尼日爾三角洲泥底辟形成控制因素及構(gòu)造演化模式

雷雨婷，李江海，王殿舉，楊夢(mèng)蓮

(1.造山帶與地殼演化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100871； 2.北京大學(xué),北京 100871;3.北京大學(xué)石油與天然氣研究中心, 北京 100871)

0 引 言

尼日爾三角洲盆地面積約為359 025km2，待發(fā)現(xiàn)油氣資源量為4.6×109t，是南大西洋被動(dòng)陸緣盆地重要的油氣勘探區(qū)[1-3]。目前，全球?qū)δ崛諣柸侵夼璧氐难芯考性诳坍?huà)泥底辟樣式、分析沉積體系模式、地質(zhì)變量對(duì)盆地構(gòu)造的影響及泥底辟構(gòu)造對(duì)油氣藏的影響等方面[4-13]。將泥底辟作為研究對(duì)象，探討其形成的控制因素及構(gòu)造演化模式方面存在較大空白。盡管有學(xué)者對(duì)該區(qū)進(jìn)行過(guò)二維離散元模擬及三維物理模擬，討論了基底傾角及基底斷裂帶等因素對(duì)泥底辟形成及變形的影響[14-20]，例如，Wu通過(guò)3D物理模擬，把進(jìn)積方式和底部大洋斷裂帶作為實(shí)驗(yàn)變量，討論泥底辟的受控因素，但盆地基底設(shè)為簡(jiǎn)單水平面，未考慮基底傾角的影響；Dean的二維離散元模擬討論了底部泥巖厚度、上覆巖層厚度、基底角度、沉積速率及末端巖層減薄5個(gè)變量對(duì)泥底辟的影響，但實(shí)際地層剖面的基底形態(tài)不僅受陸殼形態(tài)的控制，還受到洋殼的影響，并不能以簡(jiǎn)單斜面進(jìn)行替代；Tulbah研究刻畫(huà)了盆地西部深水區(qū)褶皺沖斷帶的幾何形態(tài)，并構(gòu)建4D演化模型，但泥底辟是三角洲相關(guān)重力構(gòu)造的產(chǎn)物，并非主要研究對(duì)象，需要進(jìn)一步刻畫(huà)。綜合來(lái)看，以上研究均未討論大西洋張開(kāi)的動(dòng)態(tài)地質(zhì)過(guò)程對(duì)盆地內(nèi)泥底辟發(fā)育的影響，即隆起的新生洋殼造成的基底格局對(duì)泥底辟的影響并未明確討論。因此，該文結(jié)合南大西洋構(gòu)造演化背景，將Dean的二維離散元模擬實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，考慮實(shí)際地層剖面的基底形態(tài)，最佳泥層與上覆巖層的厚度及快速沉積模式下的泥底辟構(gòu)造樣式，探討了尼日爾三角洲泥底辟的控制因素及其構(gòu)造演化模式。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

尼日爾三角洲位于西非海岸幾內(nèi)亞灣，處于深水區(qū)伸展帶向擠壓逆沖帶轉(zhuǎn)換處[14-17]，是伴隨岡瓦那古大陸解體和大西洋擴(kuò)張發(fā)育形成的典型三角洲被動(dòng)大陸邊緣型盆地[18]。盆內(nèi)泥底辟是底辟構(gòu)造中的一種，主要是密度較小的高塑性低黏度泥巖向上流動(dòng)、拱起所形成的穹隆狀構(gòu)造，屬于隱刺穿構(gòu)造[12]。

1.1 盆地構(gòu)造

盆地由陸向海分為5個(gè)構(gòu)造帶。近陸緣以伸展作用為主，發(fā)育大型生長(zhǎng)正斷層；末端以逆沖推覆作用為主，發(fā)育大量逆沖斷層；中部為過(guò)渡區(qū)，發(fā)育大量的泥底辟[1，19](圖1)。

圖1 尼日爾三角洲盆地構(gòu)造

1.2 盆地地層

盆地縱向沉積為退覆式近海三角洲沉積地層(圖2)，存在明顯的三元結(jié)構(gòu)[21]。底部阿卡塔組為厚層海相泥頁(yè)巖，是泥底辟主要的物質(zhì)來(lái)源，厚度最大為7 km；中部阿格巴達(dá)組為進(jìn)積三角洲前緣沉積，厚度為3～4 km；頂部貝寧組以砂巖為主，夾少量泥巖[21-23]。以上3組地層均為穿時(shí)地層。

1.3 盆地演化

盆地演化分為裂谷期(阿普特期—桑頓期)和漂移期(晚白堊世坎潘期—現(xiàn)今)2個(gè)階段。白堊紀(jì)初期，南大西洋擴(kuò)張，形成尼日爾三角洲伸展型盆地，南部與喀麥隆火山條帶相連，伴隨安第斯隆起及陸緣碎屑物輸入，發(fā)生一系列熱沉降事件。漂移期階段，盆地基底演化為北高南低的斜坡，大規(guī)模海侵海退交替發(fā)生，開(kāi)始沉積大型進(jìn)積三角洲(圖2)。

圖2 尼日爾三角洲沉積地層及西非中段構(gòu)造演化

1.4 泥底辟演化

與盆地演化對(duì)應(yīng)，泥底辟演化分泥巖開(kāi)始沉積、泥巖大套沉積、泥底辟開(kāi)始發(fā)育、泥底辟發(fā)育暫停和泥底辟大量發(fā)育5個(gè)階段：①白堊紀(jì)初期，盆地南部伴隨一系列地幔柱火山活動(dòng)，發(fā)育一套湖相沉積，泥巖開(kāi)始沉積。②晚白堊世坎潘期—古新世，新生大洋基底上隆，形成中間凹、兩端隆的基底格局。隨著海侵運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，水體不斷加深，海相泥巖在盆地內(nèi)大套沉積。早始新世，發(fā)生大規(guī)模海退，開(kāi)始沉積大型進(jìn)積三角洲，同時(shí)，尼日爾河高強(qiáng)度向盆內(nèi)搬運(yùn)，沉積大套湖相泥巖，為泥底辟形成提供充足的物質(zhì)基礎(chǔ)。③中新世是泥底辟發(fā)育的重要時(shí)期，因重力作用，同生斷層發(fā)育,下降盤(pán)伴生大量滾動(dòng)背斜，開(kāi)始發(fā)育同生構(gòu)造及泥底辟。中新世晚期—上新世,三角洲復(fù)合體繼續(xù)向前推進(jìn),形成大型的沉積中心。④上新世—更新世，三角洲復(fù)合體生長(zhǎng)速度減慢,構(gòu)造運(yùn)動(dòng)減弱，位于三角洲前緣的底辟作用進(jìn)入短暫的平衡期。⑤更新世晚期,海侵再次發(fā)生，淹沒(méi)上新世—更新世形成的三角洲平原。到全新世時(shí)期,盆地沉積一套新的海退超覆沉積物,在陸隆、大陸斜坡和大陸架發(fā)育大規(guī)模底辟構(gòu)造。

2 泥底辟的離散元模擬

離散元方法是通過(guò)時(shí)間-位移有限差分法,計(jì)算顆粒在牛頓定律下的移動(dòng), 有效地模擬彈塑性變形的過(guò)程。該方法是一種基于應(yīng)力與位移準(zhǔn)則進(jìn)行微粒位移變形計(jì)算, 并允許微粒間的滑動(dòng)與破裂的數(shù)值模擬手段[25-27]。

2.1 模型參數(shù)設(shè)置

依據(jù)國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展的泥底辟離散元模擬實(shí)驗(yàn)[19,28]，總結(jié)出接近真實(shí)地質(zhì)環(huán)境的各參數(shù)。為保證離散元模型的模擬效率，需要針對(duì)顆粒的黏度進(jìn)行等比例減小，依Dean及Maxwell的經(jīng)驗(yàn)，將泥層的黏度系數(shù)設(shè)置為108Pa·s，以縮短模型在模擬過(guò)程中的周期。

2.2 建立模型

由2015年Dean的二維離散元模擬結(jié)果可知，泥巖層最佳實(shí)驗(yàn)厚度為2 km，上覆沉積層為4 km。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模型剖面長(zhǎng)為100 km，由底至頂發(fā)育泥巖層(2 km)、泥上沉積層(4 km)及后續(xù)陸源沉積層(預(yù)設(shè)投放3 000顆粒)3組地層，2組相鄰地層間鋪設(shè)薄層的能干層以便觀測(cè)泥巖變形。最上層陸源沉積層底部設(shè)有一條沉積界限，便于區(qū)別鋪設(shè)層與投放層。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)設(shè)置了陸殼傾斜與洋殼阻擋2個(gè)變量，以此探討盆地基底格局對(duì)泥底辟形成的控制作用。

2.3 模擬結(jié)果

實(shí)驗(yàn)1：設(shè)置大陸基底水平，末端受洋殼阻擋(實(shí)驗(yàn)中將其簡(jiǎn)化為固定擋板)，投放陸源沉積物，待其靜置后，持續(xù)沉積模擬4×106步成果圖(圖3)。

由圖3可知，該組模型變形傳播距離較短，剖面主分為2個(gè)變形區(qū)，分別為近陸緣的伸展區(qū)(A)和近海處的逆沖區(qū)(B)。其中，伸展區(qū)重力作用顯著，地層下沉明顯，發(fā)育有多條伸展斷層，且波及范圍廣。而位于差異沉積遠(yuǎn)端的逆沖區(qū)范圍與伸展區(qū)比較小，但逆沖現(xiàn)象更為明顯和集中，逆沖斷層發(fā)育顯著。同時(shí)，部分泥巖順著斷層涌入上覆層，形成輕微的泥底辟構(gòu)造。

圖3 實(shí)驗(yàn)1持續(xù)沉積模擬循環(huán)4×106步結(jié)果

實(shí)驗(yàn)2：依據(jù)實(shí)際地層剖面測(cè)算結(jié)果，設(shè)置大陸基底傾斜且角度為3°，末端未設(shè)置擋板(圖4)。相對(duì)于實(shí)驗(yàn)1，該組變形波及范圍更廣，伸展區(qū)(D)與逆沖區(qū)(C)的距離明顯擴(kuò)大。伸展區(qū)內(nèi)的伸展斷層相對(duì)集中，主要為單向向海傾斜的鏟式斷層，且傾斜角度相比于實(shí)驗(yàn)1較為平緩。遠(yuǎn)端的逆沖區(qū)斷層不發(fā)育，底辟構(gòu)造相對(duì)實(shí)驗(yàn)1 更為明顯。實(shí)驗(yàn)2中，底辟構(gòu)造多處發(fā)育，并且由陸向海方向，底辟規(guī)模逐漸增大，伸展區(qū)構(gòu)造鏟式斷層斜率較大，間距較小，與實(shí)際地質(zhì)數(shù)據(jù)資料更加匹配。

圖4 實(shí)驗(yàn)2持續(xù)沉積模擬循環(huán)4×106步結(jié)果

實(shí)驗(yàn)3：設(shè)置大陸基底傾斜且角度為3 °，末端設(shè)有固定擋板(圖5)。與實(shí)驗(yàn)1對(duì)照可知，當(dāng)模型的大陸基底有一定傾斜角度時(shí)，變形的范圍更廣，伸展區(qū)與逆沖區(qū)間的間隔相差更遠(yuǎn)，使得過(guò)渡區(qū)的面積增大，泥底辟上拱的程度也有所增加。由前文論述可知，研究區(qū)泥底辟構(gòu)造主要發(fā)育在過(guò)渡區(qū)內(nèi)，即傾斜的大陸基底會(huì)提供更大的區(qū)域供泥底辟發(fā)育，但對(duì)于伸展及逆沖斷層的數(shù)量并不會(huì)有較大的影響。 與實(shí)驗(yàn)2對(duì)照可知，固定擋板即洋殼的隆起會(huì)阻礙泥巖向末端滑動(dòng)，使得應(yīng)力難以釋放，促進(jìn)逆沖斷層的形成，增加了底部泥巖向上拱起的通道，使得泥底辟數(shù)量增多。

圖5 實(shí)驗(yàn)3持續(xù)沉積斜坡模型4×106步結(jié)果

由以上3組實(shí)驗(yàn)可知，隆起的新生洋殼能阻礙泥巖向洋盆滑動(dòng)，對(duì)滑脫褶皺帶泥底辟構(gòu)造發(fā)育具有促進(jìn)作用。結(jié)合尼日爾地質(zhì)資料(圖1)和南大西洋演化背景(圖2)整體來(lái)看，與西非其他被動(dòng)陸緣盆地不同，尼日爾三角洲盆地能形成特殊泥底辟構(gòu)造的原因主要有5個(gè)方向：①大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)間的海侵海退運(yùn)動(dòng)和尼日爾河高強(qiáng)度的搬運(yùn)作用使盆內(nèi)沉積了大套泥巖，為泥底辟的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)；②該區(qū)地層具有穿時(shí)性，阿卡塔組沉積的大套泥巖，既可作為物質(zhì)來(lái)源，也可作為潤(rùn)滑層，減少底辟上涌的摩擦力；③三角洲扇體規(guī)模大且延伸遠(yuǎn)，海陸間巨大的重力勢(shì)能差，使沉積物快速堆積，底部泥巖內(nèi)流體呈欠壓實(shí)狀態(tài)，為泥底辟上涌提供強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)力；④水平擠壓、水平扭動(dòng)及斷裂等構(gòu)造運(yùn)動(dòng)會(huì)使地層產(chǎn)生不協(xié)調(diào)褶皺或薄弱帶，為泥巖向上運(yùn)動(dòng)提供通道；⑤大陸基底格局及洋殼的擋板效應(yīng)，使泥巖能大量堆積在過(guò)渡區(qū)，處于超壓狀態(tài)下的泥巖會(huì)順斷裂突破地層，釋放能量，形成泥底辟。

3 泥底辟的演化模式

根據(jù)盆地的構(gòu)造沉積背景及前人對(duì)泥底辟演化的研究[29-30]，結(jié)合離散元模擬結(jié)果，綜合得出尼日爾三角洲地區(qū)泥底辟構(gòu)造的演化模式(圖6)。

最初，伴隨著南大西洋的擴(kuò)張，發(fā)生一系列構(gòu)造活動(dòng)，盆地形成中間低兩邊高的基底形態(tài)。海陸交替運(yùn)動(dòng)沉積了大套的厚層泥巖，主要的泥巖層阿卡塔組在沉積過(guò)程中沿著基底斜坡發(fā)生重力滑脫作用，并大量堆積在過(guò)渡區(qū)內(nèi)。

隨著時(shí)間的推移，上覆巖層阿格巴達(dá)組泥巖大量沉積，底部的泥巖發(fā)生差異壓實(shí)現(xiàn)象，厚層拆離帶發(fā)生重力擴(kuò)展作用，近陸相的伸展帶生成大量生長(zhǎng)斷層，近海相的褶皺沖斷帶產(chǎn)生一系列褶皺及逆沖斷層。最后，頂部的碎屑物繼續(xù)沉積，泥巖處于超壓狀態(tài)，發(fā)生重力滑脫和重力擴(kuò)展混合作用，大量泥巖順著斷層向上涌起，底辟構(gòu)造快速發(fā)育并廣泛展布。

圖6 尼日爾三角洲盆地泥底辟的演化模式

4 結(jié) 論

(1) 結(jié)合西非中段的構(gòu)造演化事件及尼日爾三角洲盆地的地質(zhì)背景，可將尼日爾三角洲泥底辟的形成過(guò)程可分為泥巖開(kāi)始沉積、泥巖大套沉積、泥底辟開(kāi)始發(fā)育、泥底辟發(fā)育暫停和泥底辟大量發(fā)育5個(gè)階段。

(2) 尼日爾三角洲盆地特殊的泥底辟現(xiàn)象實(shí)際是低密度高塑性的泥巖向地層上部流動(dòng)、拱起所形成的穹隆狀構(gòu)造。其形成受控于5個(gè)方面：大套的泥巖、底部的潤(rùn)滑層、超壓提供的驅(qū)動(dòng)力、構(gòu)造活動(dòng)產(chǎn)生的通道及盆地四周高中間低的特殊基底格局。

(3) 根據(jù)二維離散元模擬的結(jié)果看來(lái)，尼日爾三角洲海陸兩側(cè)均伴隨著斷裂特征，向海方向?yàn)殓P式逆沖斷層，以逆沖擠壓應(yīng)力為主。陸源一側(cè)方向?yàn)樯煺剐哉龜鄬樱岳瓘垜?yīng)力為主。總體上，在有一定地層傾角的演化環(huán)境中，過(guò)渡區(qū)位置受坡度的影響，泥底辟規(guī)模更大，同時(shí)，會(huì)提供更大的區(qū)域供泥底辟發(fā)育，但對(duì)于伸展及逆沖斷層的數(shù)量并不會(huì)有較大的影響。新生洋殼的隆起，阻擋了泥層向深海滑動(dòng)，而是沿著斷裂及褶皺向上拱起，釋放能量，使得泥底辟數(shù)量增多。

(4) 與構(gòu)造演化相對(duì)應(yīng)，尼日爾三角洲泥底辟的形成模式在時(shí)間上可劃分為3個(gè)階段：構(gòu)造演化在第1階段因脆性沉積巖與泥巖的物理性質(zhì)不同發(fā)生重力滑脫作用；在第2個(gè)階段，由于重力負(fù)荷，產(chǎn)生重力擴(kuò)展作用，塑形泥巖上涌形成泥底辟現(xiàn)象；在第3階段，重力滑脫與重力擴(kuò)展作用混合發(fā)生，泥底辟大量生成。