中非Doba盆地反轉構造特征及成因機制

胡望水，李明，黃遲君，李希元，孔令武

1.長江大學地球科學學院，湖北 武漢 430100 2.油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室(長江大學)，湖北 武漢 430100 3.中國海洋石油國際有限公司，北京 100010

反轉構造是指地質體由于區域構造應力場改變而導致早期構造力學性質或構造運動發生變化的現象，是一種特殊的疊加構造類型[1,2]。依據其形成過程可劃分為正反轉構造與負反轉構造[3-6]。構造反轉主要是由于區域應力場變化所造成的，其盆地沉降-隆升的轉變過程，往往會導致地層剝蝕并產生不整合面[7]。在全球范圍內很多的沉積盆地均發育有反轉構造，對反映盆地的宏觀構造演化和區域應力場變化都有著重要的指示意義[8,9]。勘探經驗表明，國內外許多油氣田的發現都和反轉構造密切相關[10]。

在中非、西非裂谷系盆地之中，伸展-走滑盆地是當前石油勘探的熱門區域，油氣資源比較豐富，但油氣資源主要分布在伸展型盆地內，在走滑型盆地內僅有小部分油氣探明[11,12]。前人的研究指出，中非裂谷系發育走滑-拉分盆地與伸展盆地，前者形成主要受控于中非轉換帶中部的形態與走滑運動方向，后者形成主要受控于中非轉換帶走滑斷塊水平位移的變換[13]。中非裂谷系主要經歷了3期構造演化：早白堊世裂陷期、晚白堊世扭張-反轉期和古近紀以來的拗陷期，其走滑作用較強，構造反轉作用明顯[14]。但目前對中非裂谷系伸展盆地的反轉構造特征、反轉構造演化期次及成因機制還沒有明確的認識，無法為下一步勘探指明有利區塊。

該研究根據盆地當前勘探狀況，運用最新的二維地震資料，對Doba盆地多期次反轉構造特征及成因機制展開深入研究，優選典型剖面進行構造恢復，還原了盆地構造演化過程，分析其反轉構造的控盆斷層和幾何形態等因素，根據地幔對流的運動機制討論Doba盆地多期次疊加型反轉構造合理的形成機制，為多期次疊加型反轉盆地的油氣地質特征認識和勘探開發策略提供有力的理論指導依據。

1 區域地質背景

Doba盆地地理位置上東鄰Doseo盆地和Salamat盆地，北鄰Bongor盆地，主要凹陷區長約250km，最大寬度約140km，其盆地構造特征主要受中非轉換帶控制[15,16](見圖1(a))。中非裂谷系伸展盆地構造演化過程中均受到經過區域內部的中非轉換帶的影響，由于不同中非裂谷系盆地位于轉換帶的位置不同，因此受到的影響也不相同。Doba盆地位于中非轉換帶的偏北西向區域，受轉換作用較弱，以伸展作用為主。受中非轉換帶控制，Doba盆地整體為菱形，呈北部隆起南部坳陷的構造形態(見圖1(b))，盆地自南向北可劃分為南部斜坡、南部坳陷、中央坳陷、西部斜坡、西部隆起、北部隆起、北部坳陷和北部斜坡共8個一級構造單元，其中中央坳陷西部可進一步劃分出中部凸起與中部凹陷2個二級構造單元。Doba盆地形成演化主要受到北東-南西向的中非走滑斷裂帶控制，其次由盆地內部的北西-南東向斷層與小部分的北東-南西向調節斷層共同控制。

圖1 Doba盆地地理位置及構造單元分布(據文獻[14]修改)

Doba盆地經歷過3期裂陷、3期反轉、1期拗陷共7個期次的構造運動形成現今格局(見圖2)。盆地基底形成于泛非造山運動期間，基底長期暴露在干旱氣候環境下[17]，遭受風化剝蝕程度較為嚴重，鉆井揭示巖性以前寒武紀花崗巖為主，含少量片巖和花崗片麻巖。早白堊世，大西洋自南向北張裂，在中非裂谷系盆地發生了劇烈的裂谷作用。晚白堊世，在桑頓期非洲板塊與歐亞板塊相互撞擊的影響下,盆地內出現了強烈的反轉作用[18]，造成下白堊統地層抬升剝蝕，形成不整合面。中間層是Doba盆地在整個白堊紀一直到古近紀伸展裂陷沉積過程中所填充的陸相碎屑巖地層[19，20]，整個層內發育的砂巖和泥頁巖互層構成了一套完整的成藏組合，中間層厚度可達數千米。進入新生代，整個中非地區的構造活動逐漸減弱，而后受紅海張裂作用影響，盆地自此步入新的裂谷發育期，沉積了一套陸相地層，巖性以砂巖為主。

圖2 Doba盆地綜合柱狀圖

2 構造特征

2.1 結構特征

Doba盆地斷裂極為發育，斷裂性質主要為張性和張扭性，邊界主干斷裂走向為北東-南西向，傾向為南西向，其盆地伴生斷裂走向也為北東-南西向，與主干斷裂近平行排列，反映出傾向滑動的伸展構造運動方式；在構造反轉作用下，盆地內斷裂性質并未發生變化，總體分析Doba盆地斷裂走向，發現其與盆地軸向基本一致，控盆邊界斷裂主要走向為北東向，次級斷裂走向與控盆邊界斷裂近平行。中央坳陷發育少量東西向的斷裂。從地震資料選取的剖面特征上分析，盆地結構型式多數為復式半地塹以及地塹。主干斷裂形態近犁式，傾角45°～55°，最大不超過60°(見圖3)。發育在Doba盆地內的斷裂具有傾角較大的特征，由西部斜坡到中央坳陷，斷裂傾角逐漸增大。由于盆地內發育大量生長斷層加上多期次伸展構造，大量的早期斷裂為了補償下期伸展活動的伸展量，在下期依然繼承性發育，形成獨特的“Y”字型斷裂組合。

圖3 Doba盆地地震剖面特征(剖面位置見圖1)

2.2 反轉構造特征

Doba盆地作為伸展型盆地的代表，盆地內反轉構造主要分布在中央坳陷、西部隆起及西、南部斜坡。主要發育伸展型斷控式反轉構造(見圖4)，在地震剖面上可識別出早白堊世阿爾布期、晚白堊世桑頓期、漸新世末期共3期反轉構造，主控斷裂的反轉率普遍較大，因此反轉構造變形較強烈，反轉構造上次級斷裂較發育，剝蝕較嚴重。褶皺式反轉構造幅度無明顯差異。Doba盆地的反轉構造強度具有白堊紀較大、古近紀相對較小的特點，在反轉期滾動背斜、掀斜斷塊等構造類型大多分布在白堊系，在地震剖面上的斷裂表現為斷距變化明顯，由早期裂陷下降轉為反轉上隆，整個盆地橫向縮短，內部應力增強，并使裂陷期低角度斷裂改造為反轉期高角度斷裂，形成盆地反轉期獨特的斷裂類型。

注：Basement為基底；K1為下白堊統；K2為上白堊統；E為古近系；N為新近系；Q為第四系。下同。

可用同裂陷期層序零點位置計算剖面中的收縮與拉張量[21]，對Doba盆地反轉程度進行定量分析。收縮與拉張之間的位移比即為反轉率。Williams將反轉率定義為擠壓與伸展運動的比率[22](見圖5(a))，即平行于斷層上盤同伸展地層零點以上的地層單元厚度dc與斷層下盤地層單元厚度dh的比率，de為平行于斷層上盤同伸展地層零點以下的地層單元厚度。

該算法的弊端是要確定零點，在實際地震解釋中，零點位置比較難以確定。Song將算法改良為[23]：

(1)

式中:Rfi為反轉率；lh為上盤同伸展層序厚度；lf為下盤同伸展層序厚度；Δdi為上下盤同伸展層序厚度之差。當上盤同伸展層序為正反轉構造層序時，Rfi為正值，反之則為負值(見圖5(b))。通過該算法可定量計算目的層段反轉率，從而對盆地內不同區域的反轉率進行分析。

圖5 反轉率計算參數及模式(據文獻[22,23]修改)

在地幔對流作用的影響下，Doba盆地發生反轉，分別在早白堊世阿爾布期、晚白堊世桑頓期、漸新世末期各發生一次反轉作用。通過反轉率參數對盆地內斷裂定量計算，得出Doba盆地各區3期反轉構造的反轉率(見圖6)?？芍鳂嬙靻卧錁嬙旆崔D率存在一定的差異，高反轉率區域主要分布在盆地中央坳陷，低反轉率區域分布在盆地西部隆起和西、南部斜坡。3期反轉構造之中，晚白堊世桑頓期反轉率最大，其次為早白堊世阿爾布期，漸新世末期反轉率最低?？傮w上盆地反轉構造的反轉率在0.50到3.00之間，平均值為1.75，表明其反轉期受到的改造情況也存在差異。

圖6 Doba盆地不同時期盆地反轉率

3 反轉構造類型

對于反轉構造的分類，依照反轉構造的形態特征及斷層性質，可將伸展盆地反轉構造的形態特征分為斷裂型、褶皺型和混合型3種不同的類型。斷裂型根據后期擠壓發生的逆斷層所造成的位移量不同，可以分為“下正上逆”、“上正下正”、“上逆下逆”等3種表現形式。褶皺型表現為地層的褶皺隆升而不是斷層的位移，混合型正反轉構造是受到地層和斷層兩種因素的共同影響。在實際觀察中發現大多數反轉構造是由斷裂型和褶皺型兩種作用互相影響的結果，因此只有在地層褶皺或者斷層逆沖其中一種作用較弱的情況下才能單獨討論。

Doba盆地作為中非伸展裂陷型盆地的代表，結合盆地內已查明的3期裂陷-反轉構造演化體系得知，Doba盆地反轉構造形態以斷裂型為主、褶皺型為輔，主要包括單斷型、雙斷型和復合“Y”字型反轉構造(見圖7)。

圖7 Doba盆地典型反轉構造類型(地震剖面位置見圖1中a,b,c,d)

3.1 單斷型反轉構造

單斷型反轉構造中，深切基底的主控斷層在地震剖面上表現為“上正下正”的斷裂型構造特征(見圖7(a))。由于盆地在晚白堊世桑頓期發生了強烈的反轉作用，使先存的正斷層的上盤被抬升，但抬升位移量較小，未超過正斷層位移，使整個斷層在多期次發育過程中全都表現為正斷層性質，并在晚白堊世桑頓期形成了具有反轉構造特征的反轉背斜與掀斜斷塊構造類型。古近紀，主控斷層上盤的地層隆升使地層斷距逐漸減小，擠壓后上盤地層不斷抬升使靠近斷層附近的地層發生褶皺。

3.2 雙斷型反轉構造

雙斷型反轉構造在Doba盆地地震剖面上表現出兩種構造類型，即倒“V”字和正“V”字雙斷型(見圖7(b)和圖7(c))，形成具有伸展裂陷盆地特征的地壘、地塹、半地塹構造類型。主控斷層上盤的地層在早白堊世末期和晚白堊世桑頓期由穩定沉降轉變為擠壓上隆。結合區域動力分析，Doba盆地在漸新世末期發生反轉但反轉率較小，上盤地層斷裂隆起程度較低，但共同下盤地層由上隆逐漸平坦，而斷層上盤在斷層處發生斷裂變形，形成雙斷型反轉構造。

3.3 復合“Y”字型反轉構造

復合“Y”字型反轉構造中，斷層上盤為主要構造活動盤，剖面上表現為一條主控斷層由上至下切穿基底，相鄰小斷層沿上盤向上呈花狀撒開，向下聚集閉合，形成復合“Y”字型構造(見圖7(d)),而下盤則保持相對穩定的狀態，上盤地層被一系列沿地層展布的分支斷層所切割，形成斷背斜、反轉背斜構造類型。下盤沿斷層面雖發生抬升上隆，但主控斷層及分支斷層依然呈現為正斷層的性質，結合構造形態分析復合“Y”字型反轉構造，可將其歸納為“上正下正”的斷控型反轉構造類型。根據3期伸展裂陷盆地構造反轉作用，早白堊世末期斷層斷距逐漸減小后，晚白堊世桑頓期進一步變小直到古近紀，遠離斷層處地層逐漸平滑并且處于穩定沉積狀態，應力集中在斷層附近。

3.4 反轉構造類型的分布規律

根據以上3種反轉構造類型特征，在地震資料上進行精細解釋，將3種不同的反轉構造類型在平面上統計出來，繪制出Doba盆地構造單元分布圖(見圖1(b))。通過總結3類反轉構造特征(見表1)可以發現，單斷型反轉構造主要分布于Doba盆地中部凹陷和中央坳陷以及北西-南東走向的邊界斷層位置。而雙斷型反轉構造主要分布在盆地中部凹陷和中央坳陷，在北部和西部斜坡也有少量分布。復合“Y”字型反轉構造分布在Doba盆地的南部斜坡和中央坳陷，在盆地內較少發現。從構造單元上不難發現，盆地在北西向主要為隆起、凸起地形，因此在Doba盆地的北西部構造活動較為劇烈，斷裂傾角較大且發育密集，在白堊紀斷層的斷距同樣也很大。統計后發現，Doba盆地北西向下白堊統地層斷距相差有300m左右，后經反轉構造作用，直至古近系地層斷距才縮小至25m左右。由于先期斷距過大，后期雖然反轉構造活動劇烈但仍未使北西部斷裂性質發生變化，形成了北西-南東走向邊界斷裂位置上單斷型反轉構造分布較廣的反轉構造格局。同時，經過解釋全區地震剖面后發現，在中部凹陷和中央坳陷也由于此類情況出現單斷型反轉構造，不過較盆地北西向規模較小，是由于盆地內部受地幔熱下降流后部分地層受構造應力不均勻所導致。在盆地的中部，雙斷型反轉構造為主要的構造樣式，并發現倒“V”字雙斷型反轉構造類型集中在盆地中央坳陷，而正“V”字雙斷型反轉構造類型分布在中部凹陷和西部斜坡，表示盆地中心受外側共同的構造應力更為強烈，而在西部斜坡較弱。在Doba盆地內部斷裂雖然相對較少，但傾角較高，且由于盆地中心是由兩側的構造應力作用，使得盆地中央的斷層傾角發生反向改變。而復合“Y”字型反轉構造是由于盆地邊界主干斷裂具有張扭性質，并受到相反傾向的小規模斷層共同控制而形成，在地震剖面上反映出主干斷裂傾角較大且切穿基底的特征，復合“Y”字型反轉構造集中分布在南部斜坡和中央坳陷。

表1 Doba盆地反轉構造類型分類表

4 Doba盆地構造演化及成因機制

4.1 反轉構造演化期次

Doba盆地與其周圍鄰近的Doseo盆地、Bongor盆地及Salamat盆地構造演化史基本相似。早白堊世巴雷姆期盆地內的第一期含油氣構造已形成雛形，到晚白堊世，在桑頓期反轉作用下盆地構造基本定型；漸新世末期，反轉作用對盆地構造影響微弱。依據中非裂谷系構造演化史，結合Doba盆地構造特征，優選典型剖面進行構造恢復，還原了盆地構造演化過程。將Doba盆地構造演化劃分為7個期次(見圖8)。

圖8 Doba盆地構造演化期次和剖面構造演化發育史(剖面位置見圖1)

1)第一期強裂陷期。從貝利阿斯期-阿普特期為第一期強裂陷期，在巴雷姆期作用最強烈。斷陷作用強烈，斷層發育且活動強烈，斷距較大。盆地內的正斷層組成了具有伸展構造的地塹-半地塹、順向斷塊及反向斷塊等構造樣式。

2)第一期反轉期。阿爾布期發生第一次反轉。經盆內斷層研究查明區域應力場由早白堊世時期的拉張應力場變換為擠壓應力場，在擠壓應力作用下，Doba盆地內斷層上盤發生抬升，盆地下白堊統地層發生一定程度的褶皺彎曲使應力釋放，不過這一時期的反轉作用程度較弱，地層褶皺彎曲幅度不大。

3)第二期弱裂陷期。賽諾曼期-康尼亞克期為第二期弱裂陷期，經歷過阿爾布期反轉作用后，盆地繼續拉張裂陷接受沉積，由于裂陷作用較弱，僅小部分正斷層復活。

4)第二期強反轉期。桑頓期為Doba盆地強烈反轉時期。受到強烈的區域反轉應力場作用影響，盆地發生大幅度強烈反轉，導致地層隆起而發生剝蝕，在北部斜坡表現最為明顯。從地震剖面上看，其地層出現了較大幅度的剝蝕，白堊系發生較強烈的反轉褶皺。在第二期強反轉作用下，Doba盆地反轉構造已基本定型。

5)古新世-始新世拗陷期。在區域拗陷作用下，Doba盆地發生整體沉降，構造活動較弱，盆地在該時期形成的斷層斷距普遍較小。

6)漸新世末反轉期。Doba盆地發生了弱反轉作用。地震資料揭示這一時期的反轉作用微弱，與始新世拗陷期相比，總體上地層褶皺變化幅度很小、斷層基本不活動，所以盆地總體的構造格局并未發生明顯變化。

7)新近紀-第四紀裂陷期。此時期為Doba盆地構造演化的最后一個時期，盆地斷陷作用較弱，該時期構造類型繼承性發育，沉積厚度較薄，上新統上覆地層被嚴重剝蝕。

總的來看，Doba盆地構造演化經歷了貝利阿斯期-阿普特期、賽諾曼期-康尼亞克期、新近紀-第四紀3期伸展裂陷，并對應阿爾布期、桑頓期和漸新世末期共3期的構造反轉，再加上古新世-始新世拗陷期。其中，貝利阿斯期-阿普特期伸展裂陷作用最強，賽諾曼期-康尼亞克期裂陷作用最弱。從3期構造反轉來看，在桑頓擠壓事件的影響下，桑頓期構造反轉最強。

4.2 反轉構造演化成因

研究非洲大陸中、新生代伸展裂陷盆地后發現，從侏羅紀晚期以來，至少經歷了2期反轉[24]，分別為漸新世末期、晚白堊世桑頓期，同時也形成了大規模的反轉構造。在超地幔對流反轉背景下，大西洋發生收縮，造成非洲板塊和中非盆地出現反轉。統計國內外中新、生代含油氣盆地研究成果發現，反轉構造發生的時期在全球范圍內大體一致，在漸新世末期、桑頓期和阿爾布期全都發生了一期構造反轉，這個結果指示了構造反轉的作用在全球范圍內具有同期性。因此，只有從全球巖石圈動力學角度去分析盆地反轉構造，才能正確地找出盆地反轉的形成動力。

在貝利阿斯期-阿普特期、賽諾曼期-康尼亞克期、新近紀-第四紀這3期伸展裂陷作用[25-27]影響下，非洲大陸中新生代裂陷盆地發育。早白堊世，受大西洋擴張影響，非洲板塊抬升并緩慢東移，產生拉張應力場，盆地進入第一期強裂陷期。晚白堊世，早期南大西洋快速擴張，盆地繼續拉張裂陷，但裂陷作用較弱；晚期歐洲板塊與非洲板塊初始碰撞產生擠壓應力場，中非裂谷系盆地發生反轉，同時在印度洋快速擴張的影響下，非洲板塊向北漂移產生伸展應力場，盆地進入第二期弱裂陷期。古近紀，大西洋擴張減緩，歐洲板塊與非洲板塊發生主要碰撞產生北東-南西向拉張應力場，因Doba盆地走向與拉張應力場方向近平行，盆地進入拗陷期，而走向為北西-南東的盆地則進入裂陷期，如Muglad盆地與Melut盆地。

地幔對流作用為板塊的反向漂移提供了合理的動力來源[28,29]，指出了研究盆地反轉構造演化的新方向。根據理論模型(見圖9)，地幔上升流將熱能量和地幔物質帶到了軟流圈，板塊頂層在地幔對流作用下產生應力，巖石圈裂陷伸展，在地表上表現為大西洋擴張，中非裂谷系盆地發生伸展裂陷作用，熱能量釋放后，橫向匯聚到裂陷區，巖石圈橫向收縮，伴隨著裂陷區塌陷作用，逐漸下降至核幔邊界，在地表上的響應表現為中非裂谷系盆地發生反轉構造作用，最后通過積累熱能和熱化學能量，進行后續地幔對流反轉。多期次的地幔對流作用是Doba盆地形成3期疊加裂陷-反轉構造的主控因素。地幔對流反轉橫向移動在板塊頂層產生側向作用力，推動板塊反向漂移，同時也伴隨著陸內盆地形成反轉構造。反轉構造作用在地質歷史上刻印了它們曾經發生過的痕跡，這些痕跡也正是分析盆地反轉活動真相的關鍵證據。

圖9 大陸地幔對流反轉引起的裂陷盆地反轉的巖石圈收縮模型

5 結論

1)Doba盆地的反轉構造分為單斷型、雙斷型和復合“Y”字型，并以斷層上盤發育的掀斜斷塊、反轉背斜、斷背斜為其主要構造表現形式。

2)Doba盆地共經歷3期構造反轉，早白堊世阿爾布期和晚白堊世桑頓期反轉作用較強，漸新世末期較弱，高反轉率區域為中央坳陷，低反轉率區域為西部隆起和西、南部斜坡。

3)Doba盆地的構造演化劃分為7個階段，盆地經歷了貝利阿斯期-阿普特期強裂陷期、阿爾布期反轉期、賽諾曼期-康尼亞克期弱裂陷期、桑頓期強反轉期、古新世-始新世拗陷期、漸新世末期反轉期以及新近紀-第四紀裂陷期。其中，貝利阿斯期-阿普特期強裂陷期裂陷作用最強，桑頓期反轉作用最強。

4)Doba盆地反轉構造是巖石圈收縮的結果，巖石圈收縮是地幔對流作用在地表上的表現形式。地幔對流作用是Doba盆地形成3期疊加裂陷-反轉構造的主控因素。