引用本文
余一欣, 陶崇智, 史帅雨, 殷进垠, 邬长武, 刘静静. 南大西洋中段盆地盐构造发育特征及其影响因素模拟[J]. 石油勘探与开发, 2021,48(1): 118-126.
YU Yixin, TAO Chongzhi, SHI Shuaiyu, YIN Jinyin, WU Changwu, LIU Jingjing. Physical modeling of salt structures in the middle south Atlantic marginal basins and their controlling factors[J]. Petroleum Exploration & Development, 2021,48(1): 118-126.  
Doi: 10.11698/PED.2021.01.10
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南大西洋中段盆地盐构造发育特征及其影响因素模拟
余一欣1,2, 陶崇智3, 史帅雨1,2, 殷进垠3, 邬长武3, 刘静静3
1.中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249
2.中国石油大学（北京）地球科学学院,北京 102249
3.中国石化石油勘探开发研究院, 北京 100083

第一作者简介：余一欣（1977-）,男,江西婺源人,博士,中国石油大学（北京）副教授,主要从事盆地分析和构造地质研究工作。地址：北京市昌平区,中国石油大学（北京）盆地与油藏研究中心,邮政编码：102249。E-mail：yuxin0707@163.com

收稿日期: 2020-06-29 修回日期: 2021-01-06
基金项目: 国家科技重大专项（2016ZX05033,2016ZX05026-007）; 国家自然科学基金项目（42072149）
摘要

通过对比分析南大西洋中段两岸盆地下白垩统阿普特阶盐构造发育特征及其差异性,利用构造物理模拟实验方法,探讨盐下斜坡倾斜程度、盐下隆坳结构以及板块抬升作用等因素对盐构造发育的影响。模拟结果表明,西非中段盆地盐下斜坡较陡,有利于盐岩向海洋方向发生快速流动,形成的盐底辟规模较大,但数量较少。巴西桑托斯盆地和坎波斯盆地的外部基底隆起远离物源区,其上方有利于盐岩侵入聚集而明显增厚;而西非中段盆地的基底隆起靠近盆地边缘,隆起上方残留盐层较薄,两侧发育规模较小的盐滚构造。非洲板块的抬升作用有利于西非中段盆地盐底辟充分发育,并在前缘挤压区形成规模较大的逆冲断层和褶皱。图8表1参44

关键词: 南大西洋; 被动大陆边缘; 下白垩统; 盐构造; 盐下地层结构; 物理模拟实验
中图分类号:TE122.2 文献标志码:A
Physical modeling of salt structures in the middle south Atlantic marginal basins and their controlling factors
YU Yixin1,2, TAO Chongzhi3, SHI Shuaiyu1,2, YIN Jinyin3, WU Changwu3, LIU Jingjing3
1. State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting, China University of Petroleum, Beijing 102249, China
2. Basin and Reservoir Research Center, China University of Petroleum, Beijing 102249, China
3. Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Sinopec, Beijing 100083, China
Abstract

With many types of salt structures developed in the Lower Cretaceous Aptian Formation, the passive continental marginal basins in the middle segment of the south Atlantic are hot areas of deep-water petroleum exploration. Based on analysis of differential deformations of salt structures, the influences of the inclination of subsalt slope, subsalt topographic reliefs and basement uplifting on the formation of salt structures were analyzed by physical modeling in this work. The experimental results show that the subsalt slopes in the middle West Africa basins are steeper, so the salt rock is likely to rapidly flow towards the ocean to form larger and fewer salt diapirs. In the Santos and Campos basins, the basement uplifts outside the basins are far from the provenances, which is conducive to the intrusion and accumulation of salt rock on the top of the basement uplifts. In contrast, in the middle West Africa, the basement uplifts are close to the basin margin, the residual salt layers above them are thin, and small triangular salt structures develop on both sides of the uplifts. Moreover, the uplifting of the African plate is also conducive to the full development of salt diapirs in the middle West Africa and results in large-scale thrust faults and folds in the front compressional zone.

Keyword: South Atlantic; passive continental margin; Lower Cretacous; salt structure; subsalt framework; physical modeling
0 引言

盐构造是含油气盆地一种比较常见的构造样式, 而且与油气成藏关系密切, 对圈闭发育、储集层质量、烃源岩演化和油气运移等都有重要影响[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]。由于盐岩具有密度较轻、抗压能力弱等特殊的岩石力学性质, 盐构造变形表现出比较独特的特征, 易形成盐滚、盐枕、盐底辟、盐舌、盐席、盐墙、盐筏、盐焊接和盐撤微盆等复杂多变的构造样式[4, 5, 7, 10, 11, 12, 13]。南大西洋中段被动大陆边缘盆地是盐构造发育的典型地区[14, 15, 16, 17, 18], 也是现今世界深水油气勘探的热点区域[19, 20, 21, 22]。前人针对南大西洋中段被动大陆边缘盆地的盐构造变形样式、形成演化过程及其动力学机制等都进行了比较深入的研究[14, 15, 16, 17, 18, 23, 24, 25, 26, 27, 28], 但这些研究更多的是针对含盐层系本身及其上覆地层的变形特征, 近期也开始注意到盐底形态对盐构造发育的影响[27, 28]。另外, 这些研究重点关注的是单个盆地或局部重点地区, 很少将南大西洋中段两岸含盐盆地一起进行对比分析, 这也限制了对被动大陆边缘盆地盐构造发育特征及其动力学机制的深入认识。本文在前人相关工作基础上, 对南大西洋中段两岸被动大陆边缘盆地盐构造变形特征进行对比分析, 并通过物理模拟实验, 重点探讨盐下斜坡倾斜程度、盐下隆坳结构以及板块抬升作用等因素对盐构造形成演化的影响。

1 区域地质特征

南大西洋中段是指位于大西洋北东东向Florianopolis断裂带和Romanche断裂带之间的广阔区域[29], 该区内含盐盆地主要包括西非大陆边缘的宽扎盆地、下刚果盆地和加蓬盆地, 以及巴西东部的桑托斯盆地、坎波斯盆地和圣埃斯皮里图盆地等（见图1）。南大西洋中段两侧被动大陆边缘盆地是在三叠纪晚期以后劳亚大陆和冈瓦纳大陆破裂时, 在区域拉张作用影响下, 由海底扩张作用而形成, 主要经历了前裂谷期、裂谷期、过渡期和漂移期等演化阶段[22, 30, 31, 32]。与演化阶段相对应, 这些盆地主要发育了4套沉积层序, 即前裂谷期层序、裂谷期陆相层序、过渡期盐岩层序和漂移期被动大陆边缘层序（见图2）。

图1 南大西洋中段被动大陆边缘含盐盆地区域地质背景图

图2 南大西洋中段被动大陆边缘盆地地层综合柱状图（据文献[22]修改）

早白垩世晚阿普特期的过渡期是南大西洋被动大陆边缘的初始形成期, 以热沉降作用为主, 强烈的构造运动基本停止, 仅有局部孤立的断块进行调整。由于受南大西洋中部Walvis海岭的阻隔, 使得南大西洋中段盆地处于半封闭浅水环境, 在构造沉降相对稳定、气候温暖干燥和蒸发作用强的环境下, 在陆相和海陆过渡相地层之上形成了一套区域性分布的盐岩沉积, 其厚度最大超过1 km[33]。在被动大陆边缘背景下, 下白垩统阿普特阶盐岩向海洋方向发生塑性流动, 局部地区发生减薄或增厚, 从而形成多种类型的盐构造, 并从圈闭发育、储集层质量和油气运移等方面影响了油气成藏[9, 17, 18, 19, 20, 31]。

2 盐构造变形特征

南大西洋中段被动大陆边缘盆地的构造变形受下白垩统阿普特阶盐岩控制明显, 在横向上表现出明显的构造分带特征[7, 15, 16, 17, 18]。西非中段含盐盆地自陆地向海洋方向可划分出后缘伸展带、中间过渡带和前缘挤压带（见图3）, 巴西深水含盐盆地自陆地向海洋方向可划分出近岸低凹带、中部低凸带、近海低凹带和外部高地带等（见图4）。由于受盐底形态、上覆层进积速率以及区域构造背景等不同因素影响, 南大西洋中段被动大陆边缘盆地的盐构造变形特征表现出一定差异性。

图3 西非中段含盐盆地区域地质剖面图（据文献[34]修改, 剖面位置见图1）

图4 巴西深水含盐盆地区域地质剖面图（据文献[34]修改, 剖面位置见图1）

2.1 西非中段盐构造特征

西非中段被动大陆边缘盆地盐层底面整体呈向西倾斜的斜坡形态, 盐下发育多条西倾正断层, 靠近陆地一侧沉积较厚的下白垩统, 同时发育基底隆起（或大西洋枢纽带）, 其顶部地层剥蚀较严重（见图3）。后缘伸展带阿普特阶盐岩层系普遍较薄, 局部地区已流失殆尽, 主要发育正断层、盐滚、盐焊接和筏状构造（见图3）。正断层以倾向海洋方向为主, 并在盐层发生滑脱, 其下盘发育规模较小的三角形盐滚构造。根据盐筏构造发育的时代, 可以进一步划分为白垩系盐筏构造和新近系盐筏构造。白垩系盐筏构造主要发育于靠近陆地一侧, 该区域在盐层滑脱过程中形成一系列铲式正断层, 向下在盐层发生滑脱, 向上终止于白垩系内（见图3b）。往海洋方向, 新近系内部发育铲式正断层, 断层两侧地层差异滑动明显, 上盘同沉积地层发育滚动背斜, 从而形成新近系盐筏构造（见图3b）。

中间过渡带位于大陆斜坡底部, 以刺穿特征显著的盐底辟为主, 盐底辟之间发育盐撤凹陷（见图3）。整体而言, 该区域内断裂相对不发育, 向陆一侧盐底辟较盐滚规模大, 两翼较为对称, 局部地区与上覆地层呈整合接触。向海一侧盐底辟隆升幅度更高, 如宽扎盆地和加蓬盆地盐底辟隆升幅度最大约4 km, 而且有的已接近海底（见图3a、图3c）。部分地区盐岩在新近系中向海洋一侧发生挤入, 从而形成盐舌构造（见图3c）。如果挤入严重, 则可以形成孤立的盐舌构造（见图3a）。前缘挤压带位于盆地靠近远洋一侧, 来自大陆方向的盐岩在此区域发生聚集和增厚, 最厚能可达3 km（见图3c）。受挤压应力作用影响, 该地区常发育逆冲断层, 盐岩有时沿断层发生挤压和逆冲, 并导致上覆地层形成褶皱（见图3b）。

2.2 巴西深水盐构造特征

桑托斯盆地盐下靠近陆地一侧斜坡形态明显, 往海洋方向逐渐变缓, 而且裂谷体系发育（见图4a）。与西非中段含盐盆地明显不同的是, 桑托斯盆地在远洋一侧还发育基底隆起（圣保罗台地）, 上覆较厚的阿普特阶盐岩（见图4a）。坎波斯盆地盐层底部整体表现出向海洋方向倾斜的斜坡形态, 盐下基底发育Badejo隆起、中部隆起和外部高地, 整体呈现“ 三隆夹两凹” 的构造格局, 但外部高地明显较桑托斯盆地狭窄（见图4b）。

桑托斯盆地和坎波斯盆地在近岸地区主要发育向陆地方向倾斜的正断层, 以及盐滚和盐焊接构造（见图4）。往海洋方向, 发育向海洋倾斜的正断层, 其下盘发育盐滚构造。盆地中部地区（主要是中部低凸带）具有双向伸展特征, 正断层分别向陆地和海洋方向倾斜。在桑托斯盆地和坎波斯盆地靠近远洋一侧的外部高地带和近海低凹带内, 盐层厚度大, 一般超过1 km, 呈厚层状展布, 局部地区发育盐底辟构造（见图4）。与西非中段含盐盆地相比, 桑托斯盆地和坎波斯盆地在靠近远洋一侧的基底隆起上方的大范围厚层盐岩比较明显, 而刺穿盐底辟构造并不突出（见图3、图4）。

3 物理模拟实验
3.1 实验材料

根据相似性原则, 并结合前人开展盐构造物理模拟实验常用的模拟材料[24, 27, 35, 36, 37, 38], 本文模拟实验使用聚合硅树脂（下文简称硅胶）模拟具有牛顿流体特性的塑性盐岩, 用干燥松散的纯石英砂模拟上覆沉积地层, 盐下斜坡和隆起则分别用光滑的PVC（聚氯乙烯）板和硬橡胶块模拟。

室温条件下, 硅胶的密度约为987 kg/m3, 具有牛顿流体特征, 在应变速率小于3× 10-3 s-1时, 其动力黏度约为5× 104 Pa· s, 接近盐岩的流变学特征。石英砂的粒径为100~400 μ m, 密度约为1 500 kg/m3, 粘结力约为200 Pa。在自然重力场条件下, 石英砂的形变遵循莫尔-库仑破坏准则, 接近地壳浅部沉积岩层的脆性形变行为[39]。在本实验中, 为了方便观察构造变形过程及其特征, 将部分石英砂染成不同的颜色作为标志层。表1列出了实际地质模型与物理模拟实验模型的各项参数及其比例系数, 基本满足比例化物理模拟实验的相似原则。

表1 南大西洋中段盆地盐构造物理模拟实验参数
3.2 实验模型设计

本文在对比分析南大西洋中段被动大陆边缘盆地盐构造发育背景及其变形特征的基础上, 参考典型地质剖面（见图3、图4）设计物理模拟实验模型, 主要探讨盐下斜坡倾斜程度、盐下隆坳结构以及板块抬升作用等因素对盐构造形成演化的影响（见图5）。

图5 基底结构影响盐构造发育模拟实验初始模型示意图

为了分析盐下斜坡倾斜程度对盐构造发育的影响, 设计了两个对比实验。两个模型的尺寸均为80 cm× 20 cm, 模型两侧固定, 使用光滑的PVC板设置一个长度为80 cm的斜坡。同时参考前人有关盐下斜坡形态以及上覆层进积速率的研究成果[24, 40], 将斜坡坡度分别设置为5° 和3° , 以模拟南大西洋中段具有不同倾斜程度的被动大陆边缘斜坡（见图5a、图5b）。在斜坡上方铺设厚约2 cm的硅胶, 静置约10 h, 以等待硅胶自然流动使其表面水平, 并排出气泡。然后开始实验, 以类似被动大陆边缘沉积地层向海洋进积的形式向模型左侧每隔3 h铺砂约20 cm。

西非中段和巴西深水盆地的盐下地层及基底虽然都表现出较明显的隆坳结构, 但两者的隆坳形态以及隆起位置还是具有较大差异。西非中段含盐盆地的基底隆起（如Libncvillo凸起和大西洋枢纽带）靠近陆地一侧（见图3）, 而巴西深水盆地的基底隆起（如圣保罗台地）则更靠近远洋一侧（见图4）。前人已经通过物理模拟实验证实, 靠近物源区的基底隆起上方盐层体较薄, 在隆起边缘上方发育规模较小的三角形盐底辟构造[38]。为了对比分析不同位置盐下隆起对盐构造发育的影响, 本文设计了如图5c所示的实验模型。模型尺寸大小为80 cm× 20 cm, 模型两侧为固定端, 基底形态包括斜坡带、水平带和隆起带, 分别模拟大陆斜坡、盐下低凹带和盐下隆起带, 其中隆起带更靠近远离物源区的模型右侧（见图5c）。在基底上方铺设厚约2 cm的硅胶, 并静置约10 h, 以等待硅胶自然流动使其表面水平, 并排出气泡, 然后开始实验, 从模型左侧向右侧进积铺砂, 每隔3 h向右进积10 cm。

区域研究表明, 非洲板块曾经在新生代发生过抬升作用, 可能会对西非被动大陆边缘盆地的盐构造变形产生一定影响[41, 42]。据此设计了如图5d所示的实验模型。模型基底为长80 cm的光滑玻璃, 硅胶层长度为70 cm, 左、右两侧各有5 cm长的石英砂阻挡（分别模拟远洋和陆地一侧上覆沉积物对盐岩层的阻挡, 见图3）。基底在初始时是水平的, 在实验过程中将模型右端逐渐掀斜至基底坡度最大为8° （为了实验结果更明显, 该倾斜角度比实际有所增大）。实验初始硅胶层上覆有石英砂层, 在实验过程中, 随着早期石英砂层的流动, 每间隔12 h进行一次石英砂的同沉积-填平补齐, 实验总共进行了120 h。

由于硅胶与玻璃板之间具有较大的黏聚力, 为了更好地观察变形特征, 待上述实验结束后均对模型表面加砂、浇水, 以将模型固定, 然后沿长轴方向切开模型, 以观察模型内部硅胶和石英砂层的变形特征。

4 模拟结果及讨论
4.1 不同坡度盐下斜坡模型

在坡度为5° 的盐下斜坡模型中, 实验进行约3.5 h后硅胶开始向下坡方向流动, 但此时整体流动特征还不是十分显著, 上覆砂层中也仅在模型左侧发育两条正断层（见图6a）。随着上覆砂层向下坡方向逐渐进积, 在重力滑动作用和上覆层差异负载作用影响下, 硅胶向下坡方向流动更为明显, 上覆砂层中也开始发育多条规模较大的断层（见图6b）。在坡度为3° 的盐下斜坡模型中, 硅胶的整体流动特征与前者比较相似, 但上覆砂层中的断层数量有明显增加。在切开后的模型剖面上, 可见当斜坡坡度为5° 时, 上覆砂层中主要发育6条规模较大的铲式正断层以及一些较小尺度的正断层, 断层断开的层位往下坡方向也逐渐变新（见图6c、图6d）。上坡方向在正断层下盘发育3个盐滚构造, 正断层上盘砂层中形成了比较明显的筏状构造, 而且受断层活动性影响, 向下坡方向筏状构造的发育层位逐渐变新（相当于西非中段含盐盆地陆坡区靠陆一侧的白垩系盐筏构造和靠海一侧的新近系盐筏构造, 见图3b）。斜坡中部发育了两个规模较大的盐底辟构造, 其顶部的砂层发生塌陷, 形成正断层和小型地堑。受盐撤活动影响, 两个盐底辟之间发育明显的龟背构造, 而且盐焊接范围也较大（见图6d）。当斜坡坡度为3° 时, 模型的整体变形特征与前者比较相似, 但上覆砂层中的正断层数量要多一些, 而且其规模也明显更大, 盐底辟顶部的地堑规模也更大。另外, 该模型盐滚、盐底辟和盐焊接的数量要比前者多, 但其规模明显要小一些（见图6e、图6f）。

图6 不同倾斜程度盐下斜坡模型模拟过程及结果对比
（a）、（b）分别是坡角5° 的斜坡模型模拟3.5 h和7 h后的实验照片; （c）、（d）分别是坡角5° 的斜坡模型模拟结果照片及其解译; （e）、（f）分别是坡角3° 的斜坡模型模拟结果照片及其解译

该组对比模拟实验表明, 较陡的盐下斜坡有利于重力滑动和差异负载作用促使盐体向海洋方向发生快速流动, 盐构造因此发育较快, 其规模较大, 数量较少, 盐构造之间的盐焊接面积也更大（见图6e）, 这与西非大陆边缘含盐盆地比较相似（见图3）。而较缓的盐下斜坡有利于盐体缓慢流动, 盐构造充分发育, 但其规模较小, 上覆地层中同时发育大量规模较大的正断层（见图6f）, 这与巴西深水含盐盆地比较相似（见图4）。

4.2 盐下隆坳结构模型

在盐下隆起远离物源区的模型中, 当实验进行2.5 h后, 斜坡上方的硅胶已开始向下坡方向发生流动, 斜坡末端的上覆砂层中也开始形成一条倾向下坡方向的正断层（见图7a）。随着砂层向模型右侧方向进积, 硅胶向模型右侧的流动以及上覆砂层中的断层作用更为明显, 并最终在基底斜坡带、水平带和隆起带等部位都形成了多个形态各异的盐构造（见图7b）。实验结束后, 在切开的模型内部剖面上, 可见盐下斜坡区和水平区发育了多个规模较大的盐滚和盐底辟构造, 其顶部发育多条正断层, 形成了小型地堑。模型右侧聚集了较厚的硅胶, 局部表现出较明显的挤压逆冲特征（见图7c）。另外, 基底隆起顶部发生了明显的盐岩增厚（见图7c）, 这也说明盆地内部远离物源区的基底隆起顶部是弱势区, 有利于盐体侵入聚集[43, 44], 这与盆地边缘靠近物源区的基底隆起上方盐岩厚度及其变形特征具有明显差异（对比图7c、图7d）。需要指出的是, 该模型基底隆起上方的厚盐层顶面并非是一个平面, 而是发育局部凹陷和断层（见图7c）, 这与巴西桑托斯盆地圣保罗台地区上方的盐层变形特征比较相似（见图4b）。这些基底隆起区上方较厚的盐岩层对盐下碳酸盐岩储集层的油气成藏产生了重要影响, 如发现于2006年的桑托斯盆地BM-S-11区块的Tupi巨型油田的主力储集层是位于阿普特阶盐岩下方的碳酸盐岩, 厚度超过2 000 m的盐岩层不仅能对盐下碳酸盐岩储集层中的油气起到良好的封盖作用, 同时还有利于盐下热量向浅层发生传递, 从而可以使盐下碳酸盐岩储集层在埋藏较深的条件下依然能够保留良好的初始孔隙[7]。

图7 盐下隆坳结构模型模拟过程及结果（图d据文献[38]修改）
（a）盐下隆起远离物源区模型模拟2.5 h后的实验照片; （b）、（c）分别是盐下隆起远离物源区模型模拟结果照片及其解译; （d）盐下隆起靠近物源区模型模拟结果解译

4.3 基底隆升作用模型

实验开始后将水平基底掀斜至坡度为5° , 12 h后, 除上、下坡方向硅胶被石英砂层阻挡的部位发生轻微伸展和挤压逆冲变形外, 模型整体基本未发生明显变形（见图8a）。20 h后, 将基底掀斜至坡度为8° 。实验进行60 h后, 模型右侧和左侧已发生明显的伸展和挤压变形（见图8b）。随后, 这些伸展和挤压变形得到进一步加强, 最终在模型右侧拉张区形成多条正断层, 硅胶层也明显减薄, 而在模型左侧挤压区发育多条主冲断层和背斜构造, 部分硅胶也沿断层发生挤入、逆冲, 而模型中部变形总体比较微弱（见图8c）。在切开的模型内部剖面上, 可见硅胶和上覆砂层均是自伸展区向挤压区逐渐增厚, 而且构造变形分带特征非常明显（见图8d）。模型右侧伸展带以正断层和小型盐滚为主, 中部过渡带主要发育形态各异的盐底辟, 规模较大, 部分盐底辟已刺穿上覆石英砂层至模型表面, 左侧前缘挤压带以逆冲断层和厚层盐岩为主, 局部地区盐体挤入明显, 形成盐推覆体和孤立的盐舌构造, 并引起上覆层发生褶皱作用, 这与下刚果盆地前缘挤压区的盐构造变形特征非常相似（对比图3b、图8d）。该基底隆升作用模型模拟结果表明, 比较显著的重力滑动和扩展作用有利于在前缘挤压区形成以逆冲断层为主、褶皱为辅的变形特征, 而上覆地层自挤压区向伸展区减薄, 反映了基底倾斜程度对构造样式的控制作用。

图8 基底隆升作用模型模拟过程及结果
（a）12 h后的实验照片; （b）60 h后的实验照片; （c）、（d）分别是120 h后的模拟结果照片及其解译

5 结论

南大西洋中段被动大陆边缘盆地盐构造类型丰富, 而且自陆地向海洋方向表现出明显的构造分带性。西非中段含盐盆地盐下斜坡较陡, 可以促使盐岩向海洋方向快速流动, 导致盐构造规模较大, 但数量较少, 盐底辟之间的盐焊接面积也较大; 而巴西深水含盐盆地较缓的盐下斜坡有利于盐体缓慢流动, 盐构造充分发育, 但其规模较小。非洲板块的隆升有利于重力滑动作用在盆地靠近远洋一侧的前缘挤压区形成规模较大的逆冲断层和褶皱, 巴西桑托斯盆地和坎波斯盆地的外部隆起远离物源区, 其上方有利于盐岩侵入聚集而明显增厚; 而西非中段盆地盐下基底隆起靠近盆地边缘物源区, 基底隆起上方残留盐层较薄（或缺失）, 两侧发育规模较小的盐滚构造。

（编辑 黄昌武）

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