王學發(fā)，王萬銀，馬杰，楊敏，梁建設，邱春光，王丁丁，紀曉琳，劉金蘭

(1.長安大學 重磁方法技術研究所，陜西 西安 710054；2.長安大學 地質工程與測繪學院，陜西 西安 710054；3.長安大學 西部礦產資源與地質工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710054；4.紐芬蘭紀念大學 地球科學系，加拿大 圣約翰斯市 A1B3X5； 5.中海油研究總院有限責任公司，北京 100027)

0 引言

馬達加斯加島處于非洲板塊與印度洋板塊的結合部，經歷了三期構造演化階段，島內地質構造較為復雜，褶皺及斷裂發(fā)育，油氣和礦產資源豐富，勘探程度較低，油氣地質資料匱乏。因此，需要對該研究區(qū)構造單元進一步研究。前人[1]對馬達加斯加島的斷裂和盆地邊界(安比盧貝盆地、馬任加盆地、穆倫達瓦盆地、塔姆塔夫盆地、圣瑪麗角盆地)做了大量的研究工作，Robertson和USGS主要依據地質資料劃分了盆地邊界；溫志新等基于地震及地質等資料研究了盆地結構；IHS Markit綜述了研究區(qū)內斷裂及盆地劃分結果[2]；Selley等基于前人資料綜述了研究區(qū)內斷裂展布[3]。

通過對研究現狀的總結，馬達加斯加島構造單元劃分存在以下兩個問題：盆地邊界在陸地部分基本一致，但盆地之間分界線及盆地海域邊界差異較大，且盆地二級構造單元劃分等研究程度有限；研究區(qū)東部斷裂分布研究較少，且斷裂分布特征缺乏系統(tǒng)的研究。因此筆者利用重力資料，重新劃分了馬達加斯加島斷裂展布、盆地邊界及內部隆坳構造格局，分析斷裂的作用和地質意義，明確其構造區(qū)劃。研究結果能夠有效彌補井、震資料匱乏的不足，為油氣及礦產資源勘探提供地球物理依據，縮小異常圈定的范圍，降低勘探難度，提高勘探精度，減少鉆井驗證的經費支出。

1 地質與地球物理概況

1.1 地質背景

馬達加斯加島位于非洲東南部，印度洋西海岸，是世界第四大島嶼，面積62.7萬km2。馬達加斯加島經歷了三期構造演化階段：晚石炭世—早侏羅世卡魯裂谷階段、晚侏羅世—早白堊世末馬達加斯加島裂谷階段、晚白堊世至今馬達加斯加島漂移階段[4-12]。

1)晚石炭世至早侏羅世，岡瓦納大陸裂解，形成卡魯裂谷，主要分布在索馬里以南的東非(包括馬達加斯加、塞舌爾)各盆地。卡魯層序以河流相、泛濫平原相、湖相和三角洲相以及少量的海侵為特征，沉積在NE—SW走向的裂谷盆地內。

2)晚侏羅世—早白堊世晚期，隨著岡瓦納大陸裂解，馬達加斯加板塊和南極板塊先后與非洲大陸分離，隨后印度板塊和南極板塊分離，印度洋逐漸張開。馬達加斯加板塊和印度板塊沿Davie斷裂帶向東南運動，馬達加斯加板塊在早白堊世晚期基本停止運動。馬達加斯加裂谷系統(tǒng)相關盆地的碳酸鹽巖臺地沉積都與局部海侵作用有關。

3)晚白堊世早期，非洲板塊東緣和馬達加斯加板塊西緣進入漂移期被動大陸邊緣階段，馬達加斯加板塊與印度板塊分裂，馬達加斯加板塊基本停止運動，而印度板塊則向EN向快速運移。馬達加斯加島的多期構造演化控制了構造單元和盆地的結構。在馬達加斯加島的中東部地區(qū)，大約三分之二的島嶼面積具有前寒武紀結晶基底；西部和北部為二疊紀至新生代的沉積盆地，并伴隨有白堊紀的玄武質火山巖出露；在東部邊緣為帶狀分布的白堊紀玄武巖和流紋巖[13-21](圖1)。馬達加斯加島內盆地屬于“斷陷型”盆地，其典型特征是具有下伏裂谷層系厚、上覆坳陷層系較薄的盆地構造，穆倫達瓦盆地、馬任加盆地屬于該構造類型，整體特征是縱向分層，橫向分帶。馬達加斯加島盆地和斷裂走向為NE向、近SN向和NNE向展布(圖2)。

圖2 研究區(qū)斷裂及盆地研究現狀[1-3]Fig.2 Distribution map of study area fault and basin[1-3]

圖1 研究區(qū)地質[14]Fig.1 Geological map of study area[14]

1.2 重力場特征

本文的研究范圍為東經38°～55°，南緯6°～30°，覆蓋了整個馬達加斯島。地形數據(圖3)和衛(wèi)星測高重力異常數據(圖4)均來自美國兩位教授David T. Sandwell(加利福尼亞大學斯克里普斯海洋研究所)和Walter H. F. Smith(美國國家海洋與大氣局衛(wèi)星測高實驗室)共同維護的全球衛(wèi)星重力異常數據庫中的全球地形數據(V18.1)和重力數據(V24.1)。地形數據網度為1′×1′，重力數據在海域網度為1′×1′，在陸域網度為5′×5′。依據密度資料[22]，海水密度取1.03×103kg/m3，新近紀(2.2～2.3)×103kg/m3，中生代(2.4～2.5)×103kg/m3，基底2.75×103kg/m3，地殼平均密度取2.30×103kg/m3。采用雙界面模型重力場快速正演方法[23]計算海水的重力影響值以及地形影響值，進而得到布格重力異常(圖5)。對布格重力異常進行沉積層重力異常提取[24]，得到沉積層重力異常。

圖3 馬達加斯加島地形Fig.3 Topography map of Madagascar

馬達加斯加島衛(wèi)星測高重力異常(圖4)變化范圍約為-133～440 mGal。整體上馬達加斯加島中部呈重力高，西部和北部陸域以及該島周圍海域為重力低值區(qū)。衛(wèi)星測高重力異常的走向以NNE向、NE向和近SN向為主，這與地質構造的走向一致。

圖4 馬達加斯加島衛(wèi)星測高重力異常Fig.4 Satellite altimetry gravity anomaly map of Madagascar

馬達加斯加島布格重力異常(圖5)變化范圍約為-141～326 mGal。馬達加斯加島整體呈現重力低，西部和北部海域處于重力低與重力高過渡區(qū)，東部海域為重力高值區(qū)。布格重力異常的梯級帶反映為研究區(qū)內不同規(guī)模的斷裂位置和巖體接觸位置，高低變化也進一步說明馬達加斯加島及鄰區(qū)地質構造的不對稱性以及地殼厚度的變化。

圖5 馬達加斯加島布格重力異常Fig.5 Bouguer gravity anomaly map of Madagascar

2 馬達加斯加島斷裂分布

筆者采用布格重力異常歸一化總水平導數垂向導數技術(NVDR-THDR)[25]識別斷裂平面位置。深大斷裂可以控制兩側的構造形成不同的構造格局，從而破壞原來地質體的連續(xù)性，形成物性上的橫向差異。由于密度的橫向差異必然在重力異常上有所表現，因而可以用布格重力異常的歸一化總水平導數垂向導數(NVDR-THDR)來劃分斷裂的平面分布位置。斷裂平面位置的主要識別標志為布格重力異常NVDR-THDR極大值連線或極大值錯段位置，在布格重力異常NVDR-THDR的極大值連續(xù)性較差的地方，需結合布格重力異常特征進行判斷。斷裂視深度是根據重力異常曲率屬性反演方法[26]，利用布格重力異常反演得到。

結合前人斷裂研究成果和地質構造，本次在馬達加斯加島及鄰區(qū)推斷斷裂20條(圖6a)，根據斷裂是否控制盆地邊界，將推斷結果劃分為一級斷裂和二級斷裂，其中一級斷裂9條，二級斷裂11條。利用布格重力異常曲率屬性反演方法得到斷裂視深度(圖6b)，由圖6b可以看出，斷裂視深度在2～8 km。根據斷裂走向和長度繪制斷裂走向玫瑰花圖(圖7)，從圖中可以看出斷裂走向主要為NNE向、NE向和近SN向，其次為NW向和近EW向。對斷裂長度進行統(tǒng)計得到斷裂長度的頻數分布直方圖(圖7b)，可以看出研究區(qū)以中小規(guī)模斷裂為主，大規(guī)模斷裂較少。

圖7 馬達加斯加島斷裂走向玫瑰花圖(a)和斷裂長度的頻數分布直方圖(b)Fig.7 The rose diagram of faults’strikes (a)and histogram of frequency distribution of faults’length(b) in the Madagascar

圖6 馬達加斯加島及鄰區(qū)斷裂平面位置分布(a)和視深度(b)Fig.6 The plane location distribution of faults (a) and their apparent depth (b) in the Madagascar and its adjacent area

與前人研究成果[2-3]相比(圖8)，斷裂走向基本一致，與地質構造運動基本吻合，斷裂體系更為明確。斷裂分布位置及走向與地質構造的位置和方向吻合，研究區(qū)北部在中侏羅紀受馬達加斯加島與非洲大陸分離的影響形成NE向斷裂；西部在晚侏羅紀至早白堊紀受馬達加斯加島漂移走滑的影響形成近SN向斷裂；東部在晚白堊世主要受印度板塊與馬達加斯加島分離的影響形成NNE向斷裂。

圖8 本次斷裂劃分結果與前人研究結果Fig.8 Determined faults and the results of previous studies

根據布格重力異常NVDR-THDR(圖9)和布格重力異常(圖10)，下面對識別的一級斷裂詳細論述。一級斷裂屬性統(tǒng)計結果見表1所示。

表1 研究區(qū)一級斷裂屬性統(tǒng)計

圖10 斷裂與布格重力異常Fig.10 Faults and Bouguer gravity anomaly

圖9 斷裂與布格重力異常NVDR-THDRFig.9 Faults and NVDR-THDR of Bouguer gravity anomaly

F1-1位于馬達加斯加島東部海域，F1-2位于馬達加斯加島東部海岸線附近，F1-1、F1-2位于布格重力高與重力低過渡帶之間， 極大值連續(xù)性好， 均為NNE向，F1-1兩側極大值走向不同，西側為NNE向，受印度—塞舌爾板塊和馬達加斯加島分離的影響而形成，東側為NE向，受印度—塞舌爾板塊漂移的影響而形成，推斷F1-1、F1-2斷裂控制塔姆塔夫盆地邊界。

F1-3位于馬達加斯加島南部海域，F1-3斷裂北側和南側極大值走向發(fā)生變化，且F1-3南北兩側布格重力異常特征不同，南部為NNE向，北部為近SN向，由此推斷F1-1、F1-2、F1-8、F1-9四條斷裂向南延伸至F1-3為止。

F1-4位于馬達加斯加島西部陸域內，受馬達加斯加島漂移影響主要為NNW-NNE向，極大值連續(xù)性好，且位于布格重力高與重力低過渡帶之間，推斷為穆倫達瓦盆地東部邊界。F1-5位于馬達加斯加島北部陸域內，F1-7位于馬達加斯加島北部海域內，F1-5、F1-7斷裂走向為NE向，受馬達加斯加島與索馬里分離的影響而形成，F1-5南部極大值走向發(fā)生變化，為NNE向，推斷為馬任加盆地南部邊界；F1-7推測為洋陸邊界。F1-6位于馬達加斯加島東北部海域，南側極大值和布格重力異常走向為NNE向和NE向， 北側受火山島影響，走向發(fā)生變化，為環(huán)狀，故F1-1、F1-2和F1-7斷裂被F1-6斷裂所截。

F1-8位于坦桑尼亞東部海域至馬達加斯加島西部海域、F1-9位于坦桑尼亞海岸線、莫桑比克東部海岸線附近至馬達加斯加島西部海域，F1-8、F1-9斷裂走向為近SN向，極大值連續(xù)性特征明顯，主要受馬達加斯加島由北向南漂移走滑—拉張作用控制，形成Davie斷裂帶。在F2-11斷裂(位于坦桑尼亞和莫桑比克國界線附近，方向為NW向)位置F1-8斷裂發(fā)生錯斷，受馬達加斯加島漂移方向發(fā)生改變的影響而形成，F1-8斷裂及西側極大值特征受馬達加斯加島漂移過程西部邊緣影響形成，F1-8斷裂東側極大值連續(xù)性較差，被火山島和NW向斷裂所截斷，推斷受馬達加斯加島漂移過程中部和北部影響形成。根據地震剖面解釋，F1-8為洋殼陸殼邊界。

與前人斷裂劃分相比，前人未識別的斷裂有研究區(qū)東部NNE向斷裂、南部和北部NEE向斷裂，西部和北部斷裂多不連續(xù)，且對斷裂未進行分級。本文研究認為，東部F1-1和F1-2斷裂延伸至馬達加斯加島南部和北部；研究區(qū)南部和北部分別被F1-3和F1-6斷裂所截斷；西部和北部斷裂走向和切割關系與前人劃分結果大致相同，但斷裂體系更加明確。根據地質演化，北部NE向斷裂形成時間最早，主要為中侏羅紀裂谷期斷裂；晚侏羅紀開始，馬達加斯加島開始漂移形成西部近SN向的走滑斷裂；東部NEE向斷裂形成時間最晚，主要為晚白堊世印度板塊與馬達加斯加島分離形成裂谷期斷裂。

3 馬達加斯加島盆地構造特征

前人對馬達加斯加島盆地邊界的主要認識是陸域以前寒武紀基底為界，海域以海水等深線為界。本次研究在前人研究的基礎上，結合本次劃分的斷裂和研究區(qū)重力異常，以及地質構造，重新劃分了研究區(qū)內穆倫達瓦、馬任加、塔姆塔夫盆地邊界及內部隆坳格局(圖11)，認為盆地邊界均以斷裂為界。

圖11 本次劃分盆地結果與前人研究結果Fig.11 Determined boundaries of basinand the results of previous studies

由于布格重力異常是地下地質體的綜合響應，反映了地下不同大小和埋深地質體的疊加效果。為了研究不同的地質體，需要從疊加場中分離出各地質體的異常，實現規(guī)模、強弱不同的異常分離，從而為盆地邊界劃分提供更有效的信息。本次對布格重力異常采用沉積層重力異常提取方法獲得了研究區(qū)的沉積層重力異常，再采用最小曲率位場分離方法[27-28]，獲得了研究區(qū)的沉積層區(qū)域重力異常(圖12)和沉積層剩余重力異常(圖13)。根據沉積層剩余重力異常，采用雙界面模型重力場快速正反演方法[23]，可反演得到基底深度，進而可計算得到沉積層厚度(圖14)。利用沉積層區(qū)域重力異常的等值線走向確定盆地的大致走向，利用沉積層剩余重力異常的高值帶劃分盆地邊界，利用沉積層剩余重力異常的零值線劃分盆地內部隆坳構造的邊界。在劃分盆地邊界和內部隆坳構造格局過程中，同時結合了本次劃分的斷裂和計算得到的沉積層厚度。

沉積層區(qū)域重力異常(圖12)在馬達加斯加島中部呈現重力高，海域為重力低值區(qū)，東部等值線走向為NNE向，西部和北部陸域為重力低和重力高過渡區(qū)，方向分別為近SN向和NE向，沉積層區(qū)域重力異常等值線走向確定了盆地的走向。沉積層剩余重力異常(圖13)在島周圍具有明顯的高值帶和低值帶相間分布的帶狀特征。沉積層厚度(圖14)整體呈現“陸厚洋薄”的特征，在海岸線附近陸域最厚，超過10 km，盆地較薄處大約為5～6 km，同時也

圖14 馬達加斯加島沉積層厚度Fig.14 Thickness of sedimentary mapof Madagascar

圖13 馬達加斯加島沉積層剩余重力異常Fig.13 Sediments of residual gravity anomaly map in Madagascar

圖12 馬達加斯加島沉積層區(qū)域重力異常Fig.12 Sediments of regional gravity anomaly map in Madagascar

具有帶狀分布特征。

利用沉積層剩余重力異常高值帶及其零值線，結合沉積層厚度對馬達加斯加島及鄰區(qū)進行盆地劃分。重新劃分了穆倫達瓦盆地、馬任加盆地和塔姆塔夫盆地，識別了莫桑比克海峽盆地，盆地總體呈NNE走向、NE走向和近SN走向。與前人研究結果相比，盆地陸域邊界基本相同，海域邊界和盆地分界線有所不同，且劃分了盆地內部隆坳構造單元。東部塔姆塔夫盆地受印度—塞舌爾板塊張裂和漂移的影響，走向為NNE向，受F1-1和F1-2斷裂控制，與前人盆地邊界劃分相比，擴充了東西兩側盆地邊界，東部邊界位于區(qū)域重力高與重力低過渡帶位置，沉積層剩余重力異常西部為NNE向，東部為NE向。東部穆倫達瓦盆地受馬達加斯加島由北向南漂移影響，走向為近SN向，受F1-4斷裂和F1-8(Davie東斷裂)斷裂控制，東西部邊界位于區(qū)域重力高和重力低過渡帶位置，東西部邊界與前人邊界劃分基本一致，與USGS劃分結果相比，縮小了南部邊界，馬任加盆地分界線依據異常走向修改為NNW向。北部馬任加盆地受馬達加斯加島與索馬里張裂影響，走向為NE向，受F1-5和F1-7斷裂控制，南部邊界位于區(qū)域重力高和重力低過渡帶位置，且南側沉積層區(qū)域重力異常和沉積層剩余重力異常走向轉變?yōu)镹NE向，北部邊界北側沉積層區(qū)域重力異常和沉積層剩余重力異常走向轉變?yōu)镹W向，相比IHS Markit劃分結果，依據沉積層區(qū)域重力異常和沉積層剩余重力異常走向特征和連續(xù)性，合并了安比盧貝盆地與馬任加盆地。在馬達加斯加島東部海域，依據沉積層區(qū)域重力異常低和沉積層剩余重力異常低走向，劃分了莫桑比克海峽盆地，主要受F1-13和F1-19斷裂(Davie東斷裂)控制。

馬達加斯加島及鄰區(qū)盆地內部隆坳構造整體呈現“兩坳夾一隆”的帶狀分布特征。東部塔姆塔夫盆地走向為NNE向，東部坳陷相比西部坳陷沉積層厚度較小，約為8.5 km，西部坳陷約為10 km，中部隆起沉積層厚度約為6 km。西部穆倫瓦達盆地走向為近SN向，兩側坳陷沉積層厚度約為10 km，中部隆起約為7 km。北部馬任加盆地走向為NE向，南部坳陷沉積層厚度約為9.5 km，北部坳陷沉積層最厚處超過11 km，中部隆起厚度約為7 km。

盆地的形成和演化與斷裂密不可分，斷裂往往控制著沉積層的分布范圍、盆地邊界(圖15)。本文研究認為F1-1拉張斷裂控制了東部塔姆塔夫盆地海域邊界，其東側為印度板塊漂移形成的沉積地層，西側為張裂作用形成的構造演化；F1-4斷裂兩側沉積地層有所不同，東部為前寒武紀基底，西部為沉積層，F1-8斷裂為馬達加斯加島在漂移過程中形成的Davie走滑斷裂，分別控制了穆倫達瓦盆地的陸域邊界和海域邊界；F1-5南部為前寒武紀基底，北部為沉積層，F1-7斷裂南部為馬達加斯加島張裂作用形成的構造，北部為漂移過程形成的沉積層，分別控制了馬任加盆地的陸域邊界和海域邊界；重新劃分的莫桑比克海峽盆地受Davie斷裂帶F1-8和F1-9斷裂控制。盆地劃分結果與前人[1-2]研究對比(圖10)，可以看出塔姆塔夫盆地東西邊界有所擴大，穆倫達瓦盆地東西邊界基本一致，南部邊界有所縮小，與馬任加盆地分界線有所不同；馬任加盆地陸域邊界基本一致，海域邊界有所擴充，東部合并了安比盧貝盆地。整體而言，本次劃分的盆地邊界陸域基本一致，海域有所不同。

圖15 馬達加斯加島構造區(qū)劃Fig.15 Tectonic division map of Madagascar

綜上所述，馬達加斯加島及鄰區(qū)盆地演化過程中受到斷裂的控制作用，整體呈現帶狀特征，其內部隆坳構造呈現“兩坳加一隆”的特征。

4 結論與建議

通過對馬達加斯加島及鄰區(qū)重力資料的處理與分析，結合地質資料，得到以下幾點結論：

1) 在研究區(qū)內推斷斷裂20條，其中一級斷裂9條，二級斷裂11條。斷裂走向主要為NNE向、NE向和近SN向，其次為NNE向和近EW向；斷裂視深度約為2～8 km。識別了前人在研究區(qū)東部未識別的斷裂，并對研究區(qū)內斷裂進行分級，使得斷裂體系更加明確。

2) 重新劃分了3個盆地邊界(塔姆塔夫盆地、穆倫達瓦盆地、馬任加盆地)，識別了莫桑比克海峽盆地邊界，盆地面積約117.1 km2，走向為NNE向、NE向和近SN向，斷裂走向與盆地展布方向一致，一級斷裂多控制盆地邊界和走向，二級斷裂控制盆地內部隆坳構造格局。在各盆地內共識別7個坳陷和3個隆起，具有“兩坳夾一隆”的帶狀分布特征。

通過本文研究，對馬達加斯加島及鄰區(qū)斷裂平面位置分布和盆地邊界有了基本認識，但還不夠深入和細致，建議繼續(xù)開展這方面工作，充分利用地球物理資料，對深部構造做進一步研究，并可持續(xù)關注本次新識別的盆地，展開相應的驗證性工作。