南大西洋兩岸被動大陸邊緣構(gòu)造分段性特征及其成因探討

章 雨 李江海 楊夢蓮 潘相茹 陶崇智

（ 1北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院造山帶與地殼演化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2中國石化石油勘探開發(fā)研究院 ）

0 引言

被動大陸邊緣盆地是全球油氣最富集的盆地類型，主要分布于大西洋、印度洋和北冰洋三大洋周緣及地中海東南緣，其中，南大西洋被動大陸邊緣最早開展詳細(xì)研究，也是當(dāng)今世界油氣勘探的熱點(diǎn)區(qū)域[1-2]。如西非海岸的尼日爾三角洲、加蓬、下剛果和寬扎盆地，以及南美洲東海岸的桑托斯和坎波斯等盆地，均有大型油氣田的發(fā)現(xiàn)。但油氣勘探中，盆地構(gòu)造研究多局限于盆地內(nèi)部及圈閉尺度的詳細(xì)解剖，缺乏構(gòu)造演化背景下盆地與地殼尺度研究的結(jié)合，以及盆地間構(gòu)造特征的對比，難以形成對南大西洋盆地群構(gòu)造演化特征的系統(tǒng)認(rèn)識[3-13]。通過對比分析盆地群的發(fā)育規(guī)律，有利于探討南大西洋南北構(gòu)造的分段性異同點(diǎn)、東西兩岸共軛盆地間的構(gòu)造關(guān)系、盆地群與板塊邊界之間的關(guān)系、盆地群與深部構(gòu)造（地幔柱、地殼—巖石圈性質(zhì)、基底構(gòu)造等）之間的關(guān)系。

本文在已有地震剖面及重力、磁法資料等的基礎(chǔ)上，取其層位框架，過轉(zhuǎn)換斷裂帶連接兩岸盆地，統(tǒng)一比例尺及圖例繪制剖面圖，基本原則如下：①立足于南大西洋區(qū)域構(gòu)造南北分段性，穿越主要構(gòu)造單元、構(gòu)造邊界和重要盆地；②剖面在洋上沿轉(zhuǎn)換斷裂帶延伸，東西兩岸為與該轉(zhuǎn)換斷裂帶對應(yīng)的共軛盆地；③考慮到單一地震或重力、磁法解釋剖面不能充分展示盆地構(gòu)造特征，在勘探取得的層位及地質(zhì)體對應(yīng)的深度基礎(chǔ)上，由其兩側(cè)的剖面地層和構(gòu)造樣式推測[14]，疊加了測線以外整個盆地內(nèi)部代表性的地質(zhì)現(xiàn)象，形成一套盆地構(gòu)造剖面示意圖，洋上部分用洋底地形[15]代替；④在勘探精度較高地區(qū)，剖面可從盆地基底尺度深入至地殼尺度。主要完成南大西洋兩岸盆地構(gòu)造剖面4 條，包括南大西洋3 段被動大陸邊緣地殼斷面圖及4 類盆地剖面對比圖，對盆地結(jié)構(gòu)及構(gòu)造特征進(jìn)行系統(tǒng)研究與對比分析，探討盆地群發(fā)育規(guī)律，并為勘探程度低的地區(qū)提供思路。

1 地質(zhì)背景

南大西洋可劃分為4 段，每段長約2000km，從北向南依次為赤道段、中段、南段及?？颂m段[9]（圖1）。赤道段北端（10°N）由馬拉松斷裂帶與中大西洋相隔，南端以羅曼什斷裂帶為界，包括圭亞那和幾內(nèi)亞高原及科特迪瓦和加納轉(zhuǎn)換脊之間的區(qū)域。中段則位于羅曼什斷裂帶以南，從貝努埃裂谷至南端以里奧格蘭德斷裂帶與南段分界。南段北有里奧格蘭德海隆和鯨魚海嶺，南與?？颂m段分界于福克蘭—厄加勒斯斷裂帶。福克蘭段（因不屬于主要含油氣盆地群發(fā)育區(qū)，本文不作探討）向南可至布韋三聯(lián)點(diǎn)（60°S），是大西洋脊與西南印度洋脊的樞紐。

晚侏羅世時期（約140Ma），南美洲和非洲大陸均屬西岡瓦納大陸，為一個整體，處于前裂谷期克拉通階段。至早白堊世（約130Ma），南大西洋南段發(fā)生巴拉那—埃藤德卡（Paraná—Etendeka）巖漿事件，在被動大陸邊緣形成向海傾斜反射楔形體（SDRs），受特里斯坦地幔熱柱活動影響，南大西洋南端沿古泛非期造山帶開始裂解（NE—SW 向），南美洲和非洲大陸間發(fā)生陸內(nèi)裂谷作用，并由南向北發(fā)展，形成大陸裂谷系[10-12]。同時，在張裂過程中，南美洲板塊發(fā)生順時針旋轉(zhuǎn)。阿普特早期（約120Ma），大陸裂解至波蒂瓜爾—貝寧地區(qū)，此時南段為廣海環(huán)境，中段因受鯨魚海嶺和里奧格蘭德海隆的阻隔，總體具有陸間裂谷特征，以區(qū)域性鹽巖沉積為特征，并在阿普特晚期發(fā)展成單一鹽盆，直至阿爾布早期（約112Ma）海底擴(kuò)張影響至弗洛里亞諾波利斯（Florianópolis）構(gòu)造帶，淺水鹽盆被一分為 二[5，12-13]。阿爾布晚期，非洲和南美洲大陸巖石圈完全分離（約104Ma），大洋擴(kuò)張脊穿過科特迪瓦—加納轉(zhuǎn)換脊（約100Ma），中、南大西洋相互連通[13]。晚白堊世至今，南大西洋兩岸進(jìn)入被動大陸邊緣演化階段，洋盆全面發(fā)展。

2 盆地構(gòu)造剖面特征

2.1 南大西洋赤道段轉(zhuǎn)換型盆地

剖面全長約2900km，由圣保羅斷裂帶連接赤道段兩岸的共軛盆地：科特迪瓦盆地、福斯杜亞馬遜盆地（圖2）。

科特迪瓦盆地位于西非幾內(nèi)亞灣北段，發(fā)育于科特迪瓦—加納轉(zhuǎn)換脊上，受控于圣保羅、羅曼什兩個主要的轉(zhuǎn)換斷裂帶。剖面上可見轉(zhuǎn)換脊[16-18]，高約2km?？拷D(zhuǎn)換脊外側(cè)一般為洋—陸邊界，陸殼向洋殼過渡時有一個狹窄的減薄帶，寬約50km，以及高角度的莫霍面，其深度由24km 迅速減至12km 左右。盆地范圍受轉(zhuǎn)換脊所限，但因轉(zhuǎn)換脊對盆內(nèi)沉積物重力滑塌作用的阻隔，在前寒武系西非克拉通基底上，盆地沉積蓋層厚度大（可達(dá)5km 以上），并以上白堊統(tǒng)和新生界碎屑巖沉積為主。

圖1 南大西洋被動大陸邊緣盆地分布及研究區(qū)剖面位置示意圖（地形數(shù)據(jù)參考文獻(xiàn)[15]；參考坐標(biāo)系：GCS_WGS_1984）Fig.1 Distribution of the passive continental marginal basins on the two sides of the South Atlantic and the section location of the study area (topographic data source from Reference 15； coordinate system： GCS_WGS_1984)

圖2 南大西洋赤道段轉(zhuǎn)換型盆地構(gòu)造剖面圖（據(jù)文獻(xiàn)[16-20]修編）Fig.2 Structural sections of equatorial transformed basins on two sides of the South Atlantic (adapted from References 16-20)

福斯杜亞馬遜盆地位于巴西東北部，不發(fā)育轉(zhuǎn)換脊。盆地基底為前寒武系圭亞那—巴西克拉通，沉積地層從下白堊統(tǒng)至第四系均有分布，但以新近系三角洲—海底扇沉積為主。盆地由陸向海方向沉積層逐漸增厚，最厚處可達(dá)12km。受新生代以來地層快速沉積的影響，盆地在上白堊統(tǒng)海相泥巖層之上，發(fā)育有典型的重力滑塌構(gòu)造。

2.2 南大西洋中段泥構(gòu)造型、鹽構(gòu)造型盆地

2.2.1 中段泥構(gòu)造型盆地

剖面全長約3100km，由Chain 斷裂帶連接中段兩岸的共軛盆地：尼日爾三角洲盆地、波蒂瓜爾盆地（圖3）。

尼日爾三角洲盆地位于非洲西緣幾內(nèi)亞灣，發(fā)育于大陸邊緣夭折裂谷（貝努埃三叉裂谷）上，陸架寬度中等。盆地基底主要由西非前寒武系克拉通及古生界火成巖和變質(zhì)巖組成，沉積蓋層以裂谷夭折后漂移期地層為主。新生代以來發(fā)育前三角洲和半深海—深海相阿卡塔組泥頁巖，最大厚度超過12km，構(gòu)成盆地底部區(qū)域性滑脫層，上層發(fā)育三角洲砂體。在大陸邊緣重力作用及局部的擠壓環(huán)境下，尼日爾三角洲盆地從陸向海形成伸展帶、泥巖底辟帶、復(fù)雜逆沖推覆帶、斜坡帶和前緣褶皺帶[21]。

波蒂瓜爾盆地主體位于巴西東北部北里奧格蘭德州海岸，盆地同裂谷期、過渡期、漂移期地層發(fā)育完整[22]。由于后期物源供給的不同，沉積地層厚度明顯小于尼日爾三角洲盆地，并在漂移期沉積一套淺水碳酸鹽巖。

圖3 南大西洋中段泥構(gòu)造型盆地構(gòu)造剖面圖（據(jù)文獻(xiàn)[19，21-22]修編）Fig.3 Structural sections of the central mud-structural basins on two sides of the South Atlantic (adapted from References 19，21-22)

2.2.2 中段鹽構(gòu)造型盆地

剖面全長約3500km，由熱刺斷裂帶連接中段兩岸的共軛盆地：寬扎盆地、圣埃斯皮里圖盆地（圖4）。

寬扎盆地是西非被動邊緣安哥拉海岸帶盆地群的重要組成部分。該大陸邊緣地殼減薄較慢，莫霍面平緩，在寬約220km 的減薄帶內(nèi)，莫霍面深度由30km以上緩慢減至15km 左右。陸殼向洋殼過渡的洋陸轉(zhuǎn)換帶下方，可見高速度帶（高密度帶）[3，20，29]。同時，洋—陸邊界處可見外部高地帶[5]。盆地基底發(fā)育大量深地塹，斷層發(fā)育，以向海傾斜的正斷層為主。地塹充填沉積物厚度大于3km，之上為厚層坳陷單元，盆地裂谷期與坳陷期（鹽下部分）結(jié)構(gòu)不對應(yīng)[30]。阿普特期發(fā)育一套分布廣泛、原始沉積厚度可達(dá)上千米的蒸發(fā)巖地層?，F(xiàn)存鹽巖沉積厚度從大陸邊緣向深海增大，具有明顯的分帶性，可劃分為伸展—過渡—擠壓型的不同鹽構(gòu)造亞帶，并最終尖滅于外部高低帶及洋—陸邊界上。

圣埃斯皮里圖盆地位于巴西東南被動大陸邊緣大坎波斯盆地群北部。該大陸邊緣地殼減薄帶較西非邊緣窄，在約100km 的減薄帶內(nèi)，莫霍面深度由約30km 迅速減至15km 以下[23]。洋陸轉(zhuǎn)換帶下方，可見高速度帶（高密度帶）。洋—陸邊界處，可見外部高地帶。盆地基底處可見大量鏟式正斷層，傾角相對西非邊緣較陡，以向海傾斜為主，并發(fā)育有同裂谷期楔狀沉積體。阿普特階鹽巖發(fā)育，鹽巖層由陸向海垂向上浮遷移的距離加大，刺穿和上拱上覆地層，逆沖鹽席甚至出露海底，發(fā)生趾狀流動和溢出[5]。鹽巖層尖滅于洋—陸邊界上，雖分布面積小于寬扎盆地，但由于其上浮遷移程度更劇烈，部分區(qū)域厚度可達(dá)5km 以上。

2.3 南大西洋南段巖漿型盆地

剖面全長約4400km，由高夫斷裂帶連接南段兩岸的共軛盆地：奧蘭治盆地、科羅拉多盆地（圖5）。

圖4 南大西洋中段鹽構(gòu)造型盆地構(gòu)造剖面圖（據(jù)文獻(xiàn)[3，5，7-8，24-28]修編）Fig.4： Structural sections of the central salt-structural basins on two sides of the South Atlantic (adapted from Reference 3，5，7-8，24-28)

圖5 南大西洋南段巖漿型盆地構(gòu)造剖面圖（據(jù)文獻(xiàn)[4，6，31-35]修編）Fig.5： Structural sections of the southern magmatic basins on two sides of the South Atlantic(adapted from References 4，6，31-35)

奧蘭治盆地位于西非被動大陸邊緣西南非海岸盆地群南端。該大陸邊緣陸殼厚度大，莫霍面深度可達(dá)40km 左右，在陸殼向洋殼過渡的過程中，莫霍面相對平緩地減至14km 以下。在洋陸轉(zhuǎn)換帶下方，伴隨有高速度帶（高密度帶）出現(xiàn)[4]。洋—陸過渡地殼上方發(fā)育大量向陸傾斜的正斷層，其上可見向海傾斜反射楔形體，為裂谷早期巖漿強(qiáng)烈活動堆積的產(chǎn)物[36-38]。早白堊世晚期，火山地層被后裂谷沉積覆蓋，裂后單元厚約5km，在陸架—斜坡區(qū)逐漸變薄。過渡期鹽巖不發(fā)育，阿普特期后進(jìn)入熱沉降階段，發(fā)育重力滑塌構(gòu)造，以海相硅質(zhì)碎屑沉積為主。

科羅拉多盆地位于阿根廷東南大陸邊緣。該大陸邊緣大陸架由陸向海可延伸500km 以上，陸殼下方莫霍面相對平緩，深度達(dá)30km 左右，但在向洋殼的過渡中，陸殼減薄相對西非邊緣較快，莫霍面較陡[23]。洋陸轉(zhuǎn)換帶下方，可見高速度帶（高密度帶），過渡殼上方發(fā)育有向陸傾斜的正斷層，其上可見向海傾斜反射楔形體。盆地自早白堊世晚期以來，各時期地層發(fā)育較全，以硅質(zhì)碎屑沉積為主，缺乏鹽巖沉積。

3 盆地構(gòu)造特征對比分析與勘探啟示

3.1 盆地構(gòu)造特征分段對比及成因探討

南大西洋大洋裂谷張開由南向北傳播，盆地群一般經(jīng)歷裂谷期、過渡期和漂移期3 個階段。在南北向上，構(gòu)造—沉積—熱演化過程有漸變特征或分段特點(diǎn)，表現(xiàn)為盆地寬度（地殼減薄方式及陸架、陸坡結(jié)構(gòu)）、沉積建造組成和結(jié)構(gòu)（鹽巖沉積—硅質(zhì)碎屑沉積分異）、構(gòu)造樣式的南北分段性。

南段以巖漿型邊緣為特征，斷陷期廣泛發(fā)育火山巖（玄武巖）（如科羅拉多盆地、佩洛塔斯盆地、奧蘭治盆地、鯨魚盆地等），破裂之后的沉降量較小[39]。另外，裂谷期地幔上涌，減壓熔融作用增強(qiáng)，并在地殼下方發(fā)生大量火成巖的侵入，因而現(xiàn)今剖面上過渡殼下方出現(xiàn)高速度帶（高密度帶）[3，20，29]。過渡殼上方常出現(xiàn)向海傾斜反射楔形體，為裂谷早期巖漿強(qiáng)烈活動堆積的產(chǎn)物[38]，與地幔對流主動活動密切相關(guān)[36]，并向外擴(kuò)展和超覆，底部出現(xiàn)破裂不整合。隨著裂谷開始熱沉降，受向陸傾斜正斷層掀斜作用的影響，向海傾斜反射楔形體層理向海方向傾斜，火山地層向擴(kuò)張中心傾斜。向海傾斜反射楔形體的分布，平面上與中段的鹽巖盆地南端（如納米比亞盆地）有重疊（被鹽巖覆蓋），并且南美洲一側(cè)比西非一側(cè)發(fā)育[8]。早白堊世晚期以后，火山地層被后裂谷沉積覆蓋，盆地不發(fā)育過渡期鹽巖沉積。阿普特期后進(jìn)入熱沉降階段，兩岸盆地處于重力作用的背景，以發(fā)育重力滑塌構(gòu)造為特征，海相硅質(zhì)碎屑沉積為主。

中段大陸邊緣相對于南段巖漿活動較弱，以巴西—安哥拉共軛裂解邊緣為代表，同裂谷期巖漿活動不發(fā)育，與地幔對流被動活動密切相關(guān)[36]，為極度伸展的巖漿貧乏被動大陸邊緣，伸展量超過100km，可見一系列向海傾斜的正斷層[40]。阿普特期，沿岸盆地處于狹長狀的古潟湖環(huán)境，南部受鯨魚海嶺阻擋與外海半封閉溝通[5]，盆地內(nèi)部發(fā)育大量鹽巖。兩岸現(xiàn)今鹽盆地為阿普特期統(tǒng)一鹽盆地的裂解產(chǎn)物，其分布范圍受南大西洋初始張裂位置影響，鹽盆向海一側(cè)的邊界范圍與洋—陸邊界大致對應(yīng)，并且鹽巖后期構(gòu)造變形對其分布范圍也有改造（分布范圍增大）。裂開后兩岸鹽盆地平面分布上不對稱，巴西一側(cè)南寬、北窄，西非一側(cè)南北兩端窄、中間寬但寬度總體相對均勻[5，30]。兩岸盆地處于重力作用的背景，現(xiàn)存鹽巖沉積厚度（構(gòu)造厚度），從大陸邊緣向深海增大。鹽構(gòu)造從陸到海具有明顯的分帶性，可劃分為伸展—過渡—擠壓型的不同鹽構(gòu)造亞帶及鹽相關(guān)構(gòu)造，如掀斜斷塊—地塹、鹽滾、伸展底辟、褶皺—逆沖斷層—擠壓底辟—鹽蓬、連續(xù)加厚帶等，造成坡上鹽構(gòu)造伸展減薄、坡下鹽構(gòu)造聚集加厚并向上覆地層上浮運(yùn)動，或者鹽巖發(fā)生垂向加厚[41]。中段南部盆地受熱點(diǎn)活動影響而形成的外部高地帶，對于鹽巖盆地前緣構(gòu)造重力滑動的阻擋及擠壓鹽構(gòu)造的形成具有重要意義。中段北部尼日爾三角洲盆地則不發(fā)育蒸發(fā)巖沉積，阿卡塔組泥頁巖作為滑脫層控制其構(gòu)造樣式，大量泥底辟的發(fā)育可與鹽盆地類比。

赤道段轉(zhuǎn)換構(gòu)造特征明顯，盆地基底主要受控于轉(zhuǎn)換斷層系。晚白堊世以來，受熱沉降影響，被動大陸邊緣盆地陸內(nèi)裂陷作用相關(guān)的伸展斷裂系統(tǒng)發(fā)育。因阿爾布期南美洲、非洲板塊分離方向由NE—SW向變?yōu)镋WE—WSW 向，區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力特征由張剪性變?yōu)閴号ば?，轉(zhuǎn)換斷層沉陷帶內(nèi)的沉積物變形并抬升，形成了大規(guī)模近平行于轉(zhuǎn)換斷裂帶分布的轉(zhuǎn)換脊，是部分盆地剖面上的重要特征[16-18]。轉(zhuǎn)換脊內(nèi)側(cè)則發(fā)育轉(zhuǎn)換臺地，其形成與中大西洋裂解和赤道段大西洋轉(zhuǎn)換變形兩期構(gòu)造作用有關(guān)[18]?？拷D(zhuǎn)換脊外側(cè)一般為洋—陸邊界，陸殼向洋殼過渡時有一個狹窄的減薄帶及高角度的莫霍面，并形成“窄”陸棚、“陡”陸坡的被動大陸邊緣地質(zhì)特征，盆地陸架寬度明顯較中段及南段盆地窄。盆地范圍受轉(zhuǎn)換脊所限，但因轉(zhuǎn)換脊對盆內(nèi)沉積物重力滑塌作用的阻隔，盆地沉積蓋層厚度大，并以上白堊統(tǒng)和新生界碎屑巖沉積為主，蒸發(fā)巖沉積及相關(guān)的鹽構(gòu)造不發(fā)育。部分盆地不發(fā)育轉(zhuǎn)換脊和邊緣臺地，則重力滑塌構(gòu)造發(fā)育，由陸向海沉積層逐漸增厚。

3.2 油氣勘探啟示

目前，南大西洋周緣勘探程度較高的盆地主要為尼日爾三角洲盆地、安哥拉海岸帶盆地群及大坎波斯盆地群等，根據(jù)已有資料總結(jié)盆地發(fā)育規(guī)律并應(yīng)用到勘探程度低的盆地，是油氣勘探有效方法，如秦雁群等將尼日爾三角洲盆地的性質(zhì)對比應(yīng)用到勘探程度低的波蒂瓜爾盆地[22，42]。南北向上，每段可概括為一個類型的盆地，處于相似的構(gòu)造演化背景，勘探層位可在盆地群之間作橫向?qū)Ρ韧卣埂|西向上，沿著轉(zhuǎn)換斷層，通過共軛性研究可以對比兩岸盆地的裂谷—漂移期層序，進(jìn)而確定有利區(qū)帶。

4 結(jié)論

根據(jù)地殼斷面圖的解釋及對比，可知地殼減薄方式?jīng)Q定陸架、陸坡結(jié)構(gòu)和被動大陸邊緣盆地類型。地殼劇然拉斷或轉(zhuǎn)換拉分，地殼急速徑縮形成窄陸架、陡陸坡；地殼充分減薄，形成寬緩陸架。陸架的寬窄決定了被動大陸邊緣盆地的范圍，陸坡的傾斜使得整個南大西洋盆地群處于重力作用的背景，其坡度決定了盆地內(nèi)重力滑塌構(gòu)造及鹽（泥）構(gòu)造發(fā)育的程度。

根據(jù)盆地群構(gòu)造剖面的解釋及對比，南大西洋兩岸盆地群構(gòu)造特征的分段性差異明顯：南段為巖漿型盆地，巖漿活動劇烈，在洋陸過渡殼下方，伴隨有高速度帶（高密度帶）出現(xiàn)，過渡殼上方可見向海傾斜反射楔形體；中段為鹽（泥）構(gòu)造型盆地，巖漿活動較南段弱，地殼伸展作用較強(qiáng)，阿普特階鹽巖發(fā)育，鹽構(gòu)造從陸到海具有明顯的分帶性，尖滅于外部高低帶及洋—陸邊界上；尼日爾三角洲盆地較為特殊，阿卡塔組泥頁巖作為滑脫層控制其構(gòu)造樣式，但可與鹽盆地類比；赤道段為轉(zhuǎn)換型盆地，主要受控于轉(zhuǎn)換斷層系，陸棚較窄、陸坡較陡，重力滑塌構(gòu)造發(fā)育，部分盆地發(fā)育轉(zhuǎn)換脊（靠近洋—陸邊界）和邊緣臺地，轉(zhuǎn)換脊限制盆地沉積范圍，并對盆內(nèi)沉積物重力滑塌作用有阻隔，使得“窄”盆內(nèi)沉積物堆積而具有較大沉積厚度。

通過盆地共軛性研究，東西向上，沿著轉(zhuǎn)換斷層，每段內(nèi)盆地類型相同，處于相似的構(gòu)造演化背景，可以對比兩岸盆地的裂谷—漂移期層序。油氣勘探層位可在盆地群之間作橫向?qū)Ρ韧卣梗蓪⒏呖碧絽^(qū)盆地發(fā)育規(guī)律應(yīng)用到勘探程度低的盆地。

致謝：感謝中國石化石油勘探開發(fā)研究院提供的海外地震資料，感謝殷進(jìn)垠、鄔長武、田納新等專家對本論文工作開展中的指導(dǎo)和幫助。