下刚果盆地白垩系盐筏物理模拟研究

程 鹏，李江海*，章 雨，王殿举，刘志强

1. 造山带与地壳演化教育部重点实验室，北京大学地球与空间科学学院，北京 100871；2. 北京大学石油与天然气研究中心，北京 100871；3. 中国石化石油勘探开发研究院，北京 100083

盐筏作为一种盐后沉积层剧烈拉伸的构造样式最初由Burollet（1975）在安哥拉的宽扎盆地发现，其主要特征为上覆层伸展断裂形成完全离散的筏状块，筏体之间填充着后续的同构造沉积地层，目前在安哥拉、巴西及墨西哥的被动陆边缘盐盆广泛发育（Burollet，1975; Brun and Fort, 2011；Duval et al., 1992；Piedade et al., 2017；Pilcher et al., 2014; Valle et al., 2001）。盐筏构造的形成是一个重力驱动的过程，地震数据显示坡上盐筏活动时的伸展与坡下盐层流动产生的褶皱与逆冲是同时发生的（Fort et al., 2004；Jackson et al., 2000；Marton et al., 2000）。Valle等（2001） 在研究下刚果盆地东部构造地层演化时指出对整个下刚果盆地乃至整个西非大陆边缘的盐盆，盐筏构造对于盆地后裂谷期的演化都有着重要的影响（Valle et al., 2001）。理解盐运动和沉积之间的相互作用是下刚果盆地勘探成功的关键因素。物理模拟为研究盐筏构造及其相关沉积样式的影响因素提供了一个很好的工具，此外物理模拟可以增进我们对盐构造的理解，从而提高盐构造地震解释的正确度。前人对盐筏构造的物理模拟研究及数值模拟研究，多采用的初始条件为盐上层为自由表面，无沉积覆盖，后续沉积加载方式为进积形 式（Adam and Krézsek, 2012; Ings and Beaumont, 2010; Vendeville, 2005）。本文从下刚果盆地白垩系盐筏的实际地质背景出发，基于物理模拟方法，采用存在前构造沉积层及沉积加载方式为加积的条件，分析了盐筏形成过程中基底倾角及同沉积速率组合对盐筏构造样式的影响，探讨了下刚果盆地白垩系盐筏的形成机制。

1 下刚果盆地区域地质背景

下刚果盆地位于西非被动大陆边缘，沿南加蓬、刚果（布）、刚果（金）和安哥拉海岸西侧分布，下刚果盆地南北界为基底隆起，东界为前寒武系基底，西界位于3000 m水深线附近，面积约15.3×104km2。作为在晚侏罗世至早白垩世冈瓦纳超大陆南部形成的大陆裂谷系统的一部分，下刚果盆地主要经历了裂谷期、过渡期和被动大陆边缘三个阶段，发育三套巨型地层序列（Valle et al., 2001）。裂谷期构造稳定，在巴雷姆至阿普特阶期形成了一个凹陷盆地。过渡期形成广泛分布的厚层盐岩（图1）。Loeme组蒸发岩的形成，也记录了下刚果盆地从陆相裂谷盆地到海相被动边缘盆地的过程（Anderson et al., 2001）。被动大陆边缘期盆地以区域沉降为主，在阿尔布期形成盐上巨型的碳酸盐岩层序，阿尔布期至晚白垩世沉积了泥灰岩和粘土，并主要沉积了晚白垩世的硅质碎屑岩（Oluboyo et al., 2014）。晚白垩世至新生代的盐后沉积主要受阿普特阶盐岩的重力滑脱作用控制（Warsitzka et al., 2016）。

研究区B位于下刚果盆地的东南部，部分位于宽扎盆地（图2）。 研究区B横跨区带包括伸展带及过渡带，构造样式以盐筏为主。穿过盐筏构造的典型剖面b如图2所示（剖面位置见图1）。阿普特阶的盐岩将地层分为上下两套系统，盐下地层反射受到盐层的严重影响。在剖面东部的盐筏滑脱开始之前，最年轻的地层反射同相轴为下阿尔布阶地层顶面，其同相轴明显地旋转和向下弯曲，形成一系列向海方向的正断层，同时多数同相轴严重倾斜接触到基底反射，使得断层的上下两盘完全分离。而在剖面中大部分区域，断层间的地层形成一系列的小筏体。各个筏体之间的距离通常从几百米到几公里不等。阿尔布阶上覆地层的下部，反射同相轴向断层倾斜加宽，形成典型的同沉积构造。由剖面的东部至西部，盐层逐渐变得连续，断裂样式由半地堑变为半地堑与地堑共存。下刚果盆地白垩系盐筏发育期间的主要区域构造活动为过渡期以来的持续热沉降，从而引起基底向海方向的倾斜，海平面的变化在盐岩沉积后的一段时期处于稳定的上升阶段，沉积模式多为退积、加积，沉积速率也相对较大（Séranne and Anka, 2005）。

图1 下刚果盆地研究区位置及综合柱状图（据Marton，2000；Anka，2013）Fig. 1 Distribution of salt tectonic belts in the Lower Congo Basin and location map of the study area

图2 下刚果盆地研究区B地震剖面b及解释剖面Fig. 2 Seismic profile b and interpretation of the profile of Block B in the Lower Congo Basin

2 物理模拟实验模型设计

2.1 模型设置

盐构造物理模拟材料通常选取干燥石英砂模拟脆性沉积地层，高分子硅胶模拟盐岩。实验采用石英砂密度在1.3～1.6 g/cm3之间，粒径150～300 μm。硅胶的粘度为1.2×104Pa·s,密度为0.926 g/cm3。模型长度65 cm、宽度30 cm、硅胶（盐岩）初始长度52 cm，单斜坡底板角度（基底倾斜角度）设置为3°及5°，在向海端设置一底板隆起，来模拟后期火山活动对盐岩形成的阻挡（图3）。盐筏伸展的空间来源一般认为有两种，一是由坡下盐层流动产生的褶皱与逆冲提供；二是海底扩张。下刚果盆地盐筏两个时期的漂移距离可达200 km，单纯的坡下褶皱与逆冲的缩短量很难匹配（Duval et al., 1992）。故结合研究区实际地震资料及前人研究基础，选取盐岩向海侧为自由端，以模拟盐岩沉积早期在没有阻挡的情况下向海扩展。盐岩上覆的同构造活动沉积层的沉积速率则通过间隔固定时间筛入等厚的砂层控制。

图3 盐筏构造物理模拟模型简图Fig. 3 Schematic diagram of the physical modelling model of salt rafts

2.2 相似条件

为了研究自然尺度的地质现象及地球动力学过程，物理模拟通过将地质尺度的时间与空间缩小到实验室尺度来重现自然条件下无法观测到的变形过程，相似原则由伽利略早在几个世纪以前提出，Hubbert（1937）首次将其应用到了构造物理模拟实验中。

相似的基本特征包括几何（空间）相似、运动（时间）相似、动力（物理）相似。其中几何相似指的是自然原型与设计模型的几何尺寸对应长度均保持一个固定比例，几何相似是其他相似的前提。在几何相似的基础上，运动相似（速度方向相同，大小成比例）只需要确定时间比例即可（Jackson and Hudec, 2017）。动力相似需要物体对应受力的性质和类型相同、方向相同，大小成比例。通常情况下，三种相似之间的关系通过力学基本定律来约束（Allen and Beaumont, 2012）。那么当其中任意三个相似比例被确定，最后一个则可由公式导出。依据相似原则，实验环境下的重力系数g与自然条件下一致，gr不变等于1；长度系数 lr=0.25×10-5，即实验条件下1 cm约等于自然条件下4 km；密度系数 ρr≈0.5，即实验条件下的平均密度约为自然条件下一半；粘度系数 μr≈1.2×10-15。依据公式（1）

可得到实验条件下1 h约为自然条件下10 Ma。

3 物理模拟实验过程及结果

3.1 实验1

实验1设计目的为观测无差异负载沉积的情况，盐岩在底板倾斜条件下的运动规律。初始铺设暗色硅胶（盐岩层）厚度约1 cm，等厚的红白相间标志砂层（前构造沉积层）厚度约为2 cm，覆盖在盐层之上。实验开始后抬升底板角度至5°，同时每隔30 min记录平面构造变化，实验总时长7 h。由实验过程及结果可知，伸展断裂最早出现在近陆端，并逐渐向海发展，随着断裂距离的增大，被两组断裂完全隔开的前构造沉积层，形成了一个个的“筏”，漂浮在盐层之上。观测断裂的最终分布可见，断距最大的断裂出现在断裂群的中部，断裂凸向指向陆地一侧，盐岩随着断裂的扩展涌出地表（图4）。

图4 下刚果盆地白垩系盐筏物理模拟1结果Fig. 4 Results of the physical modelling 1 of the Cretaceous salt rafts in the Lower Congo Basin

3.2 实验2

实验2设计目的为观测在后续快速沉积的情况下，盐筏构造的演化规律。初始条件与实验1相同，铺设盐岩层厚度约1 cm，等厚的前构造沉积层厚度约为2 cm。实验开始后抬升底板角度至5°，同时进行后续沉积层的快速加载（ 绿白相间标志砂层，沉积间隔20 min，共4次）。观测实验过程及结果，后续沉积的加载使得盐岩的上涌趋势被抑制，同时断裂的扩展速度也有所减慢。但伸展断裂仍是由陆到海的发展趋势，靠陆一端的断裂伸展不够充分，形成上下盘相接的前盐筏构造样式。而在断裂群的中部，盐构造沉积层在上下盘则完全脱离，形成盐筏。断裂的最终分布在平面上凸向仍是指向陆地一侧，在剖面上可见向海倾斜的多米诺式断层，盐筏及断裂集中在近陆端（图5）。

图5 下刚果盆地白垩系盐筏物理模拟2结果Fig. 5 Results of the physical modelling 2 of the Cretaceous salt rafts in the Lower Congo Basin

3.3 实验3

实验3设计目的为观测在后续沉积相对较慢的情况下，盐筏构造的演化规律。初始条件与实验1相同，铺设盐岩层厚度约1 cm，等厚的前构造沉积层厚度约为2 cm。实验开始后抬升底板角度至3°，同时慢速加载后续沉积层（沉积间隔2 h，共4次）。观测实验过程及结果，伸展断裂仍是由陆到海的发展趋势，由于较低的倾斜角度及后续的缓慢沉积，断裂得到充分的伸展，同时所有的盐构造沉积的筏体在上下盘则完全脱离。在剖面上形成堑垒式的断层，盐筏及断裂分布的更广（图6）。

图6 下刚果盆地白垩系盐筏物理模拟3结果Fig. 6 Results of the physical modelling 3 of the Cretaceous salt rafts in the Lower Congo Basin

4 讨论

盐构造活动的触发机制一般认为有两种：重力扩展及重力滑脱，然而对不同盐构造形成过程中，重力滑脱作用与差异负载作用仍有争论（Brun and Fort, 2011, 2012; Rowan et al., 2012）。前人的研究表明，在盐岩为自由表面（即无前构造沉积），同时后续沉积为进积的情况下（即差异负载作用为主），即使无倾斜角度，一样可以形成类似的盐筏构造（Adam and krézek, 2012; Ings and Beaumont, 2010; Vendeville, 2005; Gaullier and Vendevile, 2005）。但基于实际地震剖面的解释成果表明，下刚果盆地研究区内的白垩系盐岩之上是存在前构造沉积层的，盐岩在未活动之前已被覆盖，并非自由表面，此外后续的地层沉积方式也未见到进积的形式（图7a，c）。物理模拟实验的结果显示，盐岩在倾斜底板上，即使没有差异负载作用，依然是可以流动。可以认为，触发下刚果盆地盐筏构造活动的动力为基底下倾引起的重力滑脱。

图7 下刚果盆地过盐筏地震剖面与模拟结果对比（地震剖面a位置见图1）Fig. 7 Comparison of seismic profiles and modeling results of the salt rafts in the Lower Congo Basin

盐筏构造演化受到多种因素影响，包括初始盐层厚度、前构造沉积层厚度、基底形态及倾角，同沉积速率等等，但其中最为关键的控制因素为盐岩滑脱面倾角及同沉积速率，它们共同作用控制了盐筏的漂移距离以及筏间填充的沉积构造样式。沉积速率相对较快形成向海倾斜的多米诺式断层，筏体向陆倾斜明显，断裂集中在近陆端，未完全脱离的筏块形成前盐筏构造（图7b，d）。沉积速率较慢时形成堑垒式的断层，筏体间距较大，完全分离（图6）。

下刚果盆地研究区A（位置见图1）内发育的白垩系盐筏具有多米诺式的向海倾斜断层，同时产生多种盐筏与前盐筏构造（图7c）。对比实验二模拟结果与下刚果盆地的实际地震剖面具有较高的符合度，推测下刚果盆地的盐筏构造应为沉积速率相对较快条件控制下形成的。

5 结论

（1）沉积负载不是盐筏形成主要因素，下倾时盐岩能够在没有任何差异荷载的情况下流动形成前构造沉积层的伸展断裂。触发盐岩流动的动力为基底下倾引起的重力滑脱。

（2）盐岩滑脱面倾角大小控制盐筏滑移速率，而同构造沉积层后续沉积速率则控制筏体间的充填样式，盐筏的滑脱速率及沉积速率共同控制了盐筏及筏间沉积的构造样式。

（3）当沉积速率相对较快时易形成多米诺式的前盐筏及盐筏，而沉积速率相对较慢时易形成堑垒式的盐筏，地震解释结果与物理模拟结果表明下刚果盆地白垩系盐筏为沉积速率相对较快时控制形成。

致谢：感谢成都理工大学国土资源部构造成矿成藏重点实验室提供的物理模拟实验设备、材料以及在物理模拟实验开展过程中提供的热心帮助。