下剛果盆地白堊系鹽筏物理模擬研究

程 鵬，李江海*，章 雨，王殿舉，劉志強

1. 造山帶與地殼演化教育部重點實驗室，北京大學地球與空間科學學院，北京 100871；2. 北京大學石油與天然氣研究中心，北京 100871；3. 中國石化石油勘探開發研究院，北京 100083

鹽筏作為一種鹽后沉積層劇烈拉伸的構造樣式最初由Burollet（1975）在安哥拉的寬扎盆地發現，其主要特征為上覆層伸展斷裂形成完全離散的筏狀塊，筏體之間填充著后續的同構造沉積地層，目前在安哥拉、巴西及墨西哥的被動陸邊緣鹽盆廣泛發育（Burollet，1975; Brun and Fort, 2011；Duval et al., 1992；Piedade et al., 2017；Pilcher et al., 2014; Valle et al., 2001）。鹽筏構造的形成是一個重力驅動的過程，地震數據顯示坡上鹽筏活動時的伸展與坡下鹽層流動產生的褶皺與逆沖是同時發生的（Fort et al., 2004；Jackson et al., 2000；Marton et al., 2000）。Valle等（2001） 在研究下剛果盆地東部構造地層演化時指出對整個下剛果盆地乃至整個西非大陸邊緣的鹽盆，鹽筏構造對于盆地后裂谷期的演化都有著重要的影響（Valle et al., 2001）。理解鹽運動和沉積之間的相互作用是下剛果盆地勘探成功的關鍵因素。物理模擬為研究鹽筏構造及其相關沉積樣式的影響因素提供了一個很好的工具，此外物理模擬可以增進我們對鹽構造的理解，從而提高鹽構造地震解釋的正確度。前人對鹽筏構造的物理模擬研究及數值模擬研究，多采用的初始條件為鹽上層為自由表面，無沉積覆蓋，后續沉積加載方式為進積形 式（Adam and Krézsek, 2012; Ings and Beaumont, 2010; Vendeville, 2005）。本文從下剛果盆地白堊系鹽筏的實際地質背景出發，基于物理模擬方法，采用存在前構造沉積層及沉積加載方式為加積的條件，分析了鹽筏形成過程中基底傾角及同沉積速率組合對鹽筏構造樣式的影響，探討了下剛果盆地白堊系鹽筏的形成機制。

1 下剛果盆地區域地質背景

下剛果盆地位于西非被動大陸邊緣，沿南加蓬、剛果（布）、剛果（金）和安哥拉海岸西側分布，下剛果盆地南北界為基底隆起，東界為前寒武系基底，西界位于3000 m水深線附近，面積約15.3×104km2。作為在晚侏羅世至早白堊世岡瓦納超大陸南部形成的大陸裂谷系統的一部分，下剛果盆地主要經歷了裂谷期、過渡期和被動大陸邊緣三個階段，發育三套巨型地層序列（Valle et al., 2001）。裂谷期構造穩定，在巴雷姆至阿普特階期形成了一個凹陷盆地。過渡期形成廣泛分布的厚層鹽巖（圖1）。Loeme組蒸發巖的形成，也記錄了下剛果盆地從陸相裂谷盆地到海相被動邊緣盆地的過程（Anderson et al., 2001）。被動大陸邊緣期盆地以區域沉降為主，在阿爾布期形成鹽上巨型的碳酸鹽巖層序，阿爾布期至晚白堊世沉積了泥灰巖和粘土，并主要沉積了晚白堊世的硅質碎屑巖（Oluboyo et al., 2014）。晚白堊世至新生代的鹽后沉積主要受阿普特階鹽巖的重力滑脫作用控制（Warsitzka et al., 2016）。

研究區B位于下剛果盆地的東南部，部分位于寬扎盆地（圖2）。 研究區B橫跨區帶包括伸展帶及過渡帶，構造樣式以鹽筏為主。穿過鹽筏構造的典型剖面b如圖2所示（剖面位置見圖1）。阿普特階的鹽巖將地層分為上下兩套系統，鹽下地層反射受到鹽層的嚴重影響。在剖面東部的鹽筏滑脫開始之前，最年輕的地層反射同相軸為下阿爾布階地層頂面，其同相軸明顯地旋轉和向下彎曲，形成一系列向海方向的正斷層，同時多數同相軸嚴重傾斜接觸到基底反射，使得斷層的上下兩盤完全分離。而在剖面中大部分區域，斷層間的地層形成一系列的小筏體。各個筏體之間的距離通常從幾百米到幾公里不等。阿爾布階上覆地層的下部，反射同相軸向斷層傾斜加寬，形成典型的同沉積構造。由剖面的東部至西部，鹽層逐漸變得連續，斷裂樣式由半地塹變為半地塹與地塹共存。下剛果盆地白堊系鹽筏發育期間的主要區域構造活動為過渡期以來的持續熱沉降，從而引起基底向海方向的傾斜，海平面的變化在鹽巖沉積后的一段時期處于穩定的上升階段，沉積模式多為退積、加積，沉積速率也相對較大（Séranne and Anka, 2005）。

圖1 下剛果盆地研究區位置及綜合柱狀圖（據Marton，2000；Anka，2013）Fig. 1 Distribution of salt tectonic belts in the Lower Congo Basin and location map of the study area

圖2 下剛果盆地研究區B地震剖面b及解釋剖面Fig. 2 Seismic profile b and interpretation of the profile of Block B in the Lower Congo Basin

2 物理模擬實驗模型設計

2.1 模型設置

鹽構造物理模擬材料通常選取干燥石英砂模擬脆性沉積地層，高分子硅膠模擬鹽巖。實驗采用石英砂密度在1.3～1.6 g/cm3之間，粒徑150～300 μm。硅膠的粘度為1.2×104Pa·s,密度為0.926 g/cm3。模型長度65 cm、寬度30 cm、硅膠（鹽巖）初始長度52 cm，單斜坡底板角度（基底傾斜角度）設置為3°及5°，在向海端設置一底板隆起，來模擬后期火山活動對鹽巖形成的阻擋（圖3）。鹽筏伸展的空間來源一般認為有兩種，一是由坡下鹽層流動產生的褶皺與逆沖提供；二是海底擴張。下剛果盆地鹽筏兩個時期的漂移距離可達200 km，單純的坡下褶皺與逆沖的縮短量很難匹配（Duval et al., 1992）。故結合研究區實際地震資料及前人研究基礎，選取鹽巖向海側為自由端，以模擬鹽巖沉積早期在沒有阻擋的情況下向海擴展。鹽巖上覆的同構造活動沉積層的沉積速率則通過間隔固定時間篩入等厚的砂層控制。

圖3 鹽筏構造物理模擬模型簡圖Fig. 3 Schematic diagram of the physical modelling model of salt rafts

2.2 相似條件

為了研究自然尺度的地質現象及地球動力學過程，物理模擬通過將地質尺度的時間與空間縮小到實驗室尺度來重現自然條件下無法觀測到的變形過程，相似原則由伽利略早在幾個世紀以前提出，Hubbert（1937）首次將其應用到了構造物理模擬實驗中。

相似的基本特征包括幾何（空間）相似、運動（時間）相似、動力（物理）相似。其中幾何相似指的是自然原型與設計模型的幾何尺寸對應長度均保持一個固定比例，幾何相似是其他相似的前提。在幾何相似的基礎上，運動相似（速度方向相同，大小成比例）只需要確定時間比例即可（Jackson and Hudec, 2017）。動力相似需要物體對應受力的性質和類型相同、方向相同，大小成比例。通常情況下，三種相似之間的關系通過力學基本定律來約束（Allen and Beaumont, 2012）。那么當其中任意三個相似比例被確定，最后一個則可由公式導出。依據相似原則，實驗環境下的重力系數g與自然條件下一致，gr不變等于1；長度系數 lr=0.25×10-5，即實驗條件下1 cm約等于自然條件下4 km；密度系數 ρr≈0.5，即實驗條件下的平均密度約為自然條件下一半；粘度系數 μr≈1.2×10-15。依據公式（1）

可得到實驗條件下1 h約為自然條件下10 Ma。

3 物理模擬實驗過程及結果

3.1 實驗1

實驗1設計目的為觀測無差異負載沉積的情況，鹽巖在底板傾斜條件下的運動規律。初始鋪設暗色硅膠（鹽巖層）厚度約1 cm，等厚的紅白相間標志砂層（前構造沉積層）厚度約為2 cm，覆蓋在鹽層之上。實驗開始后抬升底板角度至5°，同時每隔30 min記錄平面構造變化，實驗總時長7 h。由實驗過程及結果可知，伸展斷裂最早出現在近陸端，并逐漸向海發展，隨著斷裂距離的增大，被兩組斷裂完全隔開的前構造沉積層，形成了一個個的“筏”，漂浮在鹽層之上。觀測斷裂的最終分布可見，斷距最大的斷裂出現在斷裂群的中部，斷裂凸向指向陸地一側，鹽巖隨著斷裂的擴展涌出地表（圖4）。

圖4 下剛果盆地白堊系鹽筏物理模擬1結果Fig. 4 Results of the physical modelling 1 of the Cretaceous salt rafts in the Lower Congo Basin

3.2 實驗2

實驗2設計目的為觀測在后續快速沉積的情況下，鹽筏構造的演化規律。初始條件與實驗1相同，鋪設鹽巖層厚度約1 cm，等厚的前構造沉積層厚度約為2 cm。實驗開始后抬升底板角度至5°，同時進行后續沉積層的快速加載（ 綠白相間標志砂層，沉積間隔20 min，共4次）。觀測實驗過程及結果，后續沉積的加載使得鹽巖的上涌趨勢被抑制，同時斷裂的擴展速度也有所減慢。但伸展斷裂仍是由陸到海的發展趨勢，靠陸一端的斷裂伸展不夠充分，形成上下盤相接的前鹽筏構造樣式。而在斷裂群的中部，鹽構造沉積層在上下盤則完全脫離，形成鹽筏。斷裂的最終分布在平面上凸向仍是指向陸地一側，在剖面上可見向海傾斜的多米諾式斷層，鹽筏及斷裂集中在近陸端（圖5）。

圖5 下剛果盆地白堊系鹽筏物理模擬2結果Fig. 5 Results of the physical modelling 2 of the Cretaceous salt rafts in the Lower Congo Basin

3.3 實驗3

實驗3設計目的為觀測在后續沉積相對較慢的情況下，鹽筏構造的演化規律。初始條件與實驗1相同，鋪設鹽巖層厚度約1 cm，等厚的前構造沉積層厚度約為2 cm。實驗開始后抬升底板角度至3°，同時慢速加載后續沉積層（沉積間隔2 h，共4次）。觀測實驗過程及結果，伸展斷裂仍是由陸到海的發展趨勢，由于較低的傾斜角度及后續的緩慢沉積，斷裂得到充分的伸展，同時所有的鹽構造沉積的筏體在上下盤則完全脫離。在剖面上形成塹壘式的斷層，鹽筏及斷裂分布的更廣（圖6）。

圖6 下剛果盆地白堊系鹽筏物理模擬3結果Fig. 6 Results of the physical modelling 3 of the Cretaceous salt rafts in the Lower Congo Basin

4 討論

鹽構造活動的觸發機制一般認為有兩種：重力擴展及重力滑脫，然而對不同鹽構造形成過程中，重力滑脫作用與差異負載作用仍有爭論（Brun and Fort, 2011, 2012; Rowan et al., 2012）。前人的研究表明，在鹽巖為自由表面（即無前構造沉積），同時后續沉積為進積的情況下（即差異負載作用為主），即使無傾斜角度，一樣可以形成類似的鹽筏構造（Adam and krézek, 2012; Ings and Beaumont, 2010; Vendeville, 2005; Gaullier and Vendevile, 2005）。但基于實際地震剖面的解釋成果表明，下剛果盆地研究區內的白堊系鹽巖之上是存在前構造沉積層的，鹽巖在未活動之前已被覆蓋，并非自由表面，此外后續的地層沉積方式也未見到進積的形式（圖7a，c）。物理模擬實驗的結果顯示，鹽巖在傾斜底板上，即使沒有差異負載作用，依然是可以流動?？梢哉J為，觸發下剛果盆地鹽筏構造活動的動力為基底下傾引起的重力滑脫。

圖7 下剛果盆地過鹽筏地震剖面與模擬結果對比（地震剖面a位置見圖1）Fig. 7 Comparison of seismic profiles and modeling results of the salt rafts in the Lower Congo Basin

鹽筏構造演化受到多種因素影響，包括初始鹽層厚度、前構造沉積層厚度、基底形態及傾角，同沉積速率等等，但其中最為關鍵的控制因素為鹽巖滑脫面傾角及同沉積速率，它們共同作用控制了鹽筏的漂移距離以及筏間填充的沉積構造樣式。沉積速率相對較快形成向海傾斜的多米諾式斷層，筏體向陸傾斜明顯，斷裂集中在近陸端，未完全脫離的筏塊形成前鹽筏構造（圖7b，d）。沉積速率較慢時形成塹壘式的斷層，筏體間距較大，完全分離（圖6）。

下剛果盆地研究區A（位置見圖1）內發育的白堊系鹽筏具有多米諾式的向海傾斜斷層，同時產生多種鹽筏與前鹽筏構造（圖7c）。對比實驗二模擬結果與下剛果盆地的實際地震剖面具有較高的符合度，推測下剛果盆地的鹽筏構造應為沉積速率相對較快條件控制下形成的。

5 結論

（1）沉積負載不是鹽筏形成主要因素，下傾時鹽巖能夠在沒有任何差異荷載的情況下流動形成前構造沉積層的伸展斷裂。觸發鹽巖流動的動力為基底下傾引起的重力滑脫。

（2）鹽巖滑脫面傾角大小控制鹽筏滑移速率，而同構造沉積層后續沉積速率則控制筏體間的充填樣式，鹽筏的滑脫速率及沉積速率共同控制了鹽筏及筏間沉積的構造樣式。

（3）當沉積速率相對較快時易形成多米諾式的前鹽筏及鹽筏，而沉積速率相對較慢時易形成塹壘式的鹽筏，地震解釋結果與物理模擬結果表明下剛果盆地白堊系鹽筏為沉積速率相對較快時控制形成。

致謝：感謝成都理工大學國土資源部構造成礦成藏重點實驗室提供的物理模擬實驗設備、材料以及在物理模擬實驗開展過程中提供的熱心幫助。