北非地区Ghadames盆地早古生代岩相古地理演化特征*

张忠民 李依霖 郑乃熙 曹 喆 吕雪雁 李宗峰孙润明 夏昌盛 李 磊 牛 博 宿宇驰 张浩飞

冯志强1 季汉成2，3 鲍志东2，3

1 中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院，北京 102206

2 油气资源与工程全国重点实验室，中国石油大学 （北京），北京 102249

3 中国石油大学 （北京）地球科学学院，北京 102249

4 东北石油大学非常规油气研究院，黑龙江大庆 163318

“特提斯”由奥地利地质学家Suess于1893年根据古希腊海神命名提出，以其历史扩张与萎缩的特征为标准，划分为原特提斯洋、古特提斯洋、新特提斯洋3个演化阶段 （吴福元等，2020）。特提斯构造域横跨非洲与欧亚大陆，西起欧洲与北非，向东南直达澳大利亚东北部，是全球油气资源最丰富的地区 （耿全如，2021；朱日祥等，2021）。

北非位于特提斯域西段，其沉积盆地的形成与发育和原—古特提斯洋早古生代演化密切相关。北非地区油气资源丰富，是全球油气勘探和研究的热点区域 （Jemaietal.，2022）。但整体而言，北非地区包括Oued Mya、Ghadames以及Illizi等盆地在内的重点区域仍处于低—中等勘探程度。目前，国内外学者对北非地区不同盆地沉积研究的差异较大（赵红岩等，2013；赵国君等，2018；Jabiretal.，2020；黄雷等，2022），前人编制的区域岩相古地理图相对宽泛，对早古生代沉积体系及岩相古地理特征的准确认识是进一步勘探的基础，也是建立盆地早期构造与沉积演化历史的关键。因此，开展北非地区岩相古地理研究对中国海外油气勘探与项目投资具有深远的战略意义。

在前人成果的基础上，对Ghadames盆地及其周缘早古生代与泥盆纪的沉积体系进行研究，结合古地貌恢复，对岩相古地理演化进行探讨，为古生界储集层与烃源岩的评价工作提供基础，进一步针对重点盆地进行深入研究，为后续选区、选带、目标评价做好指导和支撑工作。

1 区域地质背景

Ghadames盆地（又被称为Berkine盆地）属于古生界克拉通边缘盆地（张光亚等，2018），位于北非中部撒哈拉地台之上（图1），自西向东覆盖阿尔及利亚东部、突尼斯南部以及利比亚西北部 （Dardouretal.，2004）。盆地整体位于陆上，面积约为370 000 km2，北隔Djefara盆地与地中海相望，南部与Illizi盆地和Murzuq盆地被Ahara、Tihemboka以及Qarqaf隆起分隔，盆地西侧为Touggourt隆起、Hassi Messaoud隆起以及Amguid-Biod隆起，将其与Oued Mya盆地隔断，西北方向与Sahara盆地相接，东临Sirte盆地，区域北部发育Atlas褶皱带。

图1 北非地区Ghadames盆地位置及剖面线分布图Fig.1 Location and profile distribution of Ghadames Basin in North Africa

Ghadames盆地演化至今受到泛非 （Pan-African）、塔康 （Taconian）、加里东 （Caledonian）、海西（Hercynian）以及阿尔卑斯 （Alpine）等多期构造活动影响，历经数次挤压与拉张作用的改造。泛非运动发生于约600Ma前，属于新元古代大型造山运动，与北非地区所处的冈瓦纳大陆密切相关 （腾霞和张建新，2020），泛非运动改造的前寒武结晶基底为Ghadames盆地的演化奠定了基础（图2）。早古生代，加里东造山运动形成北非地区Qarqaf隆起等主要构造单元，直到晚古生代石炭纪—二叠纪，海西造山运动发生，古特提斯洋关闭，Ghadames盆地发生大规模沉降，形成广泛的沉积洼陷（陈忠民等，2014；Albrikietal.，2022）。

图2 Ghadames-Illizi盆地A-A’与B-B’地震剖面 （剖面线位置见图1）Fig.2 A－A’and B-B’seismic profiles of Ghadames－Illizi Basins（profiles'location seen Fig.1）

早古生代，北非地区整体处于被动大陆边缘盆地演化阶段。寒武纪，潘吉亚大陆解体，劳伦大陆与冈瓦纳大陆之间形成了古特提斯洋的雏形，盆地发生小范围构造形变。早中奥陶世，Ghadames盆地继承性沉积，至晚奥陶世，气温骤降，全球进入冰期，北非地区发育大规模的冰川沉积，形成大范围的冰盖。早志留世，气候回暖，冰川消融，海平面大幅上升，向南发生大规模海侵。晚泥盆世，海平面持续上升，形成缺氧环境，在弗拉期发生了大规模生物灭绝事件（Gharsalli and Bedir，2020）。

Ghadames盆地中生代与新生代沉积地层较薄，海西造山运动造成沉积盆地内古生界的大范围剥蚀，形成海西不整合，是北非地区最大规模的构造抬升及油气藏改造阶段。根据海平面变化 （Underdown and Redfern，2008），总体将盆地古生界划分为4套主要的沉积旋回（图3）。寒武系发育以河流相与冲积相为主的沉积；晚奥陶世冰期发育的冰碛岩层段与寒武系砂岩作为盆地主要的储集层；志留纪海侵达到最大，形成下志留统Tanezzuft组放射性热页岩，是北非地区最重要的海相烃源岩；中下泥盆统发育砂岩与少量泥岩，上泥盆统发育广泛的半深海粉砂岩和灰岩沉积，经缺氧灭绝事件形成了北非地区弗拉阶黑色页岩 （Mallaetal.，1997）。

图3 Ghadames盆地地层综合柱状图（据IHS，2021；有修改）Fig.3 Comprehensive histogram of Ghadames Basin（modified from IHS，2021）

2 古地貌恢复

2.1 地层残余厚度

依据地层分布、测井资料与地震剖面上的地层厚度，结合现今构造 （IHS，2021），确定古生代北非地区整体为东高西低的构造格局。根据各地区构造高点和沉降中心，由高到低进行等值线差值 （陈兆芹等，2022），并通过连井和地震资料进行厚度校正，得到现今的地层残余厚度等值线图（图4）。

寒武系—奥陶系为继承性沉积，无大规模构造运动，构造格局未发生明显变化，从地震剖面（图2）上看，寒武系与奥陶系区分性较低（图4－a），继承泛非运动后的地貌特征，Ghadames盆地和Illizi盆地可见低凸起，向北过渡为浅海陆棚沉降中心。海西运动使北非地区的古生界地层遭受大范围剥蚀，寒武系—奥陶系的剥蚀区主要集中在Oued Mya盆地北部及Ghadames盆地东部。志留系—泥盆系受塔康运动及加里东运动影响发生构造抬升，剥蚀范围增大，Oued Mya盆地及Ghadames盆地东部受影响最显著。Ghadames盆地在早古生代作为主要的沉降中心（图4－b）。

2.2 地层厚度恢复

利用残余厚度与剥蚀量恢复地层厚度，通过“回剥—填平补齐” （田纳新等，2004；左丽群，2019）方式计算剥蚀量。基于钻井、测井等基础地质资料，结合区域不整合面、剥蚀点以及构造形态和相邻未发生剥蚀地层的厚度，得到地层厚度的变化趋势，进行地层趋势延伸，推测出被剥蚀地区的剥蚀量，从而得到未剥蚀前的地层形态 （牟中海等，2002；周小军等，2008；杨亮，2013）。结合现今构造划分以及各盆地构造演化史，反推不同时期盆地的古地貌特征。

海西运动通过NE－SW 向的挤压作用，在北非地区产生新生的NE向隆起，北非地区盆地间的隆起可大体分为2类：

第1类是早期构造继承性发育形成的大型盆间隆起，源于早古生代就已存在的构造，其活动在加里东期和海西期持续接力式加强；这些隆起多数在古生代早期不完全分割盆地，直到海西期强烈挤压隆升才开始完全分割，例如Illizi盆地与Ghadames盆地之间的Ahara隆起以及Murzuq盆地与Ghadames盆地之间的Qarfaq隆起（图1；图2）。

第2类是主要在海西期挤压形成的新生古隆起，主要在海西期以挤压背斜形式产生，Ghadames盆地西北部Hassi Messaoud隆起属于此类。海西期新生古隆起形成时间较短，分割原大型盆地，使盆地格局发生根本变化。

寒武纪—奥陶纪，原特提斯洋向南俯冲，研究区北部地区隆起，受志留纪末期—早泥盆世的加里东构造运动影响，在Ghadames盆地和Oued Mya盆地北部发生地层剥蚀，盆地初步形成台内隆坳格局，海西运动后区域整体抬升。继承泛非运动地貌特征，Ghadames盆地西部、北部为构造高部位，东部方向为沉降中心，地层厚度最大可达2000m以上（图5－a）。志留纪—泥盆纪，古特提斯洋持续扩张，Ghadames盆地北部发生大规模海侵。海西运动时期，志留系—泥盆系发生大范围剥蚀，其剥蚀范围较寒武系—奥陶系更大，剥蚀区为盆地西部和北部，受塔康运动及加里东运动影响，开始形成差异沉降，沉降中心为Ghadames盆地中部，最大厚度可达2400m（图5－b）。

图5 Ghadames盆地恢复后古生界厚度等值线图Fig.5 Isopash maps of the Paleozoic in Ghadames Basin after recovery

3 沉积特征

3.1 沉积相类型及其特征

北非地区Ghadames盆地东部，寒武系砂岩呈棕灰色，下部主要为细—中粒砂岩，发育槽状交错层理与平行层理，上部以粉砂质泥岩与泥质粉砂岩为主，发育少量水平层理（图6－a），垂向上呈正韵律特征，测井曲线形态以齿化钟型与低幅度箱型为主，河流二元结构明显，推断可能为辫状河沉积。

图6 Ghadames盆地古生界岩心与岩性柱状图Fig.6 Core and lithology histogram of the Paleozoic in Ghadames Basin

上奥陶统发育灰色、深灰色砂岩，含泥岩—粉砂岩层段，整体分选较差，含大小不等的砾石（图6－b），测井曲线形态以箱型（细—中粒砂岩）、齿化箱型（冰碛岩）以及指状（泥岩）为主，反映出冰川活动影响下的沉积环境。奥陶系为寒武系的继承性沉积，结合奥陶纪气候特征，由于后期冰期温度的影响，辫状河之上发育大规模的冰川，在研究区内形成典型的冰碛岩层段（Baoucheetal.，2023）。

志留系Acacus组的沉积相演变受加里东运动的显著影响，下部发育泥质粉砂岩—粉砂岩，上部发育细—中粒砂岩，测井曲线呈明显的反韵律特征，以齿化漏斗状为主（图6－c），推测为河口坝砂体到陆架薄层状砂岩和页岩的交替沉积 （Aissaouietal.，2016）。

泥盆系储集层发育叠置砂岩以及3个细粒（黏土—粉砂岩）层段。细粒薄层段可见生物扰动痕迹，指示适于食泥生物发育的悬浮沉降环境（图6－d）。砂岩粒度主要在细—中粒间变化，主要发育有板状交错层理、槽状交错层理，偶见波状交错层理，并伴有双向前积层、泥屑层 （Baoucheetal.，2020）。中段块状砂岩顶部可见植物碎屑，推断为拼合式潮坝复合体与潮间带沉积。

据岩心观察，结合测井和录井资料，分析地层沉积构造与岩性组合特征，结合前人观点，北非地区Ghadames盆地寒武纪—泥盆纪沉积时期主要发育沉积相有辫状河河道、冰川、河口坝、潮间带（表1）。

表1 Ghadam es盆地古生界典型沉积相类型Table 1 Typical sedimentary facies types of the Paleozoic in Ghadames Basin

3.2 沉积相横向展布

通过对研究区钻井、测井资料的详细解释与分析，结合取心井段岩石结构、沉积构造等信息，将研究区自下而上划分为辫状河相、冰川相、浅海相，其中发育最广泛的相带为辫状河相。

以研究区SN－1—ST－1—A1－70—A1－8井连井剖面为例（图7），寒武系划分为2个二级层序，整体发育 （混积）辫状河沉积，下寒武统层序发育叠置辫状河河道，以中砂岩、细砂岩为主，泛滥平原以粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩互层为主，至中上寒武统层序，辫状河河道与泛滥平原规模扩大，细—中砂岩厚度显著增加，泥质粉砂岩与粉砂岩相对减少。

图7 Ghadames盆地寒武系—奥陶系沉积微相横向变化特征 （剖面位置见图1）Fig.7 Lateral variation characteristics of the Cambrian-Ordovician sedimentary m icrofacies in Ghadames Bain（location seen Fig.1）

奥陶系划分为2个二级层序，奥陶系下部层序相较于寒武系，辫状河河道规模进一步扩大，砂岩厚度与砂体连通性增加，泛滥平原沉积规模相对减小，至奥陶系上部层序，大面积发育以冰碛岩层段为标志的冰川沉积，同时辫状河发育规模与砂岩厚度相对减小（图7）。

志留系划分为5个二级层序（图8），沉积期间，整体物源自西向东，中下志留统达到最大海泛面，发育海相泥页岩；中志留世，海平面下降，陆源沉积物向海进积。NN1－66、HH 1－NC7A井地层以辫状河沉积为主，发育大套心滩相砂岩，向海过渡为辫状河三角洲。B1－NC188、D1－NC100、J1－NC100井地层主要以水下分流河道与水下分流河道间为主；晚志留世海平面继续下降，剖面位置以辫状河沉积为主，后经加里东运动构造抬升，遭受剥蚀，靠近物源区方向剥蚀量最大，远端J1－NC100、D1－NC100井保留部分辫状河沉积，主要以厚层心滩中砂岩为主。

图8 Ghadames盆地志留系沉积微相横向变化特征 （剖面位置见图1）Fig.8 Lateral variation characteristics of the Silurian sedimentary microfacies in Ghadames Basin（location seen Fig.1）

泥盆系划分为4个二级层序（图9），主要为河流—浅海沉积，早期海平面整体下降，地层呈进积形态，辫状河与曲流河较为发育；中泥盆世海平面开始上升，河道砂体厚度与规模减小，至晚泥盆世，海平面持续上升，剖面位置沉积环境由辫状河向海过渡为辫状河三角洲。

图9 Ghadames盆地泥盆系沉积微相横向变化特征 （剖面位置见图1）Fig.9 Lateral variation characteristics of the Devonian sedimentary microfacies in Ghadames Basin（location seen Fig.1）

4 岩相古地理特征

北非地区Ghadames盆地在漫长的地质演化中遭受了多期拉张与挤压构造运动的改造，受泛非运动、塔康运动、加里东运动、海西运动和阿尔卑斯运动的影响，北非盆地经历了前寒武泛非期基底改造、早古生代被动大陆边缘盆地演化阶段、晚古生代以挤压作用为主的抬升变形剥蚀阶段、中生代持续拉张环境的裂谷裂陷阶段以及新生代反转隆升阶段的复杂盆地演化过程，形成了现今的构造和沉积充填格局 （Craig and Thusu，1999）。板块的漂移与碰撞造成了原特提斯洋、古特提斯洋及新特提斯洋的开合，影响气候环境变化、海平面升降等，特提斯洋的开合改变沉积盆地的类型及沉积环境，构造运动改造古地貌及源汇系统 （Badalinietal.，2002）。本次对研究区内寒武系—泥盆系的沉积体系进行刻画，结合古地貌恢复，对岩相古地理演化进行探讨。

早中寒武世，非洲板块主要位于南半球，随着阿瓦隆地体向波罗的板块漂移（图10－a），受大洋中脊活动的影响，原特提斯洋初步扩张，向北非地区方向挤压，形成活动大陆边缘 （Jabiretal.，2021）。盆地处于裂谷拉张发育阶段，整体为陆相沉积，发育1套典型的含砾砂岩辫状河河道沉积。物源主要来自于3个方向：西北部隆起区、南部古陆以及东部Sirte盆地隆起区。盆地南部靠近物源区发育冲积扇，西部发育泛滥平原，各个物源方向的辫状河向沉降中心汇聚形成湖泊，向北过渡为浅海—半深海沉积，沿岸发育滨岸沉积（图11－a），井上特征主要为河流相砂岩（图7）。晚寒武世，盆地北部地区发生海侵，海平面上升，浅海范围扩大，海陆快速交替。受海平面上升的影响，Ghadames盆地西北部物源区范围缩小，湖泊范围扩大（图11－b）。整体仍为克拉通内凹陷盆地，发育陆内河流相沉积，自南向北，发育辫状河—泛滥平原沉积、滨岸沉积、辫状河三角洲。

图10 早古生代非洲板块演化示意图 （据Ruban et al.，2007；有修改）Fig.10 Evolution diagram of the Early Paleozoic African plate（modified from Ruban et al.，2007）

早中奥陶世，北非地区继承性发育被动大陆边缘沉积，随着冈瓦纳大陆向南漂移，特提斯洋洋壳持续扩张，气候转冷，较晚寒武世海平面相对下降，沉积物向海进积，盆地以辫状河沉积为主（Gharsallietal.，2020）。物源方向未发生明显改变，受塔康运动及加里东运动影响，局部构造抬升形成多个低隆，西北部物源区扩大，主体物源为南部克拉通，自南向北主要发育冲积扇、辫状河、泛滥平原、滨岸和辫状河三角洲沉积（图11－c）。晚奥陶世，气候愈加寒冷，北非地区位于冈瓦纳大陆南部，被大规模冰层覆盖，发育冰川沉积。冈瓦纳大陆北部逐渐分裂，南部逐渐聚拢，北非地区位于克拉通边缘，非洲板块整体漂移，原特提斯洋达到最大面积（图10－b）。直至奥陶纪末，达到最大冰期，冈瓦纳大陆大面积被冰层覆盖，盆地内冰川滑塌、消融，冰盖下部形成大量冰碛岩，为分选性较差的泥砾岩，奥陶系储集层主要位于辫状河沉积及近物源冲积扇部位 （Rubinoetal.，2001）。向海方向，冰川融化汇水形成辫状河，在沿岸地区发育滨岸及辫状河三角洲沉积（图11－d）。

早中志留世，原特提斯洋萎缩，古特提斯洋开裂，北非地区形成被动大陆边缘盆地（图10－b）。板块漂离南极，冈瓦纳大陆开始向北漂移，气候逐渐转暖，冰川融化，海平面迅速上升，北非地区发生大规模海侵，发育浅海—半深海沉积，形成古生界最大海泛面以及下志留统厚层热页岩，为研究区主要的烃源岩发育时期 （Guiraudetal.，2005）。受海平面上升影响，陆相沉积范围缩小，研究区物源分为西部、西南部和东部3支，自物源区向海依次发育冲积扇、辫状河，向海沿岸发育滨岸沉积，辫状河入海形成辫状河三角洲（图11－e）。晚志留世，匈奴超地体与北非板块分离，华北板块、华南板块分别脱离冈瓦纳大陆（图10－c），古特提斯洋打开，洋盆扩张，北非地区沉降作用强烈，构造抬升，海平面开始下降，发生以志留纪晚期黑色富有机质的热页岩为标志的大规模海退事件 （Albrikietal.，2022）。受加里东造山运动影响，西北部构造隆升发生剥蚀，物源区构造范围扩大，沉积物向海进积，辫状河向盆地中心汇聚，至平缓地区，辫状河转化为曲流河。曲流河入海形成曲流河三角洲，沿岸滨浅海地区发育滨岸沉积（图11－f）。

泥盆纪，劳亚大陆与波罗的板块拼合，阿瓦隆地体向拼合板块碰撞，洋壳的扩张使非洲板块也受到一定挤压作用，形成地貌隆升 （李顺明等，2006）。非洲板块北部随着匈奴超地体的分离，原特提斯洋收缩，古特提斯洋初步形成（图10－c）。早泥盆世，阿瓦隆地体与劳亚—波罗的板块碰撞，发生海西构造运动，北非地区北部形成被动陆缘盆地，沉积厚度增加 （Booteetal.，1998），古特提斯洋扩张，海平面下降，沉积物向海进积，相较晚志留世，辫状河与曲流河沉积范围扩大，同时，Ghadames盆地东南部及Murzuq盆地内，河流携带物源物质向海过渡形成辫状河三角洲和曲流河三角洲（图11－g）。晚泥盆世，古特提斯洋继续扩张，海平面上升，由于超级地幔柱事件，造成缺氧环境（李顺明等，2006），盆地北部整体为浅海陆棚，发育浅海泥岩。受早期加里东运动影响，Ghadames盆地西北部继续隆升，盆地整体仍以辫状河及曲流河沉积为主，盆地东北部发育浅海相沉积，沿岸发育滨岸沉积、曲流河三角洲和辫状河三角洲（图11－h）。早石炭世，冈瓦纳大陆与劳伦大陆发生碰撞，古特提斯洋开始逐渐闭合，北非西部地区隆起，逐渐高于海面。

5 沉积模式

早古生代，Ghadames盆地位于宽广的克拉通之上，前寒武结晶基底主要由斑状花岗岩组成（Zouzouetal.，2018），受泛非运动影响发生隆起被寒武系不整合地披覆于其上。结合区域演化特征与岩相古地理研究结果，建立1套北非地区Ghadames盆地早古生代海陆过渡沉积模式（图12）。

图12 Ghadames盆地早古生代海陆过渡沉积模式Fig.12 Marine－continental transition sedimentary model of the Early Paleozoic in Ghadames Basin

Ghadames盆地早古生代整体自陆地物源区至浅海依次发育：冲积扇、辫状河、辫状河三角洲平原、辫状河三角洲前缘、前辫状河三角洲、浅海沉积，反映辫状河向浅海环境过渡。自早寒武世至志留纪末期，盆地整体经历2轮主要的海进与海退（图11），随着原特提斯洋不断扩张，寒武纪海平面逐渐升高，受气候影响，在晚奥陶世海平面大幅度下降，盆地进积作用显著，陆相与海陆过渡相沉积范围最大；早志留世，温度回升，原特提斯洋萎缩，古特提斯洋开裂，海侵程度最高，盆地以退积序列为主，发育最大海泛面MFS（图12）。盆地结晶基底层厚平均为250m，主要由砾岩及上覆中—粗砂岩与伊利石胶结物组成，靠近结晶基底发育冲积扇，为1套泥质含量较多的中砂岩；辫状河主要由河床和泛滥平原组成，河床亚相分为河床滞留沉积和心滩，河床滞留沉积主要为1套分选较差的泥砾岩，心滩以沉积中砂岩为主，发育交错层理，泛滥平原主要沉积粉砂岩—泥质粉砂岩，泥质含量相对高；辫状河入海形成辫状河三角洲，其中辫状河三角洲平原和前缘砂体较发育，辫状河三角洲前缘主要为泥质粉砂为主的前缘席状砂，向海方向泥质含量增加，受河流与潮汐共同作用的影响，在末端形成潮汐砂脊；前辫状河三角洲—浅海环境主要以泥岩为主，发育水平层理，顶部发育明显的生物扰动痕迹。

6 结论

1）寒武系—奥陶系历经加里东与海西期构造抬升，盆地西部和北部遭受大范围剥蚀，为构造高部位，东部方向为沉降中心，地层厚度最大可达2000m以上。志留系—泥盆系主要受海西运动影响，剥蚀范围增大，受塔康及加里东运动影响，盆地形成差异性沉降，沉降中心为Ghadames盆地中部，盆地东部最大厚度可达2400m。

2）早古生代整体海平面相对上升，海域扩张，Ghadames盆地发育冲积扇、辫状河、曲流河、辫状河三角洲以及滨浅海沉积。早寒武世发育辫状河沉积，形成大套砂岩；晚寒武世，海平面快速上升，盆地北部由陆相向海相快速交替；奥陶纪初期以辫状河、辫状河三角洲为主，至冰期气温降低，冰川大规模发育形成冰碛岩；志留纪冰川融化，海平面快速上升，沉积大套海相泥岩和热页岩，为盆地主要的烃源岩层段；泥盆纪古特提斯洋洋壳扩张，形成被动陆缘盆地，陆内物源范围扩大，发育冲积扇、辫状河、曲流河沉积。

3）Ghadames盆地发育于北非克拉通，前寒武结晶基底受泛非运动影响被寒武系不整合覆盖。建立Ghadames盆地早古生代海陆过渡沉积模式，自陆地物源区至浅海依次发育：冲积扇、辫状河、辫状河三角洲、浅海沉积，过渡地带具生物扰动痕迹。