Termit盆地構(gòu)造變形的力學(xué)機制

張慶蓮，侯貴廷，潘校華，萬倫坤，毛鳳軍

(1.北京大學(xué) 地球與空間科學(xué)學(xué)院,教育部造山帶與地殼演化重點實驗室,北京 100871;2.石家莊經(jīng)濟學(xué)院資源學(xué)院,河北 石家莊 050031;3.中國石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083)

0 前 言

Termit盆地位于尼日爾東南部,是中西非裂谷系中典型的中-新生代裂谷盆地,該盆地是中國天然氣集團公司在海外的三大風(fēng)險勘探區(qū)塊之一(童曉光等,2004;竇立榮,2005;江文榮等,2006;劉劍平等,2008)。該盆地形成于早白堊世大西洋張裂的構(gòu)造背景下(Genik,1993;Guiraud et al.,1987)。盆地在白堊紀至古近紀經(jīng)歷了“裂谷-坳陷-裂谷”的構(gòu)造演化過程,且兩期裂陷作用形成的斷裂走向不同(Genik,1993;Guiraud et al.,1987)。Termit盆地目前整體勘探水平較低,且對盆地的構(gòu)造演化研究缺少動力學(xué)分析。

動力學(xué)研究主要是探索構(gòu)造形變與應(yīng)力狀態(tài)之間的關(guān)系,用來研究構(gòu)造的形成機制(Bertoluzza and Perotti,1997;Homberg et al.,2004;Hou et al.,2006)。Homberg(2004)等借助數(shù)值模擬方法恢復(fù)了晚白堊世法國Pontarlier斷裂區(qū)的古構(gòu)造應(yīng)力場,并通過對主斷裂周圍應(yīng)力狀態(tài)的分析得出了其構(gòu)造活動規(guī)律;Hou et al.(2006)以古巖墻為證據(jù),利用有限元數(shù)值模擬方法恢復(fù)了華北克拉通前寒武紀古構(gòu)造應(yīng)力場,為超大陸古構(gòu)造應(yīng)力場的重建及超大陸裂解機制的研究提供了參考;佟彥明(2007)利用ANSYS系統(tǒng)的平面線彈性模擬加以驗證,最后確定了膠萊盆地在萊陽期的動力學(xué)機制。這些研究表明,應(yīng)用有限元數(shù)值模擬方法研究構(gòu)造的力學(xué)機制十分有效。

本文依據(jù) Termit盆地的基礎(chǔ)構(gòu)造特征,運用彈性有限元數(shù)值模擬方法,從動力學(xué)(張明利和萬天豐,1988;Martin et al.,1998;Maerten et al.,2002;閆淑玉等,2011)角度討論盆地構(gòu)造演化模式,為盆地的構(gòu)造演化研究提供動力學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

Termit盆地位于尼日爾東南部,為西非裂谷向北的延伸部分,發(fā)育于前寒武系-侏羅系變質(zhì)帶基底之上,是中西非裂谷系中典型的中-新生代裂谷盆地(Genik,1993;Guiraud et al.,1987)。盆地呈NW-SE向長條形展布,南北長約300 km,東西寬北端最窄處約60 km,南端最寬處約110 km,面積約30000 km2(圖1)。盆地南端與Bornu盆地相鄰,北端以Agadez線為界與Tenere盆地及Tefidet盆地相鄰(劉邦等,2012)(圖1)。Termit盆地發(fā)育于由前泛非期變質(zhì)帶組成的基底之上,這些變質(zhì)帶使基底沿NW-SE向出現(xiàn)不連續(xù)性,從而控制了東尼日爾早白堊世裂谷盆地的形成和演化(Maurin and Guiraud,1993;劉邦等,2012),盆地基底斷層呈 NW-SE向,與前泛非期變質(zhì)帶走向一致。

Termit盆地主要有走向NW-SE和NNW-SSE向兩組斷裂系(圖2)。根據(jù)斷層的期次和級次,可將該盆地斷層分為早白堊世形成的早期斷層和古近紀形成的后期斷層。前者主要分布于盆地邊界,走向 NW-SE;后者在盆地邊界和內(nèi)部均有發(fā)育,走向NW-SE和NNW-SSE(Maurin and Guiraud,1993;劉邦等,2012)。

根據(jù)構(gòu)造特征差異,將 termit盆地劃分為六個構(gòu)造單元,分別為Dinga斷階帶、Dinga凹陷、Araga地塹、Yogou西斜坡、Fana低凸起和Moul凹陷(圖2)。

Dinga斷階帶:主要由一系列NW-SE向斷層組成,形成時期主要為早白堊世和古近紀。古近紀形成的后期斷層多數(shù)為早期邊界斷層在古近紀發(fā)生繼承性活動而形成的派生斷層,走向為NW-SE向。

Dinga凹陷:該區(qū)斷層主要分布在凹陷的北部,為古近紀形成的后期斷層,走向NNW-SSE,平面上規(guī)模小,呈系列分布。

Araga地塹:早白堊世邊界斷層走向 NW-SE,為基底卷入斷層。古近紀形成的后期斷層呈左階雁行排列,南部走向 NNW-SSE,往北逐漸向 NW-SE向收斂,北部與早白堊世斷層走向平行。

Yogou西斜坡:斷層走向 NW-SE,包括早白堊世形成、古近紀繼承性活動的斷層和后期斷層。

Fana低凸起和Moul凹陷:主要為古近紀后期斷層,走向NNW-SSE。從下往北至Araga地塹,往南至 Yogou西斜坡,古近紀形成的斷層走向逐漸向早期邊界斷層收斂。

Termit盆地沉積厚度超過12 km,沉積地層包括下白堊統(tǒng)、上白堊統(tǒng)、古近系、新近系和第四系。下白堊統(tǒng)為陸相沉積,巖性主要為砂泥巖互層;上白堊統(tǒng)下部為海相沉積,上部為陸相砂巖沉積;古近系總體為湖相沉積,巖性為砂泥巖互層;新近系以河流相砂巖沉積為主。

圖2 Termit盆地構(gòu)造單元圖Fig.2 Structural units and fault distribution in the Termit Basin

盆地自白堊紀以來經(jīng)歷了早白堊世和古近紀兩期裂陷作用(Guiraud and Maurin,1992;Guiraud et al.,2000)。早白堊世(130～96 Ma)大西洋擴張,應(yīng)力方向為 NE-SW,早白堊世開始裂陷,盆地沉積厚層陸相地層,受泛非薄弱帶及NE-SW向拉張作用影響,盆地沿NW-SE向展布。晚白堊世(96～66.5 Ma)經(jīng)歷了長時間熱沉降,盆地以坳陷作用為主。古近紀(66.5～25.2 Ma)由于大西洋再次擴張,非洲板塊與阿拉伯板塊開始分裂,區(qū)域伸展方向為ENE-WSW向,盆地再次發(fā)生裂谷作用,古近紀形成的斷層在早白堊世斷層基礎(chǔ)上繼承發(fā)育,同時發(fā)育了大量的同生斷層(Guiraud,1987;Maurin and Guiraud,1993)。

以早白堊世和古近紀Termit盆地兩期裂谷作用為構(gòu)造背景,運用彈性力學(xué)有限元方法對早白堊世和古近紀的盆地進行應(yīng)力場模擬分析。

2 應(yīng)力場模擬和分析

以Termit盆地在早白堊世和古近紀的地質(zhì)模型(圖2)為基礎(chǔ),通過彈性力學(xué)有限元數(shù)值模擬方法(王仁等,1979;萬天豐,1996;萬天豐和任之鶴,1999),應(yīng)用ANSYS10(大學(xué)版)軟件對早白堊世和古近紀 Termit盆地的構(gòu)造應(yīng)力場進行數(shù)值模擬(曹春福等,1997;Joussineau et al.,2003;王連捷等,2004;馬寶軍等,2006;Hou et al.,2010),來研究在早白堊世和古近紀區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場條件下Termit盆地內(nèi)部構(gòu)造形成發(fā)育的動力學(xué)機制。

2.1 早白堊世平面模擬

圖3 Termit盆地早白堊世力平面模擬力學(xué)模型圖Fig.3 Plane mechanical model for the Termit Basin in the Early Cretaceous

根據(jù)Termit盆地早白堊世的平面構(gòu)造、構(gòu)造單元等特征,建立Termit盆地的地質(zhì)模型(圖2)。將地質(zhì)模型簡化為幾何模型,將幾何模型簡化成具有一定厚度的平面薄板模型,不考慮垂向變化對模型的影響(圖3)。采用 8節(jié)點 Plane82單元和Surfer153表面效應(yīng)單元對模型進行模擬。由于模型比較簡單,不需要局部網(wǎng)格的人工細化操作,對模型進行了自動網(wǎng)格劃分。

在此幾何模型基礎(chǔ)上設(shè)定邊界條件并對盆地賦于巖石力學(xué)參數(shù)值,建立早白堊世 Termit盆地的力學(xué)模型。盆地呈長條形展布,受到區(qū)域應(yīng)力作用變形主要集中在盆地內(nèi)部,南北端變形較弱,因此將盆地南北兩端設(shè)為固定邊界;根據(jù)盆地在早白堊世受NW-SE向拉張作用的影響,在盆地東西兩側(cè)邊界施加差應(yīng)力80 MPa,差應(yīng)力值參照板塊運動作用力(Hou et al.,2006,2010)。

Termit盆地不同構(gòu)造單元的巖性差異很小,基底巖性以花崗巖為主,下白堊統(tǒng)巖性為砂泥巖互層,將花崗巖和砂泥巖的巖石模量與泊松比進行加權(quán),得到盆地平面模擬的楊氏模量為75×109Pa,泊松比為0.24。

受到拉張作用力后,盆地內(nèi)部的張應(yīng)變值都比較大,但張應(yīng)變主要集中在西部(圖4a),說明受到拉張作用力后盆地西部應(yīng)變最大。這與西部Dinga斷階帶早白堊世NW-SE向斷層最為發(fā)育(圖2)相一致。

圖4 Termit盆地早白堊世平面模擬結(jié)果圖Fig.4 The modelling result map of the Termit Basin in the Early Cretaceous

應(yīng)力場分布圖(圖4b)顯示盆地內(nèi)以張應(yīng)力為主,最小主應(yīng)力方向主要為NE-SW 向,指示伸展方向為NE-SW,這與 Dinga斷階帶發(fā)育的早白堊世 NW-SE向斷層相吻合。說明在早白堊世,Termit盆地受到NE-SW 向拉張作用,在此區(qū)域應(yīng)力的作用下,盆地西部Dinga斷階帶內(nèi)發(fā)育早期NW-SE向斷層。

2.2 古近紀盆地模擬

根據(jù)Termit盆地古近紀的平面構(gòu)造、構(gòu)造單元等特征,建立Termit盆地的地質(zhì)模型(圖2)。模擬過程類似早白堊世盆地模擬。

在幾何模型基礎(chǔ)上設(shè)定邊界條件并對盆地賦于巖石力學(xué)參數(shù)值,建立古近紀 Termit盆地的力學(xué)模型(圖5)。盆地呈長條形展布,受到區(qū)域應(yīng)力作用變形主要集中在盆地內(nèi)部,南北端變形較弱,因此將盆地南北兩端設(shè)為固定邊界;根據(jù)盆地在早白堊世受 ENE-WSW 向拉張作用的影響,古近紀的裂谷作用相比早白堊世強度較弱,因此在盆地東西兩側(cè)邊界施加差應(yīng)力50 MPa,差應(yīng)力值參照板塊運動作用力(Hou et al.,2006,2010)。

Termit盆地不同構(gòu)造單元的巖性差異很小,基底巖性以花崗巖為主,下白堊統(tǒng)為砂泥巖互層,上白堊統(tǒng)以砂巖為主,古近系為砂泥巖互層,將花崗巖、砂泥巖和砂巖的巖石模量與泊松比進行加權(quán),得到盆地平面模擬的楊氏模量為60×109Pa,泊松比為0.22。古近紀模型中有早白堊世斷層(圖5),斷層巖的楊氏模量為15×109Pa,泊松比為0.14。

圖5 Termit盆地古近紀力平面模擬力學(xué)模型圖Fig.5 Plane mechanical model for the Termit Basin in Paleogene

應(yīng)力場分布圖(圖6)顯示盆地東南部即 D處最小主應(yīng)力方向為近 EW 向,指示此處的伸展方向為近SN向,Fana低凸起和Moul凹陷內(nèi)主要分布古近紀的后期斷層且斷層走向 NNW-SSE,應(yīng)力場分布圖顯示的最小主應(yīng)力方向所指示的此處受拉張方向與斷層的走向相吻合。

盆地西部(A和B)與D最小主應(yīng)力方向相比,A和B處靠近先存斷裂附近的最小主應(yīng)力方向產(chǎn)生NW向的偏轉(zhuǎn)。認為此處由于早白堊世斷層的存在,受近 EW 向拉張作用后,在早白堊世斷層附近存在局部應(yīng)力場,由于此局部應(yīng)力場使得A和B處的古近紀斷層方向產(chǎn)生NW向偏轉(zhuǎn)。說明Dinga斷階帶和Yogou西斜坡在古近紀受到近EW向拉張作用力后,由于早白堊世斷層的存在,在其附近存在局部應(yīng)力場,此局部應(yīng)力場使得 Dinga斷階帶和Yogou西斜坡古近紀形成的斷裂走向發(fā)生偏轉(zhuǎn),走向多為NW-SE。

盆地東北部(C)顯示的最小主應(yīng)力方向在早白堊世斷層附近發(fā)生 NW 向偏轉(zhuǎn),但主要主要為ENE-WSW。最小主應(yīng)力方向指示的伸展方向與Araga地塹古近紀斷層走向相吻合,說明Araga地塹古近紀發(fā)育的斷層受到早白堊世斷層的影響,但Araga地塹早白堊世斷層發(fā)育較少,在近EW向拉張作用下,古近紀發(fā)育的斷層沿早白堊世斷層呈雁行排列,為張扭性斷層。

圖6 Termit盆地古近紀最小主應(yīng)力方向圖Fig.6 The minimum principal compressive stress trajectory map of the Termit Basin in Paleogene

2.3 模擬結(jié)果分析

對Termit盆地早白堊世和古近紀兩期裂谷作用進行了平面模擬。早白堊世,盆地西部 Dinga斷階帶和Yogou西斜坡張應(yīng)變集中且伸展方向為NE-SW,說明 Termit盆地在早白堊世盆地受到 NE-SW 向的拉張作用,在此拉張作用下盆地西部的 Dinga斷階帶和Yogou西斜坡早白堊世NW-SE向斷層發(fā)育。

古近紀,盆地受到近 EW 向拉張作用,在Dinga斷階帶和Yogou西斜坡模擬結(jié)果顯示最小主應(yīng)力方向并非近 EW 向,而是發(fā)生向 NW 的偏轉(zhuǎn),說明Dinga斷階帶和Yogou西斜坡處古近紀斷層受早白堊世斷層的影響,由于斷層附近的局部應(yīng)力場使斷層走向多為NW-SE;在Araga地塹處最小主應(yīng)力方向主要為 ENE-WSW,只在早白堊世斷層附近發(fā)生NW向偏轉(zhuǎn),說明Araga地塹古近紀發(fā)育的斷層受到早白堊世斷層的影響,但Araga地塹早白堊世斷層發(fā)育較少,在近 EW 向拉張作用下,古近紀發(fā)育張扭性斷層,沿早白堊世斷層呈雁行排列。Fana低凸起和Moul凹陷由于早白堊世斷層不發(fā)育,古近紀受到近 EW 向拉張作用后,發(fā)育 NNW-SSE向斷層。

3 討 論

Pindell and Dewey (1982)通過古地磁數(shù)據(jù)認為西非在中生代泛大陸解體過程中是穩(wěn)定的,非洲板塊內(nèi)部存在板內(nèi)變形。Guiraud and Maurin (1992)將非洲板塊劃分為三部分即西北非地塊、東北非地塊和中南非地塊,板塊內(nèi)部存在變形且各地塊之間的變形量有差異。Pavoni (1993)提出三疊紀以來,非洲大陸一直處于拉張環(huán)境,中西非裂谷系是在拉張的構(gòu)造應(yīng)力場下形成的。Binks and Fairhead (1992)和Ziegler (1992)研究認為非洲大陸是在中侏羅世以后泛大陸裂解過程中產(chǎn)生的。

自泛非期以來,中非裂谷系盆地基本上經(jīng)歷了以下幾個的構(gòu)造演化階段:

晚侏羅世,非洲大陸的西北部處于穩(wěn)固狀態(tài),而東北部和南部隨著泛大陸的裂解開始向東漂移,先在三個次級陸塊邊界形成早期裂谷,中非剪切帶開始發(fā)育,形成北東東向右行走滑斷裂帶。

早白堊世,非洲-阿拉伯板塊內(nèi)部伸展方向為NE-SW(Guiraud and Maurin,1992),中非裂谷系進入強烈裂陷期,斷裂活動劇烈,并沉積了巨厚的早白堊世地層,非洲大陸的西北部仍處于穩(wěn)固狀態(tài),東北部和南部繼續(xù)向東漂移,由于中非剪切帶持續(xù)的右行走滑作用和各地塊之間的差異活動性,沿中非剪切帶內(nèi)及附近派生出Muglad、Melut、Blue Nile、White Nile、Baggara、Doba、Bongar和Termit等裂谷盆地。Doba、Bongar和Doseo盆地是典型的走滑拉分盆地(Guiraud and Maurin,1992),而Muglad和Melut等盆地是在拉張環(huán)境下形成的張性盆地并且只在靠近中非剪切帶部分受走滑作用的影響(Binks and Fairhead,1992)。晚白堊世,裂谷進入坳陷期,中非剪切帶走滑作用強度由西向東變?nèi)酢?/p>

古近紀中非剪切帶停止活動。在晚始新世,非洲-阿拉伯板塊與歐亞板塊發(fā)生碰撞,板內(nèi)構(gòu)造擠壓方向為NNW-SSE(Guiraud and Bosworth,2005)。在該構(gòu)造事件發(fā)生后,非洲-阿拉伯板塊處于大規(guī)模的伸展和巖漿活動活躍時期,主伸展方向為ENE- WSW(Janssen et al.,1995)。

Termit盆地的構(gòu)造演化受整個非洲區(qū)域演化的控制,盆地形成于早白堊世南大西洋張裂的構(gòu)造背景。早白堊世受NE-SW向伸展作用,形成NW-SE向的早期斷裂。古近紀盆地處于近 EW 向伸展環(huán)境,在盆地不同部位發(fā)育了不同走向的后期斷裂:Dinga斷階帶和Yogou西斜坡處古近紀斷層受早期斷層的影響,由于斷層附近的局部應(yīng)力場使斷層走向多為 NW-SE;Araga地塹在近 EW 向拉張作用下,古近紀發(fā)育張扭性斷層,沿早白堊世斷層呈雁行排列;Fana低凸起和Moul凹陷由于早白堊世斷層不發(fā)育,古近紀受到近EW向拉張作用后,發(fā)育NNW-SSE向斷層。

4 結(jié) 論

通過分析Termit盆地早白堊世和古近紀兩期裂谷作用的模擬結(jié)果,我們認為在早白堊世盆地受區(qū)域NE-SW向拉張作用,在盆地西部邊界發(fā)育一系列NW-SE向早白堊世早期斷層。古近紀,盆地受近EW向拉張作用,在盆地不同部位發(fā)育的古近紀斷裂走向不同:

(1) 盆地西部 Dinga斷階帶和Yogou西斜坡受早期斷層的影響,在早期斷層附近產(chǎn)生局部應(yīng)力場,此局部應(yīng)力場使Dinga斷階帶和Yogou西斜坡古近紀斷層發(fā)育走向為NW-SE。

(2) Araga地塹古近紀發(fā)育的斷層同樣受到早白堊世斷層的影響,但 Araga地塹早白堊世斷層發(fā)育較少,在近 EW 向拉張作用下,古近紀發(fā)育張扭性斷層,沿早白堊世斷層呈雁行排列。

(3) Fana低凸起和Moul凹陷內(nèi)早期斷裂不發(fā)育,受到近EW向拉張作用后,發(fā)育NNW-SSE向斷層。

致謝:本文得到國家重大專項項目29“海外重點風(fēng)險項目勘探評價及配套技術(shù)”和中石油重大專項子課題“被動裂谷成盆機理研究”資助,并感謝鄭亞東教授給予論文的修改。

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