余一欣，陶崇智，史帥雨，殷進垠，鄔長武，劉靜靜

（1. 中國石油大學（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249；2. 中國石油大學（北京）地球科學學院，北京 102249；3. 中國石化石油勘探開發(fā)研究院, 北京 100083）

0 引言

鹽構(gòu)造是含油氣盆地一種比較常見的構(gòu)造樣式，而且與油氣成藏關(guān)系密切，對圈閉發(fā)育、儲集層質(zhì)量、烴源巖演化和油氣運移等都有重要影響[1-9]。由于鹽巖具有密度較輕、抗壓能力弱等特殊的巖石力學性質(zhì)，鹽構(gòu)造變形表現(xiàn)出比較獨特的特征，易形成鹽滾、鹽枕、鹽底辟、鹽舌、鹽席、鹽墻、鹽筏、鹽焊接和鹽撤微盆等復雜多變的構(gòu)造樣式[4-5,7,10-13]。南大西洋中段被動大陸邊緣盆地是鹽構(gòu)造發(fā)育的典型地區(qū)[14-18]，也是現(xiàn)今世界深水油氣勘探的熱點區(qū)域[19-22]。前人針對南大西洋中段被動大陸邊緣盆地的鹽構(gòu)造變形樣式、形成演化過程及其動力學機制等都進行了比較深入的研究[14-18,23-28]，但這些研究更多的是針對含鹽層系本身及其上覆地層的變形特征，近期也開始注意到鹽底形態(tài)對鹽構(gòu)造發(fā)育的影響[27-28]。另外，這些研究重點關(guān)注的是單個盆地或局部重點地區(qū)，很少將南大西洋中段兩岸含鹽盆地一起進行對比分析，這也限制了對被動大陸邊緣盆地鹽構(gòu)造發(fā)育特征及其動力學機制的深入認識。本文在前人相關(guān)工作基礎上，對南大西洋中段兩岸被動大陸邊緣盆地鹽構(gòu)造變形特征進行對比分析，并通過物理模擬實驗，重點探討鹽下斜坡傾斜程度、鹽下隆坳結(jié)構(gòu)以及板塊抬升作用等因素對鹽構(gòu)造形成演化的影響。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

南大西洋中段是指位于大西洋北東東向Florianopolis斷裂帶和 Romanche斷裂帶之間的廣闊區(qū)域[29]，該區(qū)內(nèi)含鹽盆地主要包括西非大陸邊緣的寬扎盆地、下剛果盆地和加蓬盆地，以及巴西東部的桑托斯盆地、坎波斯盆地和圣埃斯皮里圖盆地等（見圖 1）。南大西洋中段兩側(cè)被動大陸邊緣盆地是在三疊紀晚期以后勞亞大陸和岡瓦納大陸破裂時，在區(qū)域拉張作用影響下，由海底擴張作用而形成，主要經(jīng)歷了前裂谷期、裂谷期、過渡期和漂移期等演化階段[22,30-32]。與演化階段相對應，這些盆地主要發(fā)育了 4套沉積層序，即前裂谷期層序、裂谷期陸相層序、過渡期鹽巖層序和漂移期被動大陸邊緣層序（見圖2）。

圖1 南大西洋中段被動大陸邊緣含鹽盆地區(qū)域地質(zhì)背景圖

圖2 南大西洋中段被動大陸邊緣盆地地層綜合柱狀圖（據(jù)文獻[22]修改）

早白堊世晚阿普特期的過渡期是南大西洋被動大陸邊緣的初始形成期，以熱沉降作用為主，強烈的構(gòu)造運動基本停止，僅有局部孤立的斷塊進行調(diào)整。由于受南大西洋中部Walvis海嶺的阻隔，使得南大西洋中段盆地處于半封閉淺水環(huán)境，在構(gòu)造沉降相對穩(wěn)定、氣候溫暖干燥和蒸發(fā)作用強的環(huán)境下，在陸相和海陸過渡相地層之上形成了一套區(qū)域性分布的鹽巖沉積，其厚度最大超過1 km[33]。在被動大陸邊緣背景下，下白堊統(tǒng)阿普特階鹽巖向海洋方向發(fā)生塑性流動，局部地區(qū)發(fā)生減薄或增厚，從而形成多種類型的鹽構(gòu)造，并從圈閉發(fā)育、儲集層質(zhì)量和油氣運移等方面影響了油氣成藏[9, 17-20, 31]。

2 鹽構(gòu)造變形特征

南大西洋中段被動大陸邊緣盆地的構(gòu)造變形受下白堊統(tǒng)阿普特階鹽巖控制明顯，在橫向上表現(xiàn)出明顯的構(gòu)造分帶特征[7,15-18]。西非中段含鹽盆地自陸地向海洋方向可劃分出后緣伸展帶、中間過渡帶和前緣擠壓帶（見圖3），巴西深水含鹽盆地自陸地向海洋方向可劃分出近岸低凹帶、中部低凸帶、近海低凹帶和外部高地帶等（見圖4）。由于受鹽底形態(tài)、上覆層進積速率以及區(qū)域構(gòu)造背景等不同因素影響，南大西洋中段被動大陸邊緣盆地的鹽構(gòu)造變形特征表現(xiàn)出一定差異性。

2.1 西非中段鹽構(gòu)造特征

西非中段被動大陸邊緣盆地鹽層底面整體呈向西傾斜的斜坡形態(tài)，鹽下發(fā)育多條西傾正斷層，靠近陸地一側(cè)沉積較厚的下白堊統(tǒng)，同時發(fā)育基底隆起（或大西洋樞紐帶），其頂部地層剝蝕較嚴重（見圖3）。后緣伸展帶阿普特階鹽巖層系普遍較薄，局部地區(qū)已流失殆盡，主要發(fā)育正斷層、鹽滾、鹽焊接和筏狀構(gòu)造（見圖 3）。正斷層以傾向海洋方向為主，并在鹽層發(fā)生滑脫，其下盤發(fā)育規(guī)模較小的三角形鹽滾構(gòu)造。根據(jù)鹽筏構(gòu)造發(fā)育的時代，可以進一步劃分為白堊系鹽筏構(gòu)造和新近系鹽筏構(gòu)造。白堊系鹽筏構(gòu)造主要發(fā)育于靠近陸地一側(cè)，該區(qū)域在鹽層滑脫過程中形成一系列鏟式正斷層，向下在鹽層發(fā)生滑脫，向上終止于白堊系內(nèi)（見圖3b）。往海洋方向，新近系內(nèi)部發(fā)育鏟式正斷層，斷層兩側(cè)地層差異滑動明顯，上盤同沉積地層發(fā)育滾動背斜，從而形成新近系鹽筏構(gòu)造（見圖3b）。

中間過渡帶位于大陸斜坡底部，以刺穿特征顯著的鹽底辟為主，鹽底辟之間發(fā)育鹽撤凹陷（見圖3）。整體而言，該區(qū)域內(nèi)斷裂相對不發(fā)育，向陸一側(cè)鹽底辟較鹽滾規(guī)模大，兩翼較為對稱，局部地區(qū)與上覆地層呈整合接觸。向海一側(cè)鹽底辟隆升幅度更高，如寬扎盆地和加蓬盆地鹽底辟隆升幅度最大約4 km，而且有的已接近海底（見圖3a、圖3c）。部分地區(qū)鹽巖在新近系中向海洋一側(cè)發(fā)生擠入，從而形成鹽舌構(gòu)造（見圖3c）。如果擠入嚴重，則可以形成孤立的鹽舌構(gòu)造（見圖3a）。前緣擠壓帶位于盆地靠近遠洋一側(cè)，來自大陸方向的鹽巖在此區(qū)域發(fā)生聚集和增厚，最厚能可達 3 km（見圖 3c）。受擠壓應力作用影響，該地區(qū)常發(fā)育逆沖斷層，鹽巖有時沿斷層發(fā)生擠壓和逆沖，并導致上覆地層形成褶皺（見圖3b）。

2.2 巴西深水鹽構(gòu)造特征

桑托斯盆地鹽下靠近陸地一側(cè)斜坡形態(tài)明顯，往海洋方向逐漸變緩，而且裂谷體系發(fā)育（見圖4a）。與西非中段含鹽盆地明顯不同的是，桑托斯盆地在遠洋一側(cè)還發(fā)育基底隆起（圣保羅臺地），上覆較厚的阿普特階鹽巖（見圖4a）。坎波斯盆地鹽層底部整體表現(xiàn)出向海洋方向傾斜的斜坡形態(tài)，鹽下基底發(fā)育Badejo隆起、中部隆起和外部高地，整體呈現(xiàn)“三隆夾兩凹”的構(gòu)造格局，但外部高地明顯較桑托斯盆地狹窄（見圖 4b）。

桑托斯盆地和坎波斯盆地在近岸地區(qū)主要發(fā)育向陸地方向傾斜的正斷層，以及鹽滾和鹽焊接構(gòu)造（見圖4）。往海洋方向，發(fā)育向海洋傾斜的正斷層，其下盤發(fā)育鹽滾構(gòu)造。盆地中部地區(qū)（主要是中部低凸帶）具有雙向伸展特征，正斷層分別向陸地和海洋方向傾斜。在桑托斯盆地和坎波斯盆地靠近遠洋一側(cè)的外部高地帶和近海低凹帶內(nèi)，鹽層厚度大，一般超過1 km，呈厚層狀展布，局部地區(qū)發(fā)育鹽底辟構(gòu)造（見圖4）。與西非中段含鹽盆地相比，桑托斯盆地和坎波斯盆地在靠近遠洋一側(cè)的基底隆起上方的大范圍厚層鹽巖比較明顯，而刺穿鹽底辟構(gòu)造并不突出（見圖3、圖4）。

圖3 西非中段含鹽盆地區(qū)域地質(zhì)剖面圖（據(jù)文獻[34]修改，剖面位置見圖1）

圖4 巴西深水含鹽盆地區(qū)域地質(zhì)剖面圖

3 物理模擬實驗

3.1 實驗材料

根據(jù)相似性原則，并結(jié)合前人開展鹽構(gòu)造物理模擬實驗常用的模擬材料[24,27,35-38]，本文模擬實驗使用聚合硅樹脂（下文簡稱硅膠）模擬具有牛頓流體特性的塑性鹽巖，用干燥松散的純石英砂模擬上覆沉積地層，鹽下斜坡和隆起則分別用光滑的PVC（聚氯乙烯）板和硬橡膠塊模擬。

室溫條件下，硅膠的密度約為987 kg/m3，具有牛頓流體特征，在應變速率小于3×10-3s-1時，其動力黏度約為5×104Pa·s，接近鹽巖的流變學特征。石英砂的粒徑為100～400 μm，密度約為1 500 kg/m3，粘結(jié)力約為 200 Pa。在自然重力場條件下，石英砂的形變遵循莫爾-庫侖破壞準則，接近地殼淺部沉積巖層的脆性形變行為[39]。在本實驗中，為了方便觀察構(gòu)造變形過程及其特征，將部分石英砂染成不同的顏色作為標志層。表 1列出了實際地質(zhì)模型與物理模擬實驗模型的各項參數(shù)及其比例系數(shù)，基本滿足比例化物理模擬實驗的相似原則。

表1 南大西洋中段盆地鹽構(gòu)造物理模擬實驗參數(shù)

3.2 實驗模型設計

本文在對比分析南大西洋中段被動大陸邊緣盆地鹽構(gòu)造發(fā)育背景及其變形特征的基礎上，參考典型地質(zhì)剖面（見圖3、圖4）設計物理模擬實驗模型，主要探討鹽下斜坡傾斜程度、鹽下隆坳結(jié)構(gòu)以及板塊抬升作用等因素對鹽構(gòu)造形成演化的影響（見圖5）。

為了分析鹽下斜坡傾斜程度對鹽構(gòu)造發(fā)育的影響，設計了兩個對比實驗。兩個模型的尺寸均為80 cm×20 cm，模型兩側(cè)固定，使用光滑的PVC板設置一個長度為80 cm的斜坡。同時參考前人有關(guān)鹽下斜坡形態(tài)以及上覆層進積速率的研究成果[24,40]，將斜坡坡度分別設置為5°和3°，以模擬南大西洋中段具有不同傾斜程度的被動大陸邊緣斜坡（見圖 5a、圖 5b）。在斜坡上方鋪設厚約2 cm的硅膠，靜置約10 h，以等待硅膠自然流動使其表面水平，并排出氣泡。然后開始實驗，以類似被動大陸邊緣沉積地層向海洋進積的形式向模型左側(cè)每隔3 h鋪砂約20 cm。

西非中段和巴西深水盆地的鹽下地層及基底雖然都表現(xiàn)出較明顯的隆坳結(jié)構(gòu)，但兩者的隆坳形態(tài)以及隆起位置還是具有較大差異。西非中段含鹽盆地的基底隆起（如Libncvillo凸起和大西洋樞紐帶）靠近陸地一側(cè)（見圖 3），而巴西深水盆地的基底隆起（如圣保羅臺地）則更靠近遠洋一側(cè)（見圖4）。前人已經(jīng)通過物理模擬實驗證實，靠近物源區(qū)的基底隆起上方鹽層整體較薄，在隆起邊緣上方發(fā)育規(guī)模較小的三角形鹽底辟構(gòu)造[38]。為了對比分析不同位置鹽下隆起對鹽構(gòu)造發(fā)育的影響，本文設計了如圖5c所示的實驗模型。模型尺寸大小為80 cm×20 cm，模型兩側(cè)為固定端，基底形態(tài)包括斜坡帶、水平帶和隆起帶，分別模擬大陸斜坡、鹽下低凹帶和鹽下隆起帶，其中隆起帶更靠近遠離物源區(qū)的模型右側(cè)（見圖5c）。在基底上方鋪設厚約2 cm的硅膠，并靜置約10 h，以等待硅膠自然流動使其表面水平，并排出氣泡，然后開始實驗，從模型左側(cè)向右側(cè)進積鋪砂，每隔3 h向右進積10 cm。

區(qū)域研究表明，非洲板塊曾經(jīng)在新生代發(fā)生過抬升作用，可能會對西非被動大陸邊緣盆地的鹽構(gòu)造變形產(chǎn)生一定影響[41-42]。據(jù)此設計了如圖5d所示的實驗模型。模型基底為長80 cm的光滑玻璃，硅膠層長度為70 cm，左、右兩側(cè)各有5 cm長的石英砂阻擋（分別模擬遠洋和陸地一側(cè)上覆沉積物對鹽巖層的阻擋，見圖 3）。基底在初始時是水平的，在實驗過程中將模型右端逐漸掀斜至基底坡度最大為 8°（為了實驗結(jié)果更明顯，該傾斜角度比實際有所增大）。實驗初始硅膠層上覆有石英砂層，在實驗過程中，隨著早期石英砂層的流動，每間隔12 h進行一次石英砂的同沉積-填平補齊，實驗總共進行了120 h。

圖5 基底結(jié)構(gòu)影響鹽構(gòu)造發(fā)育模擬實驗初始模型示意圖

由于硅膠與玻璃板之間具有較大的黏聚力，為了更好地觀察變形特征，待上述實驗結(jié)束后均對模型表面加砂、澆水，以將模型固定，然后沿長軸方向切開模型，以觀察模型內(nèi)部硅膠和石英砂層的變形特征。

4 模擬結(jié)果及討論

4.1 不同坡度鹽下斜坡模型

在坡度為5°的鹽下斜坡模型中，實驗進行約3.5 h后硅膠開始向下坡方向流動，但此時整體流動特征還不是十分顯著，上覆砂層中也僅在模型左側(cè)發(fā)育兩條正斷層（見圖6a）。隨著上覆砂層向下坡方向逐漸進積，在重力滑動作用和上覆層差異負載作用影響下，硅膠向下坡方向流動更為明顯，上覆砂層中也開始發(fā)育多條規(guī)模較大的斷層（見圖 6b）。在坡度為 3°的鹽下斜坡模型中，硅膠的整體流動特征與前者比較相似，但上覆砂層中的斷層數(shù)量有明顯增加。在切開后的模型剖面上，可見當斜坡坡度為 5°時，上覆砂層中主要發(fā)育 6條規(guī)模較大的鏟式正斷層以及一些較小尺度的正斷層，斷層斷開的層位往下坡方向也逐漸變新（見圖6c、圖6d）。上坡方向在正斷層下盤發(fā)育3個鹽滾構(gòu)造，正斷層上盤砂層中形成了比較明顯的筏狀構(gòu)造，而且受斷層活動性影響，向下坡方向筏狀構(gòu)造的發(fā)育層位逐漸變新（相當于西非中段含鹽盆地陸坡區(qū)靠陸一側(cè)的白堊系鹽筏構(gòu)造和靠海一側(cè)的新近系鹽筏構(gòu)造，見圖3b）。斜坡中部發(fā)育了兩個規(guī)模較大的鹽底辟構(gòu)造，其頂部的砂層發(fā)生塌陷，形成正斷層和小型地塹。受鹽撤活動影響，兩個鹽底辟之間發(fā)育明顯的龜背構(gòu)造，而且鹽焊接范圍也較大（見圖 6d）。當斜坡坡度為 3°時，模型的整體變形特征與前者比較相似，但上覆砂層中的正斷層數(shù)量要多一些，而且其規(guī)模也明顯更大，鹽底辟頂部的地塹規(guī)模也更大。另外，該模型鹽滾、鹽底辟和鹽焊接的數(shù)量要比前者多，但其規(guī)模明顯要小一些（見圖6e、圖6f）。

該組對比模擬實驗表明，較陡的鹽下斜坡有利于重力滑動和差異負載作用促使鹽體向海洋方向發(fā)生快速流動，鹽構(gòu)造因此發(fā)育較快，其規(guī)模較大，數(shù)量較少，鹽構(gòu)造之間的鹽焊接面積也更大（見圖6e），這與西非大陸邊緣含鹽盆地比較相似（見圖 3）。而較緩的鹽下斜坡有利于鹽體緩慢流動，鹽構(gòu)造充分發(fā)育，但其規(guī)模較小，上覆地層中同時發(fā)育大量規(guī)模較大的正斷層（見圖6f），這與巴西深水含鹽盆地比較相似（見圖4）。

圖6 不同傾斜程度鹽下斜坡模型模擬過程及結(jié)果對比

4.2 鹽下隆坳結(jié)構(gòu)模型

在鹽下隆起遠離物源區(qū)的模型中，當實驗進行2.5 h后，斜坡上方的硅膠已開始向下坡方向發(fā)生流動，斜坡末端的上覆砂層中也開始形成一條傾向下坡方向的正斷層（見圖7a）。隨著砂層向模型右側(cè)方向進積，硅膠向模型右側(cè)的流動以及上覆砂層中的斷層作用更為明顯，并最終在基底斜坡帶、水平帶和隆起帶等部位都形成了多個形態(tài)各異的鹽構(gòu)造（見圖7b）。實驗結(jié)束后，在切開的模型內(nèi)部剖面上，可見鹽下斜坡區(qū)和水平區(qū)發(fā)育了多個規(guī)模較大的鹽滾和鹽底辟構(gòu)造，其頂部發(fā)育多條正斷層，形成了小型地塹。模型右側(cè)聚集了較厚的硅膠，局部表現(xiàn)出較明顯的擠壓逆沖特征（見圖7c）。另外，基底隆起頂部發(fā)生了明顯的鹽巖增厚（見圖7c），這也說明盆地內(nèi)部遠離物源區(qū)的基底隆起頂部是弱勢區(qū)，有利于鹽體侵入聚集[43-44]，這與盆地邊緣靠近物源區(qū)的基底隆起上方鹽巖厚度及其變形特征具有明顯差異（對比圖 7c、圖 7d）。需要指出的是，該模型基底隆起上方的厚鹽層頂面并非是一個平面，而是發(fā)育局部凹陷和斷層（見圖7c），這與巴西桑托斯盆地圣保羅臺地區(qū)上方的鹽層變形特征比較相似（見圖4b）。這些基底隆起區(qū)上方較厚的鹽巖層對鹽下碳酸鹽巖儲集層的油氣成藏產(chǎn)生了重要影響，如發(fā)現(xiàn)于2006年的桑托斯盆地BM-S-11區(qū)塊的Tupi巨型油田的主力儲集層是位于阿普特階鹽巖下方的碳酸鹽巖，厚度超過2 000 m的鹽巖層不僅能對鹽下碳酸鹽巖儲集層中的油氣起到良好的封蓋作用，同時還有利于鹽下熱量向淺層發(fā)生傳遞，從而可以使鹽下碳酸鹽巖儲集層在埋藏較深的條件下依然能夠保留良好的初始孔隙[7]。

圖7 鹽下隆坳結(jié)構(gòu)模型模擬過程及結(jié)果（圖d據(jù)文獻[38]修改）

4.3 基底隆升作用模型

實驗開始后將水平基底掀斜至坡度為5°，12 h后，除上、下坡方向硅膠被石英砂層阻擋的部位發(fā)生輕微伸展和擠壓逆沖變形外，模型整體基本未發(fā)生明顯變形（見圖 8a）。20 h后，將基底掀斜至坡度為 8°。實驗進行60 h后，模型右側(cè)和左側(cè)已發(fā)生明顯的伸展和擠壓變形（見圖8b）。隨后，這些伸展和擠壓變形得到進一步加強，最終在模型右側(cè)拉張區(qū)形成多條正斷層，硅膠層也明顯減薄，而在模型左側(cè)擠壓區(qū)發(fā)育多條主沖斷層和背斜構(gòu)造，部分硅膠也沿斷層發(fā)生擠入、逆沖，而模型中部變形總體比較微弱（見圖8c）。在切開的模型內(nèi)部剖面上，可見硅膠和上覆砂層均是自伸展區(qū)向擠壓區(qū)逐漸增厚，而且構(gòu)造變形分帶特征非常明顯（見圖8d）。模型右側(cè)伸展帶以正斷層和小型鹽滾為主，中部過渡帶主要發(fā)育形態(tài)各異的鹽底辟，規(guī)模較大，部分鹽底辟已刺穿上覆石英砂層至模型表面，左側(cè)前緣擠壓帶以逆沖斷層和厚層鹽巖為主，局部地區(qū)鹽體擠入明顯，形成鹽推覆體和孤立的鹽舌構(gòu)造，并引起上覆層發(fā)生褶皺作用，這與下剛果盆地前緣擠壓區(qū)的鹽構(gòu)造變形特征非常相似（對比圖 3b、圖 8d）。該基底隆升作用模型模擬結(jié)果表明，比較顯著的重力滑動和擴展作用有利于在前緣擠壓區(qū)形成以逆沖斷層為主、褶皺為輔的變形特征，而上覆地層自擠壓區(qū)向伸展區(qū)減薄，反映了基底傾斜程度對構(gòu)造樣式的控制作用。

圖8 基底隆升作用模型模擬過程及結(jié)果

5 結(jié)論

南大西洋中段被動大陸邊緣盆地鹽構(gòu)造類型豐富，而且自陸地向海洋方向表現(xiàn)出明顯的構(gòu)造分帶性。西非中段含鹽盆地鹽下斜坡較陡，可以促使鹽巖向海洋方向快速流動，導致鹽構(gòu)造規(guī)模較大，但數(shù)量較少，鹽底辟之間的鹽焊接面積也較大；而巴西深水含鹽盆地較緩的鹽下斜坡有利于鹽體緩慢流動，鹽構(gòu)造充分發(fā)育，但其規(guī)模較小。非洲板塊的隆升有利于重力滑動作用在盆地靠近遠洋一側(cè)的前緣擠壓區(qū)形成規(guī)模較大的逆沖斷層和褶皺，巴西桑托斯盆地和坎波斯盆地的外部隆起遠離物源區(qū)，其上方有利于鹽巖侵入聚集而明顯增厚；而西非中段盆地鹽下基底隆起靠近盆地邊緣物源區(qū)，基底隆起上方殘留鹽層較?。ɑ蛉笔В?，兩側(cè)發(fā)育規(guī)模較小的鹽滾構(gòu)造。