构造反转是沉积盆地中普遍存在的一种地质现象, 它是盆地在沉积下陷的过程中, 由于区域应力场的改变或深部物质的上涌造成盆地的挤压变形和缩短叠加在先期伸展构造之上而形成的一种复合构造^[1-3]。反转构造自提出以来就引起了国内外学者的广泛关注, 围绕着反转构造的定性和定量描述^{[2, 3-11]}、构造特征与构造样式分类^{[6, 12-15]}、反转构造的成因机制^{[9, 13, 16-19]}等一系列问题进行了深入的研究和探讨。近年来, 随着研究手段的不断丰富和实验分析技术的快速提高, 反转构造的研究取得了一系列成果, 越来越多地受到业内学者的关注和重视。

构造反转作为一个重要的构造事件深刻影响沉积盆地的形成、演化和沉积充填过程, 对盆地内油气的生成、运移和聚集成藏起到了非常重要的影响作用。构造反转对油气聚集的影响是目前反转盆地研究中的一项重要内容^{[8, 11, 15, 20-28]}, 系统分析反转构造特征和形成机制对反转盆地石油地质特征的认识和勘探策略的选取具有重要的指导作用。本文以中非裂谷系典型反转裂谷盆地Bongor盆地为例, 通过对盆地构造特征的解剖, 结合区域大地构造演化背景, 分析和探讨盆地反转构造特征和形成机制。

Bongor盆地位于中非、西非裂谷系的交会部位, 乍得共和国西南部, 中非剪切带北缘(图 1), 是受中非剪切带影响发育起来的中—新生代陆内反转裂谷盆地^[29-36]。盆地整体呈近东西走向, 长约为280km, 宽约为40~80km, 面积约为1.8×10⁴km²。

图 1

图 1 Bongor盆地区域构造位置(据参考文献[29]修改)

Bongor盆地平面上呈纺锤形, 整体呈南断北超的构造形态, 自北向南可以分成4个次一级构造单元:北部斜坡、中央坳陷、南部隆起、南部坳陷, 相邻构造单元间发育一些构造调节带(图 2)。盆内发育正断层, 北西—南东向主控断层控制了盆地的形成演化和沉积过程, 其次为北西西—南东东向断层和少量的北东—南西向调节断层(图 2)。

图 2

图 2 Bongor盆地构造单元图

Bongor盆地自下而上发育3个构造层:最底层为盆地的古老基底, 钻井揭示岩性主要为前寒武纪花岗岩和花岗片麻岩; 中部构造层为盆地白垩纪—古近纪张裂过程中所充填的陆相碎屑岩地层, 岩性以砂岩和泥岩(页岩)薄互层为主, 该层是Bongor盆地最主要的沉积层, 厚度达数千米, 目前盆地内主要的油气发现均赋存于该构造层内; 顶面构造层为新近纪以来坳陷期沉积的地层, 厚度仅为200~500m, 与中部构造层以不整合面为界(图 3)。

图 3

图 3 过Bongor盆地典型地质剖面(剖面位置见图 2)

Bongor盆地的形成和演化主要受到泛非运动、冈瓦纳古陆解体、大西洋开启、中非剪切带走滑和红海张裂的影响^[34-35]。

泛非运动发生于600Ma年以前的前寒武纪时期, 该期运动导致了冈瓦纳古陆的聚合, 在这一过程中组成非洲板块的各小地体通过不断的碰撞融合形成了现今非洲大陆的古老基底^[37]。Bongor盆地在这一时期火山活动频繁, 基底差异隆升, 地形高差较大, 这些隆起成为现今盆地内潜山构造的雏形(图 2)。

白垩纪早期大西洋自南而北开始张裂^[34], 大西洋的张裂导致了南美板块和非洲板块的分离、中非剪切带的形成, 并引起了非洲板块内部裂谷活动的发生, 形成了中西非裂谷系盆地的雏形^[35]。盆地初始裂陷期, Bongor盆地内水体较浅, 大部分早期隆起出露在外, 除中央坳陷外, 北部斜坡带各小洼陷由于隆起分隔互不连通, 这些出露的山头不断遭到风化剥蚀, 剥蚀的产物直接入湖, 快速堆积形成近岸水下扇—扇三角洲沉积(图 4), 这套沉积体是目前盆地内最重要的储层^[29]。M组沉积时期, 盆地内水体加深, 除局部高隆起外, 大多数隆起没入水面以下, 盆内沉积了一套半深湖—深湖相泥岩, 厚度在数十米到数百米不等, 该套泥岩是盆地内最重要的烃源岩和盖层^[29](图 4)。K组沉积时期盆地断陷活动减弱, 沉积速率降低, 同一层位在不同构造部位的厚度差异开始减小(图 4)。R组、B组沉积时期, 大量沉积物从盆地四周充填入盆地内, 水体逐步变浅, 各构造单元之间的高差进一步缩小, 断裂活动进一步减弱(图 4)。

图 4

图 4 Bongor盆地综合柱状图

白垩纪晚期, Bongor盆地发生强烈反转, 反转导致地层抬升, 上白垩统和部分下白垩统B组遭受剥蚀(图 4), 不同构造单元剥蚀厚度差异较大, 剥蚀厚度恢复结果表明盆地剥蚀厚度在1000~2000m之间, 平均剥蚀厚度达1500m^[38]。白垩纪末期发生的构造反转是Bongor盆地形成和演化过程中的关键事件, 是Bongor盆地同中西非裂谷系其他盆地最显著的差别。构造反转造成了地层变形、断裂体系的调整和油气的重新运移和聚集, 该期反转后Bongor盆地基本定型。

新生代盆地进入了统一的热沉降阶段, 表现为盆地的整体沉降(图 4)。古近纪末, 受红海北西—南东向张裂产生的局部挤压应力影响, 盆地发生弱反转, 该期反转在中西非裂谷系其它盆地中也有发生, 该期反转比较弱, 表现为盆地的整体抬升, 各构造单元剥蚀厚度基本接近, 由于此时大多数盆地都进入稳定沉降阶段, 该期弱反转对盆地的改造和影响不大。

裂谷盆地的构造反转必然对裂谷期形成的构造和充填的地层进行改造, 由于各盆地构造形态和反转机制的差异, 构造反转在各裂谷盆地的表现形态也不尽相同。

Bongor盆地的控盆断层和盆内主干断裂平面上呈北西—南东走向, 延伸距离从数十千米到数百千米不等。剖面上主干断层发育具有明显的继承性, 向下切穿基底, 向上终止于古近系顶部的不整合面。

由于驱动力和成因机制上的差异, 中西非被动裂谷盆地同中国东部典型的主动裂谷盆地相比断裂形态上存在明显差异, Bongor盆地为代表的中西非被动裂谷盆地边界断层断面一般较陡, 断层上下产状变化不大, 断面相对比较平直; 而中国东部主动裂谷盆地边界断层断面一般较缓, 以犁式为主^[35]。Bongor盆地主要构造主干断层倾角的统计结果表明(表 1), 盆地内主干断层倾角均超过45°, 大多数断层倾角大于或接近60°, 部分断层倾角达到70°。

表 1

表 1 Bongor盆地主干断层断层要素统计表 构造名称 主控断层走向 主控断层倾向 断层倾角/(°) Baobab S 东西 南 70 Baobab SE 南东—北西 南西 65 Mimosa NE 南东—北西 北东 75 Mimosa SE 南东—北西 南西 60 Mimosa-1 南东—北西 南西 45 Prosopis 南东—北西 南西 60 Prosopis E 东西 南 60 Prosopis C 南东—北西 南西 57 Ronier S 南东—北西 南西 45 Ronier C 南东—北西 北东 57 Ronier-1 东西 南 60 Ronier N 南东—北西 南西 65 Ronier-4 南东—北西 南西 50 Cassia E 南东—北西 北东 70 Cassia 北东—南西 南东 60 Cassia C 北东—南西 南西 70 Cassia S 北东—南西 南西 58 Cassia N 东西 南 70

表 1 Bongor盆地主干断层断层要素统计表

前人根据反转构造的形态特征, 将反转构造分成3种类型:断层型、褶皱型和混合型^[39-40]。断层型反转构造中, 反转挤压变形构造缩短主要由先存正断层承担, 在挤压应力的作用下, 断层发生逆冲, 下降盘地层整体沿断面向上滑动。褶皱型反转构造中, 反转挤压变形构造缩短主要承担者为地层, 而不是先存断层, 具体表现为地层的褶皱隆升。混合型的反转构造中, 反转挤压变形既有沿先存断裂的逆冲, 同时地层也发生褶皱变形。

Bongor盆地的构造反转主要表现为地层的褶皱隆升, 目前盆地内未发现明显的逆断层, 反转构造以褶皱型为主, 形成反转背斜、断背斜和断鼻构造。根据反转构造的几何形态和与主控断层的关系, 将Bongor盆地的反转构造分成3种类型:单断型、双断型和散花型(图 5)。

图 5

图 5 Bongor盆地典型反转构造(剖面位置见图 2)

单断型反转构造中, 主控断层未发生逆转, 仍表现为正断层性质。主控断层下降盘地层发生褶皱隆升, 形成反转背斜、断鼻构造。在挤压变形的过程中, 由于一侧受到断层的遮挡, 另一侧相对平缓, 挤压应力释放在较宽广范围内, 挤压主要影响下降盘附近的地层(图 5a)。该类型主要分布于盆地中北西—南东走向和东西走向边界断层和主要构造带控制断层的下降盘。

双断型反转构造中, 双侧主控断层相向而立, 形成“V”字形狭谷, 双侧主控断层均未发生逆转, 单侧或者双侧主控断层下降盘地层发生褶皱隆升, 形成反转背斜、断鼻构造。由于受到双侧遮挡, 挤压应力集中释放在狭谷内, 狭谷内地层变形剧烈, 形成隆凹相间的形态(图 5b)。该类型主要分布在盆地内北西—南东走向展布的狭长裂谷的两侧。

散花型反转构造中, 各断层向上撒开, 向下收拢, 形成花状形态, 地层被一系列断层所切割, 形成复杂的断背斜、断鼻构造, 主控断层和各分支断层均未发生逆转, 仍然表现为正断层性质(图 5c)。散花型反转构造可以看成是单断型反转的复杂化, 下降盘地层被多条断层所切割, 构造复杂。该类型也主要受盆地中北西—南东走向和东西走向边界断层的控制。

自构造反转概念提出以来, 盆地发生构造反转的原因和机制就受到了众多学者的长期关注^[41-45]。盆地反转的动力机制通常被归纳为以下几种情况:由于板块边界形状及相对运动的改变所引起的板内应力场的变化、大陆边缘从张裂阶段向遭受洋脊推力作用的转变、走滑活动引起的扭压作用、岩石圈拉张减薄引起的回弹作用、盐底辟和热点等引起的抬升等^[16]。

盆地的构造反转通常与周边重大的区域性的构造运动密切相关。就Bongor盆地而言, 白垩纪期间盆地周边最重要的构造事件是非洲板块和欧亚板块间相对运动方向和速率的变化。Rosenbaum等^[46]基于非洲板块内部3个点(图 6a中ⅠAF、ⅡAF、ⅢAF)的古地磁资料恢复了非洲板块与欧亚板块间的相对运动轨迹。

图 6

图 6 非洲板块内部3个点围绕欧亚板块内部3个固定点相对运动轨迹(a)和速率(b)示意图(据文献[16]、[46-47]修改) ⅠAF、ⅡAF、ⅢAF分别代表非洲板块内的3个点, ⅠEU、ⅡEU、ⅢEU分别代表欧亚板块内的3个点, 它们的现今位置: ⅠAF为30°N/6°W, ⅠEU为45°N/6°W, ⅡAF为37°N/15°E, ⅡEU为45°N/15°E, ⅢAF为32°N/24°E, ⅢEU为45°N/24°E

恢复结果表明, 中侏罗世—早白垩世(170—120.2Ma)期间, 非洲板块与欧亚板块之间的相对运动以北西—南东向左旋走滑为主要特征, 而在早白垩世晚期—晚白垩世晚期(120.2—83Ma), 非洲板块与欧亚板块间的相对运动方向发生明显改变, 由之前的左旋侧向运动转而变成近南北向正向汇聚^[46], Dewey等根据阿尔卑斯造山带高压变质岩年代学研究成果将非洲板块和欧亚板块间的碰撞开始的时间确定为92Ma^[16]。板块汇聚速率分析结果表明, 晚白垩世(100—80Ma)非洲板块与欧亚板块间的碰撞速率明显增加^{[16, 46-47]}(图 6b)。这种快速的汇聚碰撞作用在非洲板块内部形成了近南北向的挤压应力, 这种应力对近东西向展布的Bongor盆地造成了近乎正向的挤压, 使盆地发生强烈反转。近东西向展布的Doba盆地该期反转活动也非常强烈, 而北西—南东向展布的Termit盆地、Muglad盆地和Melut盆地^[48]由于挤压应力方向与盆地走向小角度斜交, 挤压应力大部分消减在边界断层与基底之间, 对盆地内的地层影响不大, 因此这些盆地白垩纪末期构造反转不明显。中西非裂谷盆地构造走向与这一时期非洲板块内部主要应力场方向的关系, 可能是各盆地反转程度差异的主要原因。

先存断层在反转时具有很强的选择性, 即一些断层反转, 而另一些断层则保持原先性质。断层是否发生反转与断层的倾角、断面摩擦因子(μ_s)和地层中的孔隙流体因子(λ_ν)密切相关^[45]。断面摩擦因子(μ_s)与断层两盘对接的岩性、压实程度和接触表面的状态(粗糙程度、泥岩涂抹情况等)有关, 对于一般地层而言, 断面摩擦因子在0.5~1之间。孔隙流体因子(λ_ν)指地层孔隙中流体的体积比例, 孔隙流体因子为零, 即孔隙中不含流体, 相当于干摩擦, 孔隙流体因子大于零, 相当于湿摩擦, 而且孔隙流体因子越大, 表明孔隙中流体所占体积越多, 相同应力条件下断层越容易发生反转。在这些影响断层反转的因素中, 断层倾角最为关键。

Bonini等对在不同断层倾角、断面摩擦因子(μ_s)和孔隙流体因子(λ_ν)条件下, 断层反转所需的挤压应力强度进行了数值模拟^[45]。模拟结果表明, 在相同断面摩擦因子(μ_s)和孔隙流体因子(λ_ν)条件下, 断层倾角与发生反转所需应力强度关系曲线呈U形(图 7), 断层倾角过小或者太大, 断层反转所需的应力强度大, 不易反转, 而处于中间的某个倾角, 断层发生逆转所需应力强度最低(例如, 当μ_s=0.6时, 倾角为30°左右的断层反转所需应力强度最低, 图 7)。当断层倾角超过一定数值时, 断层进入锁死区, 不会发生反转(例如, 当μ_s=0.6时, 断层倾角接近60°就开始进入锁死区, 图 7)。

图 7

图 7 断层倾角与反转所需应力强度关系图 (据文献[45]修改)

前已述及, Bongor盆地作为中西非被动裂谷系盆地的一部分, 其盆地边界断层和主干断层剖面平直, 断层倾角较大, 大多数断层倾角接近或者超过60°, 断层倾角过大是Bongor盆地白垩纪末期强烈反转事件中断层未能反转的主要原因, 由于断层未反转, 挤压应力的释放主要由地层承担, 造成了地层的褶皱变形和隆升剥蚀, 形成褶皱型反转构造。

Bongor盆地是在大西洋张裂诱导下形成的中—新生代陆内被动裂谷盆地。白垩纪末期的构造反转使盆地内地层褶皱隆升, 形成褶皱型反转构造, 以断层下降盘发育的反转背斜、断背斜、断鼻为主要表现形式, 盆地内断层未发生反转。

Bongor盆地白垩纪末期的构造反转源于非洲板块与欧亚板块间的南北向高速碰撞, 这种碰撞在非洲板块内部形成近南北向挤压应力, 近东西向展布Bongor盆地遭受正向挤压而发生强烈反转, 同时由于盆地内主干断层倾角过大发生“锁死”现象而未发生反转, 构造反转以地层褶皱变形为主要表现形式。