Termit盆地构造变形的力学机制

张庆莲，侯贵廷，潘校华，万伦坤，毛凤军

(1.北京大学 地球与空间科学学院,教育部造山带与地壳演化重点实验室,北京 100871;2.石家庄经济学院资源学院,河北 石家庄 050031;3.中国石油勘探开发研究院,北京 100083)

0 前 言

Termit盆地位于尼日尔东南部,是中西非裂谷系中典型的中-新生代裂谷盆地,该盆地是中国天然气集团公司在海外的三大风险勘探区块之一(童晓光等,2004;窦立荣,2005;江文荣等,2006;刘剑平等,2008)。该盆地形成于早白垩世大西洋张裂的构造背景下(Genik,1993;Guiraud et al.,1987)。盆地在白垩纪至古近纪经历了“裂谷-坳陷-裂谷”的构造演化过程,且两期裂陷作用形成的断裂走向不同(Genik,1993;Guiraud et al.,1987)。Termit盆地目前整体勘探水平较低,且对盆地的构造演化研究缺少动力学分析。

动力学研究主要是探索构造形变与应力状态之间的关系,用来研究构造的形成机制(Bertoluzza and Perotti,1997;Homberg et al.,2004;Hou et al.,2006)。Homberg(2004)等借助数值模拟方法恢复了晚白垩世法国Pontarlier断裂区的古构造应力场,并通过对主断裂周围应力状态的分析得出了其构造活动规律;Hou et al.(2006)以古岩墙为证据,利用有限元数值模拟方法恢复了华北克拉通前寒武纪古构造应力场,为超大陆古构造应力场的重建及超大陆裂解机制的研究提供了参考;佟彦明(2007)利用ANSYS系统的平面线弹性模拟加以验证,最后确定了胶莱盆地在莱阳期的动力学机制。这些研究表明,应用有限元数值模拟方法研究构造的力学机制十分有效。

本文依据 Termit盆地的基础构造特征,运用弹性有限元数值模拟方法,从动力学(张明利和万天丰,1988;Martin et al.,1998;Maerten et al.,2002;闫淑玉等,2011)角度讨论盆地构造演化模式,为盆地的构造演化研究提供动力学依据。

1 区域地质背景

Termit盆地位于尼日尔东南部,为西非裂谷向北的延伸部分,发育于前寒武系-侏罗系变质带基底之上,是中西非裂谷系中典型的中-新生代裂谷盆地(Genik,1993;Guiraud et al.,1987)。盆地呈NW-SE向长条形展布,南北长约300 km,东西宽北端最窄处约60 km,南端最宽处约110 km,面积约30000 km2(图1)。盆地南端与Bornu盆地相邻,北端以Agadez线为界与Tenere盆地及Tefidet盆地相邻(刘邦等,2012)(图1)。Termit盆地发育于由前泛非期变质带组成的基底之上,这些变质带使基底沿NW-SE向出现不连续性,从而控制了东尼日尔早白垩世裂谷盆地的形成和演化(Maurin and Guiraud,1993;刘邦等,2012),盆地基底断层呈 NW-SE向,与前泛非期变质带走向一致。

Termit盆地主要有走向NW-SE和NNW-SSE向两组断裂系(图2)。根据断层的期次和级次,可将该盆地断层分为早白垩世形成的早期断层和古近纪形成的后期断层。前者主要分布于盆地边界,走向 NW-SE;后者在盆地边界和内部均有发育,走向NW-SE和NNW-SSE(Maurin and Guiraud,1993;刘邦等,2012)。

根据构造特征差异,将 termit盆地划分为六个构造单元,分别为Dinga断阶带、Dinga凹陷、Araga地堑、Yogou西斜坡、Fana低凸起和Moul凹陷(图2)。

Dinga断阶带:主要由一系列NW-SE向断层组成,形成时期主要为早白垩世和古近纪。古近纪形成的后期断层多数为早期边界断层在古近纪发生继承性活动而形成的派生断层,走向为NW-SE向。

Dinga凹陷:该区断层主要分布在凹陷的北部,为古近纪形成的后期断层,走向NNW-SSE,平面上规模小,呈系列分布。

Araga地堑:早白垩世边界断层走向 NW-SE,为基底卷入断层。古近纪形成的后期断层呈左阶雁行排列,南部走向 NNW-SSE,往北逐渐向 NW-SE向收敛,北部与早白垩世断层走向平行。

Yogou西斜坡:断层走向 NW-SE,包括早白垩世形成、古近纪继承性活动的断层和后期断层。

Fana低凸起和Moul凹陷:主要为古近纪后期断层,走向NNW-SSE。从下往北至Araga地堑,往南至 Yogou西斜坡,古近纪形成的断层走向逐渐向早期边界断层收敛。

Termit盆地沉积厚度超过12 km,沉积地层包括下白垩统、上白垩统、古近系、新近系和第四系。下白垩统为陆相沉积,岩性主要为砂泥岩互层;上白垩统下部为海相沉积,上部为陆相砂岩沉积;古近系总体为湖相沉积,岩性为砂泥岩互层;新近系以河流相砂岩沉积为主。

图2 Termit盆地构造单元图Fig.2 Structural units and fault distribution in the Termit Basin

盆地自白垩纪以来经历了早白垩世和古近纪两期裂陷作用(Guiraud and Maurin,1992;Guiraud et al.,2000)。早白垩世(130～96 Ma)大西洋扩张,应力方向为 NE-SW,早白垩世开始裂陷,盆地沉积厚层陆相地层,受泛非薄弱带及NE-SW向拉张作用影响,盆地沿NW-SE向展布。晚白垩世(96～66.5 Ma)经历了长时间热沉降,盆地以坳陷作用为主。古近纪(66.5～25.2 Ma)由于大西洋再次扩张,非洲板块与阿拉伯板块开始分裂,区域伸展方向为ENE-WSW向,盆地再次发生裂谷作用,古近纪形成的断层在早白垩世断层基础上继承发育,同时发育了大量的同生断层(Guiraud,1987;Maurin and Guiraud,1993)。

以早白垩世和古近纪Termit盆地两期裂谷作用为构造背景,运用弹性力学有限元方法对早白垩世和古近纪的盆地进行应力场模拟分析。

2 应力场模拟和分析

以Termit盆地在早白垩世和古近纪的地质模型(图2)为基础,通过弹性力学有限元数值模拟方法(王仁等,1979;万天丰,1996;万天丰和任之鹤,1999),应用ANSYS10(大学版)软件对早白垩世和古近纪 Termit盆地的构造应力场进行数值模拟(曹春福等,1997;Joussineau et al.,2003;王连捷等,2004;马宝军等,2006;Hou et al.,2010),来研究在早白垩世和古近纪区域构造应力场条件下Termit盆地内部构造形成发育的动力学机制。

2.1 早白垩世平面模拟

图3 Termit盆地早白垩世力平面模拟力学模型图Fig.3 Plane mechanical model for the Termit Basin in the Early Cretaceous

根据Termit盆地早白垩世的平面构造、构造单元等特征,建立Termit盆地的地质模型(图2)。将地质模型简化为几何模型,将几何模型简化成具有一定厚度的平面薄板模型,不考虑垂向变化对模型的影响(图3)。采用 8节点 Plane82单元和Surfer153表面效应单元对模型进行模拟。由于模型比较简单,不需要局部网格的人工细化操作,对模型进行了自动网格划分。

在此几何模型基础上设定边界条件并对盆地赋于岩石力学参数值,建立早白垩世 Termit盆地的力学模型。盆地呈长条形展布,受到区域应力作用变形主要集中在盆地内部,南北端变形较弱,因此将盆地南北两端设为固定边界;根据盆地在早白垩世受NW-SE向拉张作用的影响,在盆地东西两侧边界施加差应力80 MPa,差应力值参照板块运动作用力(Hou et al.,2006,2010)。

Termit盆地不同构造单元的岩性差异很小,基底岩性以花岗岩为主,下白垩统岩性为砂泥岩互层,将花岗岩和砂泥岩的岩石模量与泊松比进行加权,得到盆地平面模拟的杨氏模量为75×109Pa,泊松比为0.24。

受到拉张作用力后,盆地内部的张应变值都比较大,但张应变主要集中在西部(图4a),说明受到拉张作用力后盆地西部应变最大。这与西部Dinga断阶带早白垩世NW-SE向断层最为发育(图2)相一致。

图4 Termit盆地早白垩世平面模拟结果图Fig.4 The modelling result map of the Termit Basin in the Early Cretaceous

应力场分布图(图4b)显示盆地内以张应力为主,最小主应力方向主要为NE-SW 向,指示伸展方向为NE-SW,这与 Dinga断阶带发育的早白垩世 NW-SE向断层相吻合。说明在早白垩世,Termit盆地受到NE-SW 向拉张作用,在此区域应力的作用下,盆地西部Dinga断阶带内发育早期NW-SE向断层。

2.2 古近纪盆地模拟

根据Termit盆地古近纪的平面构造、构造单元等特征,建立Termit盆地的地质模型(图2)。模拟过程类似早白垩世盆地模拟。

在几何模型基础上设定边界条件并对盆地赋于岩石力学参数值,建立古近纪 Termit盆地的力学模型(图5)。盆地呈长条形展布,受到区域应力作用变形主要集中在盆地内部,南北端变形较弱,因此将盆地南北两端设为固定边界;根据盆地在早白垩世受 ENE-WSW 向拉张作用的影响,古近纪的裂谷作用相比早白垩世强度较弱,因此在盆地东西两侧边界施加差应力50 MPa,差应力值参照板块运动作用力(Hou et al.,2006,2010)。

Termit盆地不同构造单元的岩性差异很小,基底岩性以花岗岩为主,下白垩统为砂泥岩互层,上白垩统以砂岩为主,古近系为砂泥岩互层,将花岗岩、砂泥岩和砂岩的岩石模量与泊松比进行加权,得到盆地平面模拟的杨氏模量为60×109Pa,泊松比为0.22。古近纪模型中有早白垩世断层(图5),断层岩的杨氏模量为15×109Pa,泊松比为0.14。

图5 Termit盆地古近纪力平面模拟力学模型图Fig.5 Plane mechanical model for the Termit Basin in Paleogene

应力场分布图(图6)显示盆地东南部即 D处最小主应力方向为近 EW 向,指示此处的伸展方向为近SN向,Fana低凸起和Moul凹陷内主要分布古近纪的后期断层且断层走向 NNW-SSE,应力场分布图显示的最小主应力方向所指示的此处受拉张方向与断层的走向相吻合。

盆地西部(A和B)与D最小主应力方向相比,A和B处靠近先存断裂附近的最小主应力方向产生NW向的偏转。认为此处由于早白垩世断层的存在,受近 EW 向拉张作用后,在早白垩世断层附近存在局部应力场,由于此局部应力场使得A和B处的古近纪断层方向产生NW向偏转。说明Dinga断阶带和Yogou西斜坡在古近纪受到近EW向拉张作用力后,由于早白垩世断层的存在,在其附近存在局部应力场,此局部应力场使得 Dinga断阶带和Yogou西斜坡古近纪形成的断裂走向发生偏转,走向多为NW-SE。

盆地东北部(C)显示的最小主应力方向在早白垩世断层附近发生 NW 向偏转,但主要主要为ENE-WSW。最小主应力方向指示的伸展方向与Araga地堑古近纪断层走向相吻合,说明Araga地堑古近纪发育的断层受到早白垩世断层的影响,但Araga地堑早白垩世断层发育较少,在近EW向拉张作用下,古近纪发育的断层沿早白垩世断层呈雁行排列,为张扭性断层。

图6 Termit盆地古近纪最小主应力方向图Fig.6 The minimum principal compressive stress trajectory map of the Termit Basin in Paleogene

2.3 模拟结果分析

对Termit盆地早白垩世和古近纪两期裂谷作用进行了平面模拟。早白垩世,盆地西部 Dinga断阶带和Yogou西斜坡张应变集中且伸展方向为NE-SW,说明 Termit盆地在早白垩世盆地受到 NE-SW 向的拉张作用,在此拉张作用下盆地西部的 Dinga断阶带和Yogou西斜坡早白垩世NW-SE向断层发育。

古近纪,盆地受到近 EW 向拉张作用,在Dinga断阶带和Yogou西斜坡模拟结果显示最小主应力方向并非近 EW 向,而是发生向 NW 的偏转,说明Dinga断阶带和Yogou西斜坡处古近纪断层受早白垩世断层的影响,由于断层附近的局部应力场使断层走向多为NW-SE;在Araga地堑处最小主应力方向主要为 ENE-WSW,只在早白垩世断层附近发生NW向偏转,说明Araga地堑古近纪发育的断层受到早白垩世断层的影响,但Araga地堑早白垩世断层发育较少,在近 EW 向拉张作用下,古近纪发育张扭性断层,沿早白垩世断层呈雁行排列。Fana低凸起和Moul凹陷由于早白垩世断层不发育,古近纪受到近 EW 向拉张作用后,发育 NNW-SSE向断层。

3 讨 论

Pindell and Dewey (1982)通过古地磁数据认为西非在中生代泛大陆解体过程中是稳定的,非洲板块内部存在板内变形。Guiraud and Maurin (1992)将非洲板块划分为三部分即西北非地块、东北非地块和中南非地块,板块内部存在变形且各地块之间的变形量有差异。Pavoni (1993)提出三叠纪以来,非洲大陆一直处于拉张环境,中西非裂谷系是在拉张的构造应力场下形成的。Binks and Fairhead (1992)和Ziegler (1992)研究认为非洲大陆是在中侏罗世以后泛大陆裂解过程中产生的。

自泛非期以来,中非裂谷系盆地基本上经历了以下几个的构造演化阶段:

晚侏罗世,非洲大陆的西北部处于稳固状态,而东北部和南部随着泛大陆的裂解开始向东漂移,先在三个次级陆块边界形成早期裂谷,中非剪切带开始发育,形成北东东向右行走滑断裂带。

早白垩世,非洲-阿拉伯板块内部伸展方向为NE-SW(Guiraud and Maurin,1992),中非裂谷系进入强烈裂陷期,断裂活动剧烈,并沉积了巨厚的早白垩世地层,非洲大陆的西北部仍处于稳固状态,东北部和南部继续向东漂移,由于中非剪切带持续的右行走滑作用和各地块之间的差异活动性,沿中非剪切带内及附近派生出Muglad、Melut、Blue Nile、White Nile、Baggara、Doba、Bongar和Termit等裂谷盆地。Doba、Bongar和Doseo盆地是典型的走滑拉分盆地(Guiraud and Maurin,1992),而Muglad和Melut等盆地是在拉张环境下形成的张性盆地并且只在靠近中非剪切带部分受走滑作用的影响(Binks and Fairhead,1992)。晚白垩世,裂谷进入坳陷期,中非剪切带走滑作用强度由西向东变弱。

古近纪中非剪切带停止活动。在晚始新世,非洲-阿拉伯板块与欧亚板块发生碰撞,板内构造挤压方向为NNW-SSE(Guiraud and Bosworth,2005)。在该构造事件发生后,非洲-阿拉伯板块处于大规模的伸展和岩浆活动活跃时期,主伸展方向为ENE- WSW(Janssen et al.,1995)。

Termit盆地的构造演化受整个非洲区域演化的控制,盆地形成于早白垩世南大西洋张裂的构造背景。早白垩世受NE-SW向伸展作用,形成NW-SE向的早期断裂。古近纪盆地处于近 EW 向伸展环境,在盆地不同部位发育了不同走向的后期断裂:Dinga断阶带和Yogou西斜坡处古近纪断层受早期断层的影响,由于断层附近的局部应力场使断层走向多为 NW-SE;Araga地堑在近 EW 向拉张作用下,古近纪发育张扭性断层,沿早白垩世断层呈雁行排列;Fana低凸起和Moul凹陷由于早白垩世断层不发育,古近纪受到近EW向拉张作用后,发育NNW-SSE向断层。

4 结 论

通过分析Termit盆地早白垩世和古近纪两期裂谷作用的模拟结果,我们认为在早白垩世盆地受区域NE-SW向拉张作用,在盆地西部边界发育一系列NW-SE向早白垩世早期断层。古近纪,盆地受近EW向拉张作用,在盆地不同部位发育的古近纪断裂走向不同:

(1) 盆地西部 Dinga断阶带和Yogou西斜坡受早期断层的影响,在早期断层附近产生局部应力场,此局部应力场使Dinga断阶带和Yogou西斜坡古近纪断层发育走向为NW-SE。

(2) Araga地堑古近纪发育的断层同样受到早白垩世断层的影响,但 Araga地堑早白垩世断层发育较少,在近 EW 向拉张作用下,古近纪发育张扭性断层,沿早白垩世断层呈雁行排列。

(3) Fana低凸起和Moul凹陷内早期断裂不发育,受到近EW向拉张作用后,发育NNW-SSE向断层。

致谢:本文得到国家重大专项项目29“海外重点风险项目勘探评价及配套技术”和中石油重大专项子课题“被动裂谷成盆机理研究”资助,并感谢郑亚东教授给予论文的修改。

曹春富,孙绍春,张吉昌.1997.利用有限元法定量预测变质岩储层构造裂缝.特种油气藏,4(1):24-28.窦立荣.2005.苏丹迈努特盆地油气成藏机理和成藏模式.矿物岩石地球化学通报,24(1):50-57.

江文荣,李允,蔡东升,Wang Bruce,张旗.2006.非洲油气勘探区战略选择建议.石油勘探与开发，33(3):388-392.

刘邦,潘校华,万伦坤,苏永地,毛凤军,刘继国,吕明胜,王玉华.2012.东尼日尔Termit盆地构造演化及古近系油气成藏主控因素.石油学报,33(3):394 -402.

刘剑平,潘校华,马君,田作基,陈永进,万伦坤.2008.西部非洲地区油气地质特征及资源概述.石油勘探与开发,35(3):378-384.

马宝军,漆家福,于福生,杨雪.2006.施力方式对半地堑反转构造变形特征影响的物理模拟实验研究.大地构造与成矿学,30(2):174-179.

童晓光,窦立荣,田作基,潘校华,朱向东.2004.苏丹穆格莱德盆地的地质模式和成藏模式.石油学报,25(1):19-24.

佟彦明.2007.胶莱盆地莱阳期古构造应力场分析及模拟.大庆石油地质与开发,26(1):6-9.

万天丰.1996.中国中、新生代板内变形与构造应力场.地质力学学报,2(3):13.

万天丰,任之鹤.1999.中国中、新生代板内变形速度研究.现代地质,13(1):83-92.

王连捷,王红才,王薇,孙宝珊,乔子江.2004.油田三维构造应力场、裂缝与油气运移.岩石力学与工程学报,23(23):4052-4057.

王仁,丁中一,殷有泉.1979.固体力学基础.北京:地质出版社:1-56.

闫淑玉,张进江,张波,孟树,王晓先.2011.新疆巴楚地区共轭膝折带的物理模拟研究.大地构造与成矿学,35(1):24-31.

张明利,万天丰.1998.含油气盆地构造应力场研究新进展.地球科学进展,13(1):38-43.

Bertoluzza L and Perotti C R.1997.A finite-element model of the stress field in strike-slip basins:Implication for the Permian tectonics of the southern Alps (Italy).Tectonophysics,280(1-2):185-197.

Binks R M and Fairhead J D.1992.A plate tectonic setting for Mesozoic rifts of West and Central Africa.Tectonophysics,213:141-151.

Genik G J.1993.Petroleum geology of Cretaceous-Tertiary rift basins in Niger,Chad,and Central African Repubilc.AAPG Bull,8:1405-1434.

Guiraud R,Bellion Y,Benkhelil J and Moreau C.1987.Post-Hercynian tectonics in Northern and Western Africa.Geological Journal,22(S2):433-466.

Guiraud R and Maurin J C.1992.Early Cretaceous rifts of Western and Central Africa:An overview.Tectonophysics.213(1-2):153-168.

Guiraud R,Mbaigane J C,Carretier S and Dominguez S.2000.Evidence for a 6000 km length NW-SE-striking lineament in northern Africa:The Tibesti Lineament.Journal of the Geological Society,157:897-900.

Homberg C,Angelier J,Bergerat F and Lacombe O.2004.Using stress deflections to identify slip events in fault systems.Earth and Planetary Science Letters,217(3-4):409-424.

Hou G T,Kusky T M,Wang C C and Wang Y X.2010.Mechanics of the giant radiating Mackenzie dyke swarm:A paleostress field modeling.Journal of Geophysical Research,115(B2),doi:10.1029/2007JB005475.

Hou G T,Wang C C,Li J H and Qian X L.2006.Late paleoproterozoic extension and a paleostress field reconstruction of the North China Craton.Tectonophysics,422(1-4):89-98.

Jansen M E,Stephenson R A and Cloetingh S.1995.Temporal and spatial correlations between changes in plate motions and the evolution of rifted basins in Africa.GSA Bulletin,107(11):1317-1332.

Joussineau G D,Petit J P and Gauthier B D M.2003.Photoelastic and numerical investigation of stress distributions around fault models under biaxial compressive loading conditions.Tectonophysics,363(1-2):19-43.

Maerten L,Gillespie P and Pollard D D.2002.Effects of local stress perturbation on secondary fault development.Journal of Structural Geology,24(1):145-153.

Maurin J C and Guiraud R.1993.Basement control in the development of the early cretaceous West and Central African rift system.Tectonophysics,228(1-2):81-95.

Muñoz-Martin A,Cloeginch S,Vicente G D and Andeweg B.1998.Finite-element modeling of Tertiary paleostress field in the eastern part of the Tajo Basin (central Spain).Tectonophysics,300(1-4):47-62.

Pavoni N.1993.Pattern of mantle convectionand and Pangaea break-up,as revealed by the evolution of the African plate.Journal of the Geological Society,150:953-964.

Pindell J and Dewey J F.1982.Permo-Triassic reconstruction of western Pangea and the evolution of the Gulf of Mexico &sol/ Caribbean region.Tectonics,1(2):179-211.

Ziegler P A.1992.Plate tectonics,plate moving mechanisms and rifting.Tectonophysics,215:9-34