史帥雨，余一欣,殷進垠,鄔長武,劉靜靜,劉延莉,王 波

[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； 4.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司 中海油實驗中心，天津300452]

含鹽盆地是全球油氣資源最豐富的一類盆地[1]，含鹽盆地中已探明的油、氣儲量分別占全球已探明油、氣儲量的89%和80%[2-3]。近些年來，位于西非被動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地區(qū)[3]。前人已針對下剛果盆地的構(gòu)造演化和油氣聚集成藏特征等進行了研究[4-14]，對鹽構(gòu)造的變形和演化特征也有所討論[15-28]，同時還完成了一些物理模擬實驗研究[16,30-33]。但目前還缺少對鹽構(gòu)造變形期次及主控因素的詳細分析，而且前人的物理模擬實驗較少涉及對比模型，從而限制了對鹽構(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，并通過平衡剖面復原和構(gòu)造物理模擬實驗厘定鹽構(gòu)造變形期次，對比分析重力滑動和沉積差異負載作用對鹽構(gòu)造變形與演化的影響，明確不同基底傾斜程度對鹽構(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)帶評價提供借鑒和參考。

1 地質(zhì)概況

下剛果盆地位于西非被動大陸邊緣，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)育和板塊漂移等過程，屬于典型的被動大陸邊緣疊合盆地，可劃分為前裂谷期、同裂谷期、過渡期和被動大陸邊緣期等4個階段[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，兩翼不對稱，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，是伸展應力作用下鹽巖向下傾方向滑動的結(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；晚期上盤滑脫速率大于下盤，上盤與下盤完全分離，不再通過斷面接觸，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)造又可細分為白堊系鹽筏構(gòu)造和新近系鹽筏構(gòu)造。

中間過渡帶位于斜坡區(qū)之上，主要發(fā)育各類不同形態(tài)的鹽底辟以及龜背構(gòu)造和微盆等(圖3a)。該區(qū)帶受拉張應力和擠壓應力的共同作用，鹽巖主要以垂向運動為主，呈直立狀，斷裂相對不發(fā)育。向陸一側(cè)鹽底辟構(gòu)造幅度比鹽滾構(gòu)造幅度大，兩翼較為對稱，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。鹽底辟的活動對上覆地層有很大的影響，導致上覆地層通常發(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，通過補給通道與鹽巖層相連，在強烈擠壓作用下會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并充注、聚集的結(jié)果，厚度可能達到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)造演化及形成機理

下剛果盆地鹽巖的塑性流動和變形影響了上覆地層的沉積和變形，反過來，上覆地層的沉積厚度變化和變形特征也可以反映鹽構(gòu)造的變形過程。本文主要利用分層復原法[29,34]編制下剛果盆地鹽構(gòu)造平衡演化剖面，進而分析鹽構(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—晚白堊紀初始活動、晚漸新世—上新世末強烈活動和上新世末—現(xiàn)今微弱活動3個階段(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；過渡區(qū)早期形成的鹽枕構(gòu)造進一步演化成為小型底辟構(gòu)造，鹽底辟頂部地塹開始發(fā)育；擠壓區(qū)鹽巖發(fā)生強烈刺穿，發(fā)育刺穿型底辟。由于伸展區(qū)鹽巖大規(guī)?；?，導致大陸斜坡位置形成滑脫較為嚴重的鏟式斷層及反向調(diào)節(jié)斷層。上新世末—現(xiàn)今，鹽巖變形相對較弱，沒有新的鹽構(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)的鹽底辟在重力擴展作用下有向海方向擠入的趨勢。

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

4 物理模擬實驗

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)計了比例化物理模擬實驗，通過再現(xiàn)下剛果盆地鹽巖塑性流動及其變形過程，探討重力滑動作用、上覆層差異負載作用和不同基底傾斜角度對鹽構(gòu)造發(fā)育的影響。

4.1 實驗材料和模型設(shè)計

同前人對鹽構(gòu)造開展的鹽構(gòu)造物理模擬實驗類似，本次模擬實驗用硅膠來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。在自然重力場條件下，石英砂的形變遵循莫爾—庫侖破壞準則，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]。

本次物理模擬實驗的模型尺寸和實驗材料都滿足相似性原則，表1列出了下剛果盆地模擬實驗模型的參數(shù)。實驗中的長度比例為1×10-5，即模型中的1 cm代表自然界中的1 km，實驗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，由此可以得出時間比為1×10-8，即實驗中模擬1 h相當于自然界中11.4×103a。

以下剛果盆地實際地震剖面(圖3a)為模擬對象，同時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)置一個長度為80 cm的基底斜坡，其坡度為3°。硅膠的流動變形完全依靠上覆沉積物差異負載作用以及重力滑動作用來實現(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使其表面水平，并排出氣泡。然后開始實驗，以類似大陸邊緣砂體進積的形式向模型左側(cè)鋪砂。實驗結(jié)束后加砂、澆水，將模型固定，最后沿長軸方向切開模型，以觀察模型內(nèi)部的硅膠和石英砂層的變形特征。

圖4 下剛果盆地平衡復原剖面(剖面位置見圖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驗參數(shù)Table 1 Scaling parameters of physical modeling of the Lower Congo Basin

圖5 實驗模型1(a)和實驗模型2(b)Fig.5 Physical Model 1 (a) and Model 2 (b)

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

4.2 實驗過程及結(jié)果

在模型1中，當實驗進行約3 h后(圖6b)，在上覆砂層差異負載作用和重力滑動作用下，硅膠拖拽上覆層沿斜坡向下流動，砂層開始下陷和伸展，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積，硅膠的流動更為明顯，同時斷層持續(xù)發(fā)育，規(guī)模變大，數(shù)量也開始增多。7 h后(圖6c)，鹽巖滑脫較為嚴重，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。至實驗結(jié)束時，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，當實驗進行3 h后(圖7b)，硅膠整體流動不明顯，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)，硅膠的流動更為明顯，同時上覆砂層發(fā)育了幾條規(guī)模較大的斷層。至實驗結(jié)束時(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 實驗結(jié)果討論

對比模型1和模型2的內(nèi)部變形特征，可以發(fā)現(xiàn)在模型1中，鹽巖在重力滑動作用和上覆地層差異負載作用下，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。兩個底辟中間形成明顯的龜背構(gòu)造(圖9)。兩個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模擬過程及結(jié)果Fig.6 Simulation process and results of Model 1a.初始沉積;b.硅膠開始流動，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模擬過程及結(jié)果Fig.7 Simulation process and results of Model 2a.初始沉積;b.硅膠開始流動，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

該組模擬實驗結(jié)果表明，較大的基底坡度有利于重力滑動作用使鹽體向海洋方向發(fā)生快速流動，從而導致鹽底辟快速發(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，鹽滾構(gòu)造充分發(fā)育，其規(guī)模較小，但數(shù)量較多，上覆層中同時發(fā)育大量斷層。

與下剛果盆地實際地質(zhì)剖面(圖3a)對比，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)生強烈的塑性流動變形，從而形成了一系列不同類型的鹽構(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、晚漸新世—上新世末強烈活動和上新世—現(xiàn)今微弱活動3個階段。

3) 比例化物理模擬實驗證實，重力滑動作用和上覆地層差異負載作用是導致下剛果盆地鹽巖發(fā)生塑性流動的主要因素，而基底傾斜程度也對鹽構(gòu)造的變形有重要影響。當基底斜坡較大時，有利于鹽體快速流動，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；當基底斜坡較小時，有利于鹽體緩慢流動，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致下剛果盆地基底斜坡較陡，進而影響了鹽構(gòu)造變形。