Lake Chad盆地构造特征及其演化

张守松 郭建军 (中国地质大学 (北京))

Lake Chad盆地构造特征及其演化

张守松 郭建军 (中国地质大学 (北京))

利用最新的测井资料对非洲乍得的Lake Chad盆地地震资料进行了精细层位标定和解释,以此为基础仔细分析了盆地的构造特征及其演化。分析认为:Lake Chad盆地是中-新生代被动裂谷盆地,为前寒武结晶基底;盆地沉积盖层可划分为裂陷、坳陷两大构造层;断裂平面组合共有4种类型,剖面组合存在8种类型,不同组合类型在盆地内的分布位置不同;从研究区大的区域地质背景出发,并结合盆地的实际特点,将Lake Chad盆地构造演化划分为三个阶段,不同时期的盆地性质也不相同。

地震资料 断裂 构造演化Lake Chad盆地

1 区域地质背景

Lake Chad盆地位于非洲乍得的西部,是一个在中、西非剪切带剪切应力场及其伴生的张应力控制下形成的中-新生代裂谷盆地[1],总体上经历了早白垩世盆地形成和断陷期、晚白垩世断-坳期和古近纪断-坳期三期裂谷运动[2]。盆地内充填的为中-新生代地层,其中上白垩统主要发育海相或海陆交互相沉积地层[3],局部地区发育火成岩。目前已经在Lake Chad盆地上白垩统发现了多个油气田,表明该区具有较好的含油气前景,但是到目前为止Lake Chad盆地的油气勘探进展很慢,主要原因是对盆地的构造特征及其演化过程认识不够系统深入,而这两方面又是油气生成、运移和聚集的重要控制因素。利用最新的钻、测井和地震资料对Lake Chad盆地构造特征及其演化进行了较为详细的研究,从而为下一步的油气勘探提供了依据。

2 盆地结构

2.1 构造层划分

Lake Chad盆地是在前寒武结晶基底的基础上发育的中-新生代被动裂谷盆地[4]。研究区及其邻区的钻井、地震资料揭示,前寒武结晶基底主要为石英岩、花岗岩、寒武纪片岩、片麻岩以及橄榄斑晶玄武岩,部分地区出现寒武纪砂岩等。盆地内盖层发育有4套沉积地层,自下而上从老到新分别为下白垩统湖泊相、河流相碎屑岩及冲积扇相沉积;上白垩统海相页岩和砂岩沉积;下第三系湖泊相页岩和河流相砂岩沉积;新近系湖相页岩和砂岩沉积。

依据盆地内的钻、测井资料,合成记录层位标定和地震波组反射特征,通过对全区范围内骨干地震剖面反射波组的追踪对比共划分出6个地震反射层,从上至下依次为 H10、H20、H30、H40、H50、H60,其中 H10为新近系的底界、H20为下第三系底界、H50为上白垩统地层的底界、H60为下白垩统底界。

根据盆地沉积充填地层层序、地震剖面上识别出的规模较大的不整合面、构造变形特征及区域构造运动等方面的特征,将Lake Chad盆地沉积盖层划分为裂陷、坳陷两大构造层[5]。坳陷构造层可以进一步细分为上白垩统、下第三系和上第三系3个构造层。构造层中下白垩统构造层厚度较小,为裂谷发育初期的沉积充填;上白垩统和下第三系为同裂谷期沉积,上第三系为裂谷后期沉积,这3个构造层较为发育,地层厚度较大 (图1)。

图1 Lake Chad盆地地震反射层与构造层划分图

2.2 盆地结构

Lake Chad盆地南部在剖面上表现为东陡西缓的不对称断坳复合型裂谷,平面上呈NNW向展布。盆地两侧发育有两条大的边界正断层,中间为地堑式断陷和坳陷[6],其东、西两侧分别是向西和向东倾的低角度 (平缓)斜坡区。东部边界断裂较陡,倾角约55°;西部断裂倾角约为45°。斜坡区内地层厚度总体较薄,在盆地中央区内,沉积地层厚度大,沉积中心地带地震反射时间可达到5.0 s,厚度达10 000 m以上。从西往东共发育了5个与盆地边界断裂相平行的断裂构造带。

3 断裂特征

3.1 平面分布特征

Lake Chad盆地内断裂比较发育,大小共有80多条。走向以NNW向为主,其次为近南北向,性质均为正断层。断层延伸长度不一,最长的达160 km,短的仅有几公里。断距差异较大,大的断距上千米,小的不过数十米。断层倾角比较集中 ,多在 45°～60°之间。

Lake Chad盆地的断裂平面组合样式主要包括雁行式、平行式、“丁”字形或“镰刀”型、平面“Y”字型或反“Y”字型等4种基本类型。这些断裂平面组合样式在盆地中的分布位置不同,其中雁行式和平面“Y”字型或反“Y”字型在盆地中普遍存在;平行式主要分布在主控断裂向盆地的一侧,为一系列近平行的北西向断裂组合而成,反映了在北东向拉张背景下断裂控制的凹陷沉积;“丁”字形或“镰刀”型主要分布在盆地西北部近东西向断裂与北西向断裂的结合部位。

3.2 剖面特征

Lake Chad盆地的断裂剖面共有地垒式、地堑式、同向断阶式、反向断阶式、扇状式、“Y”字型、反“Y”字型和负花状式等8种组合样式 (图2)。

3.3 断裂活动期次、活动方式与活动强度

根据断裂断开地层的层位、断距在垂向上的变化、断裂两盘地层厚度的差异以及与断裂相伴生的构造变形特征、区域构造运动活动时期等,可以综合确定断裂的形成时间、活动期次、活动方式 (如正断、逆断、走滑、反转、转换等)、活动强度、形成先后顺序 (序次)等。

Lake Chad盆地断裂在剖面上,上白垩统构造层 (K21)中下部 (H30之下)断裂最为发育,断距大,同沉积断裂比较多,在盆地南部发育有大量的火山岩,地震剖面上表现为强反射波组,这些特征均反映了在早白垩世到晚白垩世早、中期盆地伸展断陷活动相对较强。上白垩统构造层 (K22)上部—下第三系构造层 (H30～H20),地层厚度比较稳定,断层断距较小、两盘厚度差别不大,断裂不太发育,表现出该时期盆地伸展断陷活动强度减弱,主要以早白垩世至晚白垩世早期形成的大的同沉积基底卷入式正断层的继承性活动和伴生的同向或反向调节断层为主。除此之外,局部地区发育少量新生的盖层滑脱型的浅层后生正断层。新近系断裂不发育,表现为后裂谷坳陷期构造活动特征。

图2 Lake Chad盆地断裂剖面组合样式示意图

由此可见,在上白垩统构造层中下部 (K21)(H30之下)和上白垩统构造层上部 (K22)—下第三系构造层 (H20～H10)同裂谷期沉积时期,断裂活动强度由强到弱,应力传递自下而上,属于基底卷入式张扭性断裂构造活动。

4 构造演化分析

依据盆地的断裂活动特征,并参考前人认识与区域构造演化背景,将Lake Chad盆地的构造演化划分为三大阶段。

4.1 前裂谷阶段——侏罗纪以前

属于稳定地台沉积阶段,在这一阶段受泛非构造运动的影响,使古生代、早中生代 (侏罗纪以前)的地层遭受热动力变质和花岗岩化,非洲变成一个古老的稳定区。整个非洲地区构造相对稳定,断裂、岩浆活动不发育,基本不发育沉积岩。在Lake Chad盆地所处的西非裂谷系内,目前钻遇的最老地层为下白垩统,其下是前寒武系的结晶基底,岩性为花岗岩、花岗闪长岩或石英岩。

4.2 同裂谷阶段——135～23.5 Ma

这一阶段是西非裂谷系断裂活动、构造沉降、沉积作用发育的主要阶段,同时也是Lake Chad盆地沉积构造演化的重要时期。其演化过程可分为早白垩世 (K1)、晚白垩世 (K2)和古近纪 (E)三期同裂谷阶段。

4.2.1 早白垩世 (K1) ——断陷期

受非洲和南美板块分离影响,中非剪切带强烈右行走滑活动,导致了一系列裂谷盆地的形成 (图3)。在早白垩世,中、西非裂谷系均发育了比较厚的下白垩统地层[7]。其中,西非裂谷系南段的Termit盆地形成了厚度超过5 000 m的陆相沉积,Lake Chad盆地属于该盆地的向南收敛部分,推测早白垩世地层厚度不大,盆地表现为断陷特征。

图3 中非剪切带盆地形成的应力场分析示意图[8]

4.2.2 晚白垩世 (K2) ——伸展坳陷期

晚白垩世 (K2)是Lake Chad盆地的主要成盆期,上白垩统地层厚度巨大,并以海相沉积为主,而且沉积凹陷受断裂控制作用变弱。其中,晚白垩世 (K2)早中期 (H30以下层)裂陷作用比较弱,断裂继承性发育,多数为同沉积断裂,发育伸展构造环境的基性火山岩类。晚白垩世 (K2)早期 (H30以下层)盆地属于伸展坳陷演化阶段,该时期区域伸展作用比较强,盆地坳陷沉降幅度大,范围广。晚白垩世 (K2)晚期 (H30～H20之间层)断裂发育变少,断层两侧地层厚度差减小,断裂对地层厚度的控制较小,构造活动减弱,表现为弱伸展活动。

4.2.3 古近纪 (E) ——伸展坳陷期

该时期Lake Chad盆地断裂活动有所加强,除了老断裂继承性活动外,又形成了部分新断裂。该时期盆地的裂陷程度比晚白垩世 (K2)弱,为盆地第三期同裂谷发育阶段,以河流-湖泊相沉积为主。

4.3 后裂谷阶段——23.5 Ma以后

新近纪,为裂谷后期,盆地在热构造沉降作用下进入坳陷期,断裂基本停止发育,沉积地层厚度分布稳定,为陆相河湖沉积环境,上新世末期部分地区隆起抬升遭受剥蚀,盆地发育结束[8]。

5 结论

(1)Lake Chad盆地沉积盖层可以划分为裂陷、坳陷两大构造层,其中坳陷构造层可以进一步细分为上白垩统、下第三系和上第三系3个构造层。

(2)Lake Chad盆地的断裂平面组合样式主要包括雁行式、平行式、“丁”字形或“镰刀”型、平面“Y”字型或反“Y”字型等4种基本类型;断裂剖面共有地垒式、地堑式、同向断阶式、反向断阶式、扇状式、“Y”字型、反“Y”字型和负花状式等8种组合样式。

(3)Lake Chad盆地的构造演化划分为三大阶段:侏罗纪以前的前裂谷阶段、135～23.5 Ma的同裂谷阶段和23.5 Ma以后的后裂谷阶段。

[1]G JGenik.Petroleum geology of cretaceous-tertiary rift basins in Niger,Chad,and central African republic.AAPG Bulletin,2003,77:1405-1434.

[2]Giedt N R,Unity field-Sudan,Muglad rift basin,Upper Nile province,in E.A.Beaumont and N.H.Foster,compilers,Structural trapsIII:tectonic fold and fault traps.AAPG Treatise of Petroleum Geology Atlas of Oil and Gas Fields,2000:177-197.

[3]Girdler R W,Processes of planetary rifting as seen in the rifting and break up of Africa.Processes of continental rifting:Tectonophysics,2005,94:241-252.

[4]Girdler R W,J D Fairhead,R C Searle,et al.Evolution of rifting in Africa.Nature,1999,224:1178-1182.

[5]Guan Ying-chun.Impact of dynamic mud invasion on Sw estimation in fresh water formations,Sudan Blocks 1/2/4,Muglad Basin.The Log Analyst,40(3):205-221.

[6]Hamada,G M,Al-Awad M N J,Almalik M S.Log evaluation of low-resistivity sandstone reservoirs:SPE 70040[R],2001.

[7]Hwang R J,A S Ahmed,J M Moldowan.Oil composition variation and reservoir continuity:Unity field,Sudan.Organic Geochemistry,2004,21:171-188.

[8]Susan M Landon编.内裂谷盆地.刘忠,鲁兵,李铁军,译.北京:石油工业出版社,2001.

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.12.004

2010-09-20)