阿尔伯特盆地沉降-热史演化特征分析*

孙和风 姜 雪 钟 锴

(1. 中国海洋石油国际有限公司 北京 100027； 2. 中海油研究总院有限责任公司 北京 100028；3. 同济大学海洋地质国家重点实验室 上海 200092； 4. 同济大学海洋资源研究中心 上海 200092)

阿尔伯特盆地是一个发育于非洲克拉通之上的典型大陆新生裂谷盆地[1-5]，是东非裂谷系西支的一部分。2006年以来，在阿尔伯特盆地已陆续发现18个油气田[6-8]，随着油气勘探的深入，对该盆地油气勘探潜力分析是未来勘探的基础，其中沉降-热史演化分析是重要研究内容之一[9-12]。Simon等[8]认为，阿尔伯特盆地三期快速沉降形成了盆地厚层沉积充填，有利于烃源岩和储层发育；张兴 等[3]认为，阿尔伯特盆地热流值为20～100 mW/m2，分布范围大体与东非裂谷其他盆地相当。盆地沉降史与热演化史具有密切的联系[10-12]，因此将沉降-热史作为整体可以更为完整地揭示以阿尔伯特盆地为代表的早期裂谷演化特征。本文根据最新的钻井和地震成果，对阿尔伯特盆地沉降-热史演化特征进行分析，并从深部应力、浅层响应等方面展开讨论，提出阿尔伯特盆地的演化模式，以期为年轻裂谷演化分析及区域油气勘探提供参考。

1 地质背景

阿尔伯特盆地位于东非裂谷系西支北段，处于刚果(金)与乌干达两国之间，西部是高陡的刚果山脉，南部为鲁文佐里山(图1a)，由SW—NE向依次分布塞米利克(Semilik)、阿尔伯特(Albert)两个次凹，两次凹之间由南部调节带过渡[7]。该盆地受拉张和走滑双重作用，可能在侏罗纪晚期—白垩纪裂陷开启，古近纪构造活动相对稳定，新近纪中新世开始发生强烈的板内裂陷作用(整体呈NW—SE向伸展)，上新世末期伴随左旋走滑扭动活动[7]，更新世以后主要为E—W向伸展(约为NWW—SEE向96°，伸展速率约为2.0 mm/y[13]；整体上是位于刚果克拉通和维多利亚克拉通之间的一个大陆新生裂谷盆地[1,3]，在盆地西南部有火山岩侵入及喷发。该盆地东、西边界断层为平直、陡倾正断层，呈NE走向，NW—SE剖面上为不对称地堑，西部裂谷肩更加高陡，东部裂谷肩隆起相对较低(图1b)，沉积地层厚度大于5 000 m，基底之上依次发育新近系中新统、上新统和第四系[7](图2)。地球化学分析揭示该盆地烃源岩主要为深湖—半深湖相沉积，TOC含量为0.5%～7.0%，有机质类型可能以II—III型为主[3]。

图1 阿尔伯特盆地区域位置(图1b位置见图1a)

2 方法与数据

2.1 模拟方法

盆地沉降模拟主要有地球动力学法与地层回剥法两类[9]。地球动力学法通过分析岩石圈的伸展过程研究盆地的沉降特征，岩石圈的减薄、热衰减和沉积物负载的均衡作用控制了盆地沉降过程，拉张模型中初始岩石圈、地壳厚度对构造沉降量有很大影响[10]。地层回剥法采用“地层骨架厚度不变”压实模型，假设沉积地层沉积后即使经历了后期的抬升,但其孔隙度保持最大埋深时的孔隙度值，通过地层从今到古逐一剥除，恢复每个地质时期盆地地层埋藏过程[11]，其中地层层位深度、地层岩性、古水深是主要参数。地层回剥法各项参数的获取较为直观，钻井和地球物理资料能提供准确的层位深度、地层岩性等重要数据。因此，本次研究在已钻井、地震反射层等特征的基础上，通过去压实和去剥蚀校正，恢复地层古厚度，揭示其沉降特征，模拟软件为Thermodel for window 2008。

图2 阿尔伯特凹陷综合柱状图

盆地热演化史恢复可分为盆地演化的热动力学模型和用各种古温标来恢复热历史等，也有学者将热动力学模型与古温标法相结合综合使用[9]。此次热模拟使用IES-PetroMod 1D软件进行，结合阿尔伯特湖盆仅有的2口钻井的镜质体反射率(Ro)数据，利用EASY%Ro对热史过程进行校正。

2.2 数据来源及处理

阿尔伯特盆地大部分探井钻在盆地边部东北部转换带构造高部位，上部地层都有一定程度的剥蚀，目前仅少部分探井钻在盆地中、南部主洼或边界断裂下降盘(如K1—K4井)，揭示地层较全，录取资料也较为系统丰富。整体上，该盆地井控程度较低，考虑到盆地主洼缺少井控制，因此根据分布在主洼的地震测线结合地震解释增加了4口虚拟井，分别为M1—M4井(图1a)。

沉降史分析一共对7口井进行了模拟，包括K1—K3井等3口实钻井和M1—M4井等4口虚拟井，其中已钻井地层分层、厚度和岩性从实钻数据得到；虚拟井地层层位从地震解释层位得到，利用全盆地平均时深关系对4口虚拟井进行时深转换，从而得到地层沉积厚度。所有7口井进行压实校正得到沉积厚度，地层抬升剥蚀主要发生在盆地边缘区，因此在计算过程中未考虑剥蚀对厚度的影响。7口井地层单元年龄参考盆地边缘露头生物化石定年[8]，同时以国际地层表为标准对部分地层利用内插法确定年代。古水深在现今平均水深的基础上，参考前人成果[2]、古生物组合[14]、区域气候变化[14]等反映的古水深环境综合确定(表1)。热史模拟中模型参数见表2，Ro数据来自K3、K4井实测分析数据，Ro数据都经过了氢指数校正；K3、K4井与模拟结果进行对比的现今实测地温数据为实测数据。

表1 阿尔伯特盆地地层沉降模拟参数

表2 阿尔伯特盆地热史模拟参数[2]

3 沉降-热史演化特征

3.1 沉降史特征

对7口井的构造沉降模拟表明，阿尔伯特盆地发育2个幕式沉降旋回，分别为裂陷I期(17.0～7.246 Ma)和裂陷II期(7.246 Ma至今)，其中又以裂陷II期为主要快速沉降期(图3)。平面上，阿尔伯特盆地沉降中心存在迁移(图4)，在不同沉积时期存在M1井区(Semilik地区)和M3井区(K3井区西北部地区)1个或2个沉降中心。

图3 阿尔伯特盆地构造沉降演化特征

图4 阿尔伯特盆地主要井沉降演化对比

3.1.1裂陷I期(17.0～7.246 Ma)

中中新世—晚中新世早期(17.0～7.246 Ma)为第I幕裂陷期(图3)，盆地总沉降量537～2 179 m，平均沉降速率121 m/Ma,可分为2个阶段:①中中新世(17.0～11.608 Ma)，总沉降量481～1 603 m，平均745 m；沉降速率21～296 m/Ma，平均138 m/Ma。②晚中新世早期(11.608～7.246 Ma),总沉降量241～595 m，平均441 m;沉降速率55～136 m/Ma，平均101 m/Ma。平面上，裂陷I期区域应力背景为NW—SE向伸展，以盆地南部M1井区为沉降中心(图4)。

3.1.2裂陷II期(7.246 Ma至今)

晚中新世至今(7.246 Ma以后)为第II幕裂陷期，盆地总沉降量1 553～3 303 m，平均沉降速率343 m/Ma，总沉降量和平均沉降速率都高于第I幕裂陷期(图3)。其中晚中新世是阿尔伯特盆地最快速的沉降期，总沉降量630～1 031 m(平均849 m，沉降速率323～529 m/Ma(平均435 m/Ma)；上新世总沉降量和沉降速率较中新世晚期有所降低，早、晚上新世平均总沉降量分别为631、217 m，平均沉降速率分别为371、217 m/Ma；更新世至今平均总沉降量为404 m，沉降速率52～286 m/Ma(平均155 m/Ma)。由此可见，裂陷II期各沉积阶段沉降速率都高于裂陷I期，表明目前阿尔伯特盆地可能仍处于主裂陷演化阶段。

平面上，裂陷II期早期上中新统上段沉积期(7.246～5.332 Ma)M3井区为沉降中心，总沉降量1 030 m，沉降速率528 m/Ma;下上新统沉积期(5.332～3.6 Ma)沉降中心又迁移至M1井区，沉降速率494 m/Ma，此后上上新统沉积期至今(3.6～0 Ma)，M1、M3井区持续沉降，分别为局部的沉积中心(图4)。

Simon等[8]认为阿尔伯特盆地分为3个沉降阶段，与本文研究的主要区别是7.246 Ma之后裂陷II期演化的认识差异。化石年代学揭示该盆地边缘不整合形成于6.2、2.7 Ma，因此Simon等将其作为重要控制时间点，将裂陷II期分成2个断陷期，但整体上该盆地沉降速率趋势特征与本文研究结果基本一致。

3.2 热史特征

K3井与K4井实测Ro分布趋势有很大差异，其中中部的K3井有机质热演化程度较低，约2 850 m时Ro达到0.5%，而南部的K4井有机质热演化程度相对较高，约2 150 m时Ro即达到0.5%，较K3井浅约700 m，说明2口井具有不同的热史演化特征(图5)。

图5 阿尔伯特盆地K3、K4井埋藏史、热演化图

图6 阿尔伯特盆地热模拟特征

K3井和K4井热史模拟表明，阿尔伯特盆地基底热流值空间分布具有区域性、时间演化具有阶段性(图6)。中新世早期，中、南部基底热流值相似，约为60～65 mW/m2；中新世晚期(7.246～5.3 Ma),中、南部热流值开始呈现差异演化，南部的K4井区热流值从60 mW/m2快速增加到了85 mW/m2，而中部的K3井区基本处于在55～65 mW/m2，略有下降。进入上新世以后，中、南部基底热流值差异更加明显，南部的K4井区在上新世早期最高达90 mW/m2，之后逐步降低，现今约为65 mW/m2；中部的K3井区在上新世早期进一步下降约为50 mW/m2，此后至今保持稳定。与构造沉降演化对比可以看出，该盆地热史与构造沉降演化史在晚中新世前后(7.246 Ma)具有相似的阶段性，都可分为明显不同的2个演化阶段(图6)，但盆地热史-沉降史阶段性演化特征并不尽相同，尤其是K3井热演化史呈持续下降过程，与盆地裂陷期沉降特征对应关系较差。

K3、K4井现今实钻地温梯度分别为28.5、35.0 ℃/km，模拟计算得出的现今地温梯度分别为27.4、35.6 ℃/km，与实测值基本吻合，说明热史模拟结果具有较好的可靠性，全盆地从中中新世至今基底热流值分布为50～90 mW/m2。前期研究认为，阿尔伯特盆地热流值分布在20～100 mW/m2[3]，东非裂谷系西支坦噶尼喀和马拉维盆地热流值为67～73 mW/m2[15]，坦噶尼喀湖北部热流值为40～50 mW/m2[16]，与本文研究结果基本相同(图7)；而东非裂谷系东支鲁察盆地热流值为40～100 mW/m2[17]，整体略高于西支，可能与东支火山活动更为活跃有关。阿尔伯特盆地以南的维隆加地区初始火山作用可能开始于11 Ma[18]，相邻较近的基伍火山作用始于10 Ma[19]。阿尔伯特盆地火山活动主要分布在盆地东南部邻近的鲁文佐里地区，火山作用晚于上新世[20]，K4井邻区火山作用较为活跃可能是其热流值高于K3井区的原因之一。与典型洋壳化的红海盆地90～180 mW/m2高热流值相比[3]，东非裂谷系处于构造演化早期。

图7 东非裂谷各盆地热流值对比

4 盆地演化模式

4.1 深部地壳活动特征

阿尔伯特盆地伸展应力的直接表现是盆地东部的维多利亚克拉通现今每年以约2.0 mm的速率呈SEE向运动[13]。刚果克拉通与维多利亚克拉通之间的深部地幔活动可能是导致维多利亚克拉通运动的主要源动力之一。

Forte等[21]认为,在东非裂谷西支阿尔伯特盆地与东非裂谷东支南部之间存在地幔柱活动与岩浆上涌，触发了古老板块间构造带的最初活动。利用深层地震监测能够揭示深部地壳活动，裂陷前阿尔伯特地区深部地壳厚度约为42.7 km[2];根据深部阿尔伯特盆地南部地震活动的监测结果，盆地南部地区现今地壳厚度约为30～32 km[22-23]，说明在阿尔伯特盆地演化时期地壳抬升约10.7～12.2 km，据此计算盆地伸展因子约为1.378。利用本次研究得到的构造沉降量，参考Karner等[2]在模拟阿尔伯特地区地壳伸展模型中的动力学参数，得到盆地伸展因子为1.178～1.492，其中盆地主洼区M1—M4井的平均伸展因子为1.360，与根据地壳减薄得到的伸展因子基本一致，说明盆地南部地壳在地幔上隆的影响下存在一定幅度减薄。因此，区域上的地幔活动及盆地区地壳减薄形成了阿尔伯特盆地深部应力背景。

4.2 裂谷肩响应特征

裂谷肩对盆地沉降-热史演化的响应是裂谷形成中最典型的地质特征之一。阿尔伯特盆地两翼呈不对称裂谷肩分布特征，西侧的刚果山脉裂谷肩高达2 200 m，东翼相对平缓。据统计,全球裂谷肩隆起的高度范围一般为0.7～2.4 km，宽度一般为75～160 km，其中东非西部裂谷宽度为40～70 km，沉积厚度小于7 km，肩部高度起伏为1.4～2.1 km，肩部宽度为60～140 km[24]，分析认为其宽度和高度主要受盆地深部岩石圈的有效弹性厚度Te的影响，当Te=15或50 km时，肩部宽度为80或200 km。阿尔伯特盆地Te值约为24～30 km[2]，类比计算可知盆地肩部起伏可达1.9～2.0 km，与西侧目前的山脉幅度大体相当。

阿尔伯特盆地裂谷肩的快速隆升可能形成于裂陷II期。鲁文佐里山分布在裂谷西侧南部，主要是由于边界块体间的伸展速率差异导致的左旋走滑压扭应力作用而形成，但裂谷肩效应可能也是重要原因之一。中新世以前鲁文佐里地区剥蚀速率低于0.1 km/Ma，进入中新世晚期开始快速增加，上新世早期剥蚀速率平均可达0.194 km/Ma[25]，快速剥蚀期与阿尔伯特盆地裂陷II期相近;同时,阿尔伯特盆地南部K4井区在上新世早期热流值快速增加，说明K4井区及邻近区域深部热流值活跃，可能也反映了山体的快速隆升。

区域的汇水系统演化对裂谷肩的形成也有较为显著的响应。在裂谷演化前，从乌干达至刚果水系向西流注入刚果盆地[26]，在阿尔伯特盆地裂陷I期刚果山脉逐渐起到了分水岭作用；特别是在裂陷II期，原本向西流出的水体改为向北流出，形成从盆地北部向北流出的白尼罗河，东侧也形成了维多利亚汇水区，这表明裂谷肩快速隆升对区域水系的强烈改造作用，进一步揭示裂陷II期可能是裂谷肩的主要抬升期。

4.3 盆地演化模式

综上所述，深部地壳活动、裂谷肩响应等特征与阿尔伯特盆地沉降-热史演化特征具有较好的对应关系，即盆地演化前期阶段具有沉降速率较低、热流值中等、缺少火山活动的特点，盆地演化后期阶段呈沉降速率较高、热流值快速增加并差异演化、裂谷肩快速隆升、局部火山活动活跃等特征。因此，根据阿尔伯特盆地沉降-热史演化的阶段性可将该盆地划分为3个演化期(图8)。

图8 阿尔伯特盆地构造演化模式

1) 前裂陷期(17.0 Ma以前)。以片麻岩、石英岩、片岩为主的变质基底地势较为平坦，古鲁文佐里地区存在一些低幅构造，整体地形向西刚果盆地略微倾斜，深部地幔和岩浆活动开始活跃。

2) 裂陷I期，发育于中中新世—晚中新世早期(17.0～7.246 Ma)。在深部地幔、岩浆活动影响下，地表开始隆升，改变了前裂陷期整体由东向西倾斜、向刚果盆地汇聚的特征，阿尔伯特湖区开始快速裂陷，发生沉降，热流值中等(为60～65 mW/m2)，沉降速率较大，M1井区为区域沉降中心。裂陷I幕晚期沉降速率最低，盆地发现的大部分油气分布在裂陷I期末期上中新统下段，是目前盆地主要的含油气层系(图1)，如盆地东北部油田群是一套河流—三角洲—湖泊相沉积，储集层为河道、边滩、河口坝砂岩，砂岩含量为22.7%～68.1%。

3) 裂陷II期，发育于上新世至今(7.246 Ma至今)。在此期间，深部地幔隆升，裂谷肩翘倾显著，阿尔伯特盆地西部断层落差大，断面倾角较陡，裂谷肩海拔可达2 200 m，东部边界断层落差相对较小，裂谷肩隆升幅度也相对较低，东、西两翼的差异说明两侧边界大断裂下盘构造去负载效应有所区别，西侧地幔、岩浆侵入更高，因而隆起幅度更大，裂谷肩的隆起改变了区域水道的汇聚面积和方向，此时鲁文佐里开始快速隆起。作为对快速隆起的响应，盆地凹陷区加速快速沉降，沉降速率明显大于裂陷I期，晚中新统沉积期盆地范围内普遍沉降，此时是区域烃源岩的主要发育期(图2)，M3井区是盆地的沉降中心，但区域上沉降速率相差不大，推测盆地内烃源岩应广泛分布。同时，快速沉降直接控制了烃源岩纵向分布层系，以K3、K4井实钻揭示烃源岩为例，2口井都在中新统上段沉积了一套高丰度优质烃源岩，有机质总有机碳含量平均值分别可达5.27%、2.83%，对应形成时间都在裂陷II期快速沉降时期。

上新世之后，盆地继续保持较高沉降速率，M1井区和M3井区为2个盆地沉降中心；同时裂陷II期盆地南部(K4井区)热流值高于北部(K3井区)。目前盆地南部仅钻探2个构造，未获商业性油气发现，早期认为南部供烃能力有限是主要的失利原因。但从此次研究来看，南部是阿尔伯特盆地的沉降中心之一，且较高的热流值有利于有机质演化，这种新的认识提升了盆地南部围区的勘探潜力。

5 结论

1) 沉降-热史分析表明，阿尔伯特盆地具有两期裂陷幕式旋回，其中裂陷I期具有沉降速率较低、热流值中等、缺少火山活动的特点；裂陷II期盆地演化呈沉降速率高、热流值快速增加并差异演化、裂谷肩快速隆升、局部火山活动活跃的特征。

2) 阿尔伯特盆地沉降-热史演化特征影响了储集层和烃源岩分布，储集层发育在裂陷I期末期，盆地内已钻遇的区域性烃源岩发育在裂陷II期早期，盆地南、北部热史有较大差异，南部热流值相对更高，烃源岩生烃门限要浅于北部。