Termit盆地構造變形的力學機制

張慶蓮，侯貴廷，潘校華，萬倫坤，毛鳳軍

(1.北京大學 地球與空間科學學院,教育部造山帶與地殼演化重點實驗室,北京 100871;2.石家莊經濟學院資源學院,河北 石家莊 050031;3.中國石油勘探開發研究院,北京 100083)

0 前 言

Termit盆地位于尼日爾東南部,是中西非裂谷系中典型的中-新生代裂谷盆地,該盆地是中國天然氣集團公司在海外的三大風險勘探區塊之一(童曉光等,2004;竇立榮,2005;江文榮等,2006;劉劍平等,2008)。該盆地形成于早白堊世大西洋張裂的構造背景下(Genik,1993;Guiraud et al.,1987)。盆地在白堊紀至古近紀經歷了“裂谷-坳陷-裂谷”的構造演化過程,且兩期裂陷作用形成的斷裂走向不同(Genik,1993;Guiraud et al.,1987)。Termit盆地目前整體勘探水平較低,且對盆地的構造演化研究缺少動力學分析。

動力學研究主要是探索構造形變與應力狀態之間的關系,用來研究構造的形成機制(Bertoluzza and Perotti,1997;Homberg et al.,2004;Hou et al.,2006)。Homberg(2004)等借助數值模擬方法恢復了晚白堊世法國Pontarlier斷裂區的古構造應力場,并通過對主斷裂周圍應力狀態的分析得出了其構造活動規律;Hou et al.(2006)以古巖墻為證據,利用有限元數值模擬方法恢復了華北克拉通前寒武紀古構造應力場,為超大陸古構造應力場的重建及超大陸裂解機制的研究提供了參考;佟彥明(2007)利用ANSYS系統的平面線彈性模擬加以驗證,最后確定了膠萊盆地在萊陽期的動力學機制。這些研究表明,應用有限元數值模擬方法研究構造的力學機制十分有效。

本文依據 Termit盆地的基礎構造特征,運用彈性有限元數值模擬方法,從動力學(張明利和萬天豐,1988;Martin et al.,1998;Maerten et al.,2002;閆淑玉等,2011)角度討論盆地構造演化模式,為盆地的構造演化研究提供動力學依據。

1 區域地質背景

Termit盆地位于尼日爾東南部,為西非裂谷向北的延伸部分,發育于前寒武系-侏羅系變質帶基底之上,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向長條形展布,南北長約300 km,東西寬北端最窄處約60 km,南端最寬處約110 km,面積約30000 km2(圖1)。盆地南端與Bornu盆地相鄰,北端以Agadez線為界與Tenere盆地及Tefidet盆地相鄰(劉邦等,2012)(圖1)。Termit盆地發育于由前泛非期變質帶組成的基底之上,這些變質帶使基底沿NW-SE向出現不連續性,從而控制了東尼日爾早白堊世裂谷盆地的形成和演化(Maurin and Guiraud,1993;劉邦等,2012),盆地基底斷層呈 NW-SE向,與前泛非期變質帶走向一致。

Termit盆地主要有走向NW-SE和NNW-SSE向兩組斷裂系(圖2)。根據斷層的期次和級次,可將該盆地斷層分為早白堊世形成的早期斷層和古近紀形成的后期斷層。前者主要分布于盆地邊界,走向 NW-SE;后者在盆地邊界和內部均有發育,走向NW-SE和NNW-SSE(Maurin and Guiraud,1993;劉邦等,2012)。

根據構造特征差異,將 termit盆地劃分為六個構造單元,分別為Dinga斷階帶、Dinga凹陷、Araga地塹、Yogou西斜坡、Fana低凸起和Moul凹陷(圖2)。

Dinga斷階帶:主要由一系列NW-SE向斷層組成,形成時期主要為早白堊世和古近紀。古近紀形成的后期斷層多數為早期邊界斷層在古近紀發生繼承性活動而形成的派生斷層,走向為NW-SE向。

Dinga凹陷:該區斷層主要分布在凹陷的北部,為古近紀形成的后期斷層,走向NNW-SSE,平面上規模小,呈系列分布。

Araga地塹:早白堊世邊界斷層走向 NW-SE,為基底卷入斷層。古近紀形成的后期斷層呈左階雁行排列,南部走向 NNW-SSE,往北逐漸向 NW-SE向收斂,北部與早白堊世斷層走向平行。

Yogou西斜坡:斷層走向 NW-SE,包括早白堊世形成、古近紀繼承性活動的斷層和后期斷層。

Fana低凸起和Moul凹陷:主要為古近紀后期斷層,走向NNW-SSE。從下往北至Araga地塹,往南至 Yogou西斜坡,古近紀形成的斷層走向逐漸向早期邊界斷層收斂。

Termit盆地沉積厚度超過12 km,沉積地層包括下白堊統、上白堊統、古近系、新近系和第四系。下白堊統為陸相沉積,巖性主要為砂泥巖互層;上白堊統下部為海相沉積,上部為陸相砂巖沉積;古近系總體為湖相沉積,巖性為砂泥巖互層;新近系以河流相砂巖沉積為主。

圖2 Termit盆地構造單元圖Fig.2 Structural units and fault distribution in the Termit Basin

盆地自白堊紀以來經歷了早白堊世和古近紀兩期裂陷作用(Guiraud and Maurin,1992;Guiraud et al.,2000)。早白堊世(130～96 Ma)大西洋擴張,應力方向為 NE-SW,早白堊世開始裂陷,盆地沉積厚層陸相地層,受泛非薄弱帶及NE-SW向拉張作用影響,盆地沿NW-SE向展布。晚白堊世(96～66.5 Ma)經歷了長時間熱沉降,盆地以坳陷作用為主。古近紀(66.5～25.2 Ma)由于大西洋再次擴張,非洲板塊與阿拉伯板塊開始分裂,區域伸展方向為ENE-WSW向,盆地再次發生裂谷作用,古近紀形成的斷層在早白堊世斷層基礎上繼承發育,同時發育了大量的同生斷層(Guiraud,1987;Maurin and Guiraud,1993)。

以早白堊世和古近紀Termit盆地兩期裂谷作用為構造背景,運用彈性力學有限元方法對早白堊世和古近紀的盆地進行應力場模擬分析。

2 應力場模擬和分析

以Termit盆地在早白堊世和古近紀的地質模型(圖2)為基礎,通過彈性力學有限元數值模擬方法(王仁等,1979;萬天豐,1996;萬天豐和任之鶴,1999),應用ANSYS10(大學版)軟件對早白堊世和古近紀 Termit盆地的構造應力場進行數值模擬(曹春福等,1997;Joussineau et al.,2003;王連捷等,2004;馬寶軍等,2006;Hou et al.,2010),來研究在早白堊世和古近紀區域構造應力場條件下Termit盆地內部構造形成發育的動力學機制。

2.1 早白堊世平面模擬

圖3 Termit盆地早白堊世力平面模擬力學模型圖Fig.3 Plane mechanical model for the Termit Basin in the Early Cretaceous

根據Termit盆地早白堊世的平面構造、構造單元等特征,建立Termit盆地的地質模型(圖2)。將地質模型簡化為幾何模型,將幾何模型簡化成具有一定厚度的平面薄板模型,不考慮垂向變化對模型的影響(圖3)。采用 8節點 Plane82單元和Surfer153表面效應單元對模型進行模擬。由于模型比較簡單,不需要局部網格的人工細化操作,對模型進行了自動網格劃分。

在此幾何模型基礎上設定邊界條件并對盆地賦于巖石力學參數值,建立早白堊世 Termit盆地的力學模型。盆地呈長條形展布,受到區域應力作用變形主要集中在盆地內部,南北端變形較弱,因此將盆地南北兩端設為固定邊界;根據盆地在早白堊世受NW-SE向拉張作用的影響,在盆地東西兩側邊界施加差應力80 MPa,差應力值參照板塊運動作用力(Hou et al.,2006,2010)。

Termit盆地不同構造單元的巖性差異很小,基底巖性以花崗巖為主,下白堊統巖性為砂泥巖互層,將花崗巖和砂泥巖的巖石模量與泊松比進行加權,得到盆地平面模擬的楊氏模量為75×109Pa,泊松比為0.24。

受到拉張作用力后,盆地內部的張應變值都比較大,但張應變主要集中在西部(圖4a),說明受到拉張作用力后盆地西部應變最大。這與西部Dinga斷階帶早白堊世NW-SE向斷層最為發育(圖2)相一致。

圖4 Termit盆地早白堊世平面模擬結果圖Fig.4 The modelling result map of the Termit Basin in the Early Cretaceous

應力場分布圖(圖4b)顯示盆地內以張應力為主,最小主應力方向主要為NE-SW 向,指示伸展方向為NE-SW,這與 Dinga斷階帶發育的早白堊世 NW-SE向斷層相吻合。說明在早白堊世,Termit盆地受到NE-SW 向拉張作用,在此區域應力的作用下,盆地西部Dinga斷階帶內發育早期NW-SE向斷層。

2.2 古近紀盆地模擬

根據Termit盆地古近紀的平面構造、構造單元等特征,建立Termit盆地的地質模型(圖2)。模擬過程類似早白堊世盆地模擬。

在幾何模型基礎上設定邊界條件并對盆地賦于巖石力學參數值,建立古近紀 Termit盆地的力學模型(圖5)。盆地呈長條形展布,受到區域應力作用變形主要集中在盆地內部,南北端變形較弱,因此將盆地南北兩端設為固定邊界;根據盆地在早白堊世受 ENE-WSW 向拉張作用的影響,古近紀的裂谷作用相比早白堊世強度較弱,因此在盆地東西兩側邊界施加差應力50 MPa,差應力值參照板塊運動作用力(Hou et al.,2006,2010)。

Termit盆地不同構造單元的巖性差異很小,基底巖性以花崗巖為主,下白堊統為砂泥巖互層,上白堊統以砂巖為主,古近系為砂泥巖互層,將花崗巖、砂泥巖和砂巖的巖石模量與泊松比進行加權,得到盆地平面模擬的楊氏模量為60×109Pa,泊松比為0.22。古近紀模型中有早白堊世斷層(圖5),斷層巖的楊氏模量為15×109Pa,泊松比為0.14。

圖5 Termit盆地古近紀力平面模擬力學模型圖Fig.5 Plane mechanical model for the Termit Basin in Paleogene

應力場分布圖(圖6)顯示盆地東南部即 D處最小主應力方向為近 EW 向,指示此處的伸展方向為近SN向,Fana低凸起和Moul凹陷內主要分布古近紀的后期斷層且斷層走向 NNW-SSE,應力場分布圖顯示的最小主應力方向所指示的此處受拉張方向與斷層的走向相吻合。

盆地西部(A和B)與D最小主應力方向相比,A和B處靠近先存斷裂附近的最小主應力方向產生NW向的偏轉。認為此處由于早白堊世斷層的存在,受近 EW 向拉張作用后,在早白堊世斷層附近存在局部應力場,由于此局部應力場使得A和B處的古近紀斷層方向產生NW向偏轉。說明Dinga斷階帶和Yogou西斜坡在古近紀受到近EW向拉張作用力后,由于早白堊世斷層的存在,在其附近存在局部應力場,此局部應力場使得 Dinga斷階帶和Yogou西斜坡古近紀形成的斷裂走向發生偏轉,走向多為NW-SE。

盆地東北部(C)顯示的最小主應力方向在早白堊世斷層附近發生 NW 向偏轉,但主要主要為ENE-WSW。最小主應力方向指示的伸展方向與Araga地塹古近紀斷層走向相吻合,說明Araga地塹古近紀發育的斷層受到早白堊世斷層的影響,但Araga地塹早白堊世斷層發育較少,在近EW向拉張作用下,古近紀發育的斷層沿早白堊世斷層呈雁行排列,為張扭性斷層。

圖6 Termit盆地古近紀最小主應力方向圖Fig.6 The minimum principal compressive stress trajectory map of the Termit Basin in Paleogene

2.3 模擬結果分析

對Termit盆地早白堊世和古近紀兩期裂谷作用進行了平面模擬。早白堊世,盆地西部 Dinga斷階帶和Yogou西斜坡張應變集中且伸展方向為NE-SW,說明 Termit盆地在早白堊世盆地受到 NE-SW 向的拉張作用,在此拉張作用下盆地西部的 Dinga斷階帶和Yogou西斜坡早白堊世NW-SE向斷層發育。

古近紀,盆地受到近 EW 向拉張作用,在Dinga斷階帶和Yogou西斜坡模擬結果顯示最小主應力方向并非近 EW 向,而是發生向 NW 的偏轉,說明Dinga斷階帶和Yogou西斜坡處古近紀斷層受早白堊世斷層的影響,由于斷層附近的局部應力場使斷層走向多為NW-SE;在Araga地塹處最小主應力方向主要為 ENE-WSW,只在早白堊世斷層附近發生NW向偏轉,說明Araga地塹古近紀發育的斷層受到早白堊世斷層的影響,但Araga地塹早白堊世斷層發育較少,在近 EW 向拉張作用下,古近紀發育張扭性斷層,沿早白堊世斷層呈雁行排列。Fana低凸起和Moul凹陷由于早白堊世斷層不發育,古近紀受到近 EW 向拉張作用后,發育 NNW-SSE向斷層。

3 討 論

Pindell and Dewey (1982)通過古地磁數據認為西非在中生代泛大陸解體過程中是穩定的,非洲板塊內部存在板內變形。Guiraud and Maurin (1992)將非洲板塊劃分為三部分即西北非地塊、東北非地塊和中南非地塊,板塊內部存在變形且各地塊之間的變形量有差異。Pavoni (1993)提出三疊紀以來,非洲大陸一直處于拉張環境,中西非裂谷系是在拉張的構造應力場下形成的。Binks and Fairhead (1992)和Ziegler (1992)研究認為非洲大陸是在中侏羅世以后泛大陸裂解過程中產生的。

自泛非期以來,中非裂谷系盆地基本上經歷了以下幾個的構造演化階段:

晚侏羅世,非洲大陸的西北部處于穩固狀態,而東北部和南部隨著泛大陸的裂解開始向東漂移,先在三個次級陸塊邊界形成早期裂谷,中非剪切帶開始發育,形成北東東向右行走滑斷裂帶。

早白堊世,非洲-阿拉伯板塊內部伸展方向為NE-SW(Guiraud and Maurin,1992),中非裂谷系進入強烈裂陷期,斷裂活動劇烈,并沉積了巨厚的早白堊世地層,非洲大陸的西北部仍處于穩固狀態,東北部和南部繼續向東漂移,由于中非剪切帶持續的右行走滑作用和各地塊之間的差異活動性,沿中非剪切帶內及附近派生出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等盆地是在拉張環境下形成的張性盆地并且只在靠近中非剪切帶部分受走滑作用的影響(Binks and Fairhead,1992)。晚白堊世,裂谷進入坳陷期,中非剪切帶走滑作用強度由西向東變弱。

古近紀中非剪切帶停止活動。在晚始新世,非洲-阿拉伯板塊與歐亞板塊發生碰撞,板內構造擠壓方向為NNW-SSE(Guiraud and Bosworth,2005)。在該構造事件發生后,非洲-阿拉伯板塊處于大規模的伸展和巖漿活動活躍時期,主伸展方向為ENE- WSW(Janssen et al.,1995)。

Termit盆地的構造演化受整個非洲區域演化的控制,盆地形成于早白堊世南大西洋張裂的構造背景。早白堊世受NE-SW向伸展作用,形成NW-SE向的早期斷裂。古近紀盆地處于近 EW 向伸展環境,在盆地不同部位發育了不同走向的后期斷裂:Dinga斷階帶和Yogou西斜坡處古近紀斷層受早期斷層的影響,由于斷層附近的局部應力場使斷層走向多為 NW-SE;Araga地塹在近 EW 向拉張作用下,古近紀發育張扭性斷層,沿早白堊世斷層呈雁行排列;Fana低凸起和Moul凹陷由于早白堊世斷層不發育,古近紀受到近EW向拉張作用后,發育NNW-SSE向斷層。

4 結 論

通過分析Termit盆地早白堊世和古近紀兩期裂谷作用的模擬結果,我們認為在早白堊世盆地受區域NE-SW向拉張作用,在盆地西部邊界發育一系列NW-SE向早白堊世早期斷層。古近紀,盆地受近EW向拉張作用,在盆地不同部位發育的古近紀斷裂走向不同:

(1) 盆地西部 Dinga斷階帶和Yogou西斜坡受早期斷層的影響,在早期斷層附近產生局部應力場,此局部應力場使Dinga斷階帶和Yogou西斜坡古近紀斷層發育走向為NW-SE。

(2) Araga地塹古近紀發育的斷層同樣受到早白堊世斷層的影響,但 Araga地塹早白堊世斷層發育較少,在近 EW 向拉張作用下,古近紀發育張扭性斷層,沿早白堊世斷層呈雁行排列。

(3) Fana低凸起和Moul凹陷內早期斷裂不發育,受到近EW向拉張作用后,發育NNW-SSE向斷層。

致謝:本文得到國家重大專項項目29“海外重點風險項目勘探評價及配套技術”和中石油重大專項子課題“被動裂谷成盆機理研究”資助,并感謝鄭亞東教授給予論文的修改。

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