1、非洲 S 盆地双层断裂体系的重力场反映与识别 赖发腾 赵宝峰 周月 刘玉泉 张小龙 安徽省勘查技术院 摘 要： 非洲 S 盆地是西非 Iullemmeden 盆地东南边缘的一部分, 现有地质资料认为 S盆地是一个向西南倾斜的单斜盆地。为初步查明该盆地的地质构造格架为评价盆地的含油气潜力提供依据, 在 S 盆地展开了 15 万重磁调查。本文依据盆地的实测重力数据及已有地质资料, 进行了数据处理与解释推断, 在研究盆地不同深度空间的重力异常时发现, S 盆地具有上下两层断裂系统:下层为一套控制盆地形成与发育的近南北向的基底断裂系统, 是西非裂谷系一系列近南北向的地堑式盆地的组成部分;上层为一套有北
2、东向与北西向断裂共同组成的盖层断裂系统 (部分运动强烈的切入基底) , 这套断裂决定了盆地的最终形态并控制着油气流的运移通道和储存空间。关键词： 非洲 S 盆地; 15 万重力异常; 断裂解释; 断裂系统的双层性特征; 作者简介：赖发腾 (1960-) , 男, 江西赣州人, 高级工程师, 从事重磁勘查与综合研究工作。收稿日期：2017-04-18Mirroring and recognition of gravitational field of double-layered fault system in the African S basinLAI Fa-teng ZHAO Bao-fe
3、ng ZHOU Yue LIU Yu-quan ZHANG Xiao-long Institute of Exploration Technology of Anhui Province; Abstract： The African S basin is a part of the southeast fringe of the Iullemmeden basin in west Africa.Available geological data indicated that it is a monoclinic basin dipping southwest.In order to find
4、out the geological structure outline and the potential of oil and gas in the basin, 150000 gravitational and magnetic survey was conducted in the S basin.Based on measured and accessible geological data on the basin, this paper performed data processing, interpretation and inference, and found durin
5、g studying gravitational anomalies in different depths of the basin that the S basin has two layers of fault system: the lower layer is a nearly south-north basement fault system that controls the formation and development of the basin, being a part of a series of the nearly south-north graben-like
6、basins in the west African rift system; the upper layer is a cover fault system composed of NE-and NW-trending faults (partly violently cutting into basement) , which decided the final form of the basin and controlled the migration passage and storage space of oil and gas flow.Keyword： African S bas
7、in; 150000 gravitational anomaly; rift interpetation; double layer feature of fault system; Received： 2017-04-180 引言裂谷系是最重要的一类油气盆地, 弄清 S 盆地的地质构造是以 Iullemeden 盆地的坳陷构造特征为主还是以西非裂谷系的裂谷构造特征为主, 对盆地油气资源分析预测非常重要。地理位置上 S 盆地既处于 Iullemeden 盆地的东南斜坡, 又位于西非裂谷系的东支裂谷与西支裂谷之间及 Bida 裂谷盆地的北侧 (图 1) 。西非裂谷系的裂谷构造运动主要形成近南北向
8、的地质构造, 包含前寒武的泛非运动期、侏罗系至寒武系的前裂谷期、下白垩统的裂谷早期 (第一裂谷期) 、上白垩统和古近系的裂谷晚期 (第二裂谷期和第三裂谷期) , 处于西非裂谷系区域之内的 S 盆地自然不可避免地历经了西非裂谷运动, 在进入新近系之后又历经了 Iullemeden 盆地的坳陷过程, 最终造就了现今的地质、地貌特征。经对实测 15 万重力调查资料的处理与解释, 发现除已有认识的西部凹陷外, 在盆地的中部又发现一巨大中央裂谷盆地, 进而证实了 S 盆地历经了西非裂谷运动;盆地构造特征以裂谷构造为主, 坳陷构造辅;裂谷构造的发现为 S 盆地的油气地质研究指明了方向。图 1 S 盆地在西
9、非裂谷系中的位置 Fig.1 Site of the S basin in the west African rift system 下载原图1 地质概况S 盆地是西非 Iullemmeden 盆地东南边缘的一部分 (图 2) , Iullemmeden 盆地本身是一个大型凹陷盆地, 主要沉积中心在尼日尔西部尼亚美的古尼日尔海湾地区, 盆地范围还包括尼日利亚、贝宁、马里、阿尔及利亚和利比亚的部分地区。Iullemeden 盆地充填有古生界至新生代沉积岩。盆地北部的 Tamesna 一 Talak地区有古生界层系出露, 钻探资料表明古生界层系在北纬 17以北区域广泛覆盖, 而其以南区域则缺失古生
10、界层系8。S 盆地处于 Iullemeden 盆地的东南边缘, 盆地地质如图 3 所示, 盆地沉积特征及物沉积构成由以下 4 层组成:(1) 最底层为前寒武系不整合基底, 由基底杂岩组成, 主要以花岗岩类、变质沉积和火山岩以及混合片麻岩为主。(2) 第二层为前寒武基底上覆白垩系:是一个大陆嵌入体, 主要为大陆沉积上部有海相沉积, 由“Gundumi/lllo”组以及瑞玛群的“Wurno/Dukamaje/Taloka”组构成, 以砾岩、砂岩和页岩为主。(3) 第三层为古新世:由索科托群的“Dange/Kalambaina/Gamba”组构成, 为海相页岩和灰岩组成。(4) 最顶层为始新世 (局
11、部地域还有第四系覆盖) :是一个大陆终端体, 由“Gwandu”组构成, 以含碳质砂岩、页岩为主, 局部为冲积沉积。图 2 S 盆地在伊莱梅登 (Iullemmeden) 盆地的位置 Fig.2 Site of the S basin in the Iullemmeden basin 下载原图盆地处于 meden 盆地的东南斜坡, 呈向西南倾斜的单斜构造。盆地基底以前寒武纪老花岗岩和变质沉积岩为主;盖层以白垩、古近纪沉积地层为主;火成岩则为穿入基底表层甚至穿透基底的玄武岩、中酸性火山岩和中酸性侵入岩等。2 重力场特征2.1 重力场及其基本特征S 盆地 15 万重力调查区面积 22900km,
12、涵盖盆地大部面积, 只剩盆地南部往南突出局部部位不在本次作业范围之内。实测重力异常图见图 4 (出于资料保密只展示调查区主体部分经处理后的 3D 影像图) 。从图 4 可看出 S 盆地 15 万重力调查区重力场有以下特征:(1) S 盆地重力场整体呈近南北向展布, 东西向高低相间, 表现为三高夹两低的基本格局;图 4 实测重力异常 3D 影像图 Fig.4 3D image of measured gravitational anomaly 下载原图(2) 近南北向基本场受到了后期北东向和北西向地质构造运动的改造并叠加北东向和北西向的局部场;(3) S 盆地向西突出部分为古近系覆盖区, 以东大
13、部则为白垩系覆盖区, 两者的接触带在重力场上也为不同特征场的分界线:古近系覆盖区重力场主要表现为北北东向, 白垩系覆盖区重力场表现为北北西向。图 3 S 盆地地质图 Fig.3 Geological map of the S basin 下载原图表 1 密度参数统计表 Table 1 Statistics of density parameters 下载原表 2.2 盆地及其外围地质体密度参数物性是物探资料综合解释的基础, 实测调查区及其外围密度参数见表 1。盆地出露地层主要为古近纪古新统、始新统和白垩纪的泥岩、砂岩和页岩:盆地外围老基底出露前寒武纪的变质岩和泛非老花岗岩;盆地外围零星可见侏罗
14、纪流纹岩和寒武纪变质岩及片麻岩等。岩石密度统计结果表明:古近纪古新统、始新统和白垩纪地层密度没有明显差异, 基本密度在 2.40102.5010kg/m 左右;前寒武纪泛非老花岗岩 (以黑云角闪花岗闪长岩为主) 的平均密度为2.9010kg/m;侏罗纪流纹岩密度 2.5510kg/m, 寒武纪变质岩密度2.6010kg/m。2.3 产生重力异常的地质因素根据实测密度资料 (表 1) 分析, 重力高异常为盆地前寒武纪老变质基底 (主要为前寒武纪老花岗岩, 其密度达 2.9010kg/m) 相对隆起产生;重力低异常则为前寒武纪老变质基底断陷或裂谷上覆的巨厚白垩系和古近系沉积盖层 (其密度只有 2.
15、4510kg/m) 产生。3 断裂构造的解释推断实测重力异常经位场处理、位场分离和位场分析之后, 结合实测地层、岩体密度值, 已有地质资料进行解释推断与综合研究工作, 但本文只针对调查区断裂构造作解释与研究及构建盆地的断裂体系。我们知道, 同一密度体或磁性体, 由于受到断裂构造作用被破裂或拆分并发生相对跌落、抬升、平移错位或挤压破碎以及沿破碎带有岩浆侵入等事件时, 其原有的重、磁场将发生变化, 重、磁场变化随断裂作用事件的不同而形成不同的指示特征, 据此我们可以归纳出反映断裂构造存在的重、磁场标志。依据断裂构造的重力场标志9, 我们对调查区断裂构造进行解释推断, 发现调查区存在上下两套相互独立
16、 (少量互有继承) 的断裂系统, 一套为近南北向展布的仅在布格重力异常和区域重力异常上有反映的深层断裂系统, 一套为北东向和北西向共轭的主要在剩余重力异常上有反映的浅层断裂系统 (少量切入基底成为深断裂的在区域重力异常上也有反映) 。3.1 区域重力异常与深层断裂3.1.1 重力异常与断裂构造空间布格重力异常能很好地反映断裂构造的存在, 但很难判别断裂的纵深程度或所处的深度空间。根据不同空间尺度的地质体在地表产生不同规模物理场的这一基本物理原理, 利用数据处理手段先把调查区布格重力异常分解成多个不同深度空间的重力异常, 再分别对各个深度空间的重力异常逐一加于研究, 就可以解决调查区在各个深度空
17、间的构造特征。一般方法是先对布格重力异常进行不同深度的向上延拓处理 (或求取不同滤波尺度的区域场) , 并可利用线性增强技术 (共轭构造强烈的地区不适于使用线性增强技术) 突出线性构造, 再求其水平梯度模, 不同深度的断裂构造便可在相应尺度区域场上显现出较为清晰的轮廓。图 5 为利用小波二阶逼近异常求取的水平梯度模, 它清晰地反映出调查区控制基底隆凹格局的基底断裂特征。3.1.2 调查区深断裂与区域重力异常S 盆地深断裂主要形成于前寒武的泛非运动期、侏罗系至寒武系的前裂谷期、下白垩统的西非裂谷早期 (第一裂谷期) , 这些构造运动的共同作用构建了盆地前寒武基底的形态及下白垩统沉积地层的形成环境
18、与空间。由于西非裂谷系断裂整体呈近南北向 (北北东或北北西) , 处于西非裂谷系区域内的 S 盆地的早期构造主体方向自然也是近南北向 (北北东或北北西) , 这在区域重力异常 (小波二阶逼近) 图上有了明显的反映, 如图 6 所示。图 6 区域场与控制基底形态的深层断裂 Fig.6 Regional field and deep faultcontrolling basement form 下载原图图 6 为根据区域重力异常 (小波二阶逼近) 及其水平梯度模 (图 5) 推断的深层断裂, 其中两条北西向的蓝色点画线 (F 6 F7 ) 线为裂谷后期 (第二裂谷期和第三裂谷期) 产生并切入基底并
19、影响基底格局的基底断裂, 不计入深层断裂之内。反映 S 盆基底隆凹格局的深层断裂中包含两条控制盆地中央裂谷边界的深大断裂 F1 和 F2 , 5 条控制基底隆凹的深层基底断裂 F1 F5 。控制中央裂谷边界的深大断裂 F1 和 F2 解释如下。3.1.3 深大断裂的综合解释3.1.3. 1 中央裂谷西边界断裂 F1F1 位于调查区中部, 呈北东方向展布, 南北均延伸出边界。在布格重力异常图上为不同异常特征区域的分界线, 在地质图上为古近纪地层覆盖区与白垩纪地层覆盖区接触带, 地表以沙土为主, 局部可见泥岩、砂岩出露。在剩余异常图和垂向二阶导数图上为不同特征局部异常群的分界线, 但与布格图上异常
20、分界线相比位置略有错动, 说明 F1 断裂在浅层受裂谷后期影响浅部有一定的位移;在区域异常图上不同特征异常区域的分界线更为平滑明显, 说明 F1 为一基底断裂;在上延 5km、10km、40km 布格异常图上 (图 7) 异常分界线均有明显展现, 进一步说明该断裂为一切入岩石圈的深大断裂, 更是一条贯穿整个裂谷期的具有多期活动的深大断裂。图 7 上延 40km 布格重力异常图与 F1 断裂 Fig.7 40km upward extension Bouguer anomaly map and fault FI1 下载原图在磁化极异常图上, 沿 F1 断裂两侧的磁化极异常展布方向明显不同, 西侧
21、以北东向、东侧则为北西向。磁异常不同特征区域分界线向也同样证明该深大断裂的存在。3.1.3. 2 中央裂谷东边界断裂 F2F2 位于测区东部, 南北向展布, 南北均延伸出边界。在布格重力异常图上为不同异常特征区域的分界线, 地质图上为白垩纪地层覆盖区, 地表以土壤为主, 局部可见砂岩出露。在剩余异常图和垂向二阶导数图上为不同特征局部异常群分界线 (西侧为北西向、东侧为南北向) , 与区域异常图相比分界线基本重叠, 说明 F2 为一基底断裂且一直活动到裂谷后期影响盆地盖层;在上延5km、10km、15km、22km 布格异常图上 (见图 8) 异常分界线均有明显展现, 进一步说明该断裂为一切入前
22、寒武老变质基底很深的深大断裂。图 8 上延 22km 布格重力异常图 F2 断裂 Fig.8 22km upward extension Bouguer anomaly map and fault FI2 下载原图3.2 剩余异常与浅层断裂盆地盖层断裂 (浅层断裂) 的推断主要是利用剩余重力异常或布格重力异常的垂向二阶导数来进行。为了能较准确的确定断裂位置, 对重力异常进行重力异常水平梯度模 (如图 9) 处理, 把重力梯级带转换为重力异常极值带, 进一步提高了对断裂的分辨能力。图 9 反映浅层构造的剩余重力异常水平梯度模 Fig.9 Residual gravity anomaly leve
23、lgradient mode reflecting shallow structure9 下载原图图 9 是利用剩余重力异常求取的水平梯度模, 凸显了浅层构造特征。调查区浅层断裂构造 (图 10 中黑色实线代表的级断裂) 主要是北东向和北西向。浅层断裂在地表到处可见断层与断陷湖泊, 多表现为呈北东向或北西向走向的链接断陷湖泊的自然河流 (图 9) , 河流两岸断层清晰。对比图 6 可见浅层构造与深层断裂在构造方向上大相径庭, 形成两套相对独立的断裂系统, 但是两者间有一定的继承性和关联, 主要表现为少数深层断裂在裂谷后期继续活动影响到盆地盖层构造, 另一方面则为少量北西向的裂谷后期断裂局部作用
24、强烈而切入基底成为深断裂 (基底断裂) 。3.3 盆地断裂体系构建根据前面对调查区深层断裂、浅层断裂及其相互关系的探讨, 将区内断裂构造级别划分为三级, 即:深大断裂 (级) 、基底断裂 (级) 和盖层断裂 (一般性断裂、级) , 共推断断裂构造 28 条, 各级断裂数见表 2。表 2 推断断裂统计表 Table 2 Statistics of inferred faults 下载原表 调查区深大断裂构造贯穿整个西非裂谷运动期, 控制了调查区的首级构造分区;基底断裂构既有贯穿整个西非裂谷运动期或只活动于裂谷早期的近南北向的深层断裂, 也有形成于裂谷后期但由于运动强烈而切入基底的北西向断裂, 构
25、造运动强烈的基底断裂控制了调查区的二级构造分区;盖层断裂为上白垩纪以来各地层受构造运动 (包含 Iullemeden 盆地的坳陷活动) 的综合反映。由深层断裂和浅层断裂共同构建的调查区断裂体系及按其划分的构造分区如图10 所示。4 结论15 万重力调查在西非 S 盆地取得了重要进展, 本文从构造角度对重力资料进行研究, 发现 S 盆地在先历经了西非裂谷构造运动并形成了一套西非裂谷系的近南北向展布的深层构造系统, 近南北向深层构造主要在区域重力异常图上加于识别与勾绘;进入始新纪之后又随着 Iullemeden 盆地一起历经了坳陷过程并成为 Iullemeden 盆地的一部分, 形成一套由北东向和
26、北西向断裂构成的浅层断裂系统, 浅层断裂系统在区域重力异常图上并无反映, 剩余重力异常图或重力垂向二阶导数图是识别与勾绘浅层断裂的主要图件。盆地在客观上存在上下两层基本相互独立的断裂系统, 深层近南北向展布的构造系统成就了盆地基底的隆凹格局, 控制着盆地盖层的沉积空间、沉积类型与烃源岩类型;浅层断裂系统则控制着盆地成熟油气流的运、移、储、盖空间。由深层断裂控制的裂谷盆地 (中央裂陷盆地) 对评价 S 盆地的油气资源潜力有着非常重要的意义。图 1 0 断裂构造及构造分区图 Fig.10 Fault structure and structural zoning 下载原图参考文献1刘邦, 潘校华,
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