南乍得盆地Doseo坳陷背形負(fù)花狀構(gòu)造成因分析

周小蓉，陳 石，張新順，丁寶通，宋興國，潘楚琦，彭梓俊

(1.中國石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249；2.中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249；3.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；4.中國石油塔里木油田分公司勘探開發(fā)事業(yè)部，新疆 庫爾勒 841000)

0 引 言

花狀構(gòu)造是走滑構(gòu)造剖面上最基本的特征，經(jīng)典的花狀構(gòu)造分為正花狀構(gòu)造和負(fù)花狀構(gòu)造。正花狀構(gòu)造表現(xiàn)為一條陡立走滑斷層向上分叉撒開，以逆斷層組成的背沖構(gòu)造，斷層下陡上緩?fù)姑嫦蛏铣尸F(xiàn)背形，是壓扭走滑斷層活動的產(chǎn)物。負(fù)花狀構(gòu)造表現(xiàn)為主走滑斷層和向上撒開的正斷層構(gòu)成的花狀組合，斷層凹面向上呈現(xiàn)向形，是張扭走滑斷層活動的產(chǎn)物[1-2]。本文基于對非洲南乍得盆地Doseo坳陷東部北東東—南西西向的走滑斷裂帶上發(fā)育的花狀構(gòu)造的觀察，發(fā)現(xiàn)其兼具正花狀和負(fù)花狀構(gòu)造的特點。剖面上地層整體表現(xiàn)為背形，但是構(gòu)成花狀構(gòu)造的主干斷層和分支斷層都是正斷層，這種構(gòu)造樣式被稱為“背形負(fù)花狀構(gòu)造”[3]。

前人對非洲地區(qū)的研究主要集中在北非、西非等傳統(tǒng)油氣產(chǎn)區(qū)以及中南非的部分伸展類盆地，獲得大量油氣發(fā)現(xiàn)[4-9]。位于中非南乍得盆地中部的Doseo坳陷等以走滑為主的坳陷的研究較為薄弱，尤其是缺少對坳陷結(jié)構(gòu)、構(gòu)造特征等基礎(chǔ)地質(zhì)問題的研究，嚴(yán)重制約了該地區(qū)的勘探。近些年來也有部分學(xué)者對Doseo坳陷的構(gòu)造特征進行研究?？琢钗涞?019年立足中非剪切帶構(gòu)造演化分析確定了Doseo坳陷的成因模式和三期構(gòu)造演化[10]；黃遲君等2021年結(jié)合轉(zhuǎn)換理論解釋Doseo坳陷的成因，劃分出坳陷的7個演化期次[11]。對于坳陷中的這類背形負(fù)花狀構(gòu)造的成因，至今沒有明確認(rèn)識。目前Doseo坳陷這類構(gòu)造已發(fā)現(xiàn)有油氣聚集，潛力較大。

本文通過對Doseo坳陷二維和三維地震資料的解釋，結(jié)合斷裂和區(qū)域應(yīng)力場演化分析，明確Doseo坳陷背形負(fù)花狀構(gòu)造演化過程，探討其成因機制，對這類構(gòu)造提出新的認(rèn)識，對指導(dǎo)研究區(qū)勘探部署具有重要意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

本文研究區(qū)位于南乍得盆地Doseo坳陷中東部，坳陷北側(cè)邊界受中非剪切帶控制，西側(cè)與Doba坳陷被Boronop隆起相隔，東側(cè)和Salamat坳陷之間被Gongo隆起相隔[12-13]。Doseo坳陷南北向長60～80 km，東西向約450 km，面積約50000 km2，平面上為北東東—南西西向的菱形坳陷[14]。研究區(qū)內(nèi)二維地震約25000 km，三維地震約1200 km2，鉆井已獲得多個油氣發(fā)現(xiàn)，整體勘探程度低，但潛力較大(圖1)。

圖1 Doseo坳陷區(qū)域構(gòu)造位置(a)及基底埋藏深度示意圖(b)

按照Doseo坳陷的結(jié)構(gòu)特點，由北向南可劃分為北部陡坡帶、北部坳陷、中部低凸起帶、南部坳陷和南部緩坡帶5個構(gòu)造單元。坳陷雙層結(jié)構(gòu)明顯，整體表現(xiàn)為北斷南超的多個箕狀半地塹疊加拗陷結(jié)構(gòu)。

據(jù)鉆井揭示，Doseo坳陷自下而上發(fā)育前寒武系基底及下白堊統(tǒng)Mangara組、Kedeni組、Doba組、Koumra組及上白堊統(tǒng)的K2a組和K2b組以及古近系、新近系和第四系[15]。其中，基底與下白堊統(tǒng)、下白堊統(tǒng)與上白堊統(tǒng)、白堊系與新生界之間為區(qū)域性不整合面(圖2)。

圖2 Doseo坳陷地層綜合柱狀圖

Doseo坳陷研究區(qū)內(nèi)發(fā)育北東東—南西西向、北西西—南東東向和北東—南西向三組斷裂系統(tǒng)。其中北東東—南西西向斷裂為邊界斷裂，主要發(fā)育在坳陷的南北邊界以及中部深層，活動較早，規(guī)模較大，切割前寒武系基底。這一方向的斷裂主要是由于早期非洲大陸東部產(chǎn)生近經(jīng)線方向的拉張應(yīng)力場形成的，該斷裂系統(tǒng)的發(fā)育控制了Doseo坳陷的規(guī)模。北西西—南東東向的斷裂大多位于研究區(qū)中部，少部分位于坳陷南部。該方向斷裂晚于邊界斷裂發(fā)育，部分?jǐn)嗔牙^承性發(fā)育且規(guī)模較小。本文研究的背形花狀構(gòu)造發(fā)育于該方向斷裂上，且兼具正花狀和負(fù)花狀構(gòu)造的特點(圖3)。前人研究發(fā)現(xiàn)這一方向的斷裂多起源于非洲板塊和南美板塊的快速分離，區(qū)域應(yīng)力場改變，中南非地塊和東北非地塊由南北向拉張轉(zhuǎn)變?yōu)橛倚呋\動。北東—南西向斷裂主要發(fā)育在坳陷中部，斷裂規(guī)模最小，活動時間最晚。該方向斷裂為后期印度板塊和歐亞板塊碰撞的遠程效應(yīng)導(dǎo)致應(yīng)力方向改變而形成[16-18]，這期斷裂的形成也伴隨著褶皺的形成。

圖3 花狀構(gòu)造類型對比

2 Doseo坳陷花狀構(gòu)造特征

2.1 平面特征

結(jié)合區(qū)域斷裂在平面上的展布特點可以總結(jié)出，Doseo坳陷在總體構(gòu)造特征上具有平面分帶的規(guī)律：由北到南可依次分為北部斷褶構(gòu)造帶、中部走滑構(gòu)造帶、南部伸展構(gòu)造帶。本文研究的背形負(fù)花狀構(gòu)造斷裂集中在中部走滑構(gòu)造帶上，主要發(fā)育北西西—南東東向和北東—南西向的斷裂。平面上北西西—南東東向斷裂構(gòu)成了雁形式斜列斷層，北東—南西向的斷裂和狹長褶皺穿插在雁列式斷層中(圖4)。這兩個方向的斷裂表明坳陷至少經(jīng)歷兩次的走滑運動改造。

圖4 Doseo坳陷研究區(qū)斷裂平面圖

2.2 剖面特征

Doseo坳陷多處發(fā)育背形負(fù)花狀構(gòu)造，主要位于坳陷中部的走滑帶上。剖面A呈北北西向由北向南穿過邊界斷裂，中部呈現(xiàn)背形負(fù)花狀構(gòu)造。標(biāo)志層顯示坳陷中部的花狀構(gòu)造斷裂上下地層厚度相當(dāng)。斷裂F01為早期發(fā)育的深大斷裂，切割基底。斷裂F02、F03是在地層沉積后期發(fā)育的并且具有繼承性發(fā)育的特點，整體背形負(fù)花狀構(gòu)造特征很明顯。剖面B為一復(fù)合剖面，中部走滑斷裂所在剖面為北北東—南南西方向(圖5)，其整體構(gòu)造特點與北北西—南南東向剖面A中部的背形花狀構(gòu)造類似，晚期花狀構(gòu)造背形特征明顯。坳陷后期受到明顯擠壓改造，地層上升抬起發(fā)生剝蝕，呈角度不整合接觸，中部地層向上拱起，兩個方向的剖面都呈現(xiàn)出背形負(fù)花狀構(gòu)造。

3 區(qū)域應(yīng)力演化特征

Doseo坳陷背形負(fù)花狀構(gòu)造的形成可能與不同階段、不同性質(zhì)應(yīng)力場作用有關(guān)，因此了解研究區(qū)構(gòu)造背景以及區(qū)域應(yīng)力狀況及其演變對更好地認(rèn)識這種構(gòu)造樣式的形成具有重要意義。

根據(jù)前人研究，Doseo坳陷所處的中非裂谷帶自早白堊世以來發(fā)生過多次大的構(gòu)造演化，其構(gòu)造應(yīng)力受到非洲大陸各塊體的運動以及大洋擴張的影響[7，19]。

在距今約150 Ma，幾內(nèi)亞灣三聯(lián)裂谷夭亡支形成中非裂谷帶。早白堊世，中大西洋擴張，導(dǎo)致非洲大陸東部塊體和南部塊體之間的中非斷裂呈右旋走滑運動，而西部塊體和南部塊體之間的西非斷裂帶呈左旋走滑運動[17，20-22]。早期東部塊體向北微弱運動，產(chǎn)生近似經(jīng)線方向的拉張應(yīng)力場，形成初始裂谷[23-24]。早白堊世Doseo坳陷Mangara組沉積時期(145～125 Ma)受北北西—南南東方向拉張伸展，發(fā)育斷陷，主要在坳陷內(nèi)形成三條北東東—南西西向的主斷裂[25]。

在距今125 Ma至111 Ma的早白堊世晚期，非洲大陸東部塊體向北東方向運動，大西洋擴張，產(chǎn)生近似緯線方向的拉張應(yīng)力場，中非斷裂帶呈右旋走滑運動，轉(zhuǎn)換斷層疊加，中非盆地進入主要裂谷期[17]。南乍得盆地整體處于右旋走滑剪切帶內(nèi)，Doseo坳陷為右行走滑拉分盆地，坳陷受邊界伸展走滑斷層控制快速沉降，邊界斷層發(fā)育次級斷層，斷裂繼承性發(fā)育。此階段坳陷內(nèi)發(fā)育大量張扭走滑斷層，邊界斷層基本不活動。斷層受到斜向的拉伸以及邊界斷層的走滑伸展活動影響，即此時坳陷整體處于北北東—南南西向的拉張與右旋走滑的疊加應(yīng)力場下[26]。

在距今111 Ma至85 Ma的晚白堊世階段，構(gòu)造動力主要來源于南大西洋和印度洋的快速擴張。早期南大西洋擴張至赤道地區(qū)，非洲內(nèi)部主體應(yīng)力方向發(fā)生改變，中非走滑帶再次處于右旋扭張應(yīng)力場，但走滑作用減弱。研究區(qū)發(fā)生區(qū)域上的整體熱沉降，沉積速率慢，沉積范圍大。Doseo坳陷開始進入緩慢拗陷階段，斷層繼承性活動，基本未形成大規(guī)模斷裂[17，27]。

距今84 Ma，由于非洲板塊和歐洲板塊的快速碰撞作用，在非洲板塊內(nèi)部形成近南北向的擠壓應(yīng)力。近東西向展布的Doseo坳陷受到北北西—南南東方向的擠壓作用，早期正斷層發(fā)生擠壓反轉(zhuǎn)，地層上拱，地震剖面上可見地層抬升形成的明顯的角度不整合和地層剝蝕。該時期是Doseo坳陷第一次發(fā)生構(gòu)造反轉(zhuǎn)，也稱“桑托”擠壓事件[28]。

一直持續(xù)到始新世，Doseo坳陷擠壓方向仍然為北北西—南南東。在距今40 Ma，由于印度板塊和歐亞板塊碰撞的遠程效應(yīng)，擠壓方向轉(zhuǎn)為北西西—南東東向，中非剪切帶再次發(fā)生右旋走滑運動。Doseo坳陷發(fā)生走滑反轉(zhuǎn)調(diào)整，基底斷層發(fā)生走滑反轉(zhuǎn)，淺層雁列式斷層發(fā)育次級斷層，在研究區(qū)中部地區(qū)可見北東—南西向的次級斷層以及狹長褶皺。該時期是Doseo坳陷第二次發(fā)生構(gòu)造反轉(zhuǎn)[17，29]。

綜上所述，Doseo坳陷演化可分為5個階段：早白堊世(早期)伸展斷陷階段(145～125 Ma)、早白堊世(晚期)斷拗轉(zhuǎn)換階段(125～111 Ma)、晚白堊世(早期)拗陷階段(111～85 Ma)、晚白堊世(晚期)“桑托”擠壓反轉(zhuǎn)事件(84 Ma)和古近紀(jì)走滑反轉(zhuǎn)事件(40 Ma)。坳陷早期受伸展作用以及張扭作用，后期應(yīng)力方向改變，受到擠壓和壓扭作用疊加發(fā)生反轉(zhuǎn)(圖6)。

圖6 Doseo坳陷構(gòu)造演化剖面(剖面AA’位置見圖4)

4 Doseo坳陷花狀構(gòu)造成因機制

Doseo坳陷內(nèi)背形負(fù)花狀構(gòu)造沿著北東東—南西西向的基底斷層發(fā)育，要想認(rèn)識其成因機制，關(guān)鍵在于明確這類斷層在不同演化階段、不同性質(zhì)應(yīng)力場作用下的活動方式。本文認(rèn)為Doseo坳陷的背形負(fù)花狀構(gòu)造是由5期構(gòu)造演化疊加的結(jié)果，大體可分為兩大階段：早白堊世伸展和張扭期的負(fù)花狀構(gòu)造形成階段和晚白堊世—古近紀(jì)兩大構(gòu)造反轉(zhuǎn)期的背形構(gòu)造形成階段(圖7)。

圖7 Doseo坳陷背形負(fù)花狀構(gòu)造演化模式

4.1 早白堊世負(fù)花狀構(gòu)造形成階段

早白堊世伸展斷陷階段(Mangara組沉積期)，Doseo坳陷受到北北西—南南東方向拉張作用，處于快速南北向張性斷陷沉降期。這一時期坳陷發(fā)育出三條北東東—南西西向的大型正斷層，斷層走向與應(yīng)力方向垂直。早白堊世晚期斷拗轉(zhuǎn)換期(L.Kedeni組—Doba組沉積期)，Doseo坳陷整體處于北北東—南南西向的拉張與右旋走滑的疊加應(yīng)力場下，發(fā)生伸展后的走滑伸展運動。這一時期坳陷內(nèi)發(fā)育大量正斷層和張扭性斷層。

斷層走向與區(qū)域伸展方位的關(guān)系決定了研究區(qū)的斷裂發(fā)育，當(dāng)斷層走向與伸展方向不垂直時，也就是基底斷層斜向拉張狀態(tài)下，屬于張扭性活動，會形成負(fù)花狀構(gòu)造[30]。Doseo坳陷中部的基底斷層受到北北東向拉張與右旋走滑的疊加作用，發(fā)生右行張扭活動，誘發(fā)坳陷內(nèi)發(fā)育大量的雁行式斜列的次級斷層和基底斷層斜交。在剖面上形成負(fù)花狀構(gòu)造，平面上呈現(xiàn)出近東西向雁列式排列的正斷層(圖8)。

圖8 Doseo坳陷中央低凸起帶Kedeni組頂面斷裂系統(tǒng)圖(位置見圖4)

4.2 古近紀(jì)背形構(gòu)造形成階段

早白堊世末和晚白堊世初期Doseo坳陷持續(xù)緩慢沉降在Doba組之上，該時期斷裂繼承性發(fā)育，走滑斷層剖面上仍呈現(xiàn)負(fù)花狀構(gòu)造樣式。直到晚白堊世K2a組沉積期末時，坳陷受到了北北西—南南東向的擠壓作用，擠壓方向與邊界斷層和中部主干斷層走向近垂直。早期正斷層發(fā)生擠壓反轉(zhuǎn)，主要是邊界斷層活動較為強烈，形成斷背斜。坳陷南部整體發(fā)生地層抬升剝蝕，形成角度不整合。坳陷中部受到影響較小，仍為負(fù)花狀構(gòu)造樣式(圖6)。一直持續(xù)至古近紀(jì)始新世，始新世K2b組沉積期末Doseo坳陷擠壓方向調(diào)整為北西西—南東東向，與主干斷裂走向斜交，坳陷邊界斷層和中部的斷裂帶受到壓扭作用發(fā)生走滑反轉(zhuǎn)。坳陷中部走滑斷裂帶受擠壓分量的影響，發(fā)育北東—南西向的逆斷層和背斜，斷層規(guī)模較小，平面上與先存雁列式斷層斜交(圖8)。中非剪切帶的活動導(dǎo)致Doseo坳陷先存的雁列式斷層再次發(fā)生右行走滑，部分?jǐn)鄬永^承性發(fā)育。因此古近紀(jì)的壓扭反轉(zhuǎn)期是形成這類花狀構(gòu)造背形的關(guān)鍵時期，坳陷的壓扭性活動決定了背形的形成以及花狀構(gòu)造后期的正斷層發(fā)育。K2b組之上被新近系以角度不整合覆蓋，也說明整個坳陷背形構(gòu)造形成于新近紀(jì)之前[31]。

選取Doseo坳陷走滑斷裂的典型張扭和壓扭斷層(圖8)，分別計算出走滑位移量，計算公式如下：

(1)

其中：D為總位移量，Di為各斷層走滑分量，OO’為斷層最大離距，α為走滑斷層與派生斷層夾角。計算結(jié)果如表1所示。

表1 Doseo坳陷各斷層走滑位移量統(tǒng)計

通過對研究區(qū)部分張扭及壓扭斷裂各構(gòu)造階段的走滑量估算發(fā)現(xiàn)，7條張扭斷層的單個走滑分量為573.38～1281.58 m，5條壓扭斷層的單個走滑分量為40.23～76.55 m，二者相差10～30倍，可見坳陷在早白堊世伸展走滑位移量比在古近紀(jì)擠壓走滑位移量要大得多，說明早期張扭強度遠大于后期壓扭改造(表1)。早期的張扭走滑是形成負(fù)花狀構(gòu)造的關(guān)鍵，后期壓扭走滑反轉(zhuǎn)使得坳陷中部地層上拱彎曲形成背形。但由于走滑反轉(zhuǎn)強度較弱，所以研究區(qū)逆斷層數(shù)量少，規(guī)模小，并沒有改變負(fù)花狀構(gòu)造的整體結(jié)構(gòu)?？偟膩碚f，先存張扭正斷層在壓扭反轉(zhuǎn)運動時期繼續(xù)活動，但斷層反轉(zhuǎn)逆沖分量小于早期張扭走滑的正斷分量，仍呈現(xiàn)正斷層構(gòu)造樣式，僅疊加反轉(zhuǎn)期形成的背形樣式。

5 結(jié) 論

(1)Doseo坳陷中部北東東向走滑斷裂帶上發(fā)育由多組正斷層形成的背形負(fù)花狀構(gòu)造，其平面上呈雁列式展布，剖面上具有深層“向形”、淺層“背形”樣式的花狀構(gòu)造特征。

(2)Doseo坳陷早期受伸展及張扭作用，后期應(yīng)力方向反轉(zhuǎn)，受擠壓及壓扭作用改造，主要經(jīng)歷了5次構(gòu)造運動，分別為早白堊世(早期)伸展斷陷階段(145～125 Ma)、早白堊世(晚期)斷拗轉(zhuǎn)換階段(125～111 Ma)、晚白堊世(早期)拗陷階段(111～85 Ma)、晚白堊世(晚期)“桑托”擠壓反轉(zhuǎn)事件(84 Ma)和古近紀(jì)走滑反轉(zhuǎn)事件(40 Ma)。

(3)Doseo坳陷的背形負(fù)花狀構(gòu)造是早期早白堊世張扭和晚期古近紀(jì)壓扭反轉(zhuǎn)共同作用形成的，且根據(jù)走滑位移量的定量分析結(jié)果，二者走滑位移分量相差10～30倍，即早期張扭強度遠大于后期壓扭改造強度，最終表現(xiàn)為疊加背形樣式的負(fù)花狀構(gòu)造。