被动大陆边缘盐构造研究进展

葛智渊

1) 中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京, 102249;

2)中国石油大学(北京)地球科学学院,北京, 102249

内容提要:被动大陆边缘的含盐盆地多在重力作用下发育薄皮盐构造。 这些构造不但记录了盆地的演化过程,而且往往富含大量的油气资源。 因此,被动陆缘盐构造是学术界与工业界共同关注的热点。 在传统的被动陆缘含盐盆地模型中,盆地主要在重力作用下形成上坡的拉张区,下坡的挤压区和两者之间的转移区。 近年来,国际学术界围绕重力变形在盆地中的作用机制展开了诸多探讨和研究。 重力变形在含盐盆地中主要有盆地倾斜控制的重力滑脱和沉积楔差异负载控制的重力扩展。 尽管在演化早期盆地的水深较浅,沉积物厚度较薄,沉积物差异负载的驱动力较弱。 但是,由热沉降主导的盆地倾斜在早期倾角较小,其驱动力也不强。 因此,这两种变形机制都有可能占据主导地位,而且往往共同控制盆地演化。 此外,现有概念模型中盆地中段的转移区在自然界中较为少见。 最新研究试图从盐下地貌与沉积模式两个方面来寻找盆地中间地带盐构造广泛发育的原因。 最后,由于概念模型是静态的,难以反映构造区迁移和盆地多期次演化的动态特点。 在实际的盆地中,被动陆缘盐构造的控制因素可能有多个,所形成的构造样式也较为复杂。 总体而言,被动陆缘盐构造的研究进展并未脱离盆地倾斜和沉积物差异负载这两个基本控制因素,但在两者的时空变化上有许多新的发展。 此外,相较于盆地倾斜,沉积物这个控制因素的系统性研究较少,可能是下一步研究的重点方向。

由于蕴含丰富的油气资源,含盐盆地很早就受到石油工业界的关注(贾承造等, 2003; Hudec and Jackson, 2007)。 随着研究的深入,越来越多的证据表明,由于盐岩在大时间尺度上的黏流(viscous flow) 特征(Weijermars et al., 1993;Jackson and Vendeville, 1994),盐岩层,特别是巨厚的盐岩层能从根本上改变盆地的构造样式,因而对整个盆地的构造演化产生重要的影响 (Jackson et al., 1994)。在这些含盐盆地中,被动大陆边缘含盐盆地,由于其复杂多样的地质现象和巨大的石油储量而成为学术界与工业界关注的热点(Jackson et al., 1994; 汤良杰等, 2005; Brun and Fort, 2011; Rowan, 2014;温志新等, 2018)。 被动陆缘的盐构造,也因其记录了盆地的几何学,运动学和动力学过程而成为相关研究的核心内容。 被动大陆边缘盐构造主要是由重力驱动的薄皮构造(Rowan et al., 2004; Brun and Fort, 2011; 王殿举等, 2019)。 被动大陆边缘盐构造主要的驱动机制有两种:第一,陆缘倾斜形成压强差使盐上地层在盆地尺度上发生滑脱变形(gravity gliding)(图1a、b)(Cobbold and Szatmari, 1991; Fort et al., 2004; Rowan et al., 2004; Brun and Fort, 2011);第二,沉积楔差异负载形成压强差而导致的扩展变形(gravity spreading)(图1c、d)(McClay et al., 1998; Rowan et al., 2004; Gemmer et al., 2005; Vendeville, 2005; Rowan et al., 2012)。

图1 被动大陆边缘含盐盆地重力变形模式与驱动力(基于Allen et al., 2016 与Hudec and Jackson, 2007 修改):(a) 由于盆地整体倾斜而驱动的重力滑脱变形;(b) 由于盆地整体倾斜而形成的压力差;(c)由沉积体表面坡度形成差异负载驱动的重力扩展变形;(d) 由沉积体表面坡度形成的压力差。h,H分别为盐上盖层与盐层的垂向厚度。ρc,ρs为盐上盖层和盐岩层的密度Fig. 1 Modes of gravity-driven deformation in passive margin salt basins(modified after Allen et al., 2016 and Hudec and Jackson, 2007): (a) gravity gliding driven by margin tilting; (b) hydraulic head gradient caused by margin tilting; (c) gravity spreading driven by differential sediment loading; (d) hydraulic head gradient caused by the surface slope of a sedimentary wedge.h,Hare thickness of the supra-salt cover strata and the salt.ρc,ρsare density of the supra-salt cover strata and the salt

学术界普遍认同这两种驱动机制在被动陆缘含盐盆地中的重要性。 然而,对于哪种机制在自然界占据主导地位却存在争议。

第一,有观点认为陆缘倾斜驱动占据主导地位,而沉积物差异负载是相对次要的控制因素。 例如,Brun 和 Fort (2011)认为,差异负载所需要的沉积物厚度较大,但被动陆缘演化早期盆地水深较浅,沉积物的可容空间有限。 因此,沉积物差异负载在盆地早期作用并不显著。 同时,与陆缘倾斜相比,差异负载需要的条件也更苛刻,要有足量的沉积物供给和不断地压实作用。 作者进一步指出,就实例研究而言,典型的由沉积物差异负载单独控制的盐构造在自然界中非常少见,并讨论了北墨西哥湾盐构造发育过程中陆缘倾斜的作用。

第二种观点则把两种重力驱动方式摆在同等重要的位置。 以Rowan 等 (2012)为代表的意见认为,沉积系统进积所形成的盐构造并不罕见。 并以同样以北墨西哥湾为例,说明尽管陆缘倾斜在中生代是盐构造的主控因素,但沉积物差异负载在其新生代的盐构造演化中占据主导地位。 因此,他们认为尽管陆缘倾斜的作用机制也很重要,在诸多含盐盆地的构造演化中占主导地位,但沉积物差异负载在局部地区,或者某个时间段内,也可以主导盐构造的变形。

其他实例研究进一步表明,在同一地区中,其盐构造模式也可能完全不同。 主要控制因素可以由沉积物进积变成陆缘倾斜,体现了盐构造控制机制的空间复杂性(Allen et al., 2016)。 此外,被动陆缘盐盆的概念模型也有一些与实际盆地构造样式不符合的地方。 例如,概念模型中的转移区在自然界的盆地中很少见到。 最后,被动陆缘的盐构造往往有多个控制因素作用留下的痕迹,但这样的多控制因素特征在现有的模型中未有体现。

这些争论和问题都表明被动大陆边缘重力驱动的盐构造在机制和演化规律上尚有许多不明确的地方。 本文将从被动陆缘含盐盆地的构造模型发展史出发,梳理近年来被动陆缘含盐盆地的研究进展,介绍现有研究争论的焦点。 本文力图阐明被动陆缘盐构造的控制机制和构造样式在时间和空间上的复杂性与多样性。 因此,判断盐构造具体的主控因素时需要考虑到诸多的可能性。 除此之外,本文还指出了目前研究对沉积系统内在多样性研究不足。 沉积速率、沉积坡度、沉积连续性等因素对盐构造的影响尚不十分清楚。 而这些不足也限制了我们对被动陆缘盐构造的进一步理解。

1 重力驱动的薄皮盐构造系统

1.1 被动陆缘经典薄皮盐构造模型的形成

被动大陆边缘盐构造在油气系统中的重要性很早就被人们所认识,例如墨西哥湾发现的油气资源超过七成都与盐构造相关(戈红星, Jackson, 1996)。 因此,早期对盐构造的研究集中于盐底辟、盐枕、盐背斜等与油气密切相关的构造样式(Jackson et al., 1994)。 相应的,早期的盐构造理论也侧重于解释以盐底辟为主的盐构造形成机制。 当时的主流观点认为这类盐构造的主要驱动力是上浮机制。 即由于盐岩层与其上覆盖层间密度反转,岩盐密度小于上覆岩层,从而导致两种不同密度流体间的瑞利—泰勒(Rayleigh—Taylor) 不稳定性(Nelson, 1991; Weijermars et al., 1993; 戈红星, Jackson, 1996)。 但是在多数地质条件下,盐上盖层并不具有很强的流动性。 相反,盐上岩层在大多数情况下表现出良好的脆性(Weijermars et al., 1993)。 因此,基于该机制的盐构造解释被学术界逐渐放弃。 另一方面,虽然正断层系统很早就在被动陆缘的盐底辟周围被发现(Burollet, 1975),但相关研究并未把断层和盐底辟关联起来分析。 随着地震成像技术的不断进步和石油勘探在盐构造地区的进一步展开,越来越多的实例研究表明,被动陆缘的薄皮拉张跟盐构造的形成有一定的相关性(Worrall and Snelson, 1989)。 这一点最终被物理模拟实验所证实,表明上覆脆性岩层在水平方向的拉张可以引起下部黏性盐流向上的刺穿(Vendeville and Jackson, 1992a, b)。 即盐上盖层的构造变形控制了盐构造的形成。 在同一时期,更多的地震数据和物理模拟实验都表明,薄皮拉张不但对盐构造的形成很重要,而且在盆地尺度上这些拉张构造聚集形成了拉张区。 这些拉张构造往往十分显著,在极端情况下会形成 “盐筏”(raft)。 即早期盐上盖层在剧烈的拉张下导致各个断块之间完全脱离,变成独立漂流在盐岩上的‘筏子’ (图2) (Duval et al., 1992; Lundin, 1992; Mauduit et al., 1997; Mauduit and Brun, 1998)。 同时,这些物理模拟实验还揭示了与拉张构造相对应,在滑脱系统另一端的盆地下坡发育了一系列挤压构造(图2) (Cobbold et al., 1989; Cobbold and Szatmari, 1991; Demercian et al., 1993; Fort et al., 2004; Rowan et al., 2004; Brun and Fort, 2011)。

图2 被动大陆边缘含盐盆地构造分区概念模型:上坡的拉张区与下坡的挤压区通过两者之间的转移区相连接(基于Rowan et al., 2004 修改)Fig. 2 Conceptual model of domain partition in passive margin salt basins: note the upslope extension and downslope contraction is connected by the mid-slope translational domain (modified after Rowan et al., 2004)

通过分析地震数据上的褶皱、逆冲断层和盐推覆等挤压构造,被动陆缘薄皮盐构造中挤压端的构造样式与演化过程也被地质学家逐渐了解(Cobbold and Szatmari, 1991; Brun and Fort, 2004; Rowan et al., 2004; Dooley et al., 2007; Duffy et al., 2018)。到了21 世纪初,经过诸多地质学家的努力,被动大陆边缘含盐盆地的薄皮构造模型已经基本成形(图2)。 该模型被学界和工业界广泛接受的同时,也在实际勘探中展现出巨大的应用价值。 在相关理论指导下,大量的油气资源在大西洋两侧的含盐盆地中被发现。 例如美国墨西哥湾的深水区,巴西的桑托斯盆地,西非的下刚果和宽扎盆地等(贾承造等, 2003; 郭建宇等, 2009; 刘祚冬和李江海, 2011)。

1.2 被动陆缘含盐盆地的经典构造模型

被动大陆边缘含盐盆地中重力驱动的薄皮构造,在盆地尺度上可以分为上坡的拉张区,中间的转移区(translational domain)和下坡的挤压区(图2) (Fort et al., 2004; Brun and Fort, 2011; Dooley et al., 2018)。 拉张区主要发育正断层、铲式断层、盐筏、拉张型盐滚和盐底辟等(图3a—d)(Fort et al., 2004; Brun and Fort, 2011)。 挤压区的构造样式主要有逆冲断层,褶皱和盐推覆等(图3e—h)(Brun and Fort, 2004; Rowan et al., 2004)。 中间的转移区一般较少有构造变形,多是发育一些以盐底辟等为主导的构造(Fort et al., 2004)。

图3 被动大陆边缘含盐盆地典型的拉张和挤压构造(基于Jackson et al, 1994 和 Rowan et al., 2004 修改):(a)龟背构造;(b)滚动断层;(c)次动盐底辟;(d)被动盐底辟; (e)挤压盐底辟;(f)褶皱;(g)盐推覆;(h)逆冲断层Fig. 3 Typical extensional and contractional structures in passive margin salt basins (modified after Jackson et al., 1994 and Rowan et al., 2004): (a) turtle structure; (b) rollover; (c) reactive diapir; (d) passive diapir; (e) contractional salt diapir; (f) folding; (g) salt nappe; (h) thrusts

尽管含盐与不含盐的盆地在构造样式上许多共性,但岩盐的流动性使得在具体构造形态上,含盐与不含盐的构造有很大不同。 例如在拉张区,盐岩的存在,使得断层的上下盘都可变形,因而在断层上下盘都发育褶皱(图4)(Jackson and Hudec, 2017)。相比之下,不含盐盆地的正断层上盘发育褶皱(背斜),断层下盘地层不发生变形。 在挤压区,不含盐的褶皱与逆冲断层带中的主要断层倾向往往集中于挤压方向。 而含盐挤压带的褶皱与逆冲断层带中断层倾向多变(图5)(Rowan et al., 2004)。 盐岩层的厚度也对盐构造的样式具有明显影响。 在盐层较薄的时候,盐岩层更多起到滑脱层的作用(Jackson and Hudec, 2017)。 例如,在盐盆边缘盐层较薄的拉张区多发育铲式断层和盐滚(图3b),而与拉张相关的盐底辟等构造不常见。 而当盐层较厚的时候,盐岩本身的黏流特性使其容易在应力作用下集中,在拉张区形成典型的次动或者被动盐底辟(图3c、d),而在挤压区形成盐席和盐推覆等构造 (Vendeville and Jackson, 1992a; Rowan et al., 2004)。

图4 含盐与不含盐的正断层形态比较(基于Jackosn and Hudec, 2017 修改):(a)不含盐的拉张系统中的滚动断层,注意变形区集中在断层上盘;(b)含盐的滚动断层,注意其断层的上下盘都发生了不同程度的变形褶皱Fig. 4 Comparison of extensional faults in salt-influenced and salt-free setting(modified after Jackosn and Hudec, 2017): ( a) rollover in salt-free setting, note the deformation only occurs in the hanging wall; (b) rollover in salt-influenced setting, note the deformation occurs in both hanging wall and footwall

图5 含黏流层与不含黏流层的褶皱冲断带物理模拟结果比较,其脆性岩层由石英砂模拟,黏流盐岩由聚合硅树脂模拟(基于Rowan et al., 2004 修改):(a)不含黏流层的褶皱冲断带,注意逆冲断层倾向多倾向于挤压方向;(b)含黏流层的褶皱冲断带,注意逆冲断层的倾向多变。 关于其动力学机制,请参考Davis and Engelder, 1985Fig. 5 Comparison of analogue models of fold and thrust belts without and with viscous layer (salt) (modified after Rowan et al., 2004): (a) Fold and thrust belt without a viscous layer. Note the dominant vergence of the thrusts; (b) Fold and thrust belt with a viscous layer, note no preferred vergence among the folds and thrusts. For detailed mechanical analysis, please refer to Davis and Engelder, 1985

2 经典被动陆缘薄皮盐构造模型的争论与发展

被动陆缘含盐盆地的薄皮构造模型在很大程度上取得了成功。 上坡的拉张区和下坡的挤压区在美国墨西哥湾(Peel et al., 1995)、巴西沿岸 (Cobbold and Szatmari, 1991; Davison, 2007)、西非安哥拉沿岸等含盐盆地中都有发现(Marton et al., 2000; Tari et al., 2003)。 但地质演化的复杂性使得在具体构造形态上,被动陆缘的盐构造差异很大。 相应的,对于这些盐构造的解释还存在着许多争议。

2.1 关于重力变形模式与驱动机制的争论

被动大陆边缘含盐盆地的重力变形模式主要有两种,重力滑脱和重力扩展。 根据构造地质学的定义,重力滑脱(图6a),即盐上盖层顺着盐层滑动,位移矢量与滑脱层平行;重力扩展(图6b),即盐上盖层在自身表面坡度的重力作用下发生垂向垮塌,从而推动下部地层横向运动导致的变形(Ramberg, 1981)。 然而,在实际的盐构造中,区分这两种变形模式是十分困难的(Schultz-Ela, 2001)。 例如,滑脱层本身可能有坡度变化,并不一定是一个平面;而盐上盖层在沉积时的沉积坡度也往往有一定变化,并不是完全水平或倾斜的(图6c)。 因此,实际运用中,这两者的界定十分模糊。 为解决这个问题,有研究从重力势能变化和岩盐流动特征来分析两种变形模式的不同(Peel, 2014; Weijermars and Jackson, 2014)。 但在实际操作中,这些分析方法有许多限制条件,实施起来较为困难。 因此,另一套更易于实践的定义在盐构造分析领域逐渐占据主导地位。 该定义主要根据驱动力分类:由滑脱层坡度即盆地盐下基底倾斜驱动的变形定义为重力滑脱;而由沉积物坡度,即盐上盖层表面倾角导致差异负载所驱动的变形定义为重力扩展(Raillard et al., 1997; Rowan et al., 2004)。 在该定义下,重力滑脱可以简单地认为是由盆地倾斜控制,而重力扩展则由盐上沉积系统的沉积坡度控制。 这样相对简化的边界条件为分析含盐盆地重力变形模式带来了可操作性。但也正如前文所提到的,这也引发了一场关于重力驱动机制的讨论(Brun and Fort, 2011; Rowan et al., 2012)。 这场讨论的核心内容是盐上沉积物是否能够主导被动陆缘的薄皮盐构造变形。

图6 重力驱动的构造模式(基于Rowan et al., 2004 修改):(a)重力滑脱,注意地层顺层运动,方向一致;(b)重力扩展,在斜坡高处的地层向下垮塌并驱动其下的地层水平地滑动;(c)混合模式,即重力滑脱与重力扩展同时发生,这也是实际盐盆中最为常见的模式;Fig. 6 Modes of gravity-driven deformation (modified after Rowan et al., 2004): (a) gravity gliding, note the parallel movement of the rock mass above detachment; (b) gravity spreading driven by vertical collapse of the rock mess in the upslope and horizontal movement of nearby rocks; (c) mixed mode of deformation, which is often observed in nature

盐盆倾斜通常由板块运动相关因素所控制,因而产生的倾斜往往是盆地尺度的。 例如,盆地在后裂谷期不均衡的热沉降,或者基底的隆升都能使盆地的倾角发生变化(Hudec and Jackson, 2004; Rowan et al., 2004; Brun and Fort, 2011)。 由于被动陆缘盆地的长度往往在200 ～500 km 之间,轻微的盆地倾斜就能产生比较大的高度差(图1b) (Brun and Fort, 2011)。 例如,0. 5°的盆地倾斜在(倾向方向)300 km 长的盆地上能产生约2.6 km 的高度差。 而盐的黏流特性使得这样的高度差能产生非常大的压强差促使盐岩向低压区流动,整个盐上盖层也随之滑动变形。 相比之下,沉积物产生的压强差主要来自于沉积楔厚度和表面坡度变化形成的差异负载。 一般沉积楔坡度较缓(<5°)(Carvajal et al., 2009; Patruno and Helland-Hansen, 2018),而且沉积楔厚度的增加速率比较缓慢,因而有学者认为沉积物在被动陆缘的含盐盆地中无法成为主要的控制因素(Brun and Fort, 2011)。 然而,最新的物理模拟研究表明,在盆地演化过程中,被动陆缘倾斜的程度也是逐渐增加的。 例如,通常热沉降主导的盆地倾斜往往要持续几十个百万年(图7)。 相应的,在含盐盆地演化早期,被动陆缘倾斜控制的驱动力也较弱(Ge Zhiyuan et al., 2019a,b)。 另一方面,尽管沉积物的平均累积速率较慢,但是被动陆缘沉积物的供给速率并不是恒定的。 在物源区发生构造隆升或者面积急剧变大时,沉积物供给速率和绝对量会非常高(Carvajal et al., 2009)。 更重要的是,在有构造运动,海平面变化或者碳酸盐沉积的时候,沉积楔上表面的坡度最高可以达到30°左右(Ross et al., 1994),足以为盐岩流动提供所需的压强差(图1d)。

图7 被动陆缘沉降曲线比较,注意所有曲线中的沉降量都随着时间增加而逐渐增大(基于Ge Zhiyuan et al., 2019b 修改):① 南海陆缘; ② 摩洛哥陆缘; ③ 加纳陆缘; ④ 西澳大利亚陆缘; ⑤ 美国大西洋陆缘; ⑥ 坎波斯盆地,巴西陆缘Fig. 7 Comparison of subsidence curves among different passive margins (modified after Ge Zhiyuan et al., 2019b): ① South China Sea margin; ② Moroccan margin; ③ Côte d’Ivoire-Ghana margin; ④ Western Australia margin; ⑤ U.S. Atlantic margin; ⑥ Campos Basin, Brazilian margin;

在被动陆缘的盐盆中,由于重力滑脱和重力扩展两种变形机制都有驱动力大小的变化,最终的盆地构造演化过程往往是两者共同作用的结果。 但在某个具体的时间段内,单个变形机制可能占主导地位。 例如,在巴西桑托斯盆地的阿尔布阶缺口问题上(Albian Gap),最新研究认为其形成过程中由两种变形机制共同控制(图8)。 而且在不同的时间段中,主控因素在盆地倾斜控制的重力滑脱和沉积楔控制的重力扩展中来回切换(Pichel and Jackson, 2020)。 到目前为止,陆缘倾斜及其所控制的拉张和挤压构造已有较多的研究成果(Cobbold et al., 1989; Cobbold and Szatmari, 1991; Demercian et al., 1993; Duval et al., 1992; Mauduit et al., 1997; Fort et al., 2004; Rowan et al., 2004; Dooley et al., 2007; Brun and Fort, 2011; Quirk et al., 2012; Duffy et al., 2018; Ge Zhiyuan et al., 2019a, b; 王殿举等, 2019)。 相比之下,尽管有一些研究着眼于沉积系统对盐构造的控制作用,例如沉积物的加积和进积,沉积中心的迁移等等(Ge Hongxing et al., 1997; McClay et al., 2003; Gemmer et al., 2004; Krézsek et al., 2007; Gradmann et al., 2009)。 但是,由于沉积系统相关的变化因素较多,其中的大多数参数对重力变形的具体影响仍不十分清楚。 例如,沉积速率、沉积坡度和进积速率中,哪个参数相对较为重要? 沉积系统的退积作用对盐构造演化有怎样的影响? 另外,现有的相关物理模拟研究中,模拟沉积物的材料添加往往有较长的间隔时间,而沉积楔的几何形态模拟也有较多的限制。而在相关数值模拟研究中,尽管没有以上物理模拟的限制因素,但对沉积系统相关的控制因素也未见深入讨论。 总的来说,沉积物在被动陆缘演化中主导盐构造变形的能力不容忽视, 但是具体过程还需要进一步深入研究。

图8 巴西桑托斯盆地阿尔布阶缺口的运动学模型,注意由沉积驱动的挤出式滚动断层和由薄皮拉张驱动的滚动断层相比,两种不同的生长地层几何形态。 挤出式滚动断层(expulsion rollover)是沉积物进积对盐岩产生的挤出效应,具体请参考Ge Hongxing et al., 1997。 基于Pichel and Jackson, 2020 修改Fig. 8 Kinematic model of the Albian Gap in the Santos Basin, Brazil. Note the different geometries of growth strata between sediment-driven expulsion rollover and thin-skinned extension. For more information of expulsion rollover, please refer to Ge Hongxing et al., 1997. Modified after Pichel and Jackson, 2020

2.2 转移区中盐构造的变形机制

另一个对被动陆缘含盐盆地构造模型的挑战是模型中转移区的特征与实际地质资料并不完全符合。 该模型中的拉张区与挤压区之间包含一段过渡区或者转移区(图2),即应力相对平衡,未见明显拉张和挤压,甚至是少有构造变形的区域(Fort et al., 2004; Rowan et al., 2004; Brun and Fort, 2011; Adam et al., 2012; Dooley et al., 2018)。 但正如有研究指出,在实际的地质资料中,这样的过渡区域是罕见的。 拉张区与挤压区之间往往存在着大量的断层、盐底辟和微型盆地(Ge Zhiyuan et al., 2019a)。因此,如何解释这段区域的变形机制也在近年来为学术界所关注。 目前的主要思路依然是从两种基本的重力变形模式出发,即从盆地基底的控制因素和盐上盖层的控制因素来解释该区域的构造变形。

如上文所述,盐盆基底倾角主要控制重力滑脱。现有概念模型中的基底比较平滑,并被简化为单一的滑脱层。 但在实际的盆地中,盐层的底部往往是不平滑的,常常保留了裂谷期残留的部分地貌。 有些时候,盆地基底也会受到后期板块运动的影响而发生变形。 因此,盐层的厚度由于盐下地貌的因素会有剧烈的变化。 在地貌较高的地方盐层较薄,而在地貌较低的地方盐层较厚。 例如西非的宽扎盆地中,早期的盐盆就分为盐层较薄的里宽扎盐层和盐层较厚的外宽扎盆地,而且其基底在后期还进一步受到隆升作用的影响发生倾斜(Jackson and Hudec, 2005)。 早在20 世纪90 年代初,就有物理模拟研究指出盐下地貌能影响盐上盖层的构造样式。 例如盐下阶梯状的陡坡会影响盐上盖层的拉张模式,使上覆盖层的拉张构造集中到陡坡之上,并沿着其走向展布。 此机制被用来解释几内亚湾盐上盖层中正断层走向的多样性(Gaullier et al., 1993)。 近年来,更多的数值和物理模拟表明,在基底坡度剧烈变化处,由于盐层厚度的变化,盐层中应变分布也会发生相应变化。 盐上盖层在远离盐下阶梯或斜坡时会发生局部拉张和局部挤压,而在阶梯上时则发生盐层增厚引起的拉张(图9)(Dooley et al., 2018)。 因此,当盐下地貌是单向斜坡的时候,在转移带区域,由于盐上盖层的单向运动,会形成有明显几何特征的构造样式,如斜坡上的向斜微型盆地(图10)(Jackson and Hudec, 2005)。 而多个距离接近的地貌隆起也会使盐上地层不断产生局部的拉张和挤压,正如在巴西桑托斯盆地所发现的那样(Pichel et al., 2018)。 有些盐下地貌还会影响整个薄皮盐构造系统。 在地中海的西北部,盐盆中央的海山把盐盆分成了两个次盐盆。 这两个次盐盆形成各自独立的薄皮拉张挤压系统(图11)。 但在远离海山的地方,两个次盆地的又连在一起,构成单一的薄皮构造系统(Ferrer et al., 2017)。

图11 盐下海山隆起后重力滑脱的物理模拟结果示意图,海山将盐盆分成了两个有各自拉张与挤压系统的次盆地(基于Ferrer et al., 2017 与Duffy et al., 2020 修改)Fig. 11 Analogue modelling result of a seamount growth at the beginning of gravity gliding, note the seamount dividing the basin into two sub-basins with each sub-basin having a linked extensional and contractional system respectively (modified after Ferrer et al., 2017 and Duffy et al., 2020)

图10 盐上盖层单向运动时盐下斜坡对盐上盖层的影响示意图,可见两个斜坡向斜盆地与斜坡1 与斜坡2 相对应(基于Jackson and Hudec, 2005 修改)。 更详细的斜坡向斜盆地发育过程请参考Jackson and Hudec, 2005Fig.10 Ramp syncline basin formed by translation of supra-salt strata over base-salt ramps, note the correlation between the two ramp syncline basins and two ramps 1 and 2 (modified after Jackson and Hudec, 2005). For more detailed explanation, please refer to Jackson and Hudec, 2005

图9 盐下地貌对未变形的盐上盖层的影响示意图(基于Dooley et al., 2018 和Duffy et al., 2020 修改):(a)早期,盐流在地貌高处因通道变小而聚集,使盐层增厚,在地貌高处到低处则因盐流加速而拉张;(b)晚期,地貌高处盐层加厚导致盐流速度加大,最终使盐上地层拉张,在另一边,盐向地貌低处继续流动,拉张的地堑经过挤压带发生挤压Fig. 9 Schematic diagram illustrating the influences of basesalt relief on the overlying supra-salt strata (modified after Dooley et al., 2018 and Duffy et al., 2020): (a) in the early stage, a flux of salt flows into the upslope side of the base-salt high thickens the salt. The salt flow velocity increases on the other side of the high resulting in extension of the supra-salt strata; (b) in the late stage, the thickened salt in the upslope result in higher velocity of salt flow, pulling the supra-salt strata apart. In the downslope side, the extensional graben translates to the compressional hinge experiencing contraction

沉积物的沉积模式,作为另一个重要的控制因素,也会使转移区的盐上盖层发生变形。 例如,沉积楔的进积过程会使上坡的拉张区和下坡的挤压区往进积方向整体迁移,从而使中间的过渡区发生变形(Brun and Fort, 2011; McClay et al., 1998)。 另外,也有研究表明,沉积物并不总是在盆地里连续分布。例如,碳酸盐的沉积往往是局部的。 因此,含盐盆地早期的上覆地层本身可能就是不连续的(图12),从而使转移带在一开始就存在沉积主导的微型盆地和盐底辟 (Ge Zhiyuan et al., 2019a)。

图12 盐上盖层不连续沉积地层在薄皮盐构造中的影响(基于Ge Zhiyuan et al., 2019a 修改):(a)经典模型中转移带的连续地层; (b)实际盐盆中沉积物可能在转移带并不均一分布,早期即形成微型盆地和盐底辟Fig. 12 The impact of discontinuous supra-salt strata on thin-skinned salt tectonics( modified after Ge Zhiyuan et al., 2019a): (a) continuous supra-salt strata in classic conceptual model; (b) discontinuous supra-salt strata in the translational domain forming minibasins and diapirs from the beginning of thin-skinned salt tectonic deformation

总地来说,尽管现有的研究已经为转移区的变形提供了几种解释机制,但到目前为止并未对该问题形成共识。 盐下地貌对转移区的改造依赖于地貌和其上盐层厚度的快速变化,但这样的条件并不是所有的被动陆缘盆地都能满足。 而另一方面,进积和不连续沉积的相关研究还是以物理模拟为主,缺少具体而详细的实例分析。 因此,沉积系统对转移区变形的控制还有待未来更多研究进一步探索。

2.3 盐构造控制因素的变化与盆地的多期次演化

被动陆缘含盐盆地在构造上的复杂性还体现在陆缘倾斜与沉积这两个控制因素在时空上的变化。但是,现有的静态模型并未包括这一类变化。

具体来说,第一,在陆缘倾斜主导下,拉张区与挤压区本身会扩展和收缩。 相应的,两者在盆地中的位置也会不断变化。 利用物理模拟,Ge Zhiyuan等(2019b)阐明了陆缘倾斜控制下的拉张区由盆地上坡向下坡扩展的机制(图13)。 类似的,盆地下坡的挤压区也首先会先向盆地下坡扩张,然后再向盆地上坡扩张(图13)(Fort et al., 2004; Ge Zhiyuan et al., 2019a, b)。 因此,早期拉张形成的构造可能会受到后期挤压作用的改造,形成复杂的构造样式。例如在下刚果盆地的中段,早期由正断层主导的拉张区受后期挤压改造形成了褶皱带(图14)(Ge Zhiyuan et al., 2020)。

图13 被动陆缘含盐盆地渐进式倾斜的物理模拟结果。 上图为模型的最终剖面,下图为剖面上的应变随时间(时间间隔为1h)的变化图。 可见拉张区逐渐向下坡扩张。 下坡的挤压区也在24h 和72h 后分别向盆地下坡和上坡迁移。 盆地中段发育先拉张,后挤压的构造。 注意上部剖面图的构造与下部应变图的最后时间点相对应。 该实验无同运动地层沉积,仅因条件限制在实验过程中添加少量沉积物遮挡硅树脂的反光。 因此该模型仅用来表明盆地构造区域在运动学上的时空变化特征,不具有构造样式上的指导意义。 基于Ge Zhiyuan et al., 2019a 修改Fig. 13 The cross section and strain rate evolution (1 h increments, red = extension, blue = contraction) of an analogue model simulating progressive margin tilting in passive margin salt basins. Note the upslope extensional domain expanding towards the downslope. The downslope contractional domain migrating towards the downslope and upslope at 24 h and 72 h respectively. Also note the inverted extensional structure in the mid-slope. The experiment aims to model the kinematic domain evolution and has no syn-kinematic sedimentation. Modified after Ge Zhiyuan et al., 2019a

图14 下刚果盆地的地震剖面解释图,可见早期拉张与中期挤压(基于Ge Zhiyuan et al., 2020 修改)Fig. 14 Interpreted seismic section from the Lower Congo Basin, note the early stage extensional normal faulting and the folding afterwards (modified after Ge Zhiyuan et al., 2020)

其次,由于被动陆缘演化的长期性使得相关盐构造往往经历多个期次的构造变形。 例如,对下刚果盆地上坡拉张区域的分析认为该薄皮构造系统经历了三次拉伸速率较快的活跃期和两段构造运动几乎静止的静默期(Valle et al., 2001)。 相应的,在盆地中段,构造活跃期时,薄皮的拉张和挤压构造占据主导;而在静默期,薄皮构造运动不活跃,沉积作用对盐构造的影响更多体现在对微型盆地生长的控制上(Ge Zhiyuan et al., 2020)。 在相邻的宽扎盆地中,始新世时期,盐上盖层的移动速率突然加快,整个盆地的构造变形也更为活跃(Hudec and Jackson, 2004)。

被动陆缘盆地中盐构造多期次和复杂叠合的特点虽然较早就为人们所认识,但对引起该现象的原因存在多种解释。 在宽扎盆地,多期次的盐构造被认为是多期次的构造运动所导致的(Hudec and Jackson, 2002)。 而在其北部相邻的下刚果盆地,多期次构造运动被解释为沉积物供给增加所驱动,但对沉积物增加的原因并未见深入讨论(Valle et al., 2001)。 在桑托斯盆地,两个期次的盐构造变形被认为与沉积物供给方向变化相关 (Guerra and Underhill, 2012)。 有的研究还认为,沉积物从斜交盆地倾向的方向进入盐盆,会使部分构造区域不断发生偏转,使盆地演化早期与晚期的构造区域不同。并以此来解释墨西哥湾北部盐盆的构造变形特征(Brun and Fort, 2018)。 总的来说,一方面,被动陆缘盐盆本身受到多种控制因素的影响而体现出复杂的构造样式。 另一方面,含盐盆地的构造分析受制于对盐构造两种变形模式,特别是沉积物驱动模式理解的不足,在具体控制因素分析上尚有许多问题有待进一步研究。

3 结论

在过去的三十多年中,盐构造通过物理模拟、数值模拟和地震技术的进步,取得了飞跃式的发展(Hudec and Jackson, 2007)。 其中,被动大陆边缘含盐盆地的薄皮构造模型,由于其在工业应用上的重要价值,得到了相对多的关注,也在诸多盆地的研究中被反复检验。 该模型的核心是盐上盖层在重力作用下产生盆地尺度的薄皮构造变形,形成上坡的拉张,下坡的挤压以及上下坡间的转移过渡。 但是,正是由于大量地质资料的积累和检验,该模型的局限性也逐渐显现出来。

本文通过对被动陆缘含盐盆地构造模型发展和相关变形机制的梳理,讨论了到目前为止所取得的主要研究成果和存在的问题,明晰了当前相关研究的热点和难点。 围绕被动陆缘含盐盆地的构造模型,当前主要的争议和发展方向有三个。

第一,关于盆地重力驱动机制的讨论。 主要问题是沉积物形成的盐上盖层是否足够驱动力来主导整个盆地的构造变形。 尽管具体的机制尚需要进一步研究,但陆缘倾斜驱动和沉积物驱动在被动陆缘盆地的演化过程中都会有驱动力大小的变化。 因此,两种驱动力都有潜在的主导盆地变形的能力。第二,尽管转移区在现有的概念模型中与实际的构造样式有一定差距,但学术界已经从两种驱动模式出发探讨转移区的变形机制。 其中盐下地貌会使盐上盖层产生局部的拉伸和挤压,从而使转移区变形。而早期沉积物不均匀分布所产生不连续沉积,则会使转移区从一开始就有盐底辟和微型盆地的存在。沉积系统的进积也会使拉张与挤压区发生迁移,从而改变转移区的构造样式。 第三,被动陆缘盐盆的演化过程中,盐构造的控制因素可能发生变化。 在被动陆缘倾斜控制下,拉张和挤压区本身会在盆地演化中发生迁移,使同一区域经历不同的构造变形。类似的,沉积物供给方向变化也会使构造区域发生变化。 而在盆地构造运动的活跃期和静默期,盐构造的控制因素也往往不尽相同。

通过总结我们可以发现,尽管被动陆缘含盐盆地的构造演化模型有许多争论和发展,但从控制因素和变形模式上,依然是沿着陆缘倾斜驱动重力滑脱与沉积物驱动重力扩展这两个方向来讨论和研究相关问题。 从这些进展中,我们发现被动陆缘含盐盆地中的构造样式往往受到多个因素的控制,容易形成拉张与挤压叠合的复杂构造。 即使是单一的拉张或者挤压构造,其控制因素也可能会发生变化。而单一的控制因素也有可能使同一个区域的盐构造发生不同样式的构造变形。 换言之,识别被动陆缘盐构造的控制因素在一些情况下将非常困难。 在这两种控制因素中,相比较陆缘倾斜,沉积系统在盐构造中的作用尚有许多值得探索的内容。 例如,沉积楔形状与沉积系统间关系及两者对盐构造影响的研究在很大程度上仍然处于空白状态。 而沉积系统对转移区的控制也少有实例支持。 这些成果相对薄弱的地方可能是未来被动陆缘含盐盆地值得努力的研究方向。

致谢: 感谢陈亮博士阅读了本文的最早版本并给与了中肯的修改意见。 感谢浙江大学汪新教授和另一位审稿专家及责任编辑赵雪硕士和章雨旭研究员为本文的完善提出了中肯且有建设性的修改建议。