阿爾伯特盆地沉降-熱史演化特征分析*

孫和風(fēng) 姜 雪 鐘 鍇

(1. 中國海洋石油國際有限公司 北京 100027； 2. 中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028；3. 同濟(jì)大學(xué)海洋地質(zhì)國家重點實驗室 上海 200092； 4. 同濟(jì)大學(xué)海洋資源研究中心 上海 200092)

阿爾伯特盆地是一個發(fā)育于非洲克拉通之上的典型大陸新生裂谷盆地[1-5]，是東非裂谷系西支的一部分。2006年以來，在阿爾伯特盆地已陸續(xù)發(fā)現(xiàn)18個油氣田[6-8]，隨著油氣勘探的深入，對該盆地油氣勘探潛力分析是未來勘探的基礎(chǔ)，其中沉降-熱史演化分析是重要研究內(nèi)容之一[9-12]。Simon等[8]認(rèn)為，阿爾伯特盆地三期快速沉降形成了盆地厚層沉積充填，有利于烴源巖和儲層發(fā)育；張興 等[3]認(rèn)為，阿爾伯特盆地?zé)崃髦禐?0～100 mW/m2，分布范圍大體與東非裂谷其他盆地相當(dāng)。盆地沉降史與熱演化史具有密切的聯(lián)系[10-12]，因此將沉降-熱史作為整體可以更為完整地揭示以阿爾伯特盆地為代表的早期裂谷演化特征。本文根據(jù)最新的鉆井和地震成果，對阿爾伯特盆地沉降-熱史演化特征進(jìn)行分析，并從深部應(yīng)力、淺層響應(yīng)等方面展開討論，提出阿爾伯特盆地的演化模式，以期為年輕裂谷演化分析及區(qū)域油氣勘探提供參考。

1 地質(zhì)背景

阿爾伯特盆地位于東非裂谷系西支北段，處于剛果(金)與烏干達(dá)兩國之間，西部是高陡的剛果山脈，南部為魯文佐里山(圖1a)，由SW—NE向依次分布塞米利克(Semilik)、阿爾伯特(Albert)兩個次凹，兩次凹之間由南部調(diào)節(jié)帶過渡[7]。該盆地受拉張和走滑雙重作用，可能在侏羅紀(jì)晚期—白堊紀(jì)裂陷開啟，古近紀(jì)構(gòu)造活動相對穩(wěn)定，新近紀(jì)中新世開始發(fā)生強(qiáng)烈的板內(nèi)裂陷作用(整體呈NW—SE向伸展)，上新世末期伴隨左旋走滑扭動活動[7]，更新世以后主要為E—W向伸展(約為NWW—SEE向96°，伸展速率約為2.0 mm/y[13]；整體上是位于剛果克拉通和維多利亞克拉通之間的一個大陸新生裂谷盆地[1,3]，在盆地西南部有火山巖侵入及噴發(fā)。該盆地東、西邊界斷層為平直、陡傾正斷層，呈NE走向，NW—SE剖面上為不對稱地塹，西部裂谷肩更加高陡，東部裂谷肩隆起相對較低(圖1b)，沉積地層厚度大于5 000 m，基底之上依次發(fā)育新近系中新統(tǒng)、上新統(tǒng)和第四系[7](圖2)。地球化學(xué)分析揭示該盆地?zé)N源巖主要為深湖—半深湖相沉積，TOC含量為0.5%～7.0%，有機(jī)質(zhì)類型可能以II—III型為主[3]。

圖1 阿爾伯特盆地區(qū)域位置(圖1b位置見圖1a)

2 方法與數(shù)據(jù)

2.1 模擬方法

盆地沉降模擬主要有地球動力學(xué)法與地層回剝法兩類[9]。地球動力學(xué)法通過分析巖石圈的伸展過程研究盆地的沉降特征，巖石圈的減薄、熱衰減和沉積物負(fù)載的均衡作用控制了盆地沉降過程，拉張模型中初始巖石圈、地殼厚度對構(gòu)造沉降量有很大影響[10]。地層回剝法采用“地層骨架厚度不變”壓實模型，假設(shè)沉積地層沉積后即使經(jīng)歷了后期的抬升,但其孔隙度保持最大埋深時的孔隙度值，通過地層從今到古逐一剝除，恢復(fù)每個地質(zhì)時期盆地地層埋藏過程[11]，其中地層層位深度、地層巖性、古水深是主要參數(shù)。地層回剝法各項參數(shù)的獲取較為直觀，鉆井和地球物理資料能提供準(zhǔn)確的層位深度、地層巖性等重要數(shù)據(jù)。因此，本次研究在已鉆井、地震反射層等特征的基礎(chǔ)上，通過去壓實和去剝蝕校正，恢復(fù)地層古厚度，揭示其沉降特征，模擬軟件為Thermodel for window 2008。

圖2 阿爾伯特凹陷綜合柱狀圖

盆地?zé)嵫莼坊謴?fù)可分為盆地演化的熱動力學(xué)模型和用各種古溫標(biāo)來恢復(fù)熱歷史等，也有學(xué)者將熱動力學(xué)模型與古溫標(biāo)法相結(jié)合綜合使用[9]。此次熱模擬使用IES-PetroMod 1D軟件進(jìn)行，結(jié)合阿爾伯特湖盆僅有的2口鉆井的鏡質(zhì)體反射率(Ro)數(shù)據(jù)，利用EASY%Ro對熱史過程進(jìn)行校正。

2.2 數(shù)據(jù)來源及處理

阿爾伯特盆地大部分探井鉆在盆地邊部東北部轉(zhuǎn)換帶構(gòu)造高部位，上部地層都有一定程度的剝蝕，目前僅少部分探井鉆在盆地中、南部主洼或邊界斷裂下降盤(如K1—K4井)，揭示地層較全，錄取資料也較為系統(tǒng)豐富。整體上，該盆地井控程度較低，考慮到盆地主洼缺少井控制，因此根據(jù)分布在主洼的地震測線結(jié)合地震解釋增加了4口虛擬井，分別為M1—M4井(圖1a)。

沉降史分析一共對7口井進(jìn)行了模擬，包括K1—K3井等3口實鉆井和M1—M4井等4口虛擬井，其中已鉆井地層分層、厚度和巖性從實鉆數(shù)據(jù)得到；虛擬井地層層位從地震解釋層位得到，利用全盆地平均時深關(guān)系對4口虛擬井進(jìn)行時深轉(zhuǎn)換，從而得到地層沉積厚度。所有7口井進(jìn)行壓實校正得到沉積厚度，地層抬升剝蝕主要發(fā)生在盆地邊緣區(qū)，因此在計算過程中未考慮剝蝕對厚度的影響。7口井地層單元年齡參考盆地邊緣露頭生物化石定年[8]，同時以國際地層表為標(biāo)準(zhǔn)對部分地層利用內(nèi)插法確定年代。古水深在現(xiàn)今平均水深的基礎(chǔ)上，參考前人成果[2]、古生物組合[14]、區(qū)域氣候變化[14]等反映的古水深環(huán)境綜合確定(表1)。熱史模擬中模型參數(shù)見表2，Ro數(shù)據(jù)來自K3、K4井實測分析數(shù)據(jù)，Ro數(shù)據(jù)都經(jīng)過了氫指數(shù)校正；K3、K4井與模擬結(jié)果進(jìn)行對比的現(xiàn)今實測地溫數(shù)據(jù)為實測數(shù)據(jù)。

表1 阿爾伯特盆地地層沉降模擬參數(shù)

表2 阿爾伯特盆地?zé)崾纺M參數(shù)[2]

3 沉降-熱史演化特征

3.1 沉降史特征

對7口井的構(gòu)造沉降模擬表明，阿爾伯特盆地發(fā)育2個幕式沉降旋回，分別為裂陷I期(17.0～7.246 Ma)和裂陷II期(7.246 Ma至今)，其中又以裂陷II期為主要快速沉降期(圖3)。平面上，阿爾伯特盆地沉降中心存在遷移(圖4)，在不同沉積時期存在M1井區(qū)(Semilik地區(qū))和M3井區(qū)(K3井區(qū)西北部地區(qū))1個或2個沉降中心。

圖3 阿爾伯特盆地構(gòu)造沉降演化特征

圖4 阿爾伯特盆地主要井沉降演化對比

3.1.1裂陷I期(17.0～7.246 Ma)

中中新世—晚中新世早期(17.0～7.246 Ma)為第I幕裂陷期(圖3)，盆地總沉降量537～2 179 m，平均沉降速率121 m/Ma,可分為2個階段:①中中新世(17.0～11.608 Ma)，總沉降量481～1 603 m，平均745 m；沉降速率21～296 m/Ma，平均138 m/Ma。②晚中新世早期(11.608～7.246 Ma),總沉降量241～595 m，平均441 m;沉降速率55～136 m/Ma，平均101 m/Ma。平面上，裂陷I期區(qū)域應(yīng)力背景為NW—SE向伸展，以盆地南部M1井區(qū)為沉降中心(圖4)。

3.1.2裂陷II期(7.246 Ma至今)

晚中新世至今(7.246 Ma以后)為第II幕裂陷期，盆地總沉降量1 553～3 303 m，平均沉降速率343 m/Ma，總沉降量和平均沉降速率都高于第I幕裂陷期(圖3)。其中晚中新世是阿爾伯特盆地最快速的沉降期，總沉降量630～1 031 m(平均849 m，沉降速率323～529 m/Ma(平均435 m/Ma)；上新世總沉降量和沉降速率較中新世晚期有所降低，早、晚上新世平均總沉降量分別為631、217 m，平均沉降速率分別為371、217 m/Ma；更新世至今平均總沉降量為404 m，沉降速率52～286 m/Ma(平均155 m/Ma)。由此可見，裂陷II期各沉積階段沉降速率都高于裂陷I期，表明目前阿爾伯特盆地可能仍處于主裂陷演化階段。

平面上，裂陷II期早期上中新統(tǒng)上段沉積期(7.246～5.332 Ma)M3井區(qū)為沉降中心，總沉降量1 030 m，沉降速率528 m/Ma;下上新統(tǒng)沉積期(5.332～3.6 Ma)沉降中心又遷移至M1井區(qū)，沉降速率494 m/Ma，此后上上新統(tǒng)沉積期至今(3.6～0 Ma)，M1、M3井區(qū)持續(xù)沉降，分別為局部的沉積中心(圖4)。

Simon等[8]認(rèn)為阿爾伯特盆地分為3個沉降階段，與本文研究的主要區(qū)別是7.246 Ma之后裂陷II期演化的認(rèn)識差異。化石年代學(xué)揭示該盆地邊緣不整合形成于6.2、2.7 Ma，因此Simon等將其作為重要控制時間點，將裂陷II期分成2個斷陷期，但整體上該盆地沉降速率趨勢特征與本文研究結(jié)果基本一致。

3.2 熱史特征

K3井與K4井實測Ro分布趨勢有很大差異，其中中部的K3井有機(jī)質(zhì)熱演化程度較低，約2 850 m時Ro達(dá)到0.5%，而南部的K4井有機(jī)質(zhì)熱演化程度相對較高，約2 150 m時Ro即達(dá)到0.5%，較K3井淺約700 m，說明2口井具有不同的熱史演化特征(圖5)。

圖5 阿爾伯特盆地K3、K4井埋藏史、熱演化圖

圖6 阿爾伯特盆地?zé)崮M特征

K3井和K4井熱史模擬表明，阿爾伯特盆地基底熱流值空間分布具有區(qū)域性、時間演化具有階段性(圖6)。中新世早期，中、南部基底熱流值相似，約為60～65 mW/m2；中新世晚期(7.246～5.3 Ma),中、南部熱流值開始呈現(xiàn)差異演化，南部的K4井區(qū)熱流值從60 mW/m2快速增加到了85 mW/m2，而中部的K3井區(qū)基本處于在55～65 mW/m2，略有下降。進(jìn)入上新世以后，中、南部基底熱流值差異更加明顯，南部的K4井區(qū)在上新世早期最高達(dá)90 mW/m2，之后逐步降低，現(xiàn)今約為65 mW/m2；中部的K3井區(qū)在上新世早期進(jìn)一步下降約為50 mW/m2，此后至今保持穩(wěn)定。與構(gòu)造沉降演化對比可以看出，該盆地?zé)崾放c構(gòu)造沉降演化史在晚中新世前后(7.246 Ma)具有相似的階段性，都可分為明顯不同的2個演化階段(圖6)，但盆地?zé)崾?沉降史階段性演化特征并不盡相同，尤其是K3井熱演化史呈持續(xù)下降過程，與盆地裂陷期沉降特征對應(yīng)關(guān)系較差。

K3、K4井現(xiàn)今實鉆地溫梯度分別為28.5、35.0 ℃/km，模擬計算得出的現(xiàn)今地溫梯度分別為27.4、35.6 ℃/km，與實測值基本吻合，說明熱史模擬結(jié)果具有較好的可靠性，全盆地從中中新世至今基底熱流值分布為50～90 mW/m2。前期研究認(rèn)為，阿爾伯特盆地?zé)崃髦捣植荚?0～100 mW/m2[3]，東非裂谷系西支坦噶尼喀和馬拉維盆地?zé)崃髦禐?7～73 mW/m2[15]，坦噶尼喀湖北部熱流值為40～50 mW/m2[16]，與本文研究結(jié)果基本相同(圖7)；而東非裂谷系東支魯察盆地?zé)崃髦禐?0～100 mW/m2[17]，整體略高于西支，可能與東支火山活動更為活躍有關(guān)。阿爾伯特盆地以南的維隆加地區(qū)初始火山作用可能開始于11 Ma[18]，相鄰較近的基伍火山作用始于10 Ma[19]。阿爾伯特盆地火山活動主要分布在盆地東南部鄰近的魯文佐里地區(qū)，火山作用晚于上新世[20]，K4井鄰區(qū)火山作用較為活躍可能是其熱流值高于K3井區(qū)的原因之一。與典型洋殼化的紅海盆地90～180 mW/m2高熱流值相比[3]，東非裂谷系處于構(gòu)造演化早期。

圖7 東非裂谷各盆地?zé)崃髦祵Ρ?/p>

4 盆地演化模式

4.1 深部地殼活動特征

阿爾伯特盆地伸展應(yīng)力的直接表現(xiàn)是盆地東部的維多利亞克拉通現(xiàn)今每年以約2.0 mm的速率呈SEE向運動[13]。剛果克拉通與維多利亞克拉通之間的深部地?；顒涌赡苁菍?dǎo)致維多利亞克拉通運動的主要源動力之一。

Forte等[21]認(rèn)為,在東非裂谷西支阿爾伯特盆地與東非裂谷東支南部之間存在地幔柱活動與巖漿上涌，觸發(fā)了古老板塊間構(gòu)造帶的最初活動。利用深層地震監(jiān)測能夠揭示深部地殼活動，裂陷前阿爾伯特地區(qū)深部地殼厚度約為42.7 km[2];根據(jù)深部阿爾伯特盆地南部地震活動的監(jiān)測結(jié)果，盆地南部地區(qū)現(xiàn)今地殼厚度約為30～32 km[22-23]，說明在阿爾伯特盆地演化時期地殼抬升約10.7～12.2 km，據(jù)此計算盆地伸展因子約為1.378。利用本次研究得到的構(gòu)造沉降量，參考Karner等[2]在模擬阿爾伯特地區(qū)地殼伸展模型中的動力學(xué)參數(shù)，得到盆地伸展因子為1.178～1.492，其中盆地主洼區(qū)M1—M4井的平均伸展因子為1.360，與根據(jù)地殼減薄得到的伸展因子基本一致，說明盆地南部地殼在地幔上隆的影響下存在一定幅度減薄。因此，區(qū)域上的地?；顒蛹芭璧貐^(qū)地殼減薄形成了阿爾伯特盆地深部應(yīng)力背景。

4.2 裂谷肩響應(yīng)特征

裂谷肩對盆地沉降-熱史演化的響應(yīng)是裂谷形成中最典型的地質(zhì)特征之一。阿爾伯特盆地兩翼呈不對稱裂谷肩分布特征，西側(cè)的剛果山脈裂谷肩高達(dá)2 200 m，東翼相對平緩。據(jù)統(tǒng)計,全球裂谷肩隆起的高度范圍一般為0.7～2.4 km，寬度一般為75～160 km，其中東非西部裂谷寬度為40～70 km，沉積厚度小于7 km，肩部高度起伏為1.4～2.1 km，肩部寬度為60～140 km[24]，分析認(rèn)為其寬度和高度主要受盆地深部巖石圈的有效彈性厚度Te的影響，當(dāng)Te=15或50 km時，肩部寬度為80或200 km。阿爾伯特盆地Te值約為24～30 km[2]，類比計算可知盆地肩部起伏可達(dá)1.9～2.0 km，與西側(cè)目前的山脈幅度大體相當(dāng)。

阿爾伯特盆地裂谷肩的快速隆升可能形成于裂陷II期。魯文佐里山分布在裂谷西側(cè)南部，主要是由于邊界塊體間的伸展速率差異導(dǎo)致的左旋走滑壓扭應(yīng)力作用而形成，但裂谷肩效應(yīng)可能也是重要原因之一。中新世以前魯文佐里地區(qū)剝蝕速率低于0.1 km/Ma，進(jìn)入中新世晚期開始快速增加，上新世早期剝蝕速率平均可達(dá)0.194 km/Ma[25]，快速剝蝕期與阿爾伯特盆地裂陷II期相近;同時,阿爾伯特盆地南部K4井區(qū)在上新世早期熱流值快速增加，說明K4井區(qū)及鄰近區(qū)域深部熱流值活躍，可能也反映了山體的快速隆升。

區(qū)域的匯水系統(tǒng)演化對裂谷肩的形成也有較為顯著的響應(yīng)。在裂谷演化前，從烏干達(dá)至剛果水系向西流注入剛果盆地[26]，在阿爾伯特盆地裂陷I期剛果山脈逐漸起到了分水嶺作用；特別是在裂陷II期，原本向西流出的水體改為向北流出，形成從盆地北部向北流出的白尼羅河，東側(cè)也形成了維多利亞匯水區(qū)，這表明裂谷肩快速隆升對區(qū)域水系的強(qiáng)烈改造作用，進(jìn)一步揭示裂陷II期可能是裂谷肩的主要抬升期。

4.3 盆地演化模式

綜上所述，深部地殼活動、裂谷肩響應(yīng)等特征與阿爾伯特盆地沉降-熱史演化特征具有較好的對應(yīng)關(guān)系，即盆地演化前期階段具有沉降速率較低、熱流值中等、缺少火山活動的特點，盆地演化后期階段呈沉降速率較高、熱流值快速增加并差異演化、裂谷肩快速隆升、局部火山活動活躍等特征。因此，根據(jù)阿爾伯特盆地沉降-熱史演化的階段性可將該盆地劃分為3個演化期(圖8)。

圖8 阿爾伯特盆地構(gòu)造演化模式

1) 前裂陷期(17.0 Ma以前)。以片麻巖、石英巖、片巖為主的變質(zhì)基底地勢較為平坦，古魯文佐里地區(qū)存在一些低幅構(gòu)造，整體地形向西剛果盆地略微傾斜，深部地幔和巖漿活動開始活躍。

2) 裂陷I期，發(fā)育于中中新世—晚中新世早期(17.0～7.246 Ma)。在深部地幔、巖漿活動影響下，地表開始隆升，改變了前裂陷期整體由東向西傾斜、向剛果盆地匯聚的特征，阿爾伯特湖區(qū)開始快速裂陷，發(fā)生沉降，熱流值中等(為60～65 mW/m2)，沉降速率較大，M1井區(qū)為區(qū)域沉降中心。裂陷I幕晚期沉降速率最低，盆地發(fā)現(xiàn)的大部分油氣分布在裂陷I期末期上中新統(tǒng)下段，是目前盆地主要的含油氣層系(圖1)，如盆地東北部油田群是一套河流—三角洲—湖泊相沉積，儲集層為河道、邊灘、河口壩砂巖，砂巖含量為22.7%～68.1%。

3) 裂陷II期，發(fā)育于上新世至今(7.246 Ma至今)。在此期間，深部地幔隆升，裂谷肩翹傾顯著，阿爾伯特盆地西部斷層落差大，斷面傾角較陡，裂谷肩海拔可達(dá)2 200 m，東部邊界斷層落差相對較小，裂谷肩隆升幅度也相對較低，東、西兩翼的差異說明兩側(cè)邊界大斷裂下盤構(gòu)造去負(fù)載效應(yīng)有所區(qū)別，西側(cè)地幔、巖漿侵入更高，因而隆起幅度更大，裂谷肩的隆起改變了區(qū)域水道的匯聚面積和方向，此時魯文佐里開始快速隆起。作為對快速隆起的響應(yīng)，盆地凹陷區(qū)加速快速沉降，沉降速率明顯大于裂陷I期，晚中新統(tǒng)沉積期盆地范圍內(nèi)普遍沉降，此時是區(qū)域烴源巖的主要發(fā)育期(圖2)，M3井區(qū)是盆地的沉降中心，但區(qū)域上沉降速率相差不大，推測盆地內(nèi)烴源巖應(yīng)廣泛分布。同時，快速沉降直接控制了烴源巖縱向分布層系，以K3、K4井實鉆揭示烴源巖為例，2口井都在中新統(tǒng)上段沉積了一套高豐度優(yōu)質(zhì)烴源巖，有機(jī)質(zhì)總有機(jī)碳含量平均值分別可達(dá)5.27%、2.83%，對應(yīng)形成時間都在裂陷II期快速沉降時期。

上新世之后，盆地繼續(xù)保持較高沉降速率，M1井區(qū)和M3井區(qū)為2個盆地沉降中心；同時裂陷II期盆地南部(K4井區(qū))熱流值高于北部(K3井區(qū))。目前盆地南部僅鉆探2個構(gòu)造，未獲商業(yè)性油氣發(fā)現(xiàn)，早期認(rèn)為南部供烴能力有限是主要的失利原因。但從此次研究來看，南部是阿爾伯特盆地的沉降中心之一，且較高的熱流值有利于有機(jī)質(zhì)演化，這種新的認(rèn)識提升了盆地南部圍區(qū)的勘探潛力。

5 結(jié)論

1) 沉降-熱史分析表明，阿爾伯特盆地具有兩期裂陷幕式旋回，其中裂陷I期具有沉降速率較低、熱流值中等、缺少火山活動的特點；裂陷II期盆地演化呈沉降速率高、熱流值快速增加并差異演化、裂谷肩快速隆升、局部火山活動活躍的特征。

2) 阿爾伯特盆地沉降-熱史演化特征影響了儲集層和烴源巖分布，儲集層發(fā)育在裂陷I期末期，盆地內(nèi)已鉆遇的區(qū)域性烴源巖發(fā)育在裂陷II期早期，盆地南、北部熱史有較大差異，南部熱流值相對更高，烴源巖生烴門限要淺于北部。