尼日尔Termit盆地Trakes斜坡走滑构造的发现及其形成演化分析*

2022-10-17黄彤飞史卜庆窦立荣张光亚姜虹郑凤云李早红

岩石学报 2022年9期

黄彤飞史卜庆窦立荣, 张光亚姜虹郑凤云李早红

走滑构造在沉积盆地中广泛分布，近年来，在渤海湾盆地海域发现的渤中、垦利等大中型油气田(周心怀等, 2019)，塔里木盆地中北部发现的塔河、顺北等大型油气田(汤良杰, 1989; 邬光辉等, 2012; 林波等, 2021)，南海珠江口盆地发现的阳江东凹Y10和恩平A15(吴静等, 2021)等一批油气田的形成与分布均与走滑构造密切相关。勘探实践表明，走滑构造对油气成藏与分布的影响作用主要体现在：(1)发育一系列断块、断背斜等圈闭，如准噶尔盆地西北缘发现的油气藏与走滑构造所伴生构造圈闭类型相关(刘磊等, 2009; 陈石等, 2016)；(2)改善储层的物性，如川中高磨地区走滑断裂周缘的高角度裂缝对龙王庙组滩体孔渗结构有明显的改善作用(马德波等, 2018)，塔里木盆地塔中走滑断裂带的构造破裂有利于形成断控缝洞型储集体(云露, 2021)；(3)影响烃源岩的热演化，如珠江口盆地NE向与NW向走滑断裂成为底部热液上涌通道，提高了断裂区内烃源岩的热演化程度(陆蕾蕾等, 2021)；(4)沟通油源，形成油气垂向运移通道，控制油气垂向分布层系，如塔河-顺北地区走滑断裂带有效沟通寒武系玉尔吐斯组烃源岩(马庆佑等, 2020)，使得油气由深层向浅层的奥陶系、石炭系、三叠系和侏罗系运聚成藏。因此，深化盆地走滑构造特征、演化过程及其形成的动力学背景研究，是揭示走滑构造相关油气藏形成条件与富集规律的基础和关键。

尼日尔Termit盆地位于非洲西部，属于西非裂谷系盆地群。Trakes斜坡位于盆地的东南部，紧邻西部Agadem油气富集区。20世纪80年代前，作业者在Trakes斜坡钻探了Trakes-1井，没有获得商业发现。2003年中石油进入该盆地开展勘探工作。2008年之前，该盆地以二维地震勘探为主，受二维测网稀、地震资料品质差等限制，面临断裂平面组合样式刻画不清、成藏主控因素和勘探方向不明等勘探难题，在此期间Trakes斜坡油气勘探一直处于停滞状态。此后虽然开展了少量的勘探工作，但一直没有突破。近几年来，随着油气勘探力度加大，地质、地球物理等资料不断增加，针对Trakes斜坡的地质认识进一步深入，推动了油气勘探取得重大突破。其中，基于地震资料解释和钻井资料分析，首次在Termit盆地Trakes斜坡发现了走滑构造，并揭示油气成藏与走滑构造密切相关，但对该区走滑构造样式等几何学特征、演化过程、成因机制及其控藏作用认识较少。本文运用断层相干体切片等三维地震精细解释、复杂构造分析等技术，基于地震、钻井资料解释和区域地质分析，研究了Termit盆地Trakes斜坡走滑构造特征及其形成演化，以深化与走滑断层相关的油气藏的成藏规律认识。

1 地质背景

Termit盆地位于尼日尔共和国东南部，构造上属于中西非裂谷系盆地群的西支，是东尼日尔盆地群的主体(Genik,1992, 1993; 毛凤军等, 2019; 刘计国等, 2020)。该盆地南北长约300km，面积约为30000km2，是发育在前寒武系结晶基底之上的中、新生代陆内叠合裂谷盆地(图1)。

根据钻井、地震、测井和古生物资料，Termit盆地沉积地层自下而上依次为下白垩统、上白垩统、古近系、新近系及第四系。下白垩统为一套陆相碎屑沉积，上白垩统自下而上可划分为Donga组、Yogou组和Madama组。Donga组下部主要发育砂岩，向上渐变为以泥岩为主，中上部为灰黑色泥页岩与粉砂岩、细砂岩互层。Yogou组中下部以灰黑色厚层泥页岩为主，上部发育中细粒砂岩储层，该组地层厚度介于310～1700m。发育于Yogou组的泥质烃源岩是盆地内目前证实的主力烃源岩。Madama组为盆地广泛分布的厚层河流相砂岩，顶部和底部夹少量泥质砂岩薄层(含煤线)，该组地层厚度介于300～1500m。古近系自下而上可划分为Sokor1组和Sokor2组，Sokor1组下部为灰绿色-灰色泥岩夹细砂岩，上部为厚层灰绿色-杂色泥岩，该组地层厚度介于335～910m，Sokor2组为灰白色中-细砂岩、不等厚深灰色泥岩与褐色泥岩互层；新近系为细-粗粒砂岩，偶见杂色泥岩；第四系主要为粘土、粉细砂岩及砾岩层(图1)。

图1 研究区构造位置及地层综合柱状图(据Genik, 1993; 刘计国等, 2020修改)

Termit盆地经历了多期构造运动(薛良清等, 2012; 刘邦等, 2012a, b; 毛凤军等, 2016; 郑凤云等, 2018)，受早白垩世大西洋分段张开的影响，该盆地形成并发生了强烈伸展断陷，发育一系列NW-SE向地堑与半地堑，形成了盆地基本格局(Liuetal., 2019; 张光亚等, 2018, 2019, 2020)。在晚白垩世早期，该盆地经历了短暂的断陷作用，其后经历长时间热沉降，断裂活动较弱，总体上以坳陷作用为主。在晚白垩世中晚期，该盆地接受大规模海侵，沉积了巨厚的海相砂岩与泥页岩(Genik, 1992, 1993)。在晚白垩世末期，该盆地整体发生抬升，过渡为陆相沉积。受古近纪非洲板块向NE-NEE持续漂移及非洲板块-欧亚板块持续碰撞的叠加影响，该盆地在始新世末-渐新世中期再次发生强烈的NW-NWW向伸展断陷，局部发生挤压抬升及走滑。此后非洲板块及周缘板块构造活动减弱，该盆地逐渐进入以热沉降为主的后裂谷阶段，并最终定型。

结合基底埋深和构造特征，将Termit盆地划分为Soudana低隆起带、西部隆起带、Dinga断阶带、Dinga凹陷、Araga地堑带、东部隆起带、Fana低凸起、Yogou斜坡、Moul凹陷、Trakes斜坡，共十个构造单元。其中研究区Trakes斜坡位于Termit盆地的东缘，西邻Fana低凸起，北接Araga地堑，南接Moul坳陷(图2)。根据断裂特征，可划分为南部构造带、中部构造带与北部构造带和Fana北构造带。Trakes斜坡南部构造带走向NW-SE，断裂走向呈近SN，具有延伸距离短，数量多、断裂密度高等特征；中部构造带与北部构造带走向相近，为NW-SE向，断裂走向近NNW-SSE，断裂平面延伸较远，数量明显减少，断裂密度低；Fana北构造带为Fana低凸起北延，走向NNW-SSE，断裂走向近SN，具有延伸距离长、数量多、断裂密度高等特点(图2)。

图2 Termit盆地Trakes斜坡构造单元划分及走滑断裂位置图(b、c，据Sylvester, 1988修改)

2 走滑断裂构造特征

2.1 几何学特征

研究区内走滑断裂性质多为张扭性，少部分表现为压扭性。张扭性走滑断裂的主走滑带方向为NWW-SEE，以N60°W为主。张扭性走滑断裂的分支断层在剖面上表现为正断层，空间上散开，闭合度差。压扭性断裂的分支断层表现为逆断层，主干断层与分支断层间的地层形成紧闭的褶皱(或隆起)，这类断层分布在NNE向主走滑带内。根据走滑应变椭圆，近南北向的雁列断层为T破裂(张破裂)(图2a, b)。

根据断裂剖面组合样式，识别出研究区发育有3种典型的走滑构造样式：负花状走滑断裂、Y型走滑断裂、直立型走滑断裂(图3)。

图3 Termit盆地Trakes斜坡走滑断裂剖面图(平面位置见图2)

负花状走滑断裂在剖面上通常表现为发育一条直立主干断层(图3b)，主干断裂带位移明显，地层破碎严重，地震反射不清；在主干断裂两侧，发育分支状断裂，分支断裂呈分散张开，其多表现为张扭性断裂。

Y型断裂样式在剖面上通常表现为发育一条直立主干断裂(图3a, e)，在主干断裂的一侧发育少量的分支断裂。根据分支断裂与主干断裂的组合关系，可进一步划分为正Y型和反Y型。与花状走滑样式相比，此类断裂的分支断裂数量较少。

竖直型断裂的剖面特征是一条孤立、高陡状的主干断裂，断层倾角近90°，不发育分支断裂(图3c)。

花状构造与直立型断裂、Y型断裂在平面特征与分布位置方面有明显差别：花状构造在地层顶部形成较多的雁列断层，在Yogou组顶部、Madama组顶部与Sokor1组与Sokor2组顶部均能见到右旋右阶排列的雁列断层(图4、图5)。而直立型断裂和Y型断裂在平面均表现为平直线性断裂，仅局部形成少量的雁列断裂；在分布位置方面，花状构造分布在Trakes斜坡南部构造带，Y型与直立型断裂则主要分布在Trakes斜坡中部与北部构造带。发育在中部和北部构造带的走滑断裂平面表现为线性断裂(图2、图5)，而雁列断层较少。线性断裂可认为是雁列断层间距很小。雁列断层间距大小与地层厚度具有较好的线性关系，雁列断层间距越大，反映地层厚度越大(Jiaoetal., 2021)，因此推测造成雁列断层发育的主要原因是地层厚度向斜坡上倾方向逐渐减薄。

图4 Termit盆地Trakes斜坡Sokor1组顶相干切片图(a)及断层平面分布图(b)

图5 Termit盆地Trakes斜坡Donga组顶相干切片图(a)及断层平面分布图(b)

2.2 断裂发育期次

断层活动时间不早于其切割地层的沉积时间，对于正断层和张扭性断层而言，其首次作为同沉积断层的时间通常被认定为该断层的形成时间。分析正断层生长指数可清晰判断出该断层在不同时期是否为同沉积断层。通过对南部构造带2号走滑带(图4)的雁列断裂F1-F8分析(图4、图6，剖面大致垂直于断层走向)，计算得到主走滑带雁列断层在Yogou组3段-Madama组、Sokor1组(E5段、E1-E4段)、Sokor2组以及新近系内部一标志层Top1的生长指数。

图6 过Termit盆地Trakes斜坡南部构造带雁列断层的典型剖面(剖面位置见图2和图4)

由断层生长指数分析可知(图7)，主走滑带雁列断层F1-F8的生长指数特征相似，在Yogou组3段-Madama组及Top1层的生长指数组的生长指数在1.0左右，在Sokor1组和Sokor2组，其生长指数均大于1，由此可知，雁列断层对Sokor1组与Sokor2组沉积具有明显的控制作用，即在Sokor组E5段沉积时期首次表现为同沉积断层。因此，Termit盆地Trakes斜坡走滑断层的形成时间为Sokor1组沉积时期，即古近纪始新世-渐新世，走滑断层持续活动到中新世。

图7 Termit盆地Trakes斜坡南部构造带雁列断层生长指数统计

B-B′平衡剖面进一步揭示了上述特征。通过恢复剖面自早白垩世以来的变形过程(图8)发现，在早白垩世和Donga组沉积期间，主位移断层表现为同沉积正断层，表明断层形成时间在早白垩世早期；在Yogou组与Madam组沉积时间，断层活动不强，没有向上切割地层；在Sokor1组和Sokor2组沉积时间，主位移断层重新活动，并控制沉积，同时在Sokor1组与Sokor2组内形成大量分支断层，即平面上的右行右阶雁列断裂，后者表现为同沉积断层。

图8 Termit盆地Trakes斜坡构造演化剖面(剖面位置见图2和图4)

综合上述证据，认为Trakes斜坡走滑活动开始在古近纪，并持续活动到新近纪末，但活动强度逐渐减弱。走滑断层是发育在早白垩世NE向先存正断层基础之上，是先存正断层在后期被走滑作用改造的结果。

3 走滑断裂形成机制探讨

根据安德森应变模式，在σ2处于竖直方向、σ1和σ3处于水平方向的应力条件下，地质体受到不对称、不均衡的水平应力，使得地质体发生水平方向上的剪切应变。这种不对称、不均衡的水平应力条件，不仅发育在走滑剪切背景，如郯庐大断裂内部与两侧(万天丰等, 1996; 胡望水等, 2003; 朱光等, 2005; 万桂梅等, 2009)，非洲中部的中非剪切断裂内部及两侧(魏永佩和刘池阳, 2003; 张光亚等, 2019; 黄彤飞等, 2019)，而且在伸展拉张背景和挤压背景也有发育(Sylvester, 1988; 李曰俊等, 2014; Lietal., 2015)。我国西部塔里木盆地塔中地区顺北走滑断裂的成因与塔里木周缘挤压碰撞(Gaoetal., 2009; 任建业等, 2011; 韩晓影等, 2018; 周慧等, 2022)背景有关；四川盆地川西走滑断裂的成因则和川西北北段与中段受到北西向不均衡的挤压应力有关。综合走滑断裂的发育条件来看，分析走滑构造形成的关键地质应力条件在于明确地质体所受的不对称或不均衡的水平应力。

尼日尔盆地处于西北非陆块与东北非陆块的过渡地带(Guiraud and Maurin, 1992; Pavoni, 1993; 张庆莲等, 2013, 2018)，受西北非陆块与东北非陆块构造演化差异的影响。晚白垩世到古近纪-新近纪，非洲板块在持续NE-NNE向漂移的背景下(张光亚等, 2022)，在板块内部形成了近NNE向伸展应力。该应力条件导致尼日尔盆地古近纪进入伸展断陷阶段，与此同时，随着非洲大陆与欧亚大陆渐进式碰撞的影响(熊利平等, 2005; 万志峰等, 2010)，非洲大陆受到近南北向的挤压应力(图9a)。由于两者接触的构造位置主要位于东北非陆块，造成东北非陆块与西北非陆块受到的构造挤压应力存在差异，进而在两陆块之间形成剪切应力，后者导致了Trakes斜坡在白垩纪发育的早期正断层发生沿走向的滑移运动，该走滑活动在Yogou组和Madam组、Sokor1组与Sokor2组顶部形成了右旋右阶雁列断层(图9b)。

图9 Termit盆地Trakes斜坡走滑构造发育模式图(a，据Moulin et al., 2010修改)

4 走滑构造控藏作用

走滑构造在沉积盆地中广泛发育，近些年国内塔中北坡、辽河西部凹陷、渤海海域等勘探领域在走滑构造及其相关圈闭油气勘探均有重大突破，勘探成果显示走滑构造对油气成藏与分布有明显的控制作用。走滑断层对Termit盆地油气成藏控制作用主要体现在如下几个方面：

走滑断层在Yogou组、Madama组和Sokor1组、Sokor2组形成了雁列断裂，这些断层形成了一系列的反向断块圈闭，是Trakes斜坡主要的圈闭类型。Sokor1组与Sokor2组整体为泥岩与砂岩互层，Sokor2组顶部发育一套厚层泥岩，合适的断距能够使下盘砂岩与上盘泥岩发生侧向对接。Trakes斜坡南部构造带系列油藏均为此类圈闭。

主走滑带切割层系多，能够为下伏Yogou组、Donga组烃源岩生成的油气向上运移提供垂向运移通道，有利于上部Sokor1组圈闭成藏。Termit盆地主力烃源岩为Donga组与Yogou组泥质烃源岩，油源对比结果显示(程顶胜等, 2020)，Trakes斜坡Sokor1组内聚集的油气主要来自Termit盆地主坳陷及少量Trakes斜坡本地烃源岩。Donga组与Yogou组生成的油气通过与烃源岩互层的砂岩和Madama组大套砂岩，完成从盆地中心向边缘斜坡区的运移。Sokor1组油藏的圈闭类型以反向断块为主，该类型圈闭决定了油气只能在Sokor1组内通过侧向运移进入圈闭聚集成藏，这表明油气通过走滑断层发生由深层向浅层的垂向运移，进而可知，油气通过“侧向+垂向”运移通道构成的立体运移方式，实现由盆地主坳陷深层的生排烃中心向边缘Trakes斜坡浅层Sokor1组运聚。