尼日利亞南部大陸邊緣重力場(chǎng)特征及解釋

尹 君

(國(guó)家海洋局 第二海洋研究所,浙江 杭州 310012)

0 引言

尼日利亞南部大陸邊緣地殼結(jié)構(gòu)一直是許多地球物理研究者所探討的熱點(diǎn)問(wèn)題。近年來(lái),通過(guò)國(guó)際合作航次,我國(guó)在幾內(nèi)亞灣區(qū)域進(jìn)行了地球物理航次調(diào)查,對(duì)該地區(qū)地殼結(jié)構(gòu)及演化背景的研究取得一些認(rèn)識(shí)。尼日利亞南部大陸邊緣位于南大西洋東側(cè),北面為尼日利亞、貝寧、多哥等國(guó)家,東側(cè)毗鄰喀麥隆、圣多美和普林西比,屬于西非被動(dòng)大陸邊緣的一部分,發(fā)育了油氣資源豐富的尼日爾三角洲盆地[1-2]。深入開(kāi)展對(duì)尼日利亞南部大陸邊緣地殼結(jié)構(gòu)、構(gòu)造演化和沉積過(guò)程的研究,有助于揭示尼日利亞南部大陸邊緣完整的演化歷史。

本文研究區(qū)域位于幾內(nèi)亞灣內(nèi),包括尼日爾三角洲盆地、Okitipupa斷裂帶、Chain斷裂帶、Charcot斷裂帶、Avon海底扇以及Niger海底扇。對(duì)于研究區(qū)的構(gòu)造形變、沉積以及深部結(jié)構(gòu)特征,前人根據(jù)已經(jīng)獲得的地質(zhì)與地球物理資料進(jìn)行了大量的研究,包括沉積地層的劃分、新生代構(gòu)造與巖漿活動(dòng)、構(gòu)造動(dòng)力學(xué)過(guò)程以及陸緣構(gòu)造屬性與形變解釋[3]。本文收集了中尼合作調(diào)查測(cè)線北段地震剖面、水深和重力等數(shù)據(jù)資料,結(jié)合幾內(nèi)亞灣聲吶浮標(biāo)、OBS和雙船折射等成果信息,利用Geosoft軟件建立的區(qū)域地球物理模型,計(jì)算出正演重力異常曲線。同時(shí),采用了匹配濾波技術(shù)將實(shí)測(cè)重力異常分離出不同深度的異常,并與模型所計(jì)算出的正演重力異常曲線進(jìn)行比較,通過(guò)經(jīng)不斷修改并最終得到的完善模型,模擬了尼日利亞南部大陸邊緣的地殼結(jié)構(gòu),為未來(lái)該地區(qū)地殼結(jié)構(gòu)及其地質(zhì)演化的研究提供理論依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

本文調(diào)查區(qū)位于尼日利亞南部大陸邊緣,距離尼日利亞最大的港口城市拉各斯50 km,水深50～4 000 m,從陸架—陸坡—海盆,水深急劇變化,坡度較陡,發(fā)育了尼日爾三角洲。尼日爾三角洲盆地是早白堊世開(kāi)始發(fā)育的被動(dòng)大陸邊緣盆地,包括裂谷期和漂移期兩個(gè)演化階段,盆地的形成發(fā)育與岡瓦納大陸裂解和南大西洋、赤道大西洋張開(kāi)有關(guān),受到大西洋洋中脊擴(kuò)展出來(lái)的轉(zhuǎn)換斷層的控制,主要以Chain斷層、Charcot斷層以及Romanche斷層為主,陸架和上陸坡發(fā)育了大量的正斷層,下陸坡發(fā)育了大范圍的逆斷層。尼日爾三角洲最大沉積厚度達(dá)12 km,西部邊界為貝寧海灣,東部為喀麥隆火山脊,北部主要以阿南布拉(Anambra)盆地為界,三角洲海上面積達(dá)1.3×105km3,從沖積扇頂?shù)饺牒？谘由?00 km以上(圖1)。岡瓦納大陸的裂解始于三疊紀(jì),西非地區(qū)的裂解作用發(fā)生在晚侏羅世,它與St.Helena地幔柱作用有關(guān),并引發(fā)大規(guī)模巖漿火山活動(dòng),形成三叉裂谷,其中東北部分的貝努埃地槽(Benue)是其衰退夭折的一臂,西南臂和東南臂分別發(fā)展成為赤道大西洋和南大西洋的北段?，F(xiàn)今的尼日爾三角洲盆地則位于西非三叉裂谷西南臂和東南臂的疊合部位。該邊緣的發(fā)展可以劃分為3個(gè)階段：早期裂開(kāi)階段形成了分隔性的裂谷或走滑盆地,具有有限的水體對(duì)流；中、晚阿爾布期,大陸邊緣完全分離,中等深度海水貫通,但沿大陸邊緣和在盆地內(nèi)部仍存在強(qiáng)烈的地形差異；土侖期以來(lái),沿大陸邊緣持續(xù)沉降,盆地間的隆起隔檔完全消失,形成連通性深水環(huán)流,赤道大西洋形成[4]。

圖1 尼日爾三角洲盆地地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Geological sketch map of Nigeria Delta Basin

2 數(shù)據(jù)來(lái)源和方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文采用的數(shù)據(jù)來(lái)源于中尼合作航次,該航次主要開(kāi)展了沉積物重力柱取樣、多波束地形和淺層剖面儀探測(cè)、CTD采水、重磁勘查、可視多管采樣、ADCP走航觀測(cè)、電視抓斗采樣等項(xiàng)目。本文使用的數(shù)據(jù)有重力、多波束、淺層剖面主測(cè)線15條,長(zhǎng)度為3 500 km(表1)。通過(guò)多波束地形全覆蓋和淺層剖面探測(cè),獲得了Avon大峽谷及Mahin大峽谷的走向和尼日利亞南部大陸邊緣的高清晰地形地貌特征。

尼日利亞大陸架寬度比較窄,上陸架只有20～30 km寬,水深較淺,在0～450 m之間,中陸架寬40～85 km,下陸架與陸坡的轉(zhuǎn)折處比較陡峭,水深急劇變化。尼日利亞大陸架上存在兩個(gè)主要峽谷——Avon峽谷和Mahin峽谷,通過(guò)這兩個(gè)峽谷,形成了數(shù)條長(zhǎng)度不一、婉蜒曲折的多個(gè)河道,通過(guò)淺層剖面發(fā)現(xiàn)河道深度達(dá)150 m,在地形上形成了大規(guī)模的沖刷河道(圖2a)。

圖2 尼日利亞南部大陸邊緣水深(a)和自由空間重力異常(b)Fig.2 Bathymetry (a) and free air gravity anomaly (b) in the southern continental margin of Nigeria

2.2 布格異常計(jì)算

根據(jù)圖2的水深和空間重力異常測(cè)量結(jié)果,我們計(jì)算了研究區(qū)的簡(jiǎn)單布格異常,其校正公式如下：

δgb=0.041 9(σ-1.03)H

(1)

Δgb=Δgf+δgb

(2)

式中：σ為底層密度,計(jì)算中取為2.67×103kg/m3；H為水深,單位為m；Δgb為布格異常；Δgf為空間異常。計(jì)算結(jié)果如圖3a所示。

2.3 莫霍面反演

(3)

(4)

OLDENBURG[6]提出,把上式的級(jí)數(shù)展開(kāi)后提出第一項(xiàng),可化成迭代形式：

(5)

第一次迭代,可令h(0)=0,則可由上式第一項(xiàng)給出h(1),然后代入上式右端,繼而得到h(2),依次類推得到反演解。莫霍面上下界面密度差選為0.3×103kg/m3,反演得到的莫霍面深度結(jié)果如圖3b所示。

圖3 尼日利亞南部大陸邊緣布格異常(a)和莫霍面深度(b)Fig.3 Bouguer gravity anomaly (a) and Moho depth (b) in the southern continental margin of Nigeria

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)空間、布格重力異常特征

空間重力異常及布格重力異常特征均與海底地形有關(guān)?？臻g重力異常值一般與海底地形同步起伏變化,海山、海丘和島礁等地形高位對(duì)應(yīng)的空間重力異常值高,海溝、海槽和海盆等地形低位所對(duì)應(yīng)的空間重力異常值低。布格重力異常值則往往與海底地形呈鏡像關(guān)系,其異常值隨水深值的增大而增大。

圖2b是研究區(qū)自由空間重力異常圖,自由空間重力異常變化范圍為-100～40 mGal,且異常的負(fù)值區(qū)域大于正值區(qū)域,反映了該地區(qū)下方質(zhì)量的相對(duì)不足區(qū)域大于相對(duì)過(guò)剩區(qū)域。北部重力異常變化比南部重力異常變化迅速,北部重力異常曲線呈橢圓狀,從中間的-100 mGal遞增至邊緣的15 mGal,南部重力異常值為正值。大陸架的重力異常值變化較為迅速。中間部位缺失重力異常數(shù)據(jù)。

圖3a是研究區(qū)布格重力異常圖,該地區(qū)的布格重力異常變化范圍為0～350 mGal,均為正值,水深越大,值越大。總體上看,該地區(qū)的重力異常值從北到南逐漸遞增。北部重力異常變化比南部重力異常變化迅速。中間部位缺失重力異常數(shù)據(jù)。

研究區(qū)莫霍面深度如圖3b所示,由于缺乏沉積厚度數(shù)據(jù),沒(méi)有改正沉積層重力效應(yīng)并計(jì)算結(jié)晶地殼厚度,因此莫霍面深度數(shù)據(jù)僅作參考,研究區(qū)莫霍面深度為16～24 km,由陸坡向海盆逐漸加大。

3.2 剖面解釋

為了深入了解尼日利亞南部地區(qū)的地殼結(jié)構(gòu),本文分別在幾內(nèi)亞灣東西兩側(cè)各選取了一條剖面進(jìn)行重力場(chǎng)反演與解釋,剖面位置如圖2b中的兩條黑實(shí)線所示。剖面1位于幾內(nèi)亞灣西部,從北偏東到南偏西經(jīng)過(guò)尼日爾三角洲盆地、Avon海底扇、Mahin峽谷、Chain斷層、Charcot斷層以及Niger海底扇。剖面2位于幾內(nèi)亞灣東部,從北偏東到南偏西經(jīng)過(guò)尼日爾三角洲盆地、Mahin峽谷、Chain斷層、Charcot斷層以及Niger海底扇。各層選取的密度如表2所示。

3.2.1 剖面1的解釋

剖面1長(zhǎng)度為492 km,近NNE走向,自由空間重力異常值變化范圍為-94～0 mGal。在剖面0～60 km段,重力異常先下降再上升,表明該段地形起伏比較劇烈；在60～492 km段,重力異常曲線變化平緩,沒(méi)有明顯的起伏變化(圖4a)。模型共分為五層,第一層為海水層,密度為1.03×103kg/m3,深度為1～5 km；第二層為沉積層,密度約為2.20×103kg/m3；第三層為上地殼,密度約為2.67×103kg/m3；第四層為下地殼,密度約為2.80×103kg/m3；第五層為上地幔,密度約為3.30×103kg/m3。陸殼部分長(zhǎng)度為120 km,在陸殼和洋殼的過(guò)渡帶處為Chain斷層。在剖面最南端為Charcot斷層。地殼厚度總體上從陸架、陸坡至深海平原呈現(xiàn)階梯狀減薄的趨勢(shì),從大陸架處的21 km厚逐漸減薄為深海盆地處的14 km厚(圖4b)。

表2 重力模擬使用的密度參數(shù)Tab.2 Density parameters used in the gravity modeling

3.2.2 剖面2的解釋

剖面2的長(zhǎng)度為433 km,近NNE走向,自由空間重力異常值變化范圍為-45～18 mGal之間。在剖面0～65 km段,重力異常值逐漸遞增,呈上升趨勢(shì)；在65～131 km段,重力異常值平穩(wěn),波動(dòng)不明顯；在140 km處,重力異常值急劇下滑,從0 mGal下降到-45 mGal；在140～206 km段,重力異常值趨于平穩(wěn)；在206 km處,重力異常值從-36 mGal上升到-15 mGal；在206～327 km段,重力異常值平穩(wěn),波動(dòng)不明顯；在327～433 km段,重力異常值變化無(wú)規(guī)律(圖5a)。初始密度結(jié)構(gòu)與剖面1相同,從模擬結(jié)果可以看出,陸殼和洋殼的過(guò)渡帶為Chain斷層,在70～240 km處沉積層之下有一塊密度為2.30×103kg/m3的高密度體；在295～360 km之間有侵入體,上方密度為2.70×103kg/m3,下方密度為2.84×103kg/m3；在360 km處為Charcot斷層。地殼厚度總體上從陸架、陸坡至深海平原呈現(xiàn)階梯狀減薄的趨勢(shì),從大陸架處的24 km厚逐漸減薄為深海盆地處的10 km厚(圖5b)。

圖4 剖面1重力模擬的密度結(jié)構(gòu)Fig.4 Density structures along the profile 1 inferred by gravity modeling

圖5 剖面2重力模擬的密度結(jié)構(gòu)Fig.5 Density structures along the profile 2 inferred by gravity modeling

3 小結(jié)

本文利用中-尼合作航次在尼日利亞南部大陸邊緣地區(qū)獲取的重力和水深數(shù)據(jù),計(jì)算了自由空間重力異常、布格重力異常,并反演了莫霍面深度。通過(guò)兩條剖面上的計(jì)算重力異常曲線與觀測(cè)到的重力異常曲線進(jìn)行擬合,得到兩條剖面下的地殼結(jié)構(gòu)。剖面1的地殼厚度總體上從陸架、陸坡至深海平原呈現(xiàn)階梯狀減薄的趨勢(shì),從大陸架處的21 km厚逐漸減薄為深海盆地處的14 km厚。剖面2的地殼厚度總體上從陸架、陸坡至深海平原呈現(xiàn)階梯狀減薄的趨勢(shì),從大陸架處的24 km厚逐漸減薄為深海盆地處的10 km厚。

[1]BAIZhen-rui,ZHANGYa-xiong,SONGJian-ping,etal.ApplicationofcomprehensiveseismicinterpretationtechnologyinSTUBBCREEKblockinNigerdeltabasin[J].PetroleumGeologyandEngineering,2012,26(1):13-16.

白振瑞,張亞雄,宋建平,等.地震綜合解釋技術(shù)在尼日爾三角洲盆地STUBBCREEK區(qū)塊中的應(yīng)用[J].石油地質(zhì)與工程,2012,26(1):13-16.

[2]MAJun,LIUJian-ping,PANXiao-hua,etal.GeologicalcharactersoftheEastandWestAfricacontinentalmarginsandtheirsignificanceforhydrocarbonexploration[J].JournalofChengduUniversityofTechnology:Science&TechnologyEdition,2009,36(5):538-545.

馬君,劉劍平,潘校華,等.東、西非大陸邊緣比較及其油氣意義[J].成都理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,36(5)：538-545.

[3]ZHANGYan.CharacteristicsofsubmarinecanyonsandtheirformationandevolutionfactorsinthesoutherncontinentalmarginofsouthernNigeria[D].Hangzhou:SecondInstituteofOceanography,StateOceanicAdministration,2015.

張妍.尼日利亞南部陸緣區(qū)海底峽谷的發(fā)育特征及其形成演化的影響因素[D].杭州：國(guó)家海洋局第二海洋研究所,2015.

[4]HANWen-ming,YUShui,LIUYang,etal.Anewmethodtoresearchcomplexgravitystructuresindeepwater:acaseofstructureAindeep-waterNigerDelta[J].ChinaOffshoreOilandGas,2012,24(1):13-16.

韓文明,于水,劉陽(yáng),等.復(fù)雜深水重力構(gòu)造勘探研究新方法——以尼日爾三角洲深水區(qū)A構(gòu)造為例[J].中國(guó)海上油氣,2012,24(1):13-16.

[5]PARKERRL.Therapidcalculationofpotentialanomalies[J].GeophysJRoyastrSoc,1973(31):447-455.

[6]OLDENBURGDW.Theinversionandinterpretationofgravityanomalies[J].Geophysics,1974,39(4):526-536.