边界断层倾角和剥蚀作用对断陷盆地正反转构造演化的影响——以中非Bongor盆地为例

吴珍云， 尹宏伟， 王福远， 刘 松， 汪 伟,孙彬涵， 杨秀磊， 钟 军， 黄荟源

(1. 东华理工大学 核资源与环境国家重点实验室， 江西 南昌 330013；2. 东华理工大学地球科学学院，江西 南昌 330013；3.南京大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 210023)

反转构造是指由区域应力场的转变而触发的先期构造力学性质及构造样式向相反方向转变的构造现象(邹付戈等，2009)，其广泛发育于沉积盆地中。近几十年来，反转构造研究已由定性的描述深化到盆地内部反转构造几何形态、运动学特征、力学成因机制等定量分析(Harding, 1985; Williams et al., 1989; 刘和甫,1995; Song, 1997)。此外，综合应用地球物理资料及构造模拟实验的分析也使得反转构造理论与方法研究取得了较大的进展(Mcclay, 1989; Mitra, 1993; Brun et al., 1996; 马宝军等，2006; Marques et al., 2008)，并逐步在油气勘探中获得推广应用(朱文斌等，2003；张青林等，2005；李振宏等，2005；侯安平等，2007；陈娟等，2008；苑京文等，2015)。

乍得Bongor盆地作为中非剪切带内中-新生代陆内裂谷盆地(Genik，1992)，发育典型正反转构造(吴珍云等，2018)。盆地除经历早白垩世强烈断陷、新生代坳陷成盆的传统裂谷盆地形成过程外,还经历了晚白垩世以来不同程度的构造反转过程，导致盆地内不同构造带发育差异性明显的反转构造。在以往的盆地油气勘探过程中，对断裂系统与油气成藏关系的研究至关重要(宋红日等，2009；窦立荣等，2011；程三友等，2012；赵健等，2013；肖坤叶等，2014；吴珍云等，2018；陈春峰，2020)。因此，针对Bongor盆地中这些差异性明显的正断层反转构造开展形成演化特征及影响因素分析，对盆地内油气圈闭形成和油气成藏的探讨具有重要的意义。

在前人研究基础上，结合地震剖面构造解析和砂箱物理模拟实验，针对断陷盆地先存边界正断层倾角变化和区域剥蚀作用对盆地中正反转构造演化的影响开展了实验模拟工作，并探讨和分析这些因素对中非乍得Bongor盆地正反转构造演化的影响，以期为Bongor盆地油气成藏精确分析及油气勘探提供一定的理论参考。

1 Bongor盆地概况及主要正反转构造特征

Bongor盆地位于乍得西南部、中非剪切带中段北侧，是受中非剪切带影响发育起来的中-新生代陆内裂谷盆地(Genik，1992)。盆地自北向南可划分为北部斜坡带、中央坳陷带、南部隆起带和南部坳陷带等4个次级构造单元，而中央坳陷带自东向西又可以进一步划分为东部、中部和西部3个次级箕状凹陷。盆地边界由几条大的正断裂所界定，总体表现为一个南断北超的构造背景(图1)。但盆地局部也存在着北断南超的构造变化，如盆地东段的东部凹陷就是北断南超的构造特征，该区域沉降和沉积中心在北部。总之，从东向西，盆地结构经历了从北断南超—南断北超—北断南超—南断北超反复的构造变化，并形成了次一级断陷群。它们具有相对不变的走向，彼此连续变化、连通，通过变换构造如挠曲褶皱、扭动断层的方式来过渡和调节不同极性半地堑间的位移，也调节断陷内部断层间的位移，从而形成了现今复杂的构造面貌。

图1 Bongor盆地区域位置及构造带划分(Genik，1992)Fig.1 Regional location and structural belts of Bongor basina.构造带划分；b.研究区位置

该盆地是在经历了早白垩世同裂谷断陷期、晚白垩世强烈反转期以及第三纪后裂谷坳陷期构造演化阶段后形成的典型反转构造盆地，并在盆地内部发育十分丰富的挤压反转构造。对于第三系沉积前曾经强烈反转的构造面貌因强烈剥蚀或许已经无法得知，但现今的Bongor盆地可以识别出至少两期大的构造反转作用：一是晚白垩世早期发生的挤压反转作用，在这个时期形成的构造样式主要为背斜构造，位于凹陷带内；二是第三系沉积前以及晚白垩世末期发生的一次规模更大的盆地挤压反转作用，这次反转作用直接导致盆地隆起并被剥蚀，从而使盆地缺失了上白垩统(余朝华等，2013)。按照反转构造的基本构造样式，结合Bongor盆地区域性地震剖面资料(图2)，解析出盆地中3种典型的反转构造类型：挤压反转单斜构造、挤压反转向斜构造和挤压反转背斜构造。这3种反转构造均是反转断层相关褶皱，是盆地中先期存在的正断层在后期挤压应力场作用下，再次活化反转所致。

区域地震剖面显示盆地内主干断层发育具有明显的继承性，向下切穿基底，向上终止于古近系顶部的不整合面，断层整体呈正断层样式，且盆地中目前还没有发现明显的逆断层样式。此外，盆地断层(含控盆断层)断面一般较陡，断层上下产状变化较小，断面相对比较平直。前人对Bongor盆地主干断层倾角进行了统计(余朝华等，2013)，盆地内主干断层大多数断层倾角接近60°，部分斜坡带或断阶带内断层倾角为45°左右，部分坳陷带内部断层倾角可达到70°～75°。此外，沿高倾角断层，地层更容易褶皱变形，而沿低倾角断层，地层旋转倾斜更明显(图2)。

图2 切穿盆地东段的典型地震剖面(吴珍云等，2018，剖面位置见图1)Fig.2 Typical seismic profile cutting through the eastern part of the basin①②反转单斜构造(拖曳构造)；③④反转向斜构造；⑤⑥反转背斜构造

2 实验设计

2.1 实验材料

本研究方法是砂箱物理模拟实验。砂箱物理模拟技术作为一种实验手段已经被广泛地应用于自然界构造变形演化、变形机制以及影响因素的研究(Mcclay，1995；钟嘉猷，1998；Hansen et al.,2003; Ventisette, 2006; 周建勋等，2006；吴珍云等，2014)。本研究选择石英砂来模拟脆性地层，石英砂的密度为1 297 kg/m3, 粒径为200～400 μm, 内摩擦角为31°, 聚合强度约200 Pa。

2.2 模型设置及操作

根据Bongor盆地典型地震剖面平衡恢复分析结果(吴珍云等，2018)，本次实验中模型总拉张量和挤压量分别设定为7 cm和3 cm，代表自然界中7 km的区域拉张量和3 km的区域缩短量，拉张率和缩短率分别达18.9%和8.1%。实验根据Bongor盆地不同构造带(陡坡带、斜坡(缓坡)带和深凹带)的断裂构造特征设计了3组砂箱物理模拟实验模型，模型具体参数如表1所示，初始模型设计如图3所示。模型采用3种不同斜边角度的楔形块体来模拟不同倾角(75°、60°和45°)的边界断裂基底拉张，产生不同的断陷和斜坡带组合构造样式。3组模型均由2个实验组成，各实验均包含拉张和挤压反转两个阶段，其中一个实验未考虑地表剥蚀作用的影响，另一个实验则在断层反转过程中增加了地表剥蚀作用，以验证剥蚀作用在反转构造演化过程中的影响。

图3 Bongor盆地正反转构造实验模型设计Fig.3 Experimental model design of positive inversion structure in Bongor basina.模型1；b.模型2；c.模型3

表1 Bongor盆地反转构造物理模拟实验模型参数

实验中左侧挡板固定，右侧挡板在可以精确定速的步进电机作用下向右拉伸(第一阶段)和向左推进(第二阶段)。电机由计算机控制，运动速率可以精确到0.001 mm/s。本次实验中，步进马达运行速率为0.002 mm/s。作为实验过程的记录采集系统，用模型顶部与侧面两台相机按固定的时间间隔进行拍照，以分别记录模型顶面与侧面变形过程。实验结束后，在模型的表面加上一薄层石英砂作为保护层，洒水将模型浸湿，最后每隔一定距离切割模型剖面，以便对模型内部进行观察。

3 实验结果

3.1 模型1

模型1包含 Mdl.7和Mdl.13两个实验。实验Mdl.7不考虑剥蚀作用，其构造演化如图4所示。其中拉张阶段侧面演化特征如图4a～c所示，随着拉张距离的增大，盆地内逐渐形成一个楔形的沉积空间，同时依次产生几条与边界断层倾向相反和相同的正断层，并组成盆地内部地堑构造。沿着边界断层，地层逐渐形成一个向斜坳陷，坳陷的轴迹线基本与边界断层平行，但总体由下向上呈开口模式。实验后期挤压阶段构造演化特征如图4d～f所示。随着挤压量逐渐增大，地层沿固定边界断层逐渐向上运移，同时各地层发生不同程度的揉曲，使得各地层断距发生变化(图5a)。在拉张阶段，每个沉积地层的滑移断距基本是线性增长模式；进入挤压阶段后，每个沉积地层的断距开始逐渐减小，表明沿固定边界断层，地层存在断层反转，但是随着挤压量逐渐增大，断层反转量呈逐渐减小的趋势，且浅部地层反转受阻程度要大于深部地层(图5a)。模型1在整个反转过程中，没有新的断层产生。在模型浅层，地层反转受阻较明显，导致沿边界断层，地层逐渐反转褶皱形成一个背斜构造；而在模型深部，地层沿边界断层反转更加明显，拖曳构造更加发育，导致向型褶皱发育更加明显，使得模型总体变形为一个“上凸下凹”的构造形态。

图4 模型1实验Mdl.7侧面演化过程Fig.4 Section evolution characteristics of experiment Md1.7 in model 1

实验Mdl.13是在实验Mdl.7基础上对挤压阶段地表地层进行二次剥蚀。断距统计结果表明剥蚀作用后模型中各地层断距增大，较无剥蚀作用时更明显(图5b)，地层褶皱变形的程度也存在明显差异(图6，7)。在实验Mdl.7代表性剖面中，沿边界主断层，地层褶皱变形强，其中浅部地层发育反转背斜构造，而深部地层则发育反转向斜构造；在实验Mdl.13过程中增加了剥蚀作用后，实验代表性剖面上沿着边界主断层地层褶皱变形变弱，但沿着断裂面地层滑移增强，断距明显增大。

图5 模型1各沉积地层沿75°固定边界断层断距统计Fig.5 Statistics of fault distance of sedimentary strata along boundary fault with 75° dip angle in model 1a.实验Mdl.7；b.实验Mdl.13

图6 模型1实验Mdl.7切剖面(距离外侧挡板15 cm)Fig.6 Cut section of experiment Mdl.7 in model 1 (at location 15 cm from the side)a.切剖面；b.切面构造解析

3.2 模型2

在模型2两个实验过程(实验Mdl.6和实验Mdl.12)中，随着拉张距离的增大，盆地内均逐渐形成一个楔形的沉积空间，同时坳陷内依次产生正断层，并组成盆地内部地堑构造。随着同构造沉积地层的填充，沿着边界断层的地层逐渐形成一个扇型坳陷，坳陷的轴迹线基本与边界断层平行，但总体由下向上呈开口模式(图8a)。

在后期挤压阶段，随着挤压量逐渐增大，沿固定边界断层，地层逐渐向上运移，同时发生旋转。整个反转过程中，没有新的断层产生(图8b，c)。实验Mdl.12在实验Mdl.6基础上添加了剥蚀作用，且剥蚀作用分别发生在挤压量为1 cm、2 cm时。通过对比分析实验Mdl.6和实验Mdl.12拉张和挤压两个阶段的各沉积地层沿固定边界断层的断距变化(图9)，得知在剥蚀作用发生后，沿着固定边界断层，模型深部同构造沉积地层加速反转，其断距加速减小，表明在剥蚀作用下，模型深部地层沿固定边界大断层滑移量增大。此外，随着剥蚀作用将模型浅表地层剥蚀，沿固定边界断层的大单斜构造的翼部倾角减小，但相比实验Mdl.6，实验Mdl.12深部地层向斜构造形变更明显(图10，11)，而浅部地层纵弯褶皱幅度要小很多。

图8 模型2反转构造最终演化特征Fig.8 Final evolution characteristics of inversion structure in model 2a.初始断陷盆地；b.实验Mdl.6；c.实验Mdl.12

图9 模型2各沉积地层沿60°固定边界断层断距统计Fig.9 Statistics of fault distance of sedimentary strata along boundary fault with 60° dip angle in model 2a.实验Mdl.6；b.实验Mdl.12

实验Mdl.6和Mdl.12最终剖面显示，坳陷内部均没有产生传统正反转构造“下正上逆”的构造特征，应力吸收主要还是通过断层之间的地层发生纵弯褶皱变形，形成挤压反转相关褶皱。在模型浅层，沿固定边界大断层逐渐形成一个大单斜构造样式，而在模型深层，地层则发生向斜构造形变，使得模型总体变形为一个“下凹上凸”的构造样式，而断块之间地层受挤压应力作用则容易产生纵弯变形，形成相应背斜褶皱(图10，11)。

图10 模型2中实验Mdl.6切剖面(距离外侧挡板17 cm)Fig.10 Cut section of experiment Mdl.6 in model 2 (at location 17 cm from the side)a.切剖面；b.切面构造解析

3.3 模型3

模型3(实验Mdl.8和Mdl.13)拉张阶段形成的构造样式，总体依然为一个沿固定边界断层发育的由楔形和构造沉积层组成的向斜坳陷，但与前两个模型不同的是，本模型中坳陷内部正断层发育数量明显减少(图12a)。

实验Mdl.8在水平挤压作用开始后，沿固定边界断层，地层逐渐向上运移反转，促使整个裂谷盆地内地层整体抬升，最终在浅部地层中形成前翼短、后翼长的宽阔背斜构造(图12b)。而实验Mdl.13在水平挤压作用结束后，浅部地层形成了单斜构造，单斜构造的隆起幅度也较小，整体形成一个与边界断层斜交的斜坡(图12c)。

地层沿楔体边界断层滑移断距的统计结果显示(图13)，受剥蚀作用的影响，在后期挤压反转过程中，实验Mdl.13中地层滑移速率较实验Mdl.8略大，致使沿着边界断层所形成的深部向斜构造更加明显(图12b，c)。两者最终的构造形态显示(图14，15)，虽然两者最后均呈“下凹上凸”构造样式，但在有无剥蚀作用情况下，模型中浅部地层和深部地层还是有明显的差异。在剥蚀作用下，浅部地层由宽缓背斜构造演变为隆起幅度较小的单斜构造，而深部地层反转滑移程度增大，向斜构造形态更明显。

图12 模型3侧面反转构造最终演化特征Fig.12 Final evolution characteristics of inversion structure in model 3a．初始断陷盆地；b.实验Mdl.8；c.实验Mdl.13

图13 模型3各沉积地层沿45°固定边界断层断距统计Fig.13 Statistics of fault distance of sedimentary strata along boundary fault with 45°dip angle in model 3a.实验Mdl.8；b.实验Mdl.13

图14 模型3 Mdl.8 实验切面(距离外侧挡板13 cm)Fig.14 Cut section of experiment Mdl.8 in model 3 (at location 13 cm from the side)

4 讨论

4.1 先存边界断层倾角对正反转构造演化的影响

本研究中3组物理模拟实验结果表明，先存边界断层倾角的变化对正断层构造反转具有明显的影响，低角度断层(45°)容易发生反转滑移，而地层褶皱作用不明显；高角度断层反转滑移相对比较困难，但是地层容易形成拖曳褶皱(图6，10，14)。该结论与前人研究结果一致，如Bonini等(2012)研究结果表明，先存正断层倾角越大，其后期挤压反转所需的应力强度将越大，其上盘地层沿断层面发生反转滑移的难度就越大，且当断层倾角到达一定极限值后，将会出现一个锁死区(图16)。在该锁死区内，断层反转滑移将不再明显，取而代之的是地层的揉曲褶皱变形，形成翼部更加紧闭的背斜构造或者单斜构造。

图16 先存断层倾角与反转所需应力强度关系(Bonini et al., 2012)Fig.16 Relationship between fault dip angle and stress intensity required for inversion

如前文所述，Bongor盆地内主干断层大多数先存正断层倾角接近60°，部分斜坡带或断阶带内断层倾角为45°左右，部分坳陷带内部断层倾角可达到70°～75°。沿着这些断层，地层反转构造变形也存在明显的差异。沿着高角度边界正断层通常发育反转拖曳褶皱(图2中构造①和②)。该褶皱呈单斜构造形态(被剥蚀的部分推测呈前翼短、后翼长的背斜构造形态)，一侧斜交于边界断层，一侧与凹陷带内的向斜构造连接(图2中构造③和④)。向斜构造发育在边界断层上盘，且越向凹陷深部，向斜褶皱形态越明显。该构造通常与凹陷浅部的凸型褶皱(背斜构造)组合，使得凹陷内上下地层整体呈现出“下凹上凸”的构造样式(图2)。此外，在坳陷带内部高倾角正断层之间的地层褶皱变形也非常明显，背斜构造总体呈对称样式，其翼部和核部地层通常被多条先存正断层所调节而呈散花状态，即各断层向上撒开，向下收拢，形成花状形态，断层之间地层则纵弯上拱形成背斜构造(图2中构造⑤)。沿着低倾角边界正断层，地震剖面显示其周边地层的褶皱变形相对比较弱，但仍然能够看到背斜褶皱或者单斜褶皱构造形态(图2中构造⑥)。

图11 模型2中实验Mdl.12切剖面(距离外侧挡板14 cm)Fig.11 Cut section of experiment Mdl.12 in model 2 (at location 14 cm from the side)a.切剖面；b.切面构造解析

4.2 区域剥蚀作用对构造反转演化的影响

砂箱模拟实验结果表明，在盆地构造反转过程中，当没有发生剥蚀作用时，浅部地层沿断层面的反转强度和反转量要大于深部地层，而当区域性剥蚀作用发生后，深部地层沿断层面的反转强度明显增大，反转拖曳构造和向斜构造发育也更加明显，浅部地层则被大量剥蚀，其褶皱作用也明显减弱(图7，11，15)。

图7 模型1实验Mdl.13切剖面(距离外侧挡板13 cm)Fig.7 Cut section of experiment Mdl.13 in model 1 (at location 13 cm from the side)a.切剖面；b.切面构造解析

Bongor盆地在强烈构造反转过程中，地层褶皱隆升并导致了中-上白垩统1 000～2 000 m厚的地层被剥蚀殆尽(余朝华等，2013；肖坤叶等，2014)。剥蚀作用使得浅部地层中的挤压反转褶皱被剥蚀殆尽，仅保留有低幅度的背斜褶皱，但其深部地层反转构造特征非常明显，越向坳陷深部，反转构造特征越明显(图2)。该构造特征与上述砂箱模拟实验中的构造特征基本一致，说明区域性的剥蚀作用对Bongor盆地内深部地层和浅部地层的差异性构造反转结果产生了重要的影响。

图15 模型3 Mdl.13实验切面(距离外侧挡板13 cm)Fig.15 Cut section of experiment Mdl.13 in model 3 (at location 13 cm from the side)

5 结论

(1) Bongor盆地内大多数先存正断层倾角接近60°，部分斜坡带或断阶带内断层倾角为45°左右，部分坳陷带内部断层倾角可达70°～75°。沿着这些不同倾角的断层，地层反转构造变形存在明显的差异。沿着高角度边界正断层通常发育反转拖曳褶皱(浅部凸型褶皱(背斜构造)、深部凹型褶皱(向斜构造))，而沿着低倾角边界正断层，地震剖面显示其周边地层的褶皱变形相对比较弱，但仍然能够看到背斜褶皱或者单斜褶皱构造形态。

(2)低角度断层(45°)容易发生反转滑移，而地层褶皱作用不明显；高角度断层反转滑移相对困难，但是地层容易形成拖曳褶皱。

(3)区域性剥蚀作用对断陷盆地反转构造演化具有重要的影响，主要体现在对盆地内深部地层和浅部地层的差异性地层反转方面。当没有发生区域性剥蚀作用时，浅部地层沿高角度断层面的反转强度和反转量要大于深部地层，而当区域性剥蚀作用发生后，深部地层沿高角度断层面的反转强度明显增大，拖曳构造和向斜构造发育更加明显，浅部地层褶皱则明显被破坏。