中非Doba盆地反转构造特征及成因机制

2022-07-12胡望水李明黄迟君李希元孔令武

长江大学学报(自科版) 2022年5期

胡望水，李明，黄迟君，李希元，孔令武

1.长江大学地球科学学院，湖北武汉 430100 2.油气资源与勘探技术教育部重点实验室(长江大学)，湖北武汉 430100 3.中国海洋石油国际有限公司，北京 100010

反转构造是指地质体由于区域构造应力场改变而导致早期构造力学性质或构造运动发生变化的现象，是一种特殊的叠加构造类型[1,2]。依据其形成过程可划分为正反转构造与负反转构造[3-6]。构造反转主要是由于区域应力场变化所造成的，其盆地沉降-隆升的转变过程，往往会导致地层剥蚀并产生不整合面[7]。在全球范围内很多的沉积盆地均发育有反转构造，对反映盆地的宏观构造演化和区域应力场变化都有着重要的指示意义[8,9]。勘探经验表明，国内外许多油气田的发现都和反转构造密切相关[10]。

在中非、西非裂谷系盆地之中，伸展-走滑盆地是当前石油勘探的热门区域，油气资源比较丰富，但油气资源主要分布在伸展型盆地内，在走滑型盆地内仅有小部分油气探明[11,12]。前人的研究指出，中非裂谷系发育走滑-拉分盆地与伸展盆地，前者形成主要受控于中非转换带中部的形态与走滑运动方向，后者形成主要受控于中非转换带走滑断块水平位移的变换[13]。中非裂谷系主要经历了3期构造演化：早白垩世裂陷期、晚白垩世扭张-反转期和古近纪以来的拗陷期，其走滑作用较强，构造反转作用明显[14]。但目前对中非裂谷系伸展盆地的反转构造特征、反转构造演化期次及成因机制还没有明确的认识，无法为下一步勘探指明有利区块。

该研究根据盆地当前勘探状况，运用最新的二维地震资料，对Doba盆地多期次反转构造特征及成因机制展开深入研究，优选典型剖面进行构造恢复，还原了盆地构造演化过程，分析其反转构造的控盆断层和几何形态等因素，根据地幔对流的运动机制讨论Doba盆地多期次叠加型反转构造合理的形成机制，为多期次叠加型反转盆地的油气地质特征认识和勘探开发策略提供有力的理论指导依据。

1 区域地质背景

Doba盆地地理位置上东邻Doseo盆地和Salamat盆地，北邻Bongor盆地，主要凹陷区长约250km，最大宽度约140km，其盆地构造特征主要受中非转换带控制[15,16](见图1(a))。中非裂谷系伸展盆地构造演化过程中均受到经过区域内部的中非转换带的影响，由于不同中非裂谷系盆地位于转换带的位置不同，因此受到的影响也不相同。Doba盆地位于中非转换带的偏北西向区域，受转换作用较弱，以伸展作用为主。受中非转换带控制，Doba盆地整体为菱形，呈北部隆起南部坳陷的构造形态(见图1(b))，盆地自南向北可划分为南部斜坡、南部坳陷、中央坳陷、西部斜坡、西部隆起、北部隆起、北部坳陷和北部斜坡共8个一级构造单元，其中中央坳陷西部可进一步划分出中部凸起与中部凹陷2个二级构造单元。Doba盆地形成演化主要受到北东-南西向的中非走滑断裂带控制，其次由盆地内部的北西-南东向断层与小部分的北东-南西向调节断层共同控制。

图1 Doba盆地地理位置及构造单元分布(据文献[14]修改)

Doba盆地经历过3期裂陷、3期反转、1期拗陷共7个期次的构造运动形成现今格局(见图2)。盆地基底形成于泛非造山运动期间，基底长期暴露在干旱气候环境下[17]，遭受风化剥蚀程度较为严重，钻井揭示岩性以前寒武纪花岗岩为主，含少量片岩和花岗片麻岩。早白垩世，大西洋自南向北张裂，在中非裂谷系盆地发生了剧烈的裂谷作用。晚白垩世，在桑顿期非洲板块与欧亚板块相互撞击的影响下,盆地内出现了强烈的反转作用[18]，造成下白垩统地层抬升剥蚀，形成不整合面。中间层是Doba盆地在整个白垩纪一直到古近纪伸展裂陷沉积过程中所填充的陆相碎屑岩地层[19，20]，整个层内发育的砂岩和泥页岩互层构成了一套完整的成藏组合，中间层厚度可达数千米。进入新生代，整个中非地区的构造活动逐渐减弱，而后受红海张裂作用影响，盆地自此步入新的裂谷发育期，沉积了一套陆相地层，岩性以砂岩为主。

图2 Doba盆地综合柱状图

2 构造特征

2.1 结构特征

Doba盆地断裂极为发育，断裂性质主要为张性和张扭性，边界主干断裂走向为北东-南西向，倾向为南西向，其盆地伴生断裂走向也为北东-南西向，与主干断裂近平行排列，反映出倾向滑动的伸展构造运动方式；在构造反转作用下，盆地内断裂性质并未发生变化，总体分析Doba盆地断裂走向，发现其与盆地轴向基本一致，控盆边界断裂主要走向为北东向，次级断裂走向与控盆边界断裂近平行。中央坳陷发育少量东西向的断裂。从地震资料选取的剖面特征上分析，盆地结构型式多数为复式半地堑以及地堑。主干断裂形态近犁式，倾角45°～55°，最大不超过60°(见图3)。发育在Doba盆地内的断裂具有倾角较大的特征，由西部斜坡到中央坳陷，断裂倾角逐渐增大。由于盆地内发育大量生长断层加上多期次伸展构造，大量的早期断裂为了补偿下期伸展活动的伸展量，在下期依然继承性发育，形成独特的“Y”字型断裂组合。

图3 Doba盆地地震剖面特征(剖面位置见图1)

2.2 反转构造特征

Doba盆地作为伸展型盆地的代表，盆地内反转构造主要分布在中央坳陷、西部隆起及西、南部斜坡。主要发育伸展型断控式反转构造(见图4)，在地震剖面上可识别出早白垩世阿尔布期、晚白垩世桑顿期、渐新世末期共3期反转构造，主控断裂的反转率普遍较大，因此反转构造变形较强烈，反转构造上次级断裂较发育，剥蚀较严重。褶皱式反转构造幅度无明显差异。Doba盆地的反转构造强度具有白垩纪较大、古近纪相对较小的特点，在反转期滚动背斜、掀斜断块等构造类型大多分布在白垩系，在地震剖面上的断裂表现为断距变化明显，由早期裂陷下降转为反转上隆，整个盆地横向缩短，内部应力增强，并使裂陷期低角度断裂改造为反转期高角度断裂，形成盆地反转期独特的断裂类型。

注：Basement为基底；K1为下白垩统；K2为上白垩统；E为古近系；N为新近系；Q为第四系。下同。

可用同裂陷期层序零点位置计算剖面中的收缩与拉张量[21]，对Doba盆地反转程度进行定量分析。收缩与拉张之间的位移比即为反转率。Williams将反转率定义为挤压与伸展运动的比率[22](见图5(a))，即平行于断层上盘同伸展地层零点以上的地层单元厚度dc与断层下盘地层单元厚度dh的比率，de为平行于断层上盘同伸展地层零点以下的地层单元厚度。

该算法的弊端是要确定零点，在实际地震解释中，零点位置比较难以确定。Song将算法改良为[23]：

(1)

式中:Rfi为反转率；lh为上盘同伸展层序厚度；lf为下盘同伸展层序厚度；Δdi为上下盘同伸展层序厚度之差。当上盘同伸展层序为正反转构造层序时，Rfi为正值，反之则为负值(见图5(b))。通过该算法可定量计算目的层段反转率，从而对盆地内不同区域的反转率进行分析。

图5 反转率计算参数及模式(据文献[22,23]修改)

在地幔对流作用的影响下，Doba盆地发生反转，分别在早白垩世阿尔布期、晚白垩世桑顿期、渐新世末期各发生一次反转作用。通过反转率参数对盆地内断裂定量计算，得出Doba盆地各区3期反转构造的反转率(见图6)。可知各构造单元其构造反转率存在一定的差异，高反转率区域主要分布在盆地中央坳陷，低反转率区域分布在盆地西部隆起和西、南部斜坡。3期反转构造之中，晚白垩世桑顿期反转率最大，其次为早白垩世阿尔布期，渐新世末期反转率最低。总体上盆地反转构造的反转率在0.50到3.00之间，平均值为1.75，表明其反转期受到的改造情况也存在差异。

图6 Doba盆地不同时期盆地反转率

3 反转构造类型

对于反转构造的分类，依照反转构造的形态特征及断层性质，可将伸展盆地反转构造的形态特征分为断裂型、褶皱型和混合型3种不同的类型。断裂型根据后期挤压发生的逆断层所造成的位移量不同，可以分为“下正上逆”、“上正下正”、“上逆下逆”等3种表现形式。褶皱型表现为地层的褶皱隆升而不是断层的位移，混合型正反转构造是受到地层和断层两种因素的共同影响。在实际观察中发现大多数反转构造是由断裂型和褶皱型两种作用互相影响的结果，因此只有在地层褶皱或者断层逆冲其中一种作用较弱的情况下才能单独讨论。

Doba盆地作为中非伸展裂陷型盆地的代表，结合盆地内已查明的3期裂陷-反转构造演化体系得知，Doba盆地反转构造形态以断裂型为主、褶皱型为辅，主要包括单断型、双断型和复合“Y”字型反转构造(见图7)。

图7 Doba盆地典型反转构造类型(地震剖面位置见图1中a,b,c,d)

3.1 单断型反转构造

单断型反转构造中，深切基底的主控断层在地震剖面上表现为“上正下正”的断裂型构造特征(见图7(a))。由于盆地在晚白垩世桑顿期发生了强烈的反转作用，使先存的正断层的上盘被抬升，但抬升位移量较小，未超过正断层位移，使整个断层在多期次发育过程中全都表现为正断层性质，并在晚白垩世桑顿期形成了具有反转构造特征的反转背斜与掀斜断块构造类型。古近纪，主控断层上盘的地层隆升使地层断距逐渐减小，挤压后上盘地层不断抬升使靠近断层附近的地层发生褶皱。

3.2 双断型反转构造

双断型反转构造在Doba盆地地震剖面上表现出两种构造类型，即倒“V”字和正“V”字双断型(见图7(b)和图7(c))，形成具有伸展裂陷盆地特征的地垒、地堑、半地堑构造类型。主控断层上盘的地层在早白垩世末期和晚白垩世桑顿期由稳定沉降转变为挤压上隆。结合区域动力分析，Doba盆地在渐新世末期发生反转但反转率较小，上盘地层断裂隆起程度较低，但共同下盘地层由上隆逐渐平坦，而断层上盘在断层处发生断裂变形，形成双断型反转构造。

3.3 复合“Y”字型反转构造

复合“Y”字型反转构造中，断层上盘为主要构造活动盘，剖面上表现为一条主控断层由上至下切穿基底，相邻小断层沿上盘向上呈花状撒开，向下聚集闭合，形成复合“Y”字型构造(见图7(d)),而下盘则保持相对稳定的状态，上盘地层被一系列沿地层展布的分支断层所切割，形成断背斜、反转背斜构造类型。下盘沿断层面虽发生抬升上隆，但主控断层及分支断层依然呈现为正断层的性质，结合构造形态分析复合“Y”字型反转构造，可将其归纳为“上正下正”的断控型反转构造类型。根据3期伸展裂陷盆地构造反转作用，早白垩世末期断层断距逐渐减小后，晚白垩世桑顿期进一步变小直到古近纪，远离断层处地层逐渐平滑并且处于稳定沉积状态，应力集中在断层附近。

3.4 反转构造类型的分布规律

根据以上3种反转构造类型特征，在地震资料上进行精细解释，将3种不同的反转构造类型在平面上统计出来，绘制出Doba盆地构造单元分布图(见图1(b))。通过总结3类反转构造特征(见表1)可以发现，单断型反转构造主要分布于Doba盆地中部凹陷和中央坳陷以及北西-南东走向的边界断层位置。而双断型反转构造主要分布在盆地中部凹陷和中央坳陷，在北部和西部斜坡也有少量分布。复合“Y”字型反转构造分布在Doba盆地的南部斜坡和中央坳陷，在盆地内较少发现。从构造单元上不难发现，盆地在北西向主要为隆起、凸起地形，因此在Doba盆地的北西部构造活动较为剧烈，断裂倾角较大且发育密集，在白垩纪断层的断距同样也很大。统计后发现，Doba盆地北西向下白垩统地层断距相差有300m左右，后经反转构造作用，直至古近系地层断距才缩小至25m左右。由于先期断距过大，后期虽然反转构造活动剧烈但仍未使北西部断裂性质发生变化，形成了北西-南东走向边界断裂位置上单断型反转构造分布较广的反转构造格局。同时，经过解释全区地震剖面后发现，在中部凹陷和中央坳陷也由于此类情况出现单断型反转构造，不过较盆地北西向规模较小，是由于盆地内部受地幔热下降流后部分地层受构造应力不均匀所导致。在盆地的中部，双断型反转构造为主要的构造样式，并发现倒“V”字双断型反转构造类型集中在盆地中央坳陷，而正“V”字双断型反转构造类型分布在中部凹陷和西部斜坡，表示盆地中心受外侧共同的构造应力更为强烈，而在西部斜坡较弱。在Doba盆地内部断裂虽然相对较少，但倾角较高，且由于盆地中心是由两侧的构造应力作用，使得盆地中央的断层倾角发生反向改变。而复合“Y”字型反转构造是由于盆地边界主干断裂具有张扭性质，并受到相反倾向的小规模断层共同控制而形成，在地震剖面上反映出主干断裂倾角较大且切穿基底的特征，复合“Y”字型反转构造集中分布在南部斜坡和中央坳陷。

表1 Doba盆地反转构造类型分类表

4 Doba盆地构造演化及成因机制

4.1 反转构造演化期次

Doba盆地与其周围邻近的Doseo盆地、Bongor盆地及Salamat盆地构造演化史基本相似。早白垩世巴雷姆期盆地内的第一期含油气构造已形成雏形，到晚白垩世，在桑顿期反转作用下盆地构造基本定型；渐新世末期，反转作用对盆地构造影响微弱。依据中非裂谷系构造演化史，结合Doba盆地构造特征，优选典型剖面进行构造恢复，还原了盆地构造演化过程。将Doba盆地构造演化划分为7个期次(见图8)。

图8 Doba盆地构造演化期次和剖面构造演化发育史(剖面位置见图1)

1)第一期强裂陷期。从贝利阿斯期-阿普特期为第一期强裂陷期，在巴雷姆期作用最强烈。断陷作用强烈，断层发育且活动强烈，断距较大。盆地内的正断层组成了具有伸展构造的地堑-半地堑、顺向断块及反向断块等构造样式。

2)第一期反转期。阿尔布期发生第一次反转。经盆内断层研究查明区域应力场由早白垩世时期的拉张应力场变换为挤压应力场，在挤压应力作用下，Doba盆地内断层上盘发生抬升，盆地下白垩统地层发生一定程度的褶皱弯曲使应力释放，不过这一时期的反转作用程度较弱，地层褶皱弯曲幅度不大。

3)第二期弱裂陷期。赛诺曼期-康尼亚克期为第二期弱裂陷期，经历过阿尔布期反转作用后，盆地继续拉张裂陷接受沉积，由于裂陷作用较弱，仅小部分正断层复活。

4)第二期强反转期。桑顿期为Doba盆地强烈反转时期。受到强烈的区域反转应力场作用影响，盆地发生大幅度强烈反转，导致地层隆起而发生剥蚀，在北部斜坡表现最为明显。从地震剖面上看，其地层出现了较大幅度的剥蚀，白垩系发生较强烈的反转褶皱。在第二期强反转作用下，Doba盆地反转构造已基本定型。

5)古新世-始新世拗陷期。在区域拗陷作用下，Doba盆地发生整体沉降，构造活动较弱，盆地在该时期形成的断层断距普遍较小。

6)渐新世末反转期。Doba盆地发生了弱反转作用。地震资料揭示这一时期的反转作用微弱，与始新世拗陷期相比，总体上地层褶皱变化幅度很小、断层基本不活动，所以盆地总体的构造格局并未发生明显变化。

7)新近纪-第四纪裂陷期。此时期为Doba盆地构造演化的最后一个时期，盆地断陷作用较弱，该时期构造类型继承性发育，沉积厚度较薄，上新统上覆地层被严重剥蚀。

总的来看，Doba盆地构造演化经历了贝利阿斯期-阿普特期、赛诺曼期-康尼亚克期、新近纪-第四纪3期伸展裂陷，并对应阿尔布期、桑顿期和渐新世末期共3期的构造反转，再加上古新世-始新世拗陷期。其中，贝利阿斯期-阿普特期伸展裂陷作用最强，赛诺曼期-康尼亚克期裂陷作用最弱。从3期构造反转来看，在桑顿挤压事件的影响下，桑顿期构造反转最强。

4.2 反转构造演化成因

研究非洲大陆中、新生代伸展裂陷盆地后发现，从侏罗纪晚期以来，至少经历了2期反转[24]，分别为渐新世末期、晚白垩世桑顿期，同时也形成了大规模的反转构造。在超地幔对流反转背景下，大西洋发生收缩，造成非洲板块和中非盆地出现反转。统计国内外中新、生代含油气盆地研究成果发现，反转构造发生的时期在全球范围内大体一致，在渐新世末期、桑顿期和阿尔布期全都发生了一期构造反转，这个结果指示了构造反转的作用在全球范围内具有同期性。因此，只有从全球岩石圈动力学角度去分析盆地反转构造，才能正确地找出盆地反转的形成动力。

在贝利阿斯期-阿普特期、赛诺曼期-康尼亚克期、新近纪-第四纪这3期伸展裂陷作用[25-27]影响下，非洲大陆中新生代裂陷盆地发育。早白垩世，受大西洋扩张影响，非洲板块抬升并缓慢东移，产生拉张应力场，盆地进入第一期强裂陷期。晚白垩世，早期南大西洋快速扩张，盆地继续拉张裂陷，但裂陷作用较弱；晚期欧洲板块与非洲板块初始碰撞产生挤压应力场，中非裂谷系盆地发生反转，同时在印度洋快速扩张的影响下，非洲板块向北漂移产生伸展应力场，盆地进入第二期弱裂陷期。古近纪，大西洋扩张减缓，欧洲板块与非洲板块发生主要碰撞产生北东-南西向拉张应力场，因Doba盆地走向与拉张应力场方向近平行，盆地进入拗陷期，而走向为北西-南东的盆地则进入裂陷期，如Muglad盆地与Melut盆地。

地幔对流作用为板块的反向漂移提供了合理的动力来源[28,29]，指出了研究盆地反转构造演化的新方向。根据理论模型(见图9)，地幔上升流将热能量和地幔物质带到了软流圈，板块顶层在地幔对流作用下产生应力，岩石圈裂陷伸展，在地表上表现为大西洋扩张，中非裂谷系盆地发生伸展裂陷作用，热能量释放后，横向汇聚到裂陷区，岩石圈横向收缩，伴随着裂陷区塌陷作用，逐渐下降至核幔边界，在地表上的响应表现为中非裂谷系盆地发生反转构造作用，最后通过积累热能和热化学能量，进行后续地幔对流反转。多期次的地幔对流作用是Doba盆地形成3期叠加裂陷-反转构造的主控因素。地幔对流反转横向移动在板块顶层产生侧向作用力，推动板块反向漂移，同时也伴随着陆内盆地形成反转构造。反转构造作用在地质历史上刻印了它们曾经发生过的痕迹，这些痕迹也正是分析盆地反转活动真相的关键证据。