尼日尔三角洲泥底辟形成控制因素及构造演化模式

雷雨婷，李江海，王殿举，杨梦莲

(1.造山带与地壳演化教育部重点实验室,北京 100871； 2.北京大学,北京 100871;3.北京大学石油与天然气研究中心, 北京 100871)

0 引 言

尼日尔三角洲盆地面积约为359 025km2，待发现油气资源量为4.6×109t，是南大西洋被动陆缘盆地重要的油气勘探区[1-3]。目前，全球对尼日尔三角洲盆地的研究集中在刻画泥底辟样式、分析沉积体系模式、地质变量对盆地构造的影响及泥底辟构造对油气藏的影响等方面[4-13]。将泥底辟作为研究对象，探讨其形成的控制因素及构造演化模式方面存在较大空白。尽管有学者对该区进行过二维离散元模拟及三维物理模拟，讨论了基底倾角及基底断裂带等因素对泥底辟形成及变形的影响[14-20]，例如，Wu通过3D物理模拟，把进积方式和底部大洋断裂带作为实验变量，讨论泥底辟的受控因素，但盆地基底设为简单水平面，未考虑基底倾角的影响；Dean的二维离散元模拟讨论了底部泥岩厚度、上覆岩层厚度、基底角度、沉积速率及末端岩层减薄5个变量对泥底辟的影响，但实际地层剖面的基底形态不仅受陆壳形态的控制，还受到洋壳的影响，并不能以简单斜面进行替代；Tulbah研究刻画了盆地西部深水区褶皱冲断带的几何形态，并构建4D演化模型，但泥底辟是三角洲相关重力构造的产物，并非主要研究对象，需要进一步刻画。综合来看，以上研究均未讨论大西洋张开的动态地质过程对盆地内泥底辟发育的影响，即隆起的新生洋壳造成的基底格局对泥底辟的影响并未明确讨论。因此，该文结合南大西洋构造演化背景，将Dean的二维离散元模拟实验优化，考虑实际地层剖面的基底形态，最佳泥层与上覆岩层的厚度及快速沉积模式下的泥底辟构造样式，探讨了尼日尔三角洲泥底辟的控制因素及其构造演化模式。

1 区域地质概况

尼日尔三角洲位于西非海岸几内亚湾，处于深水区伸展带向挤压逆冲带转换处[14-17]，是伴随冈瓦那古大陆解体和大西洋扩张发育形成的典型三角洲被动大陆边缘型盆地[18]。盆内泥底辟是底辟构造中的一种，主要是密度较小的高塑性低黏度泥岩向上流动、拱起所形成的穹隆状构造，属于隐刺穿构造[12]。

1.1 盆地构造

盆地由陆向海分为5个构造带。近陆缘以伸展作用为主，发育大型生长正断层；末端以逆冲推覆作用为主，发育大量逆冲断层；中部为过渡区，发育大量的泥底辟[1，19](图1)。

图1 尼日尔三角洲盆地构造

1.2 盆地地层

盆地纵向沉积为退覆式近海三角洲沉积地层(图2)，存在明显的三元结构[21]。底部阿卡塔组为厚层海相泥页岩，是泥底辟主要的物质来源，厚度最大为7 km；中部阿格巴达组为进积三角洲前缘沉积，厚度为3～4 km；顶部贝宁组以砂岩为主，夹少量泥岩[21-23]。以上3组地层均为穿时地层。

1.3 盆地演化

盆地演化分为裂谷期(阿普特期—桑顿期)和漂移期(晚白垩世坎潘期—现今)2个阶段。白垩纪初期，南大西洋扩张，形成尼日尔三角洲伸展型盆地，南部与喀麦隆火山条带相连，伴随安第斯隆起及陆缘碎屑物输入，发生一系列热沉降事件。漂移期阶段，盆地基底演化为北高南低的斜坡，大规模海侵海退交替发生，开始沉积大型进积三角洲(图2)。

图2 尼日尔三角洲沉积地层及西非中段构造演化

1.4 泥底辟演化

与盆地演化对应，泥底辟演化分泥岩开始沉积、泥岩大套沉积、泥底辟开始发育、泥底辟发育暂停和泥底辟大量发育5个阶段：①白垩纪初期，盆地南部伴随一系列地幔柱火山活动，发育一套湖相沉积，泥岩开始沉积。②晚白垩世坎潘期—古新世，新生大洋基底上隆，形成中间凹、两端隆的基底格局。随着海侵运动的进行，水体不断加深，海相泥岩在盆地内大套沉积。早始新世，发生大规模海退，开始沉积大型进积三角洲，同时，尼日尔河高强度向盆内搬运，沉积大套湖相泥岩，为泥底辟形成提供充足的物质基础。③中新世是泥底辟发育的重要时期，因重力作用，同生断层发育,下降盘伴生大量滚动背斜，开始发育同生构造及泥底辟。中新世晚期—上新世,三角洲复合体继续向前推进,形成大型的沉积中心。④上新世—更新世，三角洲复合体生长速度减慢,构造运动减弱，位于三角洲前缘的底辟作用进入短暂的平衡期。⑤更新世晚期,海侵再次发生，淹没上新世—更新世形成的三角洲平原。到全新世时期,盆地沉积一套新的海退超覆沉积物,在陆隆、大陆斜坡和大陆架发育大规模底辟构造。

2 泥底辟的离散元模拟

离散元方法是通过时间-位移有限差分法,计算颗粒在牛顿定律下的移动, 有效地模拟弹塑性变形的过程。该方法是一种基于应力与位移准则进行微粒位移变形计算, 并允许微粒间的滑动与破裂的数值模拟手段[25-27]。

2.1 模型参数设置

依据国内外已开展的泥底辟离散元模拟实验[19,28]，总结出接近真实地质环境的各参数。为保证离散元模型的模拟效率，需要针对颗粒的黏度进行等比例减小，依Dean及Maxwell的经验，将泥层的黏度系数设置为108Pa·s，以缩短模型在模拟过程中的周期。

2.2 建立模型

由2015年Dean的二维离散元模拟结果可知，泥岩层最佳实验厚度为2 km，上覆沉积层为4 km。实验设计模型剖面长为100 km，由底至顶发育泥岩层(2 km)、泥上沉积层(4 km)及后续陆源沉积层(预设投放3 000颗粒)3组地层，2组相邻地层间铺设薄层的能干层以便观测泥岩变形。最上层陆源沉积层底部设有一条沉积界限，便于区别铺设层与投放层。同时，实验设置了陆壳倾斜与洋壳阻挡2个变量，以此探讨盆地基底格局对泥底辟形成的控制作用。

2.3 模拟结果

实验1：设置大陆基底水平，末端受洋壳阻挡(实验中将其简化为固定挡板)，投放陆源沉积物，待其静置后，持续沉积模拟4×106步成果图(图3)。

由图3可知，该组模型变形传播距离较短，剖面主分为2个变形区，分别为近陆缘的伸展区(A)和近海处的逆冲区(B)。其中，伸展区重力作用显著，地层下沉明显，发育有多条伸展断层，且波及范围广。而位于差异沉积远端的逆冲区范围与伸展区比较小，但逆冲现象更为明显和集中，逆冲断层发育显著。同时，部分泥岩顺着断层涌入上覆层，形成轻微的泥底辟构造。

图3 实验1持续沉积模拟循环4×106步结果

实验2：依据实际地层剖面测算结果，设置大陆基底倾斜且角度为3°，末端未设置挡板(图4)。相对于实验1，该组变形波及范围更广，伸展区(D)与逆冲区(C)的距离明显扩大。伸展区内的伸展断层相对集中，主要为单向向海倾斜的铲式断层，且倾斜角度相比于实验1较为平缓。远端的逆冲区断层不发育，底辟构造相对实验1 更为明显。实验2中，底辟构造多处发育，并且由陆向海方向，底辟规模逐渐增大，伸展区构造铲式断层斜率较大，间距较小，与实际地质数据资料更加匹配。

图4 实验2持续沉积模拟循环4×106步结果

实验3：设置大陆基底倾斜且角度为3 °，末端设有固定挡板(图5)。与实验1对照可知，当模型的大陆基底有一定倾斜角度时，变形的范围更广，伸展区与逆冲区间的间隔相差更远，使得过渡区的面积增大，泥底辟上拱的程度也有所增加。由前文论述可知，研究区泥底辟构造主要发育在过渡区内，即倾斜的大陆基底会提供更大的区域供泥底辟发育，但对于伸展及逆冲断层的数量并不会有较大的影响。 与实验2对照可知，固定挡板即洋壳的隆起会阻碍泥岩向末端滑动，使得应力难以释放，促进逆冲断层的形成，增加了底部泥岩向上拱起的通道，使得泥底辟数量增多。

图5 实验3持续沉积斜坡模型4×106步结果

由以上3组实验可知，隆起的新生洋壳能阻碍泥岩向洋盆滑动，对滑脱褶皱带泥底辟构造发育具有促进作用。结合尼日尔地质资料(图1)和南大西洋演化背景(图2)整体来看，与西非其他被动陆缘盆地不同，尼日尔三角洲盆地能形成特殊泥底辟构造的原因主要有5个方向：①大规模长时间的海侵海退运动和尼日尔河高强度的搬运作用使盆内沉积了大套泥岩，为泥底辟的形成提供了物质基础；②该区地层具有穿时性，阿卡塔组沉积的大套泥岩，既可作为物质来源，也可作为润滑层，减少底辟上涌的摩擦力；③三角洲扇体规模大且延伸远，海陆间巨大的重力势能差，使沉积物快速堆积，底部泥岩内流体呈欠压实状态，为泥底辟上涌提供强大的驱动力；④水平挤压、水平扭动及断裂等构造运动会使地层产生不协调褶皱或薄弱带，为泥岩向上运动提供通道；⑤大陆基底格局及洋壳的挡板效应，使泥岩能大量堆积在过渡区，处于超压状态下的泥岩会顺断裂突破地层，释放能量，形成泥底辟。

3 泥底辟的演化模式

根据盆地的构造沉积背景及前人对泥底辟演化的研究[29-30]，结合离散元模拟结果，综合得出尼日尔三角洲地区泥底辟构造的演化模式(图6)。

最初，伴随着南大西洋的扩张，发生一系列构造活动，盆地形成中间低两边高的基底形态。海陆交替运动沉积了大套的厚层泥岩，主要的泥岩层阿卡塔组在沉积过程中沿着基底斜坡发生重力滑脱作用，并大量堆积在过渡区内。

随着时间的推移，上覆岩层阿格巴达组泥岩大量沉积，底部的泥岩发生差异压实现象，厚层拆离带发生重力扩展作用，近陆相的伸展带生成大量生长断层，近海相的褶皱冲断带产生一系列褶皱及逆冲断层。最后，顶部的碎屑物继续沉积，泥岩处于超压状态，发生重力滑脱和重力扩展混合作用，大量泥岩顺着断层向上涌起，底辟构造快速发育并广泛展布。

图6 尼日尔三角洲盆地泥底辟的演化模式

4 结 论

(1) 结合西非中段的构造演化事件及尼日尔三角洲盆地的地质背景，可将尼日尔三角洲泥底辟的形成过程可分为泥岩开始沉积、泥岩大套沉积、泥底辟开始发育、泥底辟发育暂停和泥底辟大量发育5个阶段。

(2) 尼日尔三角洲盆地特殊的泥底辟现象实际是低密度高塑性的泥岩向地层上部流动、拱起所形成的穹隆状构造。其形成受控于5个方面：大套的泥岩、底部的润滑层、超压提供的驱动力、构造活动产生的通道及盆地四周高中间低的特殊基底格局。

(3) 根据二维离散元模拟的结果看来，尼日尔三角洲海陆两侧均伴随着断裂特征，向海方向为铲式逆冲断层，以逆冲挤压应力为主。陆源一侧方向为伸展性正断层，以拉张应力为主。总体上，在有一定地层倾角的演化环境中，过渡区位置受坡度的影响，泥底辟规模更大，同时，会提供更大的区域供泥底辟发育，但对于伸展及逆冲断层的数量并不会有较大的影响。新生洋壳的隆起，阻挡了泥层向深海滑动，而是沿着断裂及褶皱向上拱起，释放能量，使得泥底辟数量增多。

(4) 与构造演化相对应，尼日尔三角洲泥底辟的形成模式在时间上可划分为3个阶段：构造演化在第1阶段因脆性沉积岩与泥岩的物理性质不同发生重力滑脱作用；在第2个阶段，由于重力负荷，产生重力扩展作用，塑形泥岩上涌形成泥底辟现象；在第3阶段，重力滑脱与重力扩展作用混合发生，泥底辟大量生成。