尼日利亚南部大陆边缘重力场特征及解释

尹 君

(国家海洋局 第二海洋研究所,浙江 杭州 310012)

0 引言

尼日利亚南部大陆边缘地壳结构一直是许多地球物理研究者所探讨的热点问题。近年来,通过国际合作航次,我国在几内亚湾区域进行了地球物理航次调查,对该地区地壳结构及演化背景的研究取得一些认识。尼日利亚南部大陆边缘位于南大西洋东侧,北面为尼日利亚、贝宁、多哥等国家,东侧毗邻喀麦隆、圣多美和普林西比,属于西非被动大陆边缘的一部分,发育了油气资源丰富的尼日尔三角洲盆地[1-2]。深入开展对尼日利亚南部大陆边缘地壳结构、构造演化和沉积过程的研究,有助于揭示尼日利亚南部大陆边缘完整的演化历史。

本文研究区域位于几内亚湾内,包括尼日尔三角洲盆地、Okitipupa断裂带、Chain断裂带、Charcot断裂带、Avon海底扇以及Niger海底扇。对于研究区的构造形变、沉积以及深部结构特征,前人根据已经获得的地质与地球物理资料进行了大量的研究,包括沉积地层的划分、新生代构造与岩浆活动、构造动力学过程以及陆缘构造属性与形变解释[3]。本文收集了中尼合作调查测线北段地震剖面、水深和重力等数据资料,结合几内亚湾声呐浮标、OBS和双船折射等成果信息,利用Geosoft软件建立的区域地球物理模型,计算出正演重力异常曲线。同时,采用了匹配滤波技术将实测重力异常分离出不同深度的异常,并与模型所计算出的正演重力异常曲线进行比较,通过经不断修改并最终得到的完善模型,模拟了尼日利亚南部大陆边缘的地壳结构,为未来该地区地壳结构及其地质演化的研究提供理论依据。

1 地质背景

本文调查区位于尼日利亚南部大陆边缘,距离尼日利亚最大的港口城市拉各斯50 km,水深50～4 000 m,从陆架—陆坡—海盆,水深急剧变化,坡度较陡,发育了尼日尔三角洲。尼日尔三角洲盆地是早白垩世开始发育的被动大陆边缘盆地,包括裂谷期和漂移期两个演化阶段,盆地的形成发育与冈瓦纳大陆裂解和南大西洋、赤道大西洋张开有关,受到大西洋洋中脊扩展出来的转换断层的控制,主要以Chain断层、Charcot断层以及Romanche断层为主,陆架和上陆坡发育了大量的正断层,下陆坡发育了大范围的逆断层。尼日尔三角洲最大沉积厚度达12 km,西部边界为贝宁海湾,东部为喀麦隆火山脊,北部主要以阿南布拉(Anambra)盆地为界,三角洲海上面积达1.3×105km3,从冲积扇顶到入海口延伸300 km以上(图1)。冈瓦纳大陆的裂解始于三叠纪,西非地区的裂解作用发生在晚侏罗世,它与St.Helena地幔柱作用有关,并引发大规模岩浆火山活动,形成三叉裂谷,其中东北部分的贝努埃地槽(Benue)是其衰退夭折的一臂,西南臂和东南臂分别发展成为赤道大西洋和南大西洋的北段。现今的尼日尔三角洲盆地则位于西非三叉裂谷西南臂和东南臂的叠合部位。该边缘的发展可以划分为3个阶段：早期裂开阶段形成了分隔性的裂谷或走滑盆地,具有有限的水体对流；中、晚阿尔布期,大陆边缘完全分离,中等深度海水贯通,但沿大陆边缘和在盆地内部仍存在强烈的地形差异；土仑期以来,沿大陆边缘持续沉降,盆地间的隆起隔档完全消失,形成连通性深水环流,赤道大西洋形成[4]。

图1 尼日尔三角洲盆地地质简图Fig.1 Geological sketch map of Nigeria Delta Basin

2 数据来源和方法

2.1 数据来源

本文采用的数据来源于中尼合作航次,该航次主要开展了沉积物重力柱取样、多波束地形和浅层剖面仪探测、CTD采水、重磁勘查、可视多管采样、ADCP走航观测、电视抓斗采样等项目。本文使用的数据有重力、多波束、浅层剖面主测线15条,长度为3 500 km(表1)。通过多波束地形全覆盖和浅层剖面探测,获得了Avon大峡谷及Mahin大峡谷的走向和尼日利亚南部大陆边缘的高清晰地形地貌特征。

尼日利亚大陆架宽度比较窄,上陆架只有20～30 km宽,水深较浅,在0～450 m之间,中陆架宽40～85 km,下陆架与陆坡的转折处比较陡峭,水深急剧变化。尼日利亚大陆架上存在两个主要峡谷——Avon峡谷和Mahin峡谷,通过这两个峡谷,形成了数条长度不一、婉蜒曲折的多个河道,通过浅层剖面发现河道深度达150 m,在地形上形成了大规模的冲刷河道(图2a)。

图2 尼日利亚南部大陆边缘水深(a)和自由空间重力异常(b)Fig.2 Bathymetry (a) and free air gravity anomaly (b) in the southern continental margin of Nigeria

2.2 布格异常计算

根据图2的水深和空间重力异常测量结果,我们计算了研究区的简单布格异常,其校正公式如下：

δgb=0.041 9(σ-1.03)H

(1)

Δgb=Δgf+δgb

(2)

式中：σ为底层密度,计算中取为2.67×103kg/m3；H为水深,单位为m；Δgb为布格异常；Δgf为空间异常。计算结果如图3a所示。

2.3 莫霍面反演

(3)

(4)

OLDENBURG[6]提出,把上式的级数展开后提出第一项,可化成迭代形式：

(5)

第一次迭代,可令h(0)=0,则可由上式第一项给出h(1),然后代入上式右端,继而得到h(2),依次类推得到反演解。莫霍面上下界面密度差选为0.3×103kg/m3,反演得到的莫霍面深度结果如图3b所示。

图3 尼日利亚南部大陆边缘布格异常(a)和莫霍面深度(b)Fig.3 Bouguer gravity anomaly (a) and Moho depth (b) in the southern continental margin of Nigeria

3 结果与分析

3.1 研究区空间、布格重力异常特征

空间重力异常及布格重力异常特征均与海底地形有关。空间重力异常值一般与海底地形同步起伏变化,海山、海丘和岛礁等地形高位对应的空间重力异常值高,海沟、海槽和海盆等地形低位所对应的空间重力异常值低。布格重力异常值则往往与海底地形呈镜像关系,其异常值随水深值的增大而增大。

图2b是研究区自由空间重力异常图,自由空间重力异常变化范围为-100～40 mGal,且异常的负值区域大于正值区域,反映了该地区下方质量的相对不足区域大于相对过剩区域。北部重力异常变化比南部重力异常变化迅速,北部重力异常曲线呈椭圆状,从中间的-100 mGal递增至边缘的15 mGal,南部重力异常值为正值。大陆架的重力异常值变化较为迅速。中间部位缺失重力异常数据。

图3a是研究区布格重力异常图,该地区的布格重力异常变化范围为0～350 mGal,均为正值,水深越大,值越大。总体上看,该地区的重力异常值从北到南逐渐递增。北部重力异常变化比南部重力异常变化迅速。中间部位缺失重力异常数据。

研究区莫霍面深度如图3b所示,由于缺乏沉积厚度数据,没有改正沉积层重力效应并计算结晶地壳厚度,因此莫霍面深度数据仅作参考,研究区莫霍面深度为16～24 km,由陆坡向海盆逐渐加大。

3.2 剖面解释

为了深入了解尼日利亚南部地区的地壳结构,本文分别在几内亚湾东西两侧各选取了一条剖面进行重力场反演与解释,剖面位置如图2b中的两条黑实线所示。剖面1位于几内亚湾西部,从北偏东到南偏西经过尼日尔三角洲盆地、Avon海底扇、Mahin峡谷、Chain断层、Charcot断层以及Niger海底扇。剖面2位于几内亚湾东部,从北偏东到南偏西经过尼日尔三角洲盆地、Mahin峡谷、Chain断层、Charcot断层以及Niger海底扇。各层选取的密度如表2所示。

3.2.1 剖面1的解释

剖面1长度为492 km,近NNE走向,自由空间重力异常值变化范围为-94～0 mGal。在剖面0～60 km段,重力异常先下降再上升,表明该段地形起伏比较剧烈；在60～492 km段,重力异常曲线变化平缓,没有明显的起伏变化(图4a)。模型共分为五层,第一层为海水层,密度为1.03×103kg/m3,深度为1～5 km；第二层为沉积层,密度约为2.20×103kg/m3；第三层为上地壳,密度约为2.67×103kg/m3；第四层为下地壳,密度约为2.80×103kg/m3；第五层为上地幔,密度约为3.30×103kg/m3。陆壳部分长度为120 km,在陆壳和洋壳的过渡带处为Chain断层。在剖面最南端为Charcot断层。地壳厚度总体上从陆架、陆坡至深海平原呈现阶梯状减薄的趋势,从大陆架处的21 km厚逐渐减薄为深海盆地处的14 km厚(图4b)。

表2 重力模拟使用的密度参数Tab.2 Density parameters used in the gravity modeling

3.2.2 剖面2的解释

剖面2的长度为433 km,近NNE走向,自由空间重力异常值变化范围为-45～18 mGal之间。在剖面0～65 km段,重力异常值逐渐递增,呈上升趋势；在65～131 km段,重力异常值平稳,波动不明显；在140 km处,重力异常值急剧下滑,从0 mGal下降到-45 mGal；在140～206 km段,重力异常值趋于平稳；在206 km处,重力异常值从-36 mGal上升到-15 mGal；在206～327 km段,重力异常值平稳,波动不明显；在327～433 km段,重力异常值变化无规律(图5a)。初始密度结构与剖面1相同,从模拟结果可以看出,陆壳和洋壳的过渡带为Chain断层,在70～240 km处沉积层之下有一块密度为2.30×103kg/m3的高密度体；在295～360 km之间有侵入体,上方密度为2.70×103kg/m3,下方密度为2.84×103kg/m3；在360 km处为Charcot断层。地壳厚度总体上从陆架、陆坡至深海平原呈现阶梯状减薄的趋势,从大陆架处的24 km厚逐渐减薄为深海盆地处的10 km厚(图5b)。

图4 剖面1重力模拟的密度结构Fig.4 Density structures along the profile 1 inferred by gravity modeling

图5 剖面2重力模拟的密度结构Fig.5 Density structures along the profile 2 inferred by gravity modeling

3 小结

本文利用中-尼合作航次在尼日利亚南部大陆边缘地区获取的重力和水深数据,计算了自由空间重力异常、布格重力异常,并反演了莫霍面深度。通过两条剖面上的计算重力异常曲线与观测到的重力异常曲线进行拟合,得到两条剖面下的地壳结构。剖面1的地壳厚度总体上从陆架、陆坡至深海平原呈现阶梯状减薄的趋势,从大陆架处的21 km厚逐渐减薄为深海盆地处的14 km厚。剖面2的地壳厚度总体上从陆架、陆坡至深海平原呈现阶梯状减薄的趋势,从大陆架处的24 km厚逐渐减薄为深海盆地处的10 km厚。

[1]BAIZhen-rui,ZHANGYa-xiong,SONGJian-ping,etal.ApplicationofcomprehensiveseismicinterpretationtechnologyinSTUBBCREEKblockinNigerdeltabasin[J].PetroleumGeologyandEngineering,2012,26(1):13-16.

白振瑞,张亚雄,宋建平,等.地震综合解释技术在尼日尔三角洲盆地STUBBCREEK区块中的应用[J].石油地质与工程,2012,26(1):13-16.

[2]MAJun,LIUJian-ping,PANXiao-hua,etal.GeologicalcharactersoftheEastandWestAfricacontinentalmarginsandtheirsignificanceforhydrocarbonexploration[J].JournalofChengduUniversityofTechnology:Science&TechnologyEdition,2009,36(5):538-545.

马君,刘剑平,潘校华,等.东、西非大陆边缘比较及其油气意义[J].成都理工大学学报:自然科学版,2009,36(5)：538-545.

[3]ZHANGYan.CharacteristicsofsubmarinecanyonsandtheirformationandevolutionfactorsinthesoutherncontinentalmarginofsouthernNigeria[D].Hangzhou:SecondInstituteofOceanography,StateOceanicAdministration,2015.

张妍.尼日利亚南部陆缘区海底峡谷的发育特征及其形成演化的影响因素[D].杭州：国家海洋局第二海洋研究所,2015.

[4]HANWen-ming,YUShui,LIUYang,etal.Anewmethodtoresearchcomplexgravitystructuresindeepwater:acaseofstructureAindeep-waterNigerDelta[J].ChinaOffshoreOilandGas,2012,24(1):13-16.

韩文明,于水,刘阳,等.复杂深水重力构造勘探研究新方法——以尼日尔三角洲深水区A构造为例[J].中国海上油气,2012,24(1):13-16.

[5]PARKERRL.Therapidcalculationofpotentialanomalies[J].GeophysJRoyastrSoc,1973(31):447-455.

[6]OLDENBURGDW.Theinversionandinterpretationofgravityanomalies[J].Geophysics,1974,39(4):526-536.