东非裂谷系西支中南段Karoo地层分布特点与勘探前景

许志刚

中海油研究总院，北京 100027

东非裂谷系西支中南段Karoo地层分布特点与勘探前景

许志刚

中海油研究总院，北京 100027

东非裂谷系一直是世界油气勘探重点关注区，尤其在西支Albertine盆地获得重大油气发现，而与之具有相似成因演化的西支中南段其它盆地，勘探潜力一直不明朗并急待挖掘。中-古生代Karoo地层及分布在该地区广泛分布，特别是作为烃源和主要的勘探层系在东非海岸陆缘盆地被广泛证实后，Karoo的勘探潜力备受关注。然而，Karoo本身经过漫长的演变，涵盖的地质学内容包罗万象，混淆不清，十分不利于该地区油气勘探潜力的研究和判断。本文通过系统查阅国外文献并结合东非裂谷系的研究工作，初步查明Karoo的成因、演变及分布，并系统评价Karoo地层在西支中南段裂谷盆地及周边的分布，探讨其勘探意义。但以Karoo作为东非地区未来勘探领域仍然面临着一系列不确定性的问题和风险，值得思索和总结。

东非裂谷系;Rukwa;Malawi;Karoo;生烃潜力

100多年前，德国地质学家Wilhelm C.E. Bornhardt（1900年）在其论文中首次对坦桑尼亚Ruf ji河Stieglers Gorge北部地区的Karoo地层进行了描述[1]；而真正将“Karoo”引入地层沉积序列的术语则在1980年南非的大Karoo盆地（Great Karoo Basin），主要记录晚石炭世至早侏罗世这段时期的沉积历史。1993年，Schluter等人认为这段时期广泛分布于非洲撒哈拉南部的非海相地层统称为Karoo群地层，而典型的Karoo群从底到顶依次由冰蹟岩、煤系地层、扇-三角洲碎屑岩和玄武岩组成，并形成了东非、南非广泛分布的Karoo盆地[2-3]。很多学者认为，Karoo沉积的这段时期与冈瓦纳大陆破裂时期是相当的[4-5]，Karoo地层从侧面反映了整个非洲大陆，尤其东非和南非在冈瓦纳破裂时期所经历的系列构造运动和气候变化事件。

虽然世界范围内地质学家对Karoo开展了广泛深入的研究，然而，对国内广大地质工作者而言，对Karoo的研究鲜有论述，对其概念的理解也不明确，尤其在东非和南非，既有广泛分布的Karoo地层和Karoo盆地，也有典型的Karoo沉积序列。狭义的Karoo和广义的Karoo经常交织在一起，使我们很难准确理解Karoo的形成与演化，对我们开展相关研究工作造成了一定的障碍。同时，随着东非裂谷系西支Albert盆地的油气大量发现，其它的裂谷盆地自然成为石油工作者聚焦的焦点。然而，通过对东非裂谷系西支各裂谷地质情况的研究表明，西支越往南，Karoo地层分布越广泛并越发育，并证实Karoo时期的煤层和黑色页岩是西支Tanganyika、Rukwa、Malawi裂谷盆地最重要的潜力烃源岩。因此，厘清广义的Karoo和狭义的Karoo之间的关系、分析Karoo地层的形成、构造演化及分布规律，对于我们清楚认识整个东非裂谷系西支的勘探潜力至关重要。

图1 东非裂谷系西支中南段与Karoo盆地分布图Fig.1 Distribution map of middle-south section of west branch and Karoo basin in East African Rift System

东非裂谷系西支中南段位于Albertine盆地的南部，共有Tanganyika、Rukwa、Malawi等三个主要盆地，近10万平方公里，地震和钻井很少，勘探程度极低（图1）。然而，从东非裂谷系整体演化角度，西支中南段与北段的Albertine含油气盆地具有相似的成因演化和沉积充填特征，因此，其勘探潜力急待挖掘。

1 Karoo构造演化及沉积充填

如果以Schluter等人（1993）的观念认为撒哈拉南部的非海相地层统称为Karoo群地层以及把南非Karoo盆地的作为典型的Karoo地层沉积序列，那么Karoo就具有广义和狭义之分：广义的Karoo泛指晚石炭世—早侏罗世这期间在东非Karoo盆地的沉积记录和演化历史。由于晚三叠世至白垩系期间东非构造活动剧烈，抬升剥蚀事件频繁，现今Karoo盆地中的Karoo地层多是残留的Karoo群地层，因此，广义的Karoo具有明显的穿时性并受到后期构造的强烈改造而再充填。而狭义的Karoo往往特指南非的Karoo盆地，由于保存完整，其沉积序列一直被认为是最典型和最完整的Karoo群。如果以狭义的Karoo群地层作为标尺，那么我们比较容易窥见现今广泛分布于东非的Karoo盆地中-古生界地层的发育情况以及后期受构造改造再充填的记录。其实，对Karoo的这种理解，源于其不同的构造演化历史。

1.1 Karoo克拉通前陆阶段（C3-T2)

这个阶段是典型Karoo群主要沉积期，位于南非的Karoo盆地内。现今南非的Karoo盆地是一个典型的前陆盆地，它是在早期裂谷盆地的基础上叠合而成的（图2）。其构造演化经历了4个主要阶段：①克拉通阶段（1 Ga）。早期的原型盆地是在kalahari克拉通基础上演化而来，此时位于非洲最南端的泛非洲构造带开始活跃；②冈瓦纳南部伸展阶段（0.6 Ga）。泛非洲构造带在岩石圈减薄的持续伸展作用下，形成了系列断陷裂谷盆地；③冈瓦纳南部挤压阶段（300 Ma）。伴随着非洲大陆最南端的富兰克林地台（Falkland Plateau）向非洲板块俯冲，形成新的开普造山带，盆地也从早期的裂谷盆地演化成克拉通前陆盆地。④冈瓦纳大陆裂解阶段（183 Ma）。区域应力由挤压作用重新转为拉张为主，持续断陷作用沉积了厚层陆源碎屑物，后期遭受火成岩的侵入，沉积大套玄武岩。

南非的Karoo盆地的Karoo群可进一步细分为5个组[6]，从下自上依次为Dwyka组、Ecca组、Beaufort组、Stormberg组和Drakensberg组， 最大厚度达到6 000 m，沉积环境从早期的冰川到深湖、三角洲、河流和后期的火山作用（图3）。其中Ecca组所沉积的一套煤系地层和黑色页岩一直受到广泛关注。有学者指出，这套煤系地层具有“倾气性”，而黑色页岩具有“倾油性”[7]。

1.2 Karoo陆内裂谷阶段（T3-K）

图2 南非Karoo盆地构造演化图Fig.2 Tectonic evolution of Karoo basin in South African

图3 南非Karoo盆地地层沉积序列Fig.3 Stratigraphic sedimentary sequence of Karoo Basin in South Africa

在晚三叠世至白垩系期间，整个东非大陆遭受持续的抬升作用，早期沉积的Karoo地层剥蚀严重，残存较少。而三叠系末期，随着马达加斯加岛与非洲板块分离，在现今的肯尼亚安扎盆地处形成小型“三叉裂谷”，形成一系列沿坦桑尼亚NE-SW走向伸展的陆内裂谷，这些裂谷盆地后期随着接受剥蚀的Karoo地层，逐渐演变成现今的Karoo盆地。但由于早期Karoo群地层遭受剥蚀程度不一样，这些裂谷盆地所残存的Karoo地层的分布差异较大（表1）[6]，统称为广义的Karoo地层。

表1 东非和马达加斯加地区裂谷型Karoo盆地地层对比Table 1 Stratum comparison of Karoo basin between East Africa and Madagascar region rift

2 Karoo盆地及地层分布特点

东非裂谷系西支Karoo地层主要集中分布在Rukwa、Malawi及Ruhuhu盆 地，Rukwa和Malawi盆地虽不是典型的Karoo盆地，但盆地内仍然沉积了大套中—古生界的Karoo地层，比较典型的是分布在盆地周边的Karoo煤矿和露头显示。

2.1 Rukwa盆地

Rukwa盆地呈北西—南东走向，是新生代裂谷盆地（图1）。中国石油考察组（1977年）[8]通过研究盆地周边的Karoo露头表明，Karoo地层不整合于结晶基底之上或呈断层接触，其上被白垩系的红色砂岩群（Red Sandstone Group）所覆盖。垂向上，大致可分为3套，从下而上，第一套为上部发育纹理粉砂岩，为灰白色、浅黄色多裂缝的粉砂岩和泥岩，下部有砾岩，分布不均，厚0～4 m，假整合或超覆不整合于前寒武系结晶基岩上，最大厚度为30 m。第二套为含煤的沼泽相沉积，是Karoo的主要产煤地层，厚约48 m。其主要岩性上部是深灰色砂质泥岩、煤质页岩，煤层夹灰白色、灰黄色细砂岩，下部为砂质泥岩和砾岩；第三套为巨厚的红褐色或灰褐色块状长石粗粒砂岩夹少量紫色粉砂岩。长石砂岩常形成峭壁，陡峭的峡谷和瀑布。与下伏含煤层呈假整合接触，或超覆在基底片麻岩之上，厚约1 500 m。

侏罗系—白垩系时期，在Rukwa盆地也发育大套砖红色的粗碎屑岩夹含砾石的结核状砂质灰岩透镜层。这套红色岩系在Rukwa湖的西北部分布比较广泛，在西南只见到几处零星的红色砂岩露头。这套红色砂岩与下伏Karoo层系呈平行不整合接触或直接不整合于结晶基底之上。据Eric M. Roberts等人（2010）这套红色砂岩上部含有一定量的火山凝灰岩，显然受到后期火山作用的影响，并认为早期的Karoo地层和周边火山是其主要物源，说明这套红色砂岩是Karoo陆内裂谷阶段的产物。

2.2 Malawi盆地

Malawi盆地处于东非裂谷系的最南端，亦是新生代裂谷盆地（图1）。与Rukwa盆地相似，盆地的演化过程中经历了早期的Karoo克拉通前陆阶段和陆内裂谷阶段。但据研究表明，Karoo前陆阶段所沉积的煤系地层在盆地的北部和南部地层有所发育，这可能由于盆地周边均发育较大的Karoo盆地，如盆地东侧的Ruhuhu盆地、南侧的Metangula盆地以及西侧的Luangwa盆地，这些盆地通过河流搬运持续为Malawi盆地的中—古生界地层提供物源供给；在远离Karoo盆地的地区，主要以陆内裂谷阶段所沉积的红色砂岩层和新生代裂谷期湖相-三角洲沉积为主。盆地的累积厚度可到4 000 m。

2.3 Ruhuhu盆地

Ruhuhu盆地处于Malawi湖的东岸，是一个典型的Karoo盆地（图1）。北东走向的断层将盆地细分为3个次盆，各次盆之间以垒块相隔。盆地内的地层可细分为5套沉积层序：①冰川沉积；②煤系地层；③红层；④冲积扇沉积；⑤河流三角洲沉积。每套层序底部基本上都发育粗粒碎屑和砾岩，并往顶部粒度逐渐变细。盆地内的沉积层序与南非Karoo层序相比，具有一定的相似性，尤其底部的冰川和煤系地层，应是早期Karoo群地层的残留，属于Karoo克拉通前陆阶段的沉积产物；而后期的红层、冲积扇以及河流三角洲沉积显然受到周缘物源供给的影响。据调查，在盆地的形成过程中，河流水系很发达，均注入盆地西侧的Malawi湖。

3 Karoo的勘探潜力

虽然东非裂谷系西支各裂谷形成于新生代，但盆地的构造演化实际上经历了中—古生代Karoo作用阶段。另外，通过研究表明，东非裂谷系西支越往南，裂谷演化越晚，沉积地层越薄，尽管不乏良好的河流三角洲储层，但很难形成类似Albert裂谷盆地那样的中新世或上新世湖相成熟烃源岩。因此，古生代二叠世Karoo群的生烃潜力直接影响东非裂谷系西支中南段各裂谷的勘探潜力，而Karoo群中生烃的层系主要集中在Ecca组的煤系地层和黑色页岩。由于这两套层系在Rukwa，Malawi及Ruhuhu等盆地内及周边均有一些零星露头和煤矿显示，很多学者通过取样分析了它们的成分、品质并对其生烃潜力进行了简单评价[9-10]，但没有系统总结西支中南段Karoo群的生烃和演化规律，尤其缺乏对各个盆地之间的比较分析。本文的研究建立在他们取样分析的原始数据之上，进行了重新整理、分析和对比。

目前，东非裂谷系西支中南段的Karoo层系煤矿主要集中分布在坦桑尼亚国家境内，如Rukwa盆地、Ruhuhu盆地和Selous盆地，少部分分布在马拉维境内。本文选取Rukwa盆地的Namwele Mkomolo和Muze煤田为例展开分析。

在Namwele-Mkomolo煤田，煤层累计厚度为5～6 m，单层0.05～1.8 m，煤层中往往夹有灰黑色泥岩（并有植物残留）、碳质页岩，含煤页岩。在Mkomolo地区发现了2 m厚的煤层，也混杂着碳质页岩、泥岩和粉砂岩。通过对该地区煤样成分的分析，镜质组质量分数为24%～79%，惰质组20%～69%，壳质组1%～12%。该地区煤层灰度较高（22%～50%），硫质量分数最高可达7.8%，一般为1.58%～5.81%，对应的有机碳质量分数并不是很高（25.9%～40.24%），镜质体反射率（Ro%）分布在0.46%～0.59%，属于高挥发性烟煤。而在Muze煤田，Karoo地层在该区域由4套层系组成，从下自上依次为近30 m底部砂岩、30～35 m的煤系地层、100 m的钙质层和上部的砂岩（McKinlay, 1954）。能被开采的煤层由于受断层切割影响，整体比较零碎，厚度也不均匀（0.5～3.75 m）。该地区发育两套煤层，上下煤层之间发育含砂质泥岩和灰色砂岩，其中位于Kalakala河的下煤层由于厚度较薄，不具有经济开采价值。上煤层的累积厚度可达到6 m，单层最厚可到3.75 m。通过对该地区煤岩显微组成的分析，相比Namwele-Mkomolo地区，该地区具有较高的惰质组质量分数（32%～89%），壳质组和镜质组质量分数基本相同。煤品质方面，煤层中含较多的碎屑成分（14.6%～57%），硫质量分数也较高（0.7%～2.83%），镜质体反射率（Ro%）0.48%～0.52%。

通过以上分析表明，Karoo地层中煤层的品质普遍较差，生烃潜力相对有限。相比东非裂谷系，在东非海岸坦桑尼亚盆地的陆上，揭示二叠—早三叠世Karoo煤露头及碳质页岩HI为258～483 mg/g，综合分析为倾油气型烃源岩。邻近的鲁玛盆地陆上，Lukuledi地堑内Karoo时期的湖相页岩有机碳可达7.5%，氢指数为386 mg/g，属于Ⅱ1型有机质，生油为主，生烃潜力高，属于优质烃源岩。这些数据表明，Karoo时期由于构造演化的复杂性，导致其地层分布差异较大。受其影响，诸如煤层和黑色页岩等有效烃源岩层系的分布差异较大，导致各地区Karoo勘探潜力的差异。总体而言，在围绕东非裂谷系西支中南段及周边，虽然Karoo煤层从目前资料表明，生烃潜力相对有限，但也不乏局部地区存在类似东非海岸陆上良好的烃源层系，尤其目前勘探程度较低，资料较少的情况下，尤其Karoo时期黑色页岩的潜力分析还需进一步认识和评价。

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[2] Thomas Schluter. Geology of East Africa[M]. 1997, ISBN 3-443-11027-4.

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Stratigraphic distribution features and exploration prospect of Karoo in south-central segment of west branch, East African Rift System

XU Zhi-gang
CNOOC Research Institute, Beijing 100027, China

The East African Rift System has been focused on oil and gas exploration area in the world, especially gained major oil and gas discovery in the west branch of Albertine basin. Comparing with similar genetic evolution, the basins from the middle-south section of west branch were uncertain for exploration potential. In the Mesozoic-Paleozoic, Karoo stratum distributed widely in the region, especially as hydrocarbon source and the main prospecting strata series on continental margin basin of East Africa coast were widely conf rmed, exploration potential of Karoo got lots attention. However, after long evolution, the Karoo itself contained more geological contents and was hard to be identif ed, which was not conductive to the research and judgment of oil-gas exploration potential. In this paper, Through systematical review of foreign literature and research work of the East African Rift System, the authors initially identif ed the cause, evolution and distribution of Karoo, systematically evaluated Karoo stratum distribution in the middle-south section of west branch and periphery, and discussed the prospecting signif cance. But the Karoo as future exploration areas in East Africa still faced a series of uncertainty problems and risks, which were worth thinking and summary.

East African Rift System; Rukwa; Malawi; Karoo; hydrocarbon potential

P618.13

A

1001—2427（2014）01 - 14 -6

2013-05-05;

2014-03-02

许志刚（1977—），男，湖北汉川人，中海油研究总院工程师.