乍得Bongor盆地反轉(zhuǎn)構(gòu)造特征及形成機(jī)制分析

余朝華 肖坤葉 張桂林 肖高杰 杜業(yè)波

（ 中國石油勘探開發(fā)研究院 ）

構(gòu)造反轉(zhuǎn)是沉積盆地中普遍存在的一種地質(zhì)現(xiàn)象，它是盆地在沉積下陷的過程中，由于區(qū)域應(yīng)力場的改變或深部物質(zhì)的上涌造成盆地的擠壓變形和縮短疊加在先期伸展構(gòu)造之上而形成的一種復(fù)合構(gòu)造[1-3]。反轉(zhuǎn)構(gòu)造自提出以來就引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，圍繞著反轉(zhuǎn)構(gòu)造的定性和定量描述[2,3-11]、構(gòu)造特征與構(gòu)造樣式分類[6,12-15]、反轉(zhuǎn)構(gòu)造的成因機(jī)制[9,13,16-19]等一系列問題進(jìn)行了深入的研究和探討。近年來，隨著研究手段的不斷豐富和實(shí)驗(yàn)分析技術(shù)的快速提高，反轉(zhuǎn)構(gòu)造的研究取得了一系列成果，越來越多地受到業(yè)內(nèi)學(xué)者的關(guān)注和重視。

構(gòu)造反轉(zhuǎn)作為一個(gè)重要的構(gòu)造事件深刻影響沉積盆地的形成、演化和沉積充填過程，對(duì)盆地內(nèi)油氣的生成、運(yùn)移和聚集成藏起到了非常重要的影響作用。構(gòu)造反轉(zhuǎn)對(duì)油氣聚集的影響是目前反轉(zhuǎn)盆地研究中的一項(xiàng)重要內(nèi)容[8,11,15,20-28]，系統(tǒng)分析反轉(zhuǎn)構(gòu)造特征和形成機(jī)制對(duì)反轉(zhuǎn)盆地石油地質(zhì)特征的認(rèn)識(shí)和勘探策略的選取具有重要的指導(dǎo)作用。本文以中非裂谷系典型反轉(zhuǎn)裂谷盆地Bongor盆地為例，通過對(duì)盆地構(gòu)造特征的解剖，結(jié)合區(qū)域大地構(gòu)造演化背景，分析和探討盆地反轉(zhuǎn)構(gòu)造特征和形成機(jī)制。

1 研究區(qū)概況

1.1 盆地概況

Bongor盆地位于中非、西非裂谷系的交會(huì)部位，乍得共和國西南部，中非剪切帶北緣（圖1），是受中非剪切帶影響發(fā)育起來的中—新生代陸內(nèi)反轉(zhuǎn)裂谷盆地[29-36]。盆地整體呈近東西走向,長約為280km,寬約為40～80km,面積約為1.8×104km2。

圖1 Bongor盆地區(qū)域構(gòu)造位置（據(jù)參考文獻(xiàn)[29]修改）

Bongor盆地平面上呈紡錘形，整體呈南斷北超的構(gòu)造形態(tài)，自北向南可以分成4個(gè)次一級(jí)構(gòu)造單元：北部斜坡、中央坳陷、南部隆起、南部坳陷，相鄰構(gòu)造單元間發(fā)育一些構(gòu)造調(diào)節(jié)帶（圖2）。盆內(nèi)發(fā)育正斷層，北西—南東向主控?cái)鄬涌刂屏伺璧氐男纬裳莼统练e過程，其次為北西西—南東東向斷層和少量的北東—南西向調(diào)節(jié)斷層（圖2）。

Bongor盆地自下而上發(fā)育3個(gè)構(gòu)造層：最底層為盆地的古老基底，鉆井揭示巖性主要為前寒武紀(jì)花崗巖和花崗片麻巖；中部構(gòu)造層為盆地白堊紀(jì)—古近紀(jì)張裂過程中所充填的陸相碎屑巖地層，巖性以砂巖和泥巖（頁巖）薄互層為主，該層是Bongor盆地最主要的沉積層，厚度達(dá)數(shù)千米，目前盆地內(nèi)主要的油氣發(fā)現(xiàn)均賦存于該構(gòu)造層內(nèi)；頂面構(gòu)造層為新近紀(jì)以來坳陷期沉積的地層，厚度僅為200～500m，與中部構(gòu)造層以不整合面為界（圖3）。

1.2 構(gòu)造與沉積演化

Bongor盆地的形成和演化主要受到泛非運(yùn)動(dòng)、岡瓦納古陸解體、大西洋開啟、中非剪切帶走滑和紅海張裂的影響[34-35]。

泛非運(yùn)動(dòng)發(fā)生于600Ma年以前的前寒武紀(jì)時(shí)期，該期運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了岡瓦納古陸的聚合，在這一過程中組成非洲板塊的各小地體通過不斷的碰撞融合形成了現(xiàn)今非洲大陸的古老基底[37]。Bongor盆地在這一時(shí)期火山活動(dòng)頻繁，基底差異隆升，地形高差較大，這些隆起成為現(xiàn)今盆地內(nèi)潛山構(gòu)造的雛形（圖2）。

圖2 Bongor盆地構(gòu)造單元圖

圖3 過Bongor盆地典型地質(zhì)剖面(剖面位置見圖2)

白堊紀(jì)早期大西洋自南而北開始張裂[34]，大西洋的張裂導(dǎo)致了南美板塊和非洲板塊的分離、中非剪切帶的形成，并引起了非洲板塊內(nèi)部裂谷活動(dòng)的發(fā)生，形成了中西非裂谷系盆地的雛形[35]。盆地初始裂陷期，Bongor盆地內(nèi)水體較淺，大部分早期隆起出露在外，除中央坳陷外，北部斜坡帶各小洼陷由于隆起分隔互不連通，這些出露的山頭不斷遭到風(fēng)化剝蝕，剝蝕的產(chǎn)物直接入湖，快速堆積形成近岸水下扇—扇三角洲沉積（圖4），這套沉積體是目前盆地內(nèi)最重要的儲(chǔ)層[29]。M組沉積時(shí)期，盆地內(nèi)水體加深，除局部高隆起外，大多數(shù)隆起沒入水面以下，盆內(nèi)沉積了一套半深湖—深湖相泥巖，厚度在數(shù)十米到數(shù)百米不等，該套泥巖是盆地內(nèi)最重要的烴源巖和蓋層[29]（圖4）。K組沉積時(shí)期盆地?cái)嘞莼顒?dòng)減弱，沉積速率降低，同一層位在不同構(gòu)造部位的厚度差異開始減?。▓D4）。R組、B組沉積時(shí)期，大量沉積物從盆地四周充填入盆地內(nèi)，水體逐步變淺，各構(gòu)造單元之間的高差進(jìn)一步縮小，斷裂活動(dòng)進(jìn)一步減弱（圖4）。

白堊紀(jì)晚期，Bongor盆地發(fā)生強(qiáng)烈反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)導(dǎo)致地層抬升，上白堊統(tǒng)和部分下白堊統(tǒng)B組遭受剝蝕（圖4），不同構(gòu)造單元?jiǎng)兾g厚度差異較大，剝蝕厚度恢復(fù)結(jié)果表明盆地剝蝕厚度在1000～2000m之間，平均剝蝕厚度達(dá)1500m[38]。白堊紀(jì)末期發(fā)生的構(gòu)造反轉(zhuǎn)是Bongor盆地形成和演化過程中的關(guān)鍵事件，是Bongor盆地同中西非裂谷系其他盆地最顯著的差別。構(gòu)造反轉(zhuǎn)造成了地層變形、斷裂體系的調(diào)整和油氣的重新運(yùn)移和聚集，該期反轉(zhuǎn)后Bongor盆地基本定型。

圖4 Bongor盆地綜合柱狀圖

新生代盆地進(jìn)入了統(tǒng)一的熱沉降階段，表現(xiàn)為盆地的整體沉降（圖4）。古近紀(jì)末，受紅海北西—南東向張裂產(chǎn)生的局部擠壓應(yīng)力影響，盆地發(fā)生弱反轉(zhuǎn)，該期反轉(zhuǎn)在中西非裂谷系其它盆地中也有發(fā)生，該期反轉(zhuǎn)比較弱，表現(xiàn)為盆地的整體抬升，各構(gòu)造單元?jiǎng)兾g厚度基本接近，由于此時(shí)大多數(shù)盆地都進(jìn)入穩(wěn)定沉降階段，該期弱反轉(zhuǎn)對(duì)盆地的改造和影響不大。

2 反轉(zhuǎn)構(gòu)造特征

裂谷盆地的構(gòu)造反轉(zhuǎn)必然對(duì)裂谷期形成的構(gòu)造和充填的地層進(jìn)行改造，由于各盆地構(gòu)造形態(tài)和反轉(zhuǎn)機(jī)制的差異，構(gòu)造反轉(zhuǎn)在各裂谷盆地的表現(xiàn)形態(tài)也不盡相同。

2.1 斷裂特征

Bongor盆地的控盆斷層和盆內(nèi)主干斷裂平面上呈北西—南東走向，延伸距離從數(shù)十千米到數(shù)百千米不等。剖面上主干斷層發(fā)育具有明顯的繼承性，向下切穿基底，向上終止于古近系頂部的不整合面。

由于驅(qū)動(dòng)力和成因機(jī)制上的差異，中西非被動(dòng)裂谷盆地同中國東部典型的主動(dòng)裂谷盆地相比斷裂形態(tài)上存在明顯差異，Bongor盆地為代表的中西非被動(dòng)裂谷盆地邊界斷層斷面一般較陡，斷層上下產(chǎn)狀變化不大，斷面相對(duì)比較平直；而中國東部主動(dòng)裂谷盆地邊界斷層斷面一般較緩，以犁式為主[35]。Bongor盆地主要構(gòu)造主干斷層傾角的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明（表1），盆地內(nèi)主干斷層傾角均超過45°，大多數(shù)斷層傾角大于或接近60°，部分?jǐn)鄬觾A角達(dá)到70°。

2.2 反轉(zhuǎn)構(gòu)造樣式

前人根據(jù)反轉(zhuǎn)構(gòu)造的形態(tài)特征，將反轉(zhuǎn)構(gòu)造分成3種類型：斷層型、褶皺型和混合型[39-40]。斷層型反轉(zhuǎn)構(gòu)造中，反轉(zhuǎn)擠壓變形構(gòu)造縮短主要由先存正斷層承擔(dān)，在擠壓應(yīng)力的作用下，斷層發(fā)生逆沖，下降盤地層整體沿?cái)嗝嫦蛏匣瑒?dòng)。褶皺型反轉(zhuǎn)構(gòu)造中，反轉(zhuǎn)擠壓變形構(gòu)造縮短主要承擔(dān)者為地層，而不是先存斷層，具體表現(xiàn)為地層的褶皺隆升。混合型的反轉(zhuǎn)構(gòu)造中，反轉(zhuǎn)擠壓變形既有沿先存斷裂的逆沖，同時(shí)地層也發(fā)生褶皺變形。

表1 Bongor盆地主干斷層斷層要素統(tǒng)計(jì)表

Bongor盆地的構(gòu)造反轉(zhuǎn)主要表現(xiàn)為地層的褶皺隆升，目前盆地內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯的逆斷層，反轉(zhuǎn)構(gòu)造以褶皺型為主，形成反轉(zhuǎn)背斜、斷背斜和斷鼻構(gòu)造。根據(jù)反轉(zhuǎn)構(gòu)造的幾何形態(tài)和與主控?cái)鄬拥年P(guān)系，將Bongor盆地的反轉(zhuǎn)構(gòu)造分成3種類型：單斷型、雙斷型和散花型（圖5）。

圖5 Bongor盆地典型反轉(zhuǎn)構(gòu)造（剖面位置見圖2）

單斷型反轉(zhuǎn)構(gòu)造中，主控?cái)鄬游窗l(fā)生逆轉(zhuǎn)，仍表現(xiàn)為正斷層性質(zhì)。主控?cái)鄬酉陆当P地層發(fā)生褶皺隆升，形成反轉(zhuǎn)背斜、斷鼻構(gòu)造。在擠壓變形的過程中，由于一側(cè)受到斷層的遮擋，另一側(cè)相對(duì)平緩，擠壓應(yīng)力釋放在較寬廣范圍內(nèi)，擠壓主要影響下降盤附近的地層（圖5a）。該類型主要分布于盆地中北西—南東走向和東西走向邊界斷層和主要構(gòu)造帶控制斷層的下降盤。

雙斷型反轉(zhuǎn)構(gòu)造中，雙側(cè)主控?cái)鄬酉嘞蚨?，形成“V”字形狹谷，雙側(cè)主控?cái)鄬泳窗l(fā)生逆轉(zhuǎn)，單側(cè)或者雙側(cè)主控?cái)鄬酉陆当P地層發(fā)生褶皺隆升，形成反轉(zhuǎn)背斜、斷鼻構(gòu)造。由于受到雙側(cè)遮擋，擠壓應(yīng)力集中釋放在狹谷內(nèi)，狹谷內(nèi)地層變形劇烈，形成隆凹相間的形態(tài)（圖5b）。該類型主要分布在盆地內(nèi)北西—南東走向展布的狹長裂谷的兩側(cè)。

散花型反轉(zhuǎn)構(gòu)造中，各斷層向上撒開，向下收攏，形成花狀形態(tài)，地層被一系列斷層所切割，形成復(fù)雜的斷背斜、斷鼻構(gòu)造，主控?cái)鄬雍透鞣种鄬泳窗l(fā)生逆轉(zhuǎn)，仍然表現(xiàn)為正斷層性質(zhì)（圖5c）。散花型反轉(zhuǎn)構(gòu)造可以看成是單斷型反轉(zhuǎn)的復(fù)雜化，下降盤地層被多條斷層所切割，構(gòu)造復(fù)雜。該類型也主要受盆地中北西—南東走向和東西走向邊界斷層的控制。

3 反轉(zhuǎn)成因機(jī)制分析

自構(gòu)造反轉(zhuǎn)概念提出以來，盆地發(fā)生構(gòu)造反轉(zhuǎn)的原因和機(jī)制就受到了眾多學(xué)者的長期關(guān)注[41-45]。盆地反轉(zhuǎn)的動(dòng)力機(jī)制通常被歸納為以下幾種情況：由于板塊邊界形狀及相對(duì)運(yùn)動(dòng)的改變所引起的板內(nèi)應(yīng)力場的變化、大陸邊緣從張裂階段向遭受洋脊推力作用的轉(zhuǎn)變、走滑活動(dòng)引起的扭壓作用、巖石圈拉張減薄引起的回彈作用、鹽底辟和熱點(diǎn)等引起的抬升等[16]。

3.1 動(dòng)力背景

盆地的構(gòu)造反轉(zhuǎn)通常與周邊重大的區(qū)域性的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)。就Bongor盆地而言，白堊紀(jì)期間盆地周邊最重要的構(gòu)造事件是非洲板塊和歐亞板塊間相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向和速率的變化。Rosenbaum等[46]基于非洲板塊內(nèi)部3個(gè)點(diǎn)（圖6a中IAF、IIAF、IIIAF）的古地磁資料恢復(fù)了非洲板塊與歐亞板塊間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖6 非洲板塊內(nèi)部3個(gè)點(diǎn)圍繞歐亞板塊內(nèi)部3個(gè)固定點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡（a）和速率（b）示意圖(據(jù)文獻(xiàn)[16]、[46-47]修改）

恢復(fù)結(jié)果表明，中侏羅世—早白堊世（170—120.2Ma）期間，非洲板塊與歐亞板塊之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以北西—南東向左旋走滑為主要特征，而在早白堊世晚期—晚白堊世晚期（120.2—83Ma），非洲板塊與歐亞板塊間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生明顯改變，由之前的左旋側(cè)向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)而變成近南北向正向匯聚[46]，Dewey等根據(jù)阿爾卑斯造山帶高壓變質(zhì)巖年代學(xué)研究成果將非洲板塊和歐亞板塊間的碰撞開始的時(shí)間確定為92Ma[16]。板塊匯聚速率分析結(jié)果表明，晚白堊世（100—80Ma）非洲板塊與歐亞板塊間的碰撞速率明顯增加[16,46-47]（圖6b）。這種快速的匯聚碰撞作用在非洲板塊內(nèi)部形成了近南北向的擠壓應(yīng)力，這種應(yīng)力對(duì)近東西向展布的Bongor盆地造成了近乎正向的擠壓，使盆地發(fā)生強(qiáng)烈反轉(zhuǎn)。近東西向展布的Doba盆地該期反轉(zhuǎn)活動(dòng)也非常強(qiáng)烈，而北西—南東向展布的Termit盆地、Muglad盆地和Melut盆地[48]由于擠壓應(yīng)力方向與盆地走向小角度斜交，擠壓應(yīng)力大部分消減在邊界斷層與基底之間，對(duì)盆地內(nèi)的地層影響不大，因此這些盆地白堊紀(jì)末期構(gòu)造反轉(zhuǎn)不明顯。中西非裂谷盆地構(gòu)造走向與這一時(shí)期非洲板塊內(nèi)部主要應(yīng)力場方向的關(guān)系，可能是各盆地反轉(zhuǎn)程度差異的主要原因。

3.2 反轉(zhuǎn)機(jī)制探討

先存斷層在反轉(zhuǎn)時(shí)具有很強(qiáng)的選擇性，即一些斷層反轉(zhuǎn)，而另一些斷層則保持原先性質(zhì)。斷層是否發(fā)生反轉(zhuǎn)與斷層的傾角、斷面摩擦因子（μs）和地層中的孔隙流體因子（λν）密切相關(guān)[45]。斷面摩擦因子（μs）與斷層兩盤對(duì)接的巖性、壓實(shí)程度和接觸表面的狀態(tài)（粗糙程度、泥巖涂抹情況等）有關(guān)，對(duì)于一般地層而言，斷面摩擦因子在0.5～1之間?？紫读黧w因子（λν）指地層孔隙中流體的體積比例，孔隙流體因子為零，即孔隙中不含流體，相當(dāng)于干摩擦，孔隙流體因子大于零，相當(dāng)于濕摩擦，而且孔隙流體因子越大，表明孔隙中流體所占體積越多，相同應(yīng)力條件下斷層越容易發(fā)生反轉(zhuǎn)。在這些影響斷層反轉(zhuǎn)的因素中，斷層傾角最為關(guān)鍵。

Bonini等對(duì)在不同斷層傾角、斷面摩擦因子（μs）和孔隙流體因子（λν）條件下，斷層反轉(zhuǎn)所需的擠壓應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行了數(shù)值模擬[45]。模擬結(jié)果表明，在相同斷面摩擦因子（μs）和孔隙流體因子（λν）條件下，斷層傾角與發(fā)生反轉(zhuǎn)所需應(yīng)力強(qiáng)度關(guān)系曲線呈U形（圖7），斷層傾角過小或者太大，斷層反轉(zhuǎn)所需的應(yīng)力強(qiáng)度大，不易反轉(zhuǎn)，而處于中間的某個(gè)傾角，斷層發(fā)生逆轉(zhuǎn)所需應(yīng)力強(qiáng)度最低（例如，當(dāng)μs=0.6時(shí)，傾角為30°左右的斷層反轉(zhuǎn)所需應(yīng)力強(qiáng)度最低，圖7）。當(dāng)斷層傾角超過一定數(shù)值時(shí)，斷層進(jìn)入鎖死區(qū)，不會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)（例如，當(dāng)μs=0.6時(shí)，斷層傾角接近60°就開始進(jìn)入鎖死區(qū)，圖7）。

圖7 斷層傾角與反轉(zhuǎn)所需應(yīng)力強(qiáng)度關(guān)系圖(據(jù)文獻(xiàn)[45]修改)

前已述及，Bongor盆地作為中西非被動(dòng)裂谷系盆地的一部分，其盆地邊界斷層和主干斷層剖面平直，斷層傾角較大，大多數(shù)斷層傾角接近或者超過60°，斷層傾角過大是Bongor盆地白堊紀(jì)末期強(qiáng)烈反轉(zhuǎn)事件中斷層未能反轉(zhuǎn)的主要原因，由于斷層未反轉(zhuǎn)，擠壓應(yīng)力的釋放主要由地層承擔(dān)，造成了地層的褶皺變形和隆升剝蝕，形成褶皺型反轉(zhuǎn)構(gòu)造。

4 結(jié)論

Bongor盆地是在大西洋張裂誘導(dǎo)下形成的中—新生代陸內(nèi)被動(dòng)裂谷盆地。白堊紀(jì)末期的構(gòu)造反轉(zhuǎn)使盆地內(nèi)地層褶皺隆升，形成褶皺型反轉(zhuǎn)構(gòu)造，以斷層下降盤發(fā)育的反轉(zhuǎn)背斜、斷背斜、斷鼻為主要表現(xiàn)形式，盆地內(nèi)斷層未發(fā)生反轉(zhuǎn)。

Bongor盆地白堊紀(jì)末期的構(gòu)造反轉(zhuǎn)源于非洲板塊與歐亞板塊間的南北向高速碰撞，這種碰撞在非洲板塊內(nèi)部形成近南北向擠壓應(yīng)力，近東西向展布Bongor盆地遭受正向擠壓而發(fā)生強(qiáng)烈反轉(zhuǎn)，同時(shí)由于盆地內(nèi)主干斷層傾角過大發(fā)生“鎖死”現(xiàn)象而未發(fā)生反轉(zhuǎn)，構(gòu)造反轉(zhuǎn)以地層褶皺變形為主要表現(xiàn)形式。

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