北非地区中生代盆地区域沉积中心发育机制新认识及油气差异富集效应

黄 雷，张忠民，赵晓辰，吕雪雁，王爱国，刘池洋，宋世骏，殷 珂，李 鑫，刘静静

(1.西北大学含油气盆地研究所, 陕西 西安 710069；2.中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院, 北京 100083；3.西安科技大学, 陕西 西安 710054)

0 引 言

位于特提斯构造域的北非地区是世界上油气富集区之一，目前已发现探明储量大于500 MMboe(≈0.7×108t)的世界级大型和超大型油气田约50个[1-2](图1)。该区油气富集的原因成为石油地质学家热衷于探讨的科学问题，尽管目前在从不同角度针对这一问题进行的探讨中尚无明确而统一的认识，但多数研究者认为其油气富集应是多种因素耦合作用的结果[2-5]。Beydoun[6]和Sorkhabi[7]总结认为该区油气之所以如此富集是由于该区长期地质演化过程中造就的多套有效油气系统叠加存在的结果，其中包括长达500 Ma的稳定巨厚沉积中形成的多套好的储-盖岩层、适宜的古地理位置与古气候环境造就的优质烃源岩、良好的生储盖组合及油气运移条件等等诸多有利因素。

相比对油气富集的探讨，针对油气分布不均性的分析却较少。实际上，该区油气的总体富集本身就体现了油气资源在全球范围内分布的极不均匀性[8]。目前，该地区已发现油气的分布(图1)，主要集中在三个带内，即佩拉杰—维德迈尔盆地区、苏尔特盆地区、东地中海地区(包括尼罗河三角洲和黎凡特盆地等)。其中以苏尔特盆地最为富集，已发现油和气占北非油气总量的85%和80%[1-2,9]。与此油气分布不均性相对应的是，北非中生代盆地并不像古生代盆地一样广覆均一发育，而是具有明显分割性的差异演化发育规律，呈现多个孤立的沉积中心[10-12]。值得注意的是，这些沉积中心与油气富集区具有极好的吻合性。显然从盆地构造演化的角度探讨中生代沉积中心的发育演化规律和控制因素，对认识该区油气的差异性富集主控因素是具有重要意义的。然而，目前针对这些中生代盆地发育机理的研究认识多集中在新特提斯洋开启的控制作用层面[13-14]，对其区域上差异性发育的特点则无更进一步的论述。鉴于此，本文将通过对公开发表的基础地质和油气勘探资料的综合再分析，重点对北非地区中生代盆地(沉积中心)差异性成盆机制及主控因素进行研究，以期在该区盆地演化和油气差异性富集主控因素等方面获得新认识。

图1 北非地区盆地分布与油气发现(油气田数据据文献[1])Fig.1 Distribution of basins and discovered hydrocarbon in North Africa(data of oil and gas fields after ref. [1])

1 区域地质概况

北非地区位于特提斯构造域西段、冈瓦纳大陆北缘，在前寒武纪泛非运动中冈瓦纳大陆拼合形成后，该区一直持续发育沉积盆地，沉积了巨厚的显生宙地层[12]；同时该区又受到多期次全球性重大构造事件的影响，诸如原、古、新三个特提斯洋先后开启到闭合的旋回演化，以及罗迪尼亚超大陆裂解、潘吉亚超大陆形成与裂解等板块/块体重组事件[15-18]。这一演化历程造成了该区盆地的多期次叠合演化与改造(图2)。

图2 北非地区各盆地显生宙地层对比图(据文献[11]修改)Fig.2 Chronostratigraphy of the Phanerozoic of the main North African basins (modified from ref.[11])

该区盆地发育历程大体可以分成古生代和中新生代盆地两个大的旋回(图2)。第一个盆地旋回(冈瓦纳旋回)自寒武纪至早中石炭世，经历了从罗迪尼亚超大陆裂解到潘吉亚超大陆形成的板块重组旋回。该期盆地是整体稳定发育在冈瓦纳大陆之上的广覆式沉积，形成一个统一、大而广的盆地，主要充填陆相和浅海相碎屑岩，发育早志留世热页岩这套全区分布的重要烃源岩。晚石炭世—早二叠世期间，冈瓦纳大陆与劳亚大陆碰撞形成潘吉亚超大陆，该期碰撞造山运动即海西造山运动，对北非地区早期古生代盆地产生强烈的改造作用，形成隆坳格局地貌[10,19]。之后伴随新特提斯洋打开、潘吉亚大陆裂解，至晚白垩世—新生代期间非洲板块与欧亚板块碰撞拼合，该区进入第二个盆地演化旋回(新特提斯洋旋回)。在中新生代新特提斯洋盆地演化旋回中，区内主要发育多个断陷盆地，盆地间分割性较强，主要充填较厚的碎屑岩、蒸发岩和碳酸盐岩，发育中侏罗统和上白垩统两套重要的烃源岩。晚白垩世晚期以来，新特提斯洋闭合形成的阿尔卑斯造山运动使多数中生代盆地发生不同规模的挤压反转[20]。两个盆地旋回演化是以海西造山运动为分界，故该期运动对盆地的演化改造起到关键转折的作用(图2)。

2 中生代盆地发育背景——前海西期盆地的格局

泛非运动在前寒武纪晚期结束后，北非地区进入区域沉降、局部克拉通裂谷作用和同步剥蚀夷平期，使得北非地区整体处于一个北倾的侵蚀平原地貌，形成了一个几乎没有区域地貌差异的平坦沉积盆地区[13](图3)，前海西期古生代盆地在此基础上发育演化。

图3 冈瓦纳大陆北缘志留纪和晚三叠世古地理图(据文献[12]修改)Fig.3 Paleogeological maps of Northern Gondwana during Silurian and Late Triassic(modified from ref.[12])

图4 北非—中东地区海西期构造界面之下地质结构((a), 据文献[10,19]修改)和北非东西向地质剖面((b)，位置见图1)Fig.4 Characteristics of geological structure under the Hercynian tectonic interface in the North Africa and Middle East((a), modified from refs.[10,19]) and generalized structural cross-section across the North Africa ((b), seeing Fig.1 for the location)

研究揭示，海西期构造运动整体在冈瓦纳北缘形成多个近等间距发育的NE向隆起，隆起被盆地分割，形成全区的东西向隆坳格局[10,19](图4(a))。利用新的地震资料和钻井资料对研究区以东的阿拉伯板块海西期不整合下伏地层的详细研究揭示[19]，在阿拉伯地区存在三个海西期古隆起，黎凡特隆起、巴廷隆起和阿曼—哈德拉毛隆起，均以区域上宽几百公里的北东向隆起高地为特征。这些隆起高地上的前石炭纪地层在早石炭世被大规模剥蚀，晚石炭世—早二叠世的海西同期和期后的碎屑沉积物较薄或缺失，表明这些隆起一直持续发育到中二叠世，不整合被中二叠统海侵碎屑岩、碳酸盐岩和蒸发岩覆盖。这些隆起被保存着前海西期地层(寒武纪—泥盆纪)的两个大盆地隔开。盆地内整体被石炭系至下二叠统碎屑岩填充，并超覆于隆起区，指示海西期形成的隆坳格局。

在北非地区同期形成了至少3个相似特征的NE向隆起，阿拉拉隆起、苏尔特隆起、黎凡特隆起(埃及)(图4(a))。其中黎凡特隆起(埃及)向北与阿拉伯板块北部的黎凡特隆起为同一个隆起带; 阿拉拉隆起位于维德迈尔盆地发育区，向东北方向延伸至海域(佩拉杰盆地北部)。其地质剖面(图4(b))显示在维德迈尔盆地发育区和苏尔特盆地中新生代地层发育区下部，缺失泥盆系、石炭系、二叠系，中生代地层直接超覆在志留系或寒武系—奥陶系之上，而在与之相邻的区域则发育泥盆系、石炭系和二叠系，指示了海西期不整合面之下这两个地区为背斜隆起区，对应阿拉拉隆起和苏尔特隆起的发育区。两个隆起同样被盆地所分割，整体形成隆坳相间结构。

3 海西古隆起塌陷反转与中生代沉积中心的形成

如前所述，海西运动对古生代盆地最大的改造作用是塑造了多个NE—SW向的隆起带，使盆地由几无区域地貌差异的平坦沉积盆地区变为隆坳间隔的地貌特征[20](图3和图4)。值得注意的是，这一隆坳格局在中生代盆地的演化中并未继承性发育，而是表现出一定的镜像性。

Boote等1998年[10]通过综合各类已发表的数据资料，获得了北非地区海西期不整合面之下古生界构造面貌图(图4(a))和海西期不整合面埋深图(即中新生代盆地沉积厚度)(图5)。通过对比分析这些成果图件不难发现，北非地区发育三个中生代沉积中心，西部的维德迈尔—佩拉杰盆地发育区、中部的苏尔特盆地发育区和东部的东地中海黎凡特—尼罗河三角洲盆地发育区，而这三个沉积中心分别对应NE向海西期古隆起发育区(阿拉拉隆起、苏尔特隆起和黎凡特隆起)，指示这些盆地具先隆后坳的反转成盆特征。进一步分析发现，在这些古隆起的北部，中生代负反转成盆现象明显。

图5 海西不整合面埋深及区域沉积中心分布图(据文献[10]修改)Fig.5 Depth of Hercynian unconformity and distribution of regional depocenters (modified from ref. [10])

3.1 阿拉拉隆起反转成盆

阿拉拉隆起区的陆上部分发育中生代盆地维德迈尔盆地，该盆地中生代沉积中心之下普遍缺失泥盆系、石炭系、二叠系，而在盆地周围则普遍发育这些地层，说明海西期该盆地处于隆起的高部位，遭受更强烈的剥蚀去顶作用，中生代发生隆起区塌陷负反转而成为沉积中心区；将地质剖面古生界顶部拉平后，中生代盆地沉积区下部可见明显的隆起背景(图6)。

图6 过维德迈尔盆地地质剖面及拉平海西构造界面和三叠顶部的剖面(剖面位置见图4(b)，原始剖面据Tellus数据库)Fig.6 Geological cross-section across the Oued Mya Basin, and sections flattened on the top of the Hercynian unconformity and the top of the Triassic (seeing Fig.4(b) for the location, the present-day section after Tellus database)

图7 佩拉杰盆地南部演化剖面(现今剖面据Tellus数据库)Fig.7 Tectonic evolution section across the south portion of the Pelagain Basin

阿拉拉隆起向北部海域延伸进入佩拉杰盆地北部区。佩拉杰盆地为中新生代裂陷盆地，北部为中新生代沉积中心[21]。相比位于阿拉拉隆起南部的早古生代地层发育齐全的古达米斯盆地，佩拉杰盆地南部缺失泥盆系、志留系、石炭系[22-23]，从苏尔特盆地到佩拉杰海域的南北向地质剖面揭示佩拉杰盆地北部沉积中心以下普遍缺失古生代地层[24]。据此可推断佩拉杰盆地北部处于阿拉拉隆起核心区，遭受强烈剥蚀，在中生代反转成盆，这一由海西期隆起到中生代沉积中心的反转成盆过程通过典型剖面的构造恢复可以得到很好的验证(图7)。

3.2 苏尔特隆起反转成盆

苏尔特盆地的发育特征和演化过程与周围盆地表现出巨大的差异性，盆地内部主要构造走向为北西—南东向，但在东部为东西向，西南部则为北北东—南南西向，构成三叉裂谷的形态。 该盆地自中生代以来一直处于伸展裂陷状态，即使在新特提斯洋闭合阶段。盆地的特殊性导致在其成因认识上存在较大争议，存在多种观点：或认为是与地幔热点之上地壳减薄形成的三联点有关[25-26], 或认为是中非裂谷系发育的一部分[27], 或认为伴随潘吉亚大陆裂解、特提斯洋裂开相关的扭动成因[28-29]。

图8 苏尔特盆地现今地质剖面(a)和拉平古生代顶部剖面(b)(据文献[26]) Fig.8 Geological cross-section across the Sirt Basin ((a) present section；(b)section flattened on the top of the Paleozoic;after ref. [26])

尽管在成因认识上存在较大争议，但在形成过程中盆地南部是在苏尔特海西期古隆起北部塌陷基础上发育的这一认识较为一致[29-33]。在古生界顶部拉平后的剖面中，苏尔特盆地下部苏尔特海西隆起清晰可见(图8)。值得注意的是，在苏尔特盆地内部发育的诸多断陷中，其西南部古隆起核部塌陷处沉降量最大，地层沉积厚度也最大，油气最为富集[34]。

3.3 黎凡特隆起反转成盆

NE向黎凡特隆起位于东地中海向南延伸至埃及，从现今地层出露特征来看，该隆起的东北部分已成为地中海的一部分(图9(a))，即黎凡特盆地的一部分。该盆地沉积了厚度超过15 km的中新生代碳酸盐岩-蒸发岩-碎屑岩混合相[35], 宏观上显示黎凡特古隆起反转的特征。

从目前资料分析来看，该海西期隆起带上比较确定的负反转盆地为帕米赖德盆地，此盆地也是该区一个重要的油气产区。帕米赖德盆地直接发育于黎凡特隆起内部[36]，被认为是一个形成于新特提斯洋南部边缘的晚古生代—中生代裂谷，新生代期间经历了盆地反转而发育为帕米赖德逆冲褶皱带[35,37-39]。通过钻井资料获得的地质剖面显示盆地中生代沉积中心和黎凡特隆起具有镜像关系(图9(b))。 拉平海西期不整合面，黎凡特隆起的背斜高部位可以在盆地下部得到很好的揭示，盆地下伏较古老的古生代地层逐渐向盆地中心部位其形成时代逐渐变老，揭示中生代的断陷是发生在黎凡特凸起背斜高部位(图9(c))。

4 中生代盆地沉积中心(区)发育控制因素与动力学成因

不难看出，北非地区中生代盆地沉积中心“早隆晚坳”的负反转成因模式具有普遍性。这一模式中均显示了海西期形成的NE向古隆起在晚二叠世—三叠纪以来发生塌陷反转成盆的特征(图 10)，反转区对应全区内中新生代盆地的沉积中心，形成海西古隆起高部位与中生代沉积中心的深浅部镜像关系。这可能代表了北非地区中生代盆地沉积中心的普遍成因模式。

图9 东地中海海西期不整合面之下古生界露头分布范围(a)、过帕米赖德盆地边部的连井地质剖面(b)和拉平海西期不整合面后的过帕米赖德地区连井剖面(c)(据文献[36]修改)Fig.9 Herynian unconformity subcrop in the Eastern Mediterranean (a), well correlation across the south margin of the Palmyride basin (b) and well correlation cross-section across the Palmyride basin, flattened on the Hercynian unconformity (c) (modified from ref.[36])

图10 海西期古隆起中生代反转成盆模式Fig.10 Conceptual models for formations of Mesozoic rift basin in North Africa and Middle East

值得注意的是, 早隆晚坳的负反转并未在所有隆起区、或隆起区的全部地区发生，正如中生代并未在全区成盆一样，说明这一动力学过程的发生具有选择性。这些反转区均发生在靠近特提斯洋的冈瓦纳大陆北缘，且发生反转的事件均在二叠纪以后，与特提斯洋的开启裂陷期相对应，显然这一区域动力学背景是反转发生的根本诱因，而背斜隆起高部位在挤压应力撤除、伸展应力施加下更容易塌陷，为反转成盆提供了地质条件。

总之，北非地区的中生代盆地沉积中心受海西期古隆起发育和新特提斯洋开启背景下的伸展作用联合控制。这也体现出发生在晚石炭世—早二叠世期间的海西期造山运动，不仅对前海西期盆地强烈改造，同时对海西期后盆地发育也有深远控制作用。

5 油气富集效应

北非地区已发现油气明显存在三个NE向富集带(图1)：佩拉杰—维德迈尔盆地区、苏尔特盆地区和东地中海盆地区。这三个NE向油气富集区正好对应几个NE向海西期古隆起以及中新生代盆地沉积中心发育区。这也显示了在海西期古隆起基础上塌陷反转成盆这一过程对油气富集的重要控制作用，具体而言，这一地质过程可产生至少以下几方面有利于油气富集的条件。

图11 北非地区主要古生界—中生界烃源岩分布(据文献[2, 40-44] 修改)Fig.11 Distribution of main Paleozoic and Mesozoic source rock in North Africa (modified from refs. [2, 40-44])

图12 苏尔特盆地东部古生界油气藏剖面(据文献[33])Fig.12 Paleozoic reservoir profile across the East Sirt Basin (after ref. [33])

从烃源岩发育角度，塌陷反转区发育为中生代盆地沉积中心，也成就了中新生代烃源岩发育有利区，如苏尔特盆地和东地中海诸盆地中侏罗统和上白垩统烃源岩(图11)。此外，隆起核部在塌陷之前遭受较强烈的剥蚀，部分地区志留系之上地层剥蚀殆尽，而使下志留统烃源岩在古隆起核部或在邻近中生代盆地中心的侧翼部直接(或以较近垂向距离)与中生界接触(图4(b)和图12)，利于古生新储或古生古储油藏的形成，如阿拉拉隆起之上发育的维德迈尔等盆地的三叠系内发现的油气均属此类型，靠近黎凡特隆起东翼的约旦境内发现的Wadi Sirhan、Risha等油田亦源自志留系烃源岩[5]。

从储集层发育来看，在中生代反转成盆之前，古隆起核部经历了更强的剥蚀夷平作用，大量的剥蚀物为后期盆地充填提供丰富的物源，这些陆缘砂体物源可以成为重要的油气储集体[33]：如在利比亚苏尔特盆地、古达米斯和穆祖克盆地等广泛发育这套古生代岩石作为物源的陆相沉积。该套地层在苏尔特盆地称为Nubian组或Sarir砂岩或Kalanshiyu砂岩，同期发育有辫状河流、沙丘、盐湖和泥滩等沉积环境的沙漠盆地，时间上这套砂体发育跨越二叠系到中白垩统，直到苏尔特盆地的大规模裂陷期发生，为该盆地重要的油气发现层位。

此外，从油气圈闭角度，除海西期不整合面可形成地层圈闭以外，古隆起的塌陷造成基底的破碎化，形成中生界盆地下伏潜山顶部古地貌的起伏，在上部断陷沉积期盖层发育的情况下，有利于形成有利圈闭(图12)。此类油气圈闭在维德迈尔盆地有较多发现[2]，苏尔特盆地已有部分油气发现[33]。

6 结 论

(1)北非地区中生代发育三个沉积中心区，西部的维德迈尔—佩拉杰盆地发育区、中部的苏尔特盆地发育区、东部的东地中海黎凡特—尼罗河三角洲盆地发育区；

(2)三个沉积中心区受晚石炭世—早二叠世海西运动形成的古隆起和新特提斯洋开启背景下的伸展作用联合控制。海西运动形成的NE—SW向大型隆起带，在晚二叠世—三叠纪以来的新特提斯洋打开过程中，北部发生普遍塌陷反转和伸展沉降形成中生代沉积中心，这一成盆过程可能是北非—中东地区中生代裂陷盆地沉积中心的重要成因机制。

(3)中生代盆地沉积中心的这一“古隆起塌陷反转成盆”过程是油气差异富集的重要控制因素。围绕这些塌陷形成的中生代沉积中心，因海西期塑造的古构造、海西构造剥蚀对砂岩储层控制、中生代烃源岩发育等有利因素，成为最为重要的油气富集区带。