中西非疊合裂谷盆地形成與演化*

張光亞 黃彤飛 劉計(jì)國(guó) 李曰俊 杜業(yè)波 余朝華 張新順 喻志驊

沉積盆地的構(gòu)造演化過程具有明顯的階段性，體現(xiàn)在不同時(shí)期盆地原型在形成機(jī)制、構(gòu)造變形、沉積充填、火山活動(dòng)、大地?zé)崃?、垂向疊置方式及類型等方面具有較大的變革(湯良杰等, 2001; 何登發(fā)等, 2004; 金之鈞, 2005; 張光亞等, 2008)。盆地演化的重大變革是對(duì)盆地周緣板塊運(yùn)動(dòng)、深部巖漿活動(dòng)、海平面升降等事件的綜合響應(yīng)。因此，在恢復(fù)盆地演化過程時(shí)，通常有劃分重大變革時(shí)期、重建不同時(shí)期盆地原型、建立不同原型盆地垂向疊置類型及疊置方式等研究手段與技術(shù)流程(湯良杰等, 2001; 趙文智等, 2003; 金之鈞, 2005)。我國(guó)構(gòu)造演化背景具有小陸塊拼合、多旋回運(yùn)動(dòng)以及強(qiáng)烈的陸內(nèi)構(gòu)造變形等特點(diǎn)(靳久強(qiáng)和宋建國(guó), 2005)，決定了我國(guó)絕大多數(shù)沉積盆地都屬于由不同性質(zhì)原型盆地組成的多旋回疊合盆地，塔里木盆地(張光亞等, 2007, 2012, 2015)、鄂爾多斯盆地與四川盆地在前寒武紀(jì)-古生代海相克拉通盆地之上疊合了中、新生代陸相前陸-陸內(nèi)坳陷盆地(張光亞和薛良清, 2002; 張光亞等, 2014)，渤海灣盆地、江漢盆地、蘇北-南黃海盆地在古生代克拉通盆地之上疊合中-新生代裂谷盆地(趙文智等, 2003; 張光亞等, 2008)。可以看出，以往對(duì)疊合盆地的研究多聚焦于盆地性質(zhì)發(fā)生重大變革的盆地，對(duì)經(jīng)歷多個(gè)構(gòu)造演化階段且盆地形成構(gòu)造背景相近的沉積盆地研究較少(溫志新等, 2012; 張光亞等, 2020)。

中西非裂谷系盆地由多旋回裂谷盆地疊合而成。自早白堊世以來，該裂谷系發(fā)生了“多期次”、“多方位”的裂谷作用，經(jīng)歷了多期次擠壓與反轉(zhuǎn)作用，構(gòu)造演化歷史復(fù)雜，成因機(jī)制獨(dú)特。受基底先存構(gòu)造格局非均一性及其對(duì)局部應(yīng)力場(chǎng)分布的控制，同一時(shí)期裂谷系內(nèi)的不同盆地通常處于不同的應(yīng)力狀態(tài)，同一盆地構(gòu)造演化過程、原型盆地發(fā)育及疊置方式多變。以往對(duì)中西非裂谷系的研究通常聚焦于單一盆地，例如針對(duì)Muglad盆地、Melut盆地、Bongor盆地、Doseo盆地、Doba盆地、Termit盆地、Benue盆地的構(gòu)造特征、多期裂谷演化、地層剝蝕量恢復(fù)、沉積充填特征、石油地質(zhì)等方面開展了大量研究(Binks and Fairhead, 1992; Genik, 1992, 1993; 竇立榮, 2003; 竇立榮等, 2006, 2018; 魏永佩和劉池陽(yáng), 2003; 童曉光等, 2004; 田作基等, 2005; 潘校華等, 2005; 張光亞等, 2018, 2019a)，但從區(qū)域上將中西非裂谷系盆地群作為一個(gè)相互關(guān)聯(lián)的有機(jī)整體，系統(tǒng)研究對(duì)比不同時(shí)期原型盆地類型與分布、多期裂谷疊合演化的時(shí)空差異性及其動(dòng)力學(xué)背景尚不深入。本文在區(qū)域構(gòu)造演化階段劃分基礎(chǔ)上，恢復(fù)不同演化階段原型盆地及其分布特征，明確不同盆地原型盆地疊置方式及類型，揭示不同疊合裂谷盆地時(shí)空演化的差異性及其形成的動(dòng)力學(xué)背景，希望有助于深化裂谷盆地形成演化地質(zhì)認(rèn)識(shí)，指導(dǎo)全球類似盆地優(yōu)選油氣有利富集區(qū)和油氣勘探。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

中西非裂谷系盆地群是指位于非洲大陸中部，沿中西非剪切斷裂帶內(nèi)部及兩側(cè)發(fā)育的中-新生代陸內(nèi)裂谷盆地(圖1)。中非裂谷系包括鄰近中非剪切帶內(nèi)部的Doba、Doseo、Salamat、Bagarra等盆地及其兩側(cè)的Bongor、Muglad、Melut、White Nile、Blue Nile等盆地以及肯尼亞的Anza盆地；西非裂谷系是位于非洲西部的裂谷系，包括Benue坳拉谷盆地、Bida盆地、Bornu盆地及尼日爾東部的Termit、Tenere、Grein等盆地。

圖1 中西非裂谷系盆地群區(qū)域位置分布圖(據(jù)Genik, 1992修改)

非洲大陸由多個(gè)穩(wěn)定的陸塊在泛非運(yùn)動(dòng)中拼合而成，在陸塊之間分布著相對(duì)活躍的活動(dòng)帶(褶皺帶)，這種不均一基底結(jié)構(gòu)是后期非洲大陸陸內(nèi)裂谷形成與演化的重要基礎(chǔ)(Genik, 1993)。根據(jù)陸塊活動(dòng)的差異，Guiraud and Maurin (1992)和Schettino and Scotese (2005)將非洲大陸劃分為西北非陸塊、東北非陸塊和中南非陸塊，其中的西北非陸塊構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定。該劃分方案在Moulinetal. (2010)、Scotese (2016)和張慶蓮等(2018)對(duì)非洲板塊演化過程模擬中得到驗(yàn)證。中非裂谷系盆地發(fā)育在東北非陸塊與中南非陸塊之間的活動(dòng)帶上，西非裂谷系盆地發(fā)育在西北非陸塊與東北非陸塊間的活動(dòng)帶上。

2 構(gòu)造演化

晚中生代以來的岡瓦納大陸裂解、大西洋分段張開、中非剪切帶走滑運(yùn)動(dòng)、陸塊間差異活動(dòng)、非洲板塊內(nèi)地幔上涌、與歐亞板塊碰撞、東非裂谷系形成等構(gòu)造事件對(duì)中西非裂谷系盆地形成與演化均有不同程度的影響(Fairhead and Binks, 1991; Fairhead, 1992; Genik, 1992, 1993; McHargueetal., 1992; Maurin and Guiraud, 1993; 竇立榮, 2003; 竇立榮等, 2006, 2018; 魏永佩等, 2003; 童曉光等, 2004; 田作基等, 2005; 潘校華等, 2005; Kelleretal., 2006; 張光亞等, 2019a)。概括起來，中西非裂谷系演化過程可劃分為三個(gè)階段。

2.1 前裂谷演化階段

在三疊紀(jì)末岡瓦納大陸裂解之前，非洲大陸一直處于岡瓦納大陸的中部，古生代以來的大規(guī)模造山運(yùn)動(dòng)對(duì)其影響微弱，構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定，長(zhǎng)期隆起剝蝕，僅局部地區(qū)可能接受碎屑巖沉積。

2.2 同裂谷演化階段

三疊紀(jì)末以來，岡瓦納大陸裂解、大西洋分段擴(kuò)張、非洲板塊持續(xù)漂移、板內(nèi)地幔上涌、非洲-歐洲板塊碰撞以及東非裂谷系發(fā)育等構(gòu)造事件對(duì)中西非裂谷系盆地形成演化起控制作用。該演化階段可進(jìn)一步劃分為三個(gè)裂谷時(shí)期：

2.2.1 裂谷Ⅰ期(以早白堊世為主)

在晚三疊世-早侏羅世，岡瓦納大陸普遍發(fā)育了大規(guī)模玄武巖，標(biāo)志著超級(jí)大陸開始解體。在早侏羅世末-中侏羅世，北美與非洲板塊首先分離，中大西洋開始形成。到侏羅紀(jì)末，中大西洋裂開寬度超過1000km。直到早白堊世早期，與中西非裂谷系形成演化直接相關(guān)的南大西洋才開始逐步張開(魏永佩, 1999; 熊利平等, 2005; 魏永佩等, 2019b, c)。在此期間，非洲大陸整體以西北非陸塊為中心，發(fā)生逆時(shí)針的離散運(yùn)動(dòng)(圖2a)。西北非陸塊與東北非陸塊之間的離散運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了西非裂谷系Termit盆地、Tenere盆地等的形成，東北非陸塊與中南非陸塊之間的剪切運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了中非裂谷系Doba、Doseo、Salamat等盆地的形成，其間的離散運(yùn)動(dòng)形成了中非裂谷系Muglad、Melut、Bongor等盆地，其中Termit盆地發(fā)育下白堊統(tǒng)沉積，Muglad盆地對(duì)應(yīng)Abu Gabra-Bentiu組沉積時(shí)期，Melut盆地對(duì)應(yīng)Al Gayger-Al Renk組沉積時(shí)期，Bongor盆地對(duì)應(yīng)Prosopis組-Baobab組沉積時(shí)期(竇立榮等, 2018)。該裂谷期以該期區(qū)域伸展應(yīng)力作用逐漸消失及構(gòu)造抬升事件結(jié)束，在中西非裂谷系普遍形成了區(qū)域不整合(圖3)。

圖2 中西非裂谷系盆地群區(qū)域構(gòu)造環(huán)境示意圖(陸塊劃分邊界據(jù)Moulin et al., 2010；構(gòu)造背景據(jù)Genik, 1992, 修改)

圖3 中西非裂谷系典型盆地地層綜合對(duì)比剖面(據(jù)Genik, 1993, 修改)

2.2.2 裂谷Ⅱ期(以晚白堊世為主)

非洲板塊在賽諾曼期-康尼亞克期整體發(fā)生向北東方向漂移(Scotese, 2016)，陸塊間的活動(dòng)差異造成邊界間處于伸展應(yīng)力條件，導(dǎo)致研究區(qū)再次發(fā)生斷陷作用。在圣通期-馬斯特里赫特期，板塊運(yùn)動(dòng)方向由北東向變?yōu)榻毕?Scotese, 2016)，這種運(yùn)動(dòng)方向的改變使得陸塊邊界伸展強(qiáng)度變?nèi)酰M(jìn)入熱沉降階段。該時(shí)期隨著西北非陸塊的局部沉降，研究區(qū)接受分別來自特提斯洋和南大西洋方向的海侵(圖2b ；Genik, 1992)，該事件同時(shí)對(duì)應(yīng)晚白堊世全球海平面較高時(shí)期。該海侵范圍主要分布在西非裂谷系的Termit、Benue等盆地，同時(shí)期在中非裂谷系盆地仍為陸相碎屑沉積。在圣通期，研究區(qū)發(fā)生區(qū)域擠壓抬升，海水逐漸退去，并在晚白堊世末完全轉(zhuǎn)變?yōu)殛懴喑练e。該擠壓事件同時(shí)也造成Bongor、Doba、Doseo、Salamt、Benue、Yola及Muglad盆地東西向展布的Sufyan凹陷的構(gòu)造反轉(zhuǎn)，對(duì)古近系底部做層拉平處理，可見上白堊統(tǒng)頂部與古近系底部明顯的區(qū)域性不整合面(圖4)。該演化階段在Muglad盆地對(duì)應(yīng)Darfur群沉積時(shí)期，Melut盆地對(duì)應(yīng)Galhak-Yabus組沉積時(shí)期，Termit盆地對(duì)應(yīng)Donga組-Madama組沉積時(shí)期，Bongor盆地及Doba、Doseo、Salamat盆地該時(shí)期地層后期發(fā)生不同定程度的剝蝕(圖3)。

圖4 晚白堊世與古近紀(jì)間的區(qū)域角度不整合面(Muglad盆地Sufyan凹陷；剖面位置見圖1)

2.2.3 裂谷Ⅲ期(以古近紀(jì)-新近紀(jì)為主)

在晚白堊世土倫期，非洲與美洲大陸完成分離，但非洲板塊向北東方向的持續(xù)漂移并沒有停止，其向北東方向的漂移可能持續(xù)到新近紀(jì)甚至更晚(Scotese, 2016; 張光亞等, 2019b, c)。非洲板塊的持續(xù)漂移在非洲大陸內(nèi)部繼續(xù)形成伸展應(yīng)力環(huán)境，導(dǎo)致早期NW-SE向裂谷盆地復(fù)活、進(jìn)入新的裂谷旋回(圖2c)，如西非Termit盆地新生代地層Sokor1組和Sokor2組在盆地中心的沉積厚度超過1500m、中非Muglad盆地Kaikang坳陷內(nèi)新生代地層最大厚度超過3000m。

在此期間，非洲板塊北部與歐亞板塊發(fā)生漸進(jìn)式碰撞，在北非與阿爾卑斯褶皺帶西部形成阿特拉斯褶皺帶。該褶皺帶同構(gòu)造期變形時(shí)間的最新定年數(shù)據(jù)顯示(Gomezetal., 2000; Rosenbaumetal., 2002; 萬(wàn)志峰等, 2010)，碰撞作用從古近紀(jì)始新世晚期開始，持續(xù)到更新世，在中新世晚期與更新世分別發(fā)生較強(qiáng)烈擠壓。非洲-歐亞板塊碰撞除了在北非形成阿特拉斯褶皺造山帶之外，在非洲內(nèi)部產(chǎn)生近南北向擠壓應(yīng)力，加劇了中西非裂谷系近東西向盆地或凹陷(如Bongor、Doba、Doseo、Salamat盆地以及Muglad盆地Sufyan凹陷等)發(fā)生構(gòu)造反轉(zhuǎn)、抬升、剝蝕(竇立榮等, 2006, 2018, 2022; 余朝華等, 2013; 黃彤飛等, 2017)，同時(shí)造成東北非陸塊發(fā)生相對(duì)西北非陸塊的右旋剪切，在Termit盆地東緣發(fā)育右旋右階的走滑斷層(黃彤飛等, 2022)。

相較于中生代，新生代非洲板塊內(nèi)部火山活動(dòng)趨于活躍，火山活動(dòng)主要集中在西北非陸塊、東北非陸塊以及中南非陸塊之間的活動(dòng)帶。其火山活動(dòng)成因與擠壓造山作用關(guān)系不大，主要與地幔柱上涌有關(guān)(Thorpe and Smith, 1974)。在非洲東部，Afar地幔柱在古近紀(jì)漸新世至新近紀(jì)中新世發(fā)生上涌活動(dòng)，東非裂谷系、紅海原洋裂谷和亞丁灣新生裂谷以三叉裂谷的形式發(fā)育(Bosworthetal., 2005)。紅海裂谷張開還可能引起東北非陸塊向SW方向的短暫擠壓，造成了在NW-SE向盆地發(fā)生小幅度反轉(zhuǎn)剝蝕，如Muglad盆地Fula凹陷東斜坡、Melut盆地北部凹陷東斜坡以及Grein盆地的新生代地層均有明顯的擠壓變形和剝蝕。這些時(shí)空交織的構(gòu)造事件使得裂谷Ⅲ期的演化背景十分復(fù)雜。

2.3 后裂谷演化階段

上述系列擠壓事件后，中西非裂谷系進(jìn)入后裂谷演化階段，斷裂活動(dòng)趨于停止，研究區(qū)處于準(zhǔn)平原化階段。

3 原型盆地

3.1 裂谷Ⅰ期(以早白堊世為主)

裂谷Ⅰ期演化階段主要發(fā)生在早白堊世，是疊合裂谷盆地群形成演化的主要時(shí)期，是盆地主干斷裂形成時(shí)期，斷裂活動(dòng)最為強(qiáng)烈，盆地基底沉降速率最快，地層沉積厚度大，沉積體系均為陸相碎屑沉積。由于對(duì)區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)響應(yīng)和變形的差異性，不同盆地發(fā)育的起始與結(jié)束時(shí)間有些不同?；趯?duì)中西非裂谷系在早白堊世原型盆地分析與區(qū)域構(gòu)造背景分析，揭示出三類原型盆地(圖5)：(1)與陸塊間離散伸展運(yùn)動(dòng)有關(guān)的裂谷盆地(圖5b)；(2)與陸塊間走滑運(yùn)動(dòng)有關(guān)的走滑-拉分盆地(圖5c)；(3)與三叉裂谷的衰退夭折一支有關(guān)的坳拉谷盆地(圖5d)。

圖5 中西非早白堊世原型盆地類型與分布示意圖(a)以及(被動(dòng))裂谷盆地(b)、走滑-拉分盆地(c)和坳拉谷盆地(d)發(fā)育模式

3.1.1 裂谷盆地

該類原型盆地處于西北非陸塊與東北非陸塊、中南非陸塊與東北非陸塊之間的活動(dòng)帶上，以Termit盆地、Muglad盆地和Bongor盆地為代表。

Termit盆地早白堊世原型盆地形成于西北非陸塊與東北非陸塊之間的活動(dòng)帶，呈NW-SE向展布，長(zhǎng)300km，寬60～110km，長(zhǎng)寬比介于1:5～1:3，面積約為3×104km2。在早白堊世早期，受中非剪切帶右旋走滑作用影響，東北非陸塊相對(duì)于西北非陸塊發(fā)生向NE方向的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致該盆地的形成。在該演化階段，Termit盆地發(fā)育了大量的NW向與NNW向同沉積正斷層，斷層多為高角度旋轉(zhuǎn)平面正斷層，反映了被動(dòng)裂谷發(fā)育特征。該盆地結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為斷陷，在北部表現(xiàn)為雙斷地塹結(jié)構(gòu)，在南部表現(xiàn)為西斷東超的半地塹結(jié)構(gòu)。鉆井與地震資料解釋成果揭示，下白堊統(tǒng)沉積相類型主要為河流、三角洲、水下扇、扇三角洲及濱淺湖相等，物源主要來自盆地東、西兩側(cè)。在盆地西側(cè)的陡坡帶發(fā)育水下扇沉積，扇體沿NW向斷裂呈帶狀分布，盆地中心沉積濱淺湖泥巖，在盆地東側(cè)的緩坡帶發(fā)育三角洲沉積體系(毛鳳軍等, 2016; 劉計(jì)國(guó)等, 2020)。

Muglad盆地橫跨蘇丹與南蘇丹兩國(guó)，構(gòu)造位置位于中南非陸塊與東北非陸塊之間的活動(dòng)帶上，面積約為12×104km2，最大沉積厚度超過15km。該盆地平面形態(tài)為“東南窄西北寬”三角形，北部邊界終止于中非剪切斷裂帶，向南逐漸收斂。Muglad盆地早白堊世原型盆地結(jié)構(gòu)垂向上表現(xiàn)為一個(gè)完整的斷陷-坳陷裂谷旋回。早白堊世早期，東北非陸塊與中南非陸塊之間發(fā)生離散運(yùn)動(dòng)，造成兩者之間活動(dòng)帶處于伸展應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致該盆地的形成，并進(jìn)入早白堊世斷陷作用階段。在該演化階段，Muglad盆地發(fā)生強(qiáng)烈的伸展斷陷，發(fā)育了大量的NW向、NNW向旋轉(zhuǎn)平面正斷層，規(guī)模較大的正斷層多表現(xiàn)為同沉積斷層，盆地差異沉降特征明顯。盆地結(jié)構(gòu)為地塹與半地塹(圖6)，整體呈現(xiàn)北西向凹陷與凸起相間的構(gòu)造格局。鉆井、測(cè)井資料揭示下白堊統(tǒng)Abu Gabra組為一套“粗-細(xì)-粗”沉積旋回，垂向上發(fā)育洪積扇-三角洲-湖相-三角洲等陸相沉積體系，具有多個(gè)沉降中心。隨著伸展應(yīng)力的釋放，在早白堊世末，Muglad盆地發(fā)生短暫抬升，Abu Gabra組在斜坡區(qū)受到剝蝕，盆地由此進(jìn)入坳陷演化階段。在坳陷演化階段，正斷層活動(dòng)減弱，地層沉積相對(duì)統(tǒng)一，以整體熱沉降為主，發(fā)育Bentiu組厚層淺水辮狀河沉積，沉積范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，覆蓋全盆地(張光亞等, 2019a)。

圖6 Muglad盆地Sufyan凹陷(A)、Fula凹陷(B)和Kaikang坳陷(C)構(gòu)造演化剖面

Bongor盆地呈NWW-SEE向展布，長(zhǎng)約300km，寬約40～80km，面積約為1.8×104km2。其早白堊世原型盆地在垂向結(jié)構(gòu)上由強(qiáng)烈斷陷期和穩(wěn)定斷陷期兩套沉積層序旋回構(gòu)成。在早白堊世早期的強(qiáng)烈斷陷期，盆地伸展斷陷作用強(qiáng)，發(fā)育NWW向展布的控凹斷層，并對(duì)地層沉積具有明顯的控制作用，生長(zhǎng)指數(shù)介于1.2～1.9(竇立榮等, 2018)。盆地結(jié)構(gòu)主要為NWW向半地塹，發(fā)育多個(gè)沉降中心，整體呈現(xiàn)南北方向凹凸相間、東西方向分塊的構(gòu)造格局。鉆井、測(cè)井資料揭示，下白堊統(tǒng)Prosopis組下段為粗碎屑沉積，為斷陷初期的洪積扇-扇三角洲沉積，向上沉積粒度迅速變細(xì)，在Prosopis組上段和Mimosa組過渡為半深湖-深湖相沉積。在早白堊世晚期，伸展作用逐漸減弱，同沉積斷層活動(dòng)強(qiáng)度及其控沉積作用明顯減弱，單井沉積相分析顯示，Kubla組-Ronier組-Baobab組由下部深湖相泥巖向上過渡為淺水三角洲砂巖沉積(竇立榮等, 2018)。

3.1.2 走滑-拉分盆地

該類型盆地發(fā)育在中非剪切帶內(nèi)部，在早白堊世早期，東北非陸塊與中南非陸塊發(fā)生相對(duì)剪切運(yùn)動(dòng)，相對(duì)于中南非陸塊，東北非陸塊發(fā)生NE向右旋走滑，期間走滑量達(dá)到40～50km(Fairhead, 1988; Benknelil, 1987)，導(dǎo)致Borogop斷層(中非剪切帶內(nèi)部的分段斷層)發(fā)生右旋走滑，形成一系列右旋右階排列的拉分盆地，由西向東依次為Doba、Doseo、Salamat、Bagara等盆地。本文以Doseo盆地為例說明該類原型盆地特征。

Doseo盆地位于中非剪切帶中部，長(zhǎng)550km，寬70～100km，長(zhǎng)寬比例介于1:8～1:5，長(zhǎng)軸方向呈NEE-SWW向，面積約為4.5×104km2。該盆地形成于Borogop控凹斷層右旋活動(dòng)的伸展應(yīng)力釋放區(qū)，發(fā)育多個(gè)北斷南超結(jié)構(gòu)的地塹與半地塹，整體表現(xiàn)為NEE向凹凸相間的構(gòu)造格局(圖7)。早白堊世發(fā)育的典型構(gòu)造樣式為正斷層和負(fù)花狀構(gòu)造，盆地內(nèi)部正斷層的主走向?yàn)镹WW到NW向，平行于該盆地的短軸方向。在盆地中部發(fā)育負(fù)花狀構(gòu)造，其主走滑方向近NEE向，雁列斷層走向近NW向，平面上呈右旋右階排列。在盆地南緣，雁列斷層與南部控凹斷層表現(xiàn)為馬尾狀組合(圖7、圖8)。Doseo盆地下白堊統(tǒng)發(fā)育Mangara組、Kedeni組、Doba組以及Koumra組，垂向上發(fā)育兩套水進(jìn)-水退沉積旋回，物源供給來源于南北兩側(cè)，在北部陡坡帶以扇三角洲-辮狀河三角洲為主，南部緩坡帶以大型三角洲、辮狀河三角洲沉積為主，向盆地中心延伸較遠(yuǎn)，并過渡為半深湖-深湖相沉積(竇立榮等, 2022)。

圖8 Doseo盆地構(gòu)造演化剖面(地震剖面見圖7)

3.1.3 坳拉谷盆地

該類型盆地是南大西洋深入非洲板塊內(nèi)部的廢棄裂谷。早白堊世早期，南大西洋由南向北逐漸打開，其北部以三叉裂谷系的形式張開。除南大西洋裂谷和幾內(nèi)亞灣裂谷外，另外一支為深入非洲板塊內(nèi)部的Benue裂谷。在南大西洋張開的早期，西北非陸塊相較于中南非陸塊發(fā)生右旋走滑，Benue裂谷表現(xiàn)為一系列右旋左階排列的斷陷群。隨著南大西洋通過幾內(nèi)亞灣裂谷與中-北大西洋發(fā)生溝通，Benue裂谷逐漸被廢棄，成為保留在非洲板塊內(nèi)部的坳拉谷或者衰退型裂谷。

3.2 裂谷Ⅱ期(以晚白堊世為主)

裂谷Ⅱ期主要發(fā)生在晚白堊世，其原型盆地性質(zhì)較早白堊世裂谷Ⅰ期未發(fā)生明顯變革，走滑-拉分盆地與坳拉谷盆地繼承發(fā)育，但受早期構(gòu)造格局和區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)方向改變的影響，裂谷盆地在裂陷發(fā)育程度方面出現(xiàn)較明顯的分異，同時(shí)裂谷系沉積體系由早白堊世統(tǒng)一陸相沉積體系演化為海-陸并存的沉積體系。

由于走滑-拉分盆地與坳拉谷盆地在后期發(fā)生強(qiáng)烈反轉(zhuǎn)，晚白堊世地層剝蝕程度高，因而需恢復(fù)其原始地層沉積特征，才能認(rèn)識(shí)原型盆地發(fā)育面貌。通過盆地對(duì)比和埋藏史重建，可以看出研究區(qū)走滑-拉分盆地和坳拉谷盆地繼承發(fā)育了晚白堊世裂谷層序(竇立榮等, 2018)。

通過對(duì)比分析早、晚白堊世非洲板塊漂移速度與方向發(fā)現(xiàn)，晚白堊世原型盆地形成的區(qū)域構(gòu)造條件未發(fā)生大的變革，但非洲板塊內(nèi)部的陸塊發(fā)生逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度約為15°(Scotese, 2016)，造成晚白堊世裂谷盆地的發(fā)育程度出現(xiàn)分化，這在Muglad盆地不同凹陷晚白堊世的發(fā)育程度上表現(xiàn)得最為突出。Muglad盆地晚白堊世原型盆地在垂向上表現(xiàn)為一個(gè)斷陷(Darfur群沉積時(shí)期)-坳陷(Amal組沉積時(shí)期)旋回。構(gòu)造演化剖面恢復(fù)顯示(圖6)，在Darfur群沉積期間，發(fā)育大量的同沉積斷層，對(duì)地層沉積厚度有明顯的控制作用。這些同沉積斷層既有早白堊世發(fā)育、晚白堊世重新活動(dòng)斷層，也有晚白堊世新生斷層。盆地發(fā)育繼承了早白堊世凹凸相間的構(gòu)造格局，發(fā)育多個(gè)沉降中心。盆內(nèi)各凹陷在該時(shí)期的構(gòu)造沉降速率及Darfur群厚度有較大差異。Darfur群在Kaikang坳陷、Fula凹陷、Sufyan凹陷各沉積中心的厚度分別為5065m、969m、320m。推測(cè)造成這種差異的原因主要是，盆地內(nèi)各凹陷長(zhǎng)軸方向與區(qū)域伸展應(yīng)力方向的夾角不同，與區(qū)域伸展應(yīng)力方向近垂直的凹陷(坳陷)伸展量較大，如晚白堊世在近NE向區(qū)域伸展應(yīng)力條件下，NW向展布的Kaikang坳陷較近EW向展布的Sufyan凹陷伸展斷陷發(fā)育強(qiáng)度更大(張光亞等, 2019a; 黃彤飛等, 2019)。

在晚白堊世賽諾曼期至坎潘期，西非地區(qū)接受分別來自特提斯洋和南大西洋方向的海侵，在西非裂谷系的Benue盆地、Termit盆地、Terene盆地以及Grein盆地等沉積了巨厚的海相碎屑巖(Genik, 1993)。由于Benue盆地后期發(fā)生強(qiáng)烈擠壓抬升，該套地層剝蝕程度高，局部?jī)H見少量海相碳酸鹽巖、海相碎屑巖殘余地層(Benkhelil, 1987)，而Termit盆地上白堊統(tǒng)海相地層保存相對(duì)完整。根據(jù)鉆井及地震解釋資料，Termit盆地海相沉積從Donga組開始，持續(xù)到Y(jié)ogou組沉積末期，在Madam組沉積時(shí)過渡為陸相碎屑沉積(毛鳳軍等, 2016, 2019)。在Donga組沉積期間，在盆地東、西斜坡為濱海-三角洲沉積，物源來自盆地東、西兩側(cè)，向盆地中部過渡為濱淺海沉積。海平面在Yogou組1段沉積時(shí)達(dá)到最大(劉計(jì)國(guó)等, 2020)，盆地主體為淺海-半深海沉積，在Yogou組3段沉積時(shí)，淺海-半深海沉積面積萎縮到盆地中心，在盆地東側(cè)發(fā)育大規(guī)模淺水三角洲體系。在Madama組沉積時(shí)，地層巖性由海相砂泥巖沉積過渡為厚層狀辮狀河砂巖沉積。同時(shí)期在中非裂谷系盆地群沉積陸相層系，Bongor盆地、Doba、Doseo、Salamat盆地的上白堊統(tǒng)后期發(fā)生不同程度的抬升剝蝕。

3.3 裂谷Ⅲ期(以古近紀(jì)-新近紀(jì)為主)

該階段是中西非裂谷系盆地群構(gòu)造格局的定型階段，在三期裂谷演化史中最為復(fù)雜。裂谷系既受非洲板塊NE向漂移所產(chǎn)生的伸展應(yīng)力、新生代地幔上涌的影響，形成新的裂谷盆地，又受到非洲板塊與歐亞板塊碰撞所產(chǎn)生的近SN向擠壓應(yīng)力影響、盆地發(fā)生反轉(zhuǎn)改造；另外還因非洲板塊與歐亞板塊差異擠壓，西北非陸塊與東北非陸塊間發(fā)生走滑運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致NNW向剪切應(yīng)力作用與構(gòu)造變形改造。這些應(yīng)力可在不同盆地同時(shí)發(fā)生，相互交織，造成中西非裂谷系古近紀(jì)-新近紀(jì)差異演化進(jìn)一步加劇。

3.3.1 裂谷盆地

中西非裂谷系古近紀(jì)-新近紀(jì)原型盆地主要為裂谷盆地，這些原型盆地主要繼承發(fā)育在西北非陸塊與東北非陸塊、中南非陸塊與東北非陸塊的“離散”邊界周圍。受非洲板塊向NE方向持續(xù)漂移的影響，其內(nèi)部陸塊間處于伸展應(yīng)力環(huán)境，古近紀(jì)-新近紀(jì)裂谷在與伸展應(yīng)力方向垂向的、早期形成的NW向盆地中最為發(fā)育，如Termit盆地、Muglad盆地、Melut盆地古近系-新近系最大沉積厚度均超過3000m。

Termit盆地古近紀(jì)始新世前后再次進(jìn)入斷陷演化階段，發(fā)育大量的同沉積斷層，地層差異沉積顯著。除早白堊世、晚白堊世發(fā)育的斷層重新活動(dòng)外，新生大量的古近紀(jì)同沉積正斷層。古近紀(jì)斷層常見Y形和斷階式組合樣式。該期斷層主走向有兩組——NW向和NNW向(圖9a)，其中NW向斷層受先存邊界斷層的控制，主要發(fā)育在盆地邊緣斜坡；NNW向斷層主要分布在盆地中部，受先存斷層影響小(劉邦等, 2012)。對(duì)于在遠(yuǎn)離邊界斷層等區(qū)域形成的正斷層，其走向與應(yīng)力關(guān)系遵循安德森模式，能夠指示區(qū)域伸展應(yīng)力方向(McClayetal., 2005; 童亨茂等, 2018)，如據(jù)盆地中部的NNW向正斷層可推斷出Termit盆地古近紀(jì)伸展應(yīng)力方向?yàn)镹EE或近EW向?？梢?，Termit盆地早白堊世伸展應(yīng)力方向?yàn)榻麼E向，與盆地長(zhǎng)軸方向一致，到古近紀(jì)時(shí)伸展應(yīng)力方向演變?yōu)镹EE或近EW向，也反映了非洲板塊以西北非陸塊為軸心作逆時(shí)針離心旋轉(zhuǎn)特征，與非洲古板塊演化認(rèn)識(shí)一致。

圖9 Termit盆地早白堊世斷層與古近紀(jì)斷層分布對(duì)比(a)以及Termit盆地東緣斜坡走滑構(gòu)造樣式(b)

與此同時(shí)，非洲板塊與歐亞板塊發(fā)生漸進(jìn)式碰撞，擠壓應(yīng)力造成東北非陸塊相對(duì)于西北非陸塊發(fā)生右旋運(yùn)動(dòng)，該剪切應(yīng)力沿陸塊邊界由北向南傳導(dǎo)(圖2c)，導(dǎo)致Termit盆地東緣斜坡早期先存正斷層發(fā)生右旋走滑(黃彤飛, 2022)，走滑斷層的剖面樣式主要有直立斷層、Y形斷層、負(fù)花狀構(gòu)造(圖9b)。由于東北非陸塊邊界在Termit盆地東南邊緣發(fā)生轉(zhuǎn)向，使得在其延伸方向后端形成應(yīng)力釋放區(qū)，形成了張扭性斷層，同時(shí)在其延伸方向前端形成擠壓應(yīng)力匯聚區(qū)，后者造成Bongor、Doba、Doseo、Salamat等盆地發(fā)生擠壓反轉(zhuǎn)。

3.3.2 盆地反轉(zhuǎn)改造

非洲板塊與歐亞板塊碰撞所產(chǎn)生的擠壓應(yīng)力，造成了Bongor等盆地應(yīng)力環(huán)境發(fā)生改變，使早期各類盆地遭受反轉(zhuǎn)改造和抬升剝蝕。該擠壓事件在Bongor盆地、Doba、Doseo、Salamat盆地的北部陡坡帶不但產(chǎn)生沿盆地長(zhǎng)軸展布的褶皺帶，形成一系列擠壓背斜和正反轉(zhuǎn)構(gòu)造，而且造成上白堊統(tǒng)剝蝕。Bongor盆地中生界剝蝕厚度達(dá)1000～2000m(余朝華等, 2013)，Doseo盆地剝蝕厚度800～1000m(竇立榮等, 2022)，而Sufyan凹陷東部最大剝蝕厚度僅為360m(黃彤飛等, 2019)，反映出地層剝蝕程度由西向東、由北向南減弱。

Doseo盆地構(gòu)造演化剖面揭示，擠壓作用不僅造成在盆地北部陡坡帶形成擠壓背斜，而且可造成盆地中部負(fù)花狀構(gòu)造縮短、閉合，并具有一定程度的反轉(zhuǎn)(圖7、圖8)。另外，在地震剖面上古近紀(jì)-新近紀(jì)地層(L1與L2為古近紀(jì)與新近紀(jì)內(nèi)部地層單元的暫定名稱代號(hào))中發(fā)現(xiàn)兩期同沉積擠壓反轉(zhuǎn)背斜構(gòu)造，揭示Doseo盆地至少經(jīng)歷了始新世、中新世2期擠壓反轉(zhuǎn)(圖7)，與在始新世到中新世期間，區(qū)域上非洲板塊與歐亞板塊漸進(jìn)式碰撞、Termit盆地走滑斷層活動(dòng)期次相一致。

4 疊合盆地類型

中西非裂谷系發(fā)育早白堊世、晚白堊世以及古近紀(jì)-新近紀(jì)三個(gè)時(shí)期盆地，其原型盆地性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、沉積充填特征等具有時(shí)空上的差異性，使得不同盆地處的三個(gè)原型盆地在垂向疊置方式上可明顯不同。本文將中西非疊合裂谷類型劃分為“繼承疊合型”和“反轉(zhuǎn)改造型”兩類。依據(jù)三期裂谷發(fā)育程度、盆地結(jié)構(gòu)、沉降速率、剝蝕厚度及疊置方式，將“繼承疊合型”盆地進(jìn)一步劃分為“早斷型”、“繼承型”、“疊加型”、“晚斷Ⅰ型”、“晚斷Ⅱ型”；“反轉(zhuǎn)改造型”盆地可進(jìn)一步劃分為“裂谷反轉(zhuǎn)改造型”、“坳拉谷反轉(zhuǎn)改造型”和“走滑-拉分盆地反轉(zhuǎn)改造型”(圖10)。

圖10 中西非疊合裂谷盆地類型及特征

繼承疊合型裂谷盆地的總體特征為，三期裂谷均有發(fā)育和保存且原型盆地性質(zhì)未發(fā)生重大變革，即均為發(fā)育于陸塊離散背景下的伸展型盆地，后期受擠壓反轉(zhuǎn)影響?。坏诹压葘有虬l(fā)育程度、沉降速率、垂向疊置方式等存在差異性，決定了疊合盆地的類型。

早斷型：該類型盆地在早白堊世裂谷演化階段，發(fā)生強(qiáng)烈伸展斷陷，沉積充填厚度大，早白堊世伸展量占盆地三期總伸展量的80%以上，早白堊世沉積地層厚度可占盆地總地層厚度的80%以上，晚白堊世及古近紀(jì)-新近紀(jì)裂谷演化發(fā)育程度較低，特別是古近紀(jì)-新近紀(jì)地層極不發(fā)育，三期裂谷層序的沉降速率具有“強(qiáng)-弱-很弱”的整體趨勢(shì)。以Muglad盆地Sufyan凹陷為例，該凹陷三期裂谷地層總厚度近5400m，早白堊世第一期裂谷地層厚度達(dá)到4400m，第三期裂谷地層厚度不足300m。

繼承型：該類型盆地在早白堊世和晚白堊世裂谷演化階段均發(fā)生強(qiáng)烈-較強(qiáng)烈伸展斷陷，沉積充填厚度均較大，古近紀(jì)-新近紀(jì)裂谷演化發(fā)育程度相對(duì)較弱。另外，相較于早斷型，該類盆地古近紀(jì)-新近紀(jì)裂谷的伸展量、地層厚度均有所增加，三期裂谷層序的沉降速率具有“強(qiáng)-較強(qiáng)-較弱”的特點(diǎn)，Muglad盆地Fula、Bamboo、Unity凹陷和Melut盆地北部凹陷、南部凹陷均屬于該類型。

疊加型：該類型盆地在三期裂谷演化階段均發(fā)生強(qiáng)烈-較強(qiáng)烈的伸展斷陷和較厚的沉積充填，與前面兩種類型盆地相比，其晚期裂谷在伸展量、地層沉積厚度上均明顯增大，三期裂谷層序的沉降速率具有“強(qiáng)-強(qiáng)-較強(qiáng)”的特征。以Muglad盆地Kaikang坳陷為例，其沉積中心的三期裂谷沉降量分別為7100m、6000m、1400m。

晚斷Ⅰ型和晚斷Ⅱ型：其共同特征在于早白堊世裂谷旋回發(fā)育程度較低，而晚白堊世、古近紀(jì)-新近紀(jì)裂谷演化階段盆地沉降幅度及沉積充填厚度均較大。這兩種類型的區(qū)別在于，晚斷Ⅰ型盆地的晚白堊世裂谷盆地和古近紀(jì)-新近紀(jì)裂谷盆地發(fā)育程度均較高，其典型盆地包括Termit盆地Dinga凹陷、Moul凹陷、Tenere盆地西部凹陷；晚斷Ⅱ型的晚白堊世裂谷發(fā)育較弱，古近紀(jì)-新近紀(jì)裂谷發(fā)育程度較高，其典型盆地為Rawat盆地、Melut盆地西部凹陷。

反轉(zhuǎn)改造型疊合裂谷盆地的總體特征為，早白堊世伸展強(qiáng)烈、裂谷發(fā)育程度高，是關(guān)鍵的成盆期，地層沉積充填厚度大，晚白堊世裂谷繼承性發(fā)育，古近紀(jì)-新近紀(jì)裂谷旋回整體缺失或局部發(fā)育；與此同時(shí)，在晚白堊世末-新近紀(jì)中新世期間，受多期擠壓作用影響，早期原型盆地遭受強(qiáng)烈反轉(zhuǎn)改造，發(fā)育褶皺-逆沖斷層、走滑-擠壓構(gòu)造等，地層發(fā)生強(qiáng)烈抬升剝蝕，盆地殘余結(jié)構(gòu)特征相似(圖10)。

“裂谷盆地反轉(zhuǎn)改造型”、“走滑-拉分盆地反轉(zhuǎn)改造型”和“坳拉谷盆地反轉(zhuǎn)改造型”盆地的主要區(qū)別在于，早白堊世及晚白堊世原型盆地性質(zhì)與類型不同。裂谷盆地反轉(zhuǎn)改造型的典型代表為Bongor盆地，受晚期擠壓反轉(zhuǎn)改造作用控制，發(fā)育褶皺-逆沖斷層等反轉(zhuǎn)構(gòu)造，除缺失古近紀(jì)-新近紀(jì)沉積外，其上白堊統(tǒng)被剝蝕殆盡，類似的還有Grein盆地；走滑-拉分盆地反轉(zhuǎn)改造型的典型代表為Doba、Doseo、Salamt盆地，走滑-擠壓褶皺構(gòu)造發(fā)育，這些盆地的上白堊統(tǒng)缺失或殘余厚度小，新生代發(fā)育與擠壓事件同期發(fā)生的同沉積背斜構(gòu)造；坳拉谷盆地反轉(zhuǎn)改造型以Benue盆地為代表，其上白堊統(tǒng)受擠壓抬升，出露地表遭受剝蝕，缺失古近紀(jì)-新近紀(jì)裂谷旋回。

5 結(jié)論

(1)自岡瓦納大陸裂解以來，受非洲大陸周緣板塊構(gòu)造事件及西北非陸塊、東北非陸塊和中南非陸塊間相對(duì)運(yùn)動(dòng)影響，中西非裂谷系盆地群大致經(jīng)歷了早白堊世、晚白堊世、古近紀(jì)-新近紀(jì)三個(gè)構(gòu)造演化階段。

(2)早白堊世階段是裂谷系盆地形成演化的關(guān)鍵時(shí)期和基礎(chǔ)，斷裂活動(dòng)最為強(qiáng)烈，是裂谷系盆地的主干斷裂形成時(shí)期，在不同構(gòu)造部位發(fā)育裂谷盆地、走滑-拉分盆地和坳拉谷盆地等原型盆地，盆地基底沉降速率最大，地層沉積充填厚度大，沉積體系均為陸相碎屑沉積；在晚白堊世階段，早白堊世原型盆地發(fā)育得到繼承發(fā)展，裂谷系盆地裂陷發(fā)育程度差異性凸顯，沉積充填特征差異變大，由早白堊世統(tǒng)一陸相沉積體系演變?yōu)楹ｊ懖⒋娴某练e體系；在古近紀(jì)-新近紀(jì)演化階段，該裂谷系盆地發(fā)育變得更為復(fù)雜，差異性進(jìn)一步加劇，裂谷作用、走滑改造作用和擠壓反轉(zhuǎn)作用在不同盆地同步發(fā)生，期間可繼續(xù)發(fā)育裂谷盆地或由于擠壓作用發(fā)生反轉(zhuǎn)改造和抬升剝蝕。

(3)根據(jù)三個(gè)階段原型盆地性質(zhì)、沉積充填、構(gòu)造變形及其疊加改造等方面的差異性分析，將中西非疊合裂谷盆地劃分為“繼承疊合型”和“反轉(zhuǎn)改造型”兩類，進(jìn)一步劃分為“早斷型”、“繼承型”、“疊加型”、“晚斷Ⅰ型”、“晚斷Ⅱ型”和“裂谷盆地反轉(zhuǎn)型”、“走滑-拉分盆地反轉(zhuǎn)型”和“坳拉谷盆地反轉(zhuǎn)型”八種。

致謝本專題《全球典型盆地形成與構(gòu)造演化》在申請(qǐng)立項(xiàng)過程中，得到了《巖石學(xué)報(bào)》主編和編輯部的大力支持與指導(dǎo)；在審稿過程中，田作基教授、王道軒教授、高山林教授、解習(xí)農(nóng)教授、王英民教授、林暢松教授、龔承林教授、于福生教授、朱筱敏教授、何幼斌教授、魏國(guó)齊教授、溫志新教授、鮮本忠教授、李勝利教授、何光玉教授等專家學(xué)者提出了寶貴的指導(dǎo)意見；《巖石學(xué)報(bào)》各位編輯為本專題的成功出版付出了艱辛的勞動(dòng)。謹(jǐn)向以上各位專家學(xué)者表示由衷的感謝！