段。白堊紀初期，南大西洋擴張，形成尼日爾三角洲伸展型盆地，南部與喀麥隆火山條帶相連，伴隨安第斯隆起及陸緣碎屑物輸入，發(fā)生一系列熱沉降事件。漂移期階段，盆地基底演化為北高南低的斜坡，大規(guī)模海侵海退交替發(fā)生，開始沉積大型進積三角洲(圖2)。

圖2 尼日爾三角洲沉積地層及西非中段構(gòu)造演化

1.4 泥底辟演化

與盆地演化對應(yīng)，泥底辟演化分泥巖開始沉積、泥巖大套沉積、泥底辟開始發(fā)育、泥底辟發(fā)育暫停和泥底辟大量發(fā)育5個階段：①白堊紀初期，盆地南部伴隨一系列地幔柱火山活動，發(fā)育一套湖相沉積，泥巖開始沉積。②晚白堊世坎潘期—古新世，新生大洋基底上隆，形成中間凹、兩端隆的基底格局。隨著海侵運動的進行，水體不斷加深，海相泥巖在盆地內(nèi)大套沉積。早始新世，發(fā)生大規(guī)模海退，開始沉積大型進積三角洲，同時，尼日爾河高強度向盆內(nèi)搬運，沉積大套湖相泥巖，為泥底辟形成提供充足的物質(zhì)基礎(chǔ)。③中新世是泥底辟發(fā)育的重要時期，因重力作用，同生斷層發(fā)育,下降盤伴生大量滾動背斜，開始發(fā)育同生構(gòu)造及泥底辟。中新世晚期—上新世,三角洲復(fù)合體繼續(xù)向前推進,形成大型的沉積中心。④上新世—更新世，三角洲復(fù)合體生長速度減慢,構(gòu)造運動減弱，位于三角洲前緣的底辟作用進入短暫的平衡期。⑤更新世晚期,海侵再次發(fā)生，淹沒上新世—更新世形成的三角洲平原。到全新世時期,盆地沉積一套新的海退超覆沉積物,在陸隆、大陸斜坡和大陸架發(fā)育大規(guī)模底辟構(gòu)造。

2 泥底辟的離散元模擬

離散元方法是通過時間-位移有限差分法,計算顆粒在牛頓定律下的移動, 有效地模擬彈塑性變形的過程。該方法是一種基于應(yīng)力與位移準則進行微粒位移變形計算, 并允許微粒間的滑動與破裂的數(shù)值模擬手段[25-27]。

2.1 模型參數(shù)設(shè)置

依據(jù)國內(nèi)外已開展的泥底辟離散元模擬實驗[19,28]，總結(jié)出接近真實地質(zhì)環(huán)境的各參數(shù)。為保證離散元模型的模擬效率，需要針對顆粒的黏度進行等比例減小，依Dean及Maxwell的經(jīng)驗，將泥層的黏度系數(shù)設(shè)置為108Pa·s，以縮短模型在模擬過程中的周期。

2.2 建立模型

由2015年Dean的二維離散元模擬結(jié)果可知，泥巖層最佳實驗厚度為2 km，上覆沉積層為4 km。實驗設(shè)計模型剖面長為100 km，由底至頂發(fā)育泥巖層(2 km)、泥上沉積層(4 km)及后續(xù)陸源沉積層(預(yù)設(shè)投放3 000顆粒)3組地層，2組相鄰地層間鋪設(shè)薄層的能干層以便觀測泥巖變形。最上層陸源沉積層底部設(shè)有一條沉積界限，便于區(qū)別鋪設(shè)層與投放層。同時，實驗設(shè)置了陸殼傾斜與洋殼阻擋2個變量，以此探討盆地基底格局對泥底辟形成的控制作用。

2.3 模擬結(jié)果

實驗1：設(shè)置大陸基底水平，末端受洋殼阻擋(實驗中將其簡化為固定擋板)，投放陸源沉積物，待其靜置后，持續(xù)沉積模擬4×106步成果圖(圖3)。

由圖3可知，該組模型變形傳播距離較短，剖面主分為2個變形區(qū)，分別為近陸緣的伸展區(qū)(A)和近海處的逆沖區(qū)(B)。其中，伸展區(qū)重力作用顯著，地層下沉明顯，發(fā)育有多條伸展斷層，且波及范圍廣。而位于差異沉積遠端的逆沖區(qū)范圍與伸展區(qū)比較小，但逆沖現(xiàn)象更為明顯和集中，逆沖斷層發(fā)育顯著。同時，部分泥巖順著斷層涌入上覆層，形成輕微的泥底辟構(gòu)造。

圖3 實驗1持續(xù)沉積模擬循環(huán)4×106步結(jié)果

實驗2：依據(jù)實際地層剖面測算結(jié)果，設(shè)置大陸基底傾斜且角度為3°，末端未設(shè)置擋板(圖4)。相對于實驗1，該組變形波及范圍更廣，伸展區(qū)(D)與逆沖區(qū)(C)的距離明顯擴大。伸展區(qū)內(nèi)的伸展斷層相對集中，主要為單向向海傾斜的鏟式斷層，且傾斜角度相比于實驗1較為平緩。遠端的逆沖區(qū)斷層不發(fā)育，底辟構(gòu)造相對實驗1 更為明顯。實驗2中，底辟構(gòu)造多處發(fā)育，并且由陸向海方向，底辟規(guī)模逐漸增大，伸展區(qū)構(gòu)造鏟式斷層斜率較大，間距較小，與實際地質(zhì)數(shù)據(jù)資料更加匹配。

圖4 實驗2持續(xù)沉積模擬循環(huán)4×106步結(jié)果

實驗3：設(shè)置大陸基底傾斜且角度為3 °，末端設(shè)有固定擋板(圖5)。與實驗1對照可知，當(dāng)模型的大陸基底有一定傾斜角度時，變形的范圍更廣，伸展區(qū)與逆沖區(qū)間的間隔相差更遠，使得過渡區(qū)的面積增大，泥底辟上拱的程度也有所增加。由前文論述可知，研究區(qū)泥底辟構(gòu)造主要發(fā)育在過渡區(qū)內(nèi)，即傾斜的大陸基底會提供更大的區(qū)域供泥底辟發(fā)育，但對于伸展及逆沖斷層的數(shù)量并不會有較大的影響。 與實驗2對照可知，固定擋板即洋殼的隆起會阻礙泥巖向末端滑動，使得應(yīng)力難以釋放，促進逆沖斷層的形成，增加了底部泥巖向上拱起的通道，使得泥底辟數(shù)量增多。

圖5 實驗3持續(xù)沉積斜坡模型4×106步結(jié)果

由以上3組實驗可知，隆起的新生洋殼能阻礙泥巖向洋盆滑動，對滑脫褶皺帶泥底辟構(gòu)造發(fā)育具有促進作用。結(jié)合尼日爾地質(zhì)資料(圖1)和南大西洋演化背景(圖2)整體來看，與西非其他被動陸緣盆地不同，尼日爾三角洲盆地能形成特殊泥底辟構(gòu)造的原因主要有5個方向：①大規(guī)模長時間的海侵海退運動和尼日爾河高強度的搬運作用使盆內(nèi)沉積了大套泥巖，為泥底辟的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)；②該區(qū)地層具有穿時性，阿卡塔組沉積的大套泥巖，既可作為物質(zhì)來源，也可作為潤滑層，減少底辟上涌的摩擦力；③三角洲扇體規(guī)模大且延伸遠，海陸間巨大的重力勢能差，使沉積物快速堆積，底部泥巖內(nèi)流體呈欠壓實狀態(tài)，為泥底辟上涌提供強大的驅(qū)動力；④水平擠壓、水平扭動及斷裂等構(gòu)造運動會使地層產(chǎn)生不協(xié)調(diào)褶皺或薄弱帶，為泥巖向上運動提供通道；⑤大陸基底格局及洋殼的擋板效應(yīng)，使泥巖能大量堆積在過渡區(qū)，處于超壓狀態(tài)下的泥巖會順斷裂突破地層，釋放能量，形成泥底辟。

3 泥底辟的演化模式

根據(jù)盆地的構(gòu)造沉積背景及前人對泥底辟演化的研究[29-30]，結(jié)合離散元模擬結(jié)果，綜合得出尼日爾三角洲地區(qū)泥底辟構(gòu)造的演化模式(圖6)。

最初，伴隨著南大西洋的擴張，發(fā)生一系列構(gòu)造活動，盆地形成中間低兩邊高的基底形態(tài)。海陸交替運動沉積了大套的厚層泥巖，主要的泥巖層阿卡塔組在沉積過程中沿著基底斜坡發(fā)生重力滑脫作用，并大量堆積在過渡區(qū)內(nèi)。

隨著時間的推移，上覆巖層阿格巴達組泥巖大量沉積，底部的泥巖發(fā)生差異壓實現(xiàn)象，厚層拆離帶發(fā)生重力擴展作用，近陸相的伸展帶生成大量生長斷層，近海相的褶皺沖斷帶產(chǎn)生一系列褶皺及逆沖斷層。最后，頂部的碎屑物繼續(xù)沉積，泥巖處于超壓狀態(tài)，發(fā)生重力滑脫和重力擴展混合作用，大量泥巖順著斷層向上涌起，底辟構(gòu)造快速發(fā)育并廣泛展布。

圖6 尼日爾三角洲盆地泥底辟的演化模式

4 結(jié) 論

(1) 結(jié)合西非中段的構(gòu)造演化事件及尼日爾三角洲盆地的地質(zhì)背景，可將尼日爾三角洲泥底辟的形成過程可分為泥巖開始沉積、泥巖大套沉積、泥底辟開始發(fā)育、泥底辟發(fā)育暫停和泥底辟大量發(fā)育5個階段。

(2) 尼日爾三角洲盆地特殊的泥底辟現(xiàn)象實際是低密度高塑性的泥巖向地層上部流動、拱起所形成的穹隆狀構(gòu)造。其形成受控于5個方面：大套的泥巖、底部的潤滑層、超壓提供的驅(qū)動力、構(gòu)造活動產(chǎn)生的通道及盆地四周高中間低的特殊基底格局。

(3) 根據(jù)二維離散元模擬的結(jié)果看來，尼日爾三角洲海陸兩側(cè)均伴隨著斷裂特征，向海方向為鏟式逆沖斷層，以逆沖擠壓應(yīng)力為主。陸源一側(cè)方向為伸展性正斷層，以拉張應(yīng)力為主?？傮w上，在有一定地層傾角的演化環(huán)境中，過渡區(qū)位置受坡度的影響，泥底辟規(guī)模更大，同時，會提供更大的區(qū)域供泥底辟發(fā)育，但對于伸展及逆沖斷層的數(shù)量并不會有較大的影響。新生洋殼的隆起，阻擋了泥層向深?；瑒?，而是沿著斷裂及褶皺向上拱起，釋放能量，使得泥底辟數(shù)量增多。

(4) 與構(gòu)造演化相對應(yīng)，尼日爾三角洲泥底辟的形成模式在時間上可劃分為3個階段：構(gòu)造演化在第1階段因脆性沉積巖與泥巖的物理性質(zhì)不同發(fā)生重力滑脫作用；在第2個階段，由于重力負荷，產(chǎn)生重力擴展作用，塑形泥巖上涌形成泥底辟現(xiàn)象；在第3階段，重力滑脫與重力擴展作用混合發(fā)生，泥底辟大量生成。