史帥雨，余一欣,殷進(jìn)垠,鄔長(zhǎng)武,劉靜靜,劉延莉,王 波

[1.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249； 2.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院，北京102249；3.中國(guó)石化 石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京100083； 4.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司 中海油實(shí)驗(yàn)中心，天津300452]

含鹽盆地是全球油氣資源最豐富的一類(lèi)盆地[1]，含鹽盆地中已探明的油、氣儲(chǔ)量分別占全球已探明油、氣儲(chǔ)量的89%和80%[2-3]。近些年來(lái)，位于西非被動(dòng)大陸邊緣的下剛果盆地發(fā)現(xiàn)一系列與鹽構(gòu)造相關(guān)的大型油氣田，使其成為了全球油氣勘探的熱點(diǎn)地區(qū)[3]。前人已針對(duì)下剛果盆地的構(gòu)造演化和油氣聚集成藏特征等進(jìn)行了研究[4-14]，對(duì)鹽構(gòu)造的變形和演化特征也有所討論[15-28]，同時(shí)還完成了一些物理模擬實(shí)驗(yàn)研究[16,30-33]。但目前還缺少對(duì)鹽構(gòu)造變形期次及主控因素的詳細(xì)分析，而且前人的物理模擬實(shí)驗(yàn)較少涉及對(duì)比模型，從而限制了對(duì)鹽構(gòu)造變形影響因素的深入分析。本文主要在前人工作基礎(chǔ)上，利用地震剖面解釋成果分析下剛果盆地不同區(qū)帶鹽構(gòu)造變形特征，并通過(guò)平衡剖面復(fù)原和構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)厘定鹽構(gòu)造變形期次，對(duì)比分析重力滑動(dòng)和沉積差異負(fù)載作用對(duì)鹽構(gòu)造變形與演化的影響，明確不同基底傾斜程度對(duì)鹽構(gòu)造發(fā)育的影響，為下剛果盆地鹽構(gòu)造分析以及有利油氣勘探區(qū)帶評(píng)價(jià)提供借鑒和參考。

1 地質(zhì)概況

下剛果盆地位于西非被動(dòng)大陸邊緣，北部以Mayumba隆起與加蓬盆地相接，南部以Ambriz隆起與寬扎盆地相鄰，東至出露地表的前寒武系基底，西至非洲大陸坡，面積約為68 000 km2，其中海上面積約占90%(圖1)[4-6]。下剛果盆地的形成演化與西非海岸其他盆地相似，經(jīng)歷了岡瓦納大陸分離、裂谷發(fā)育和板塊漂移等過(guò)程，屬于典型的被動(dòng)大陸邊緣疊合盆地，可劃分為前裂谷期、同裂谷期、過(guò)渡期和被動(dòng)大陸邊緣期等4個(gè)階段[7-11]。

下剛果盆地沉積地層主要包括侏羅系—新生界(圖1)，縱向上可劃分為鹽下層序，鹽巖層序和鹽上層序[6]。鹽下層序不整合覆蓋在前寒武系基底之上，以晚侏羅世、早白堊世尼歐克姆和巴雷姆期的河流-湖泊-三角洲沉積體系為主。鹽巖層序在早白堊世晚阿普特期沉積，厚幾十米到上千米，整體上厚度由南向北變薄。鹽上層序是一套裂谷后的被動(dòng)邊緣沉積，主要發(fā)育三角洲與深海沉積體系[12-14]。

2 鹽構(gòu)造樣式

根據(jù)下剛果盆地鹽層及其上覆地層構(gòu)造變形特征的差異性，從大陸架到深海平原方向可以整體劃分為后緣伸展帶、中間過(guò)渡帶和前緣擠壓帶(圖2)。各構(gòu)造帶鹽相關(guān)構(gòu)造樣式差異明顯，從陸地向海洋方向鹽構(gòu)造發(fā)育成熟度依次增大。

圖1 下剛果盆地區(qū)域地質(zhì)背景(a)及地層綜合柱狀圖(b)Fig.1 Regional geological map and stratigraphic column of the Lower Congo Basin

后緣伸展帶位于大陸架及部分上斜坡，主要發(fā)育鹽滾、筏狀構(gòu)造和鏟式正斷層等。鹽滾和鹽筏構(gòu)造是下剛果盆地典型的構(gòu)造樣式(圖3a)。鹽滾構(gòu)造幅度較低，兩翼不對(duì)稱(chēng)，緩傾一翼與上覆地層整合接觸，陡傾一翼與上覆地層以正斷層接觸，是伸展應(yīng)力作用下鹽巖向下傾方向滑動(dòng)的結(jié)果[20-21]。鹽巖滑脫早期，鹽上地層發(fā)育一系列向盆地內(nèi)傾斜的鏟式斷層；晚期上盤(pán)滑脫速率大于下盤(pán)，上盤(pán)與下盤(pán)完全分離，不再通過(guò)斷面接觸，形成了鹽筏構(gòu)造。根據(jù)鹽筏構(gòu)造發(fā)育的年代，下剛果盆地的鹽筏構(gòu)造又可細(xì)分為白堊系鹽筏構(gòu)造和新近系鹽筏構(gòu)造。

中間過(guò)渡帶位于斜坡區(qū)之上，主要發(fā)育各類(lèi)不同形態(tài)的鹽底辟以及龜背構(gòu)造和微盆等(圖3a)。該區(qū)帶受拉張應(yīng)力和擠壓應(yīng)力的共同作用，鹽巖主要以垂向運(yùn)動(dòng)為主，呈直立狀，斷裂相對(duì)不發(fā)育。向陸一側(cè)鹽底辟構(gòu)造幅度比鹽滾構(gòu)造幅度大，兩翼較為對(duì)稱(chēng)，與上覆地層呈整合接觸；向海一側(cè)發(fā)育的鹽底辟構(gòu)造幅度更大，呈直立狀刺穿上覆地層。鹽底辟的活動(dòng)對(duì)上覆地層有很大的影響，導(dǎo)致上覆地層通常發(fā)育龜背構(gòu)造、披覆背斜和微盆地等構(gòu)造樣式[22-23]。

圖2 下剛果盆地區(qū)域地質(zhì)剖面(剖面位置見(jiàn)圖1)[25]Fig.2 Regional geological section of the Lower Congo Basin (see Fig.1 for the location)[25]

圖3 下剛果盆地鹽構(gòu)造地質(zhì)剖面(剖面位置見(jiàn)圖1)Fig.3 Geological section of salt structures in the Lower Congo Basin (see Fig.1 for the location)

前緣擠壓帶位于坡腳及局部深海平原區(qū)，以鹽蓬、逆沖斷層和厚層鹽巖等擠壓構(gòu)造為主要特征(圖3b)。鹽蓬和鹽蓋構(gòu)造位于擠壓區(qū)向陸一側(cè)，在擠壓應(yīng)力的作用下下層鹽巖侵入上覆地層，并向下傾方向擠入、展布，通過(guò)補(bǔ)給通道與鹽巖層相連，在強(qiáng)烈擠壓作用下會(huì)伴生一些逆沖推覆構(gòu)造[27-28]。

厚層鹽巖(圖3b)位于擠壓區(qū)向海一側(cè)，是上坡原始沉積的鹽巖在重力和沉積載荷作用下向下坡滑動(dòng)并充注、聚集的結(jié)果，厚度可能達(dá)到2～3 km。盆地向海前緣的區(qū)域鹽巖厚度都較大，且分布均勻，形成現(xiàn)今仍在活動(dòng)的陡坡構(gòu)造。上覆地層沉積厚度較薄，以逆沖斷層和擠壓褶皺等構(gòu)造為主。

3 鹽構(gòu)造演化及形成機(jī)理

下剛果盆地鹽巖的塑性流動(dòng)和變形影響了上覆地層的沉積和變形，反過(guò)來(lái)，上覆地層的沉積厚度變化和變形特征也可以反映鹽構(gòu)造的變形過(guò)程。本文主要利用分層復(fù)原法[29,34]編制下剛果盆地鹽構(gòu)造平衡演化剖面，進(jìn)而分析鹽構(gòu)造形成演化期次。結(jié)果表明，下剛果盆地鹽構(gòu)造形成演化主要經(jīng)歷了阿爾比期—晚白堊紀(jì)初始活動(dòng)、晚漸新世—上新世末強(qiáng)烈活動(dòng)和上新世末—現(xiàn)今微弱活動(dòng)3個(gè)階段(圖4)。

阿爾布早期地層沉積之后，在重力和上覆層差異載荷的作用下，鹽巖開(kāi)始發(fā)生早期的滑脫變形。阿爾布期末碳酸鹽巖沉積后，熱沉降作用導(dǎo)致陸緣向海掀斜，后緣伸展區(qū)在拉張作用下形成了一系列規(guī)模較小的斷層，伴生一些沿滑脫面分布的孤立斷塊及同沉積地層；中部過(guò)渡區(qū)和前緣擠壓區(qū)發(fā)生局部增厚和減薄，形成一系列小規(guī)模的鹽枕，導(dǎo)致上覆地層變形形成小型凹陷和突起。在晚漸新世—上新世末，由于非洲板塊構(gòu)造掀斜導(dǎo)致大量陸緣沉積物供給，鹽構(gòu)造變形劇烈，伸展區(qū)鹽巖向海方向發(fā)生大規(guī)?；?，形成鹽滾和鹽焊接；過(guò)渡區(qū)早期形成的鹽枕構(gòu)造進(jìn)一步演化成為小型底辟構(gòu)造，鹽底辟頂部地塹開(kāi)始發(fā)育；擠壓區(qū)鹽巖發(fā)生強(qiáng)烈刺穿，發(fā)育刺穿型底辟。由于伸展區(qū)鹽巖大規(guī)模滑脫，導(dǎo)致大陸斜坡位置形成滑脫較為嚴(yán)重的鏟式斷層及反向調(diào)節(jié)斷層。上新世末—現(xiàn)今，鹽巖變形相對(duì)較弱，沒(méi)有新的鹽構(gòu)造發(fā)育，早期形成的鹽底辟緩慢、持續(xù)發(fā)育，擠壓區(qū)的鹽底辟在重力擴(kuò)展作用下有向海方向擠入的趨勢(shì)。

從下剛果盆地的構(gòu)造演化特征及其平衡復(fù)原剖面來(lái)看，控制鹽構(gòu)造發(fā)育的動(dòng)力學(xué)機(jī)制主要是重力滑動(dòng)作用和上覆地層的差異負(fù)載作用。而在不同構(gòu)造帶內(nèi)，重力滑動(dòng)作用和重力擴(kuò)展作用所起的程度是不一樣的。在下剛果盆地伸展區(qū)和過(guò)渡區(qū)，由于大陸斜坡坡度較大，重力滑動(dòng)作用占主導(dǎo)地位，而在擠壓區(qū)重力擴(kuò)展作用完全被擠壓作用吸收，所以只有重力滑動(dòng)作用起作用。同時(shí)由于上覆沉積物厚度向海方向減薄，在差異負(fù)載作用下，鹽巖在重力滑脫變形過(guò)程中一方面向海流動(dòng)，聚集在擠壓變形區(qū)，同時(shí)在不同構(gòu)造區(qū)內(nèi)形成多種類(lèi)型的鹽構(gòu)造。

4 物理模擬實(shí)驗(yàn)

本文在分析下剛果盆地主要鹽構(gòu)造變形特征和形成演化的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了比例化物理模擬實(shí)驗(yàn)，通過(guò)再現(xiàn)下剛果盆地鹽巖塑性流動(dòng)及其變形過(guò)程，探討重力滑動(dòng)作用、上覆層差異負(fù)載作用和不同基底傾斜角度對(duì)鹽構(gòu)造發(fā)育的影響。

4.1 實(shí)驗(yàn)材料和模型設(shè)計(jì)

同前人對(duì)鹽構(gòu)造開(kāi)展的鹽構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)類(lèi)似，本次模擬實(shí)驗(yàn)用硅膠來(lái)模擬具有牛頓流體特征的塑性鹽層，硅膠的密度約為987 kg/m3，粘度系度約為5×104Pa·s[30,31]。用干燥松散的石英砂來(lái)模擬沉積巖，石英砂的密度約為1 500 kg/m3，粘結(jié)力約200 Pa。在自然重力場(chǎng)條件下，石英砂的形變遵循莫爾—庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則，破裂內(nèi)摩擦角為25°～30°，非常接近地殼淺部(< 10～15 km)沉積巖層的脆性形變行為[32,33]。

本次物理模擬實(shí)驗(yàn)的模型尺寸和實(shí)驗(yàn)材料都滿(mǎn)足相似性原則，表1列出了下剛果盆地模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膮?shù)。實(shí)驗(yàn)中的長(zhǎng)度比例為1×10-5，即模型中的1 cm代表自然界中的1 km，實(shí)驗(yàn)材料的密度約為地質(zhì)原型巖石密度的一半，硅膠與鹽巖的粘度比約為5×10-13，由此可以得出時(shí)間比為1×10-8，即實(shí)驗(yàn)中模擬1 h相當(dāng)于自然界中11.4×103a。

以下剛果盆地實(shí)際地震剖面(圖3a)為模擬對(duì)象，同時(shí)考慮到下剛果盆地所處大陸邊緣的初始傾斜程度[17]，設(shè)計(jì)了基底斜坡傾角為3°的模型1(圖5a)。模型尺寸為80 cm×20 cm，模型兩側(cè)為固定端，在靠近模型右側(cè)固定端處使用光滑的PVC板設(shè)置一個(gè)長(zhǎng)度為80 cm的基底斜坡，其坡度為3°。硅膠的流動(dòng)變形完全依靠上覆沉積物差異負(fù)載作用以及重力滑動(dòng)作用來(lái)實(shí)現(xiàn)。在斜坡上方鋪厚約2 cm的硅膠，靜置約10 h，以等待硅膠自然流動(dòng)使其表面水平，并排出氣泡。然后開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，以類(lèi)似大陸邊緣砂體進(jìn)積的形式向模型左側(cè)鋪砂。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后加砂、澆水，將模型固定，最后沿長(zhǎng)軸方向切開(kāi)模型，以觀(guān)察模型內(nèi)部的硅膠和石英砂層的變形特征。

圖4 下剛果盆地平衡復(fù)原剖面(剖面位置見(jiàn)圖1)Fig.4 Cross-section restoration of the Lower Congo Basin (see Fig.1 for the location)

表1 下剛果盆地物理模擬實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 1 Scaling parameters of physical modeling of the Lower Congo Basin

圖5 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?(a)和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?(b)Fig.5 Physical Model 1 (a) and Model 2 (b)

為了對(duì)比分析基底傾斜程度對(duì)鹽構(gòu)造發(fā)育的影響，設(shè)計(jì)了對(duì)比模型2(圖5b)。與模型1相比，僅是將基底斜坡坡角改為5°，其他實(shí)驗(yàn)條件均不改變。

4.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

在模型1中，當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行約3 h后(圖6b)，在上覆砂層差異負(fù)載作用和重力滑動(dòng)作用下，硅膠拖拽上覆層沿斜坡向下流動(dòng)，砂層開(kāi)始下陷和伸展，上覆砂層中也僅僅發(fā)育了兩條向下傾方向伸展的斷層。隨著上覆砂層向下坡方向逐漸進(jìn)積，硅膠的流動(dòng)更為明顯，同時(shí)斷層持續(xù)發(fā)育，規(guī)模變大，數(shù)量也開(kāi)始增多。7 h后(圖6c)，鹽巖滑脫較為嚴(yán)重，斜坡上傾方向上的硅膠發(fā)生了明顯的局部增厚和減薄現(xiàn)象，早期發(fā)育的斷層被砂巖覆蓋后，逐漸停止活動(dòng)。至實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，已發(fā)育較明顯的鹽滾和鹽筏構(gòu)造(圖6d)。

在模型2中，隨著上覆地層的沉積，當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3 h后(圖7b)，硅膠整體流動(dòng)不明顯，出現(xiàn)局部增厚和減薄現(xiàn)象，上覆砂層中發(fā)育了兩條向下傾方向伸展的正斷層。7 h后(圖7c)，硅膠的流動(dòng)更為明顯，同時(shí)上覆砂層發(fā)育了幾條規(guī)模較大的斷層。至實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)(圖7d)，已發(fā)育較為明顯的鹽滾和鹽底辟構(gòu)造。與模型1相比，硅膠整體流動(dòng)特征比較相似，但上覆砂層中的斷層數(shù)量明顯減少。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

對(duì)比模型1和模型2的內(nèi)部變形特征，可以發(fā)現(xiàn)在模型1中，鹽巖在重力滑動(dòng)作用和上覆地層差異負(fù)載作用下，形成了一系列鹽滾和鹽筏構(gòu)造，向斜坡下傾方向，筏狀構(gòu)造的發(fā)育成為逐漸變新。上覆地層形成一系列向下傾方向伸展的斷層，后期伴生一些反向調(diào)節(jié)斷層(圖8)。而在模型2中，整體變形特征與模型1比較相似，上坡方向在正斷層下盤(pán)發(fā)育的鹽滾數(shù)量較少，上覆砂層中形成了比較明顯的筏狀構(gòu)造，而且在斜坡下傾方向發(fā)育規(guī)模較大、隆起幅度較高的鹽底辟構(gòu)造。兩個(gè)底辟中間形成明顯的龜背構(gòu)造(圖9)。兩個(gè)模型有比較明顯差異的是，模型1形成的鹽滾和鹽底辟的數(shù)量要比模型2多，但其規(guī)模明顯要小一些。

圖6 模型1模擬過(guò)程及結(jié)果Fig.6 Simulation process and results of Model 1a.初始沉積;b.硅膠開(kāi)始流動(dòng)，上覆地層形成兩條斷層;c.斷層持續(xù)發(fā)育，規(guī)模變大;d.硅膠發(fā)生明顯增厚和減薄，形成鹽滾、鹽筏構(gòu)造

圖7 模型2模擬過(guò)程及結(jié)果Fig.7 Simulation process and results of Model 2a.初始沉積;b.硅膠開(kāi)始流動(dòng)，上覆砂層形成兩條斷層;c.硅膠在斜坡中下部發(fā)生明顯增厚;d.形成鹽滾、鹽筏和鹽底辟構(gòu)造

圖8 模型1內(nèi)部變形特征Fig.8 Internal deformation characteristics of Model 1

圖9 模型2內(nèi)部變形特征Fig.9 Internal deformation characteristics of Model 2

該組模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，較大的基底坡度有利于重力滑動(dòng)作用使鹽體向海洋方向發(fā)生快速流動(dòng)，從而導(dǎo)致鹽底辟快速發(fā)育，其規(guī)模較大，但數(shù)量較少，鹽構(gòu)造之間的單個(gè)鹽焊接面積也更大，構(gòu)造分帶特征更為明顯。而較小的基底坡度有利于鹽體緩慢流動(dòng)，鹽滾構(gòu)造充分發(fā)育，其規(guī)模較小，但數(shù)量較多，上覆層中同時(shí)發(fā)育大量斷層。

與下剛果盆地實(shí)際地質(zhì)剖面(圖3a)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)基底斜坡傾角更大的模型2與其有更好的相似性。這可能也表明西非被動(dòng)大陸邊緣鹽巖初始沉積在較緩的基底斜坡背景下，而后受漸新世非洲板塊隆升作用影響，下剛果盆地鹽下基底斜坡逐漸變陡，鹽巖則發(fā)生強(qiáng)烈的塑性流動(dòng)變形，從而形成了一系列不同類(lèi)型的鹽構(gòu)造樣式，如圖9反映的在較陡基底斜坡條件下的鹽構(gòu)造變形特征。后緣伸展區(qū)鹽巖較薄，形成小規(guī)模的鹽滾和鹽筏構(gòu)造，上覆層中鏟式正斷層較為發(fā)育。中部過(guò)渡區(qū)發(fā)育規(guī)模較大的三角形鹽底辟，鹽底辟之間鹽巖幾乎流失殆盡，形成鹽焊接，上覆地層形成龜背構(gòu)造。前緣擠壓帶的鹽巖發(fā)生了大規(guī)模聚集，形成厚度較大的鹽巖聚集區(qū)。

5 結(jié)論

1) 下剛果盆地從大陸架到深海平原下剛果盆地可劃分為后緣伸展帶、中間過(guò)渡帶和前緣擠壓帶。伸展帶以鹽滾、鹽筏、鏟式斷層為主要特征，過(guò)渡帶以不同形態(tài)的鹽底辟、龜背構(gòu)造為主要特征，擠壓帶以厚層鹽巖、鹽蓬和逆沖推覆構(gòu)造為主要特征。

2) 下剛果盆地鹽構(gòu)造的形成演化主要經(jīng)歷了阿爾比期—晚白堊世初始活動(dòng)、晚漸新世—上新世末強(qiáng)烈活動(dòng)和上新世—現(xiàn)今微弱活動(dòng)3個(gè)階段。

3) 比例化物理模擬實(shí)驗(yàn)證實(shí)，重力滑動(dòng)作用和上覆地層差異負(fù)載作用是導(dǎo)致下剛果盆地鹽巖發(fā)生塑性流動(dòng)的主要因素，而基底傾斜程度也對(duì)鹽構(gòu)造的變形有重要影響。當(dāng)基底斜坡較大時(shí)，有利于鹽體快速流動(dòng)，引起鹽構(gòu)造快速發(fā)育，形成的規(guī)模大而數(shù)量少，上覆地層斷層數(shù)量較少；當(dāng)基底斜坡較小時(shí)，有利于鹽體緩慢流動(dòng)，形成鹽構(gòu)造數(shù)量多而規(guī)模小，上覆地層發(fā)育一系列斷層。西非板塊的隆升作用導(dǎo)致下剛果盆地基底斜坡較陡，進(jìn)而影響了鹽構(gòu)造變形。