程 鵬，李江海*，章 雨，王殿舉，劉志強(qiáng)

1. 造山帶與地殼演化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871；2. 北京大學(xué)石油與天然氣研究中心，北京 100871；3. 中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083

鹽筏作為一種鹽后沉積層劇烈拉伸的構(gòu)造樣式最初由Burollet（1975）在安哥拉的寬扎盆地發(fā)現(xiàn)，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(xù)的同構(gòu)造沉積地層，目前在安哥拉、巴西及墨西哥的被動(dòng)陸邊緣鹽盆廣泛發(fā)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(gòu)造的形成是一個(gè)重力驅(qū)動(dòng)的過(guò)程，地震數(shù)據(jù)顯示坡上鹽筏活動(dòng)時(shí)的伸展與坡下鹽層流動(dòng)產(chǎn)生的褶皺與逆沖是同時(shí)發(fā)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(gòu)造地層演化時(shí)指出對(duì)整個(gè)下剛果盆地乃至整個(gè)西非大陸邊緣的鹽盆，鹽筏構(gòu)造對(duì)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(yùn)動(dòng)和沉積之間的相互作用是下剛果盆地勘探成功的關(guān)鍵因素。物理模擬為研究鹽筏構(gòu)造及其相關(guān)沉積樣式的影響因素提供了一個(gè)很好的工具，此外物理模擬可以增進(jìn)我們對(duì)鹽構(gòu)造的理解，從而提高鹽構(gòu)造地震解釋的正確度。前人對(duì)鹽筏構(gòu)造的物理模擬研究及數(shù)值模擬研究，多采用的初始條件為鹽上層為自由表面，無(wú)沉積覆蓋，后續(xù)沉積加載方式為進(jìn)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(shí)際地質(zhì)背景出發(fā)，基于物理模擬方法，采用存在前構(gòu)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(guò)程中基底傾角及同沉積速率組合對(duì)鹽筏構(gòu)造樣式的影響，探討了下剛果盆地白堊系鹽筏的形成機(jī)制。

1 下剛果盆地區(qū)域地質(zhì)背景

下剛果盆地位于西非被動(dòng)大陸邊緣，沿南加蓬、剛果（布）、剛果（金）和安哥拉海岸西側(cè)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(tǒng)的一部分，下剛果盆地主要經(jīng)歷了裂谷期、過(guò)渡期和被動(dòng)大陸邊緣三個(gè)階段，發(fā)育三套巨型地層序列（Valle et al., 2001）。裂谷期構(gòu)造穩(wěn)定，在巴雷姆至阿普特階期形成了一個(gè)凹陷盆地。過(guò)渡期形成廣泛分布的厚層鹽巖（圖1）。Loeme組蒸發(fā)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(dòng)邊緣盆地的過(guò)程（Anderson et al., 2001）。被動(dòng)大陸邊緣期盆地以區(qū)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?guī)r和粘土，并主要沉積了晚白堊世的硅質(zhì)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(qū)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(qū)B橫跨區(qū)帶包括伸展帶及過(guò)渡帶，構(gòu)造樣式以鹽筏為主。穿過(guò)鹽筏構(gòu)造的典型剖面b如圖2所示（剖面位置見(jiàn)圖1）。阿普特階的鹽巖將地層分為上下兩套系統(tǒng)，鹽下地層反射受到鹽層的嚴(yán)重影響。在剖面東部的鹽筏滑脫開(kāi)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(zhuǎn)和向下彎曲，形成一系列向海方向的正斷層，同時(shí)多數(shù)同相軸嚴(yán)重傾斜接觸到基底反射，使得斷層的上下兩盤(pán)完全分離。而在剖面中大部分區(qū)域，斷層間的地層形成一系列的小筏體。各個(gè)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(gòu)造。由剖面的東部至西部，鹽層逐漸變得連續(xù)，斷裂樣式由半地塹變?yōu)榘氲貕q與地塹共存。下剛果盆地白堊系鹽筏發(fā)育期間的主要區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)為過(guò)渡期以來(lái)的持續(xù)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(shí)期處于穩(wěn)定的上升階段，沉積模式多為退積、加積，沉積速率也相對(duì)較大（Séranne and Anka, 2005）。

圖1 下剛果盆地研究區(qū)位置及綜合柱狀圖（據(jù)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(qū)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(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

2.1 模型設(shè)置

鹽構(gòu)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(shí)驗(yàn)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(zhǎng)度65 cm、寬度30 cm、硅膠（鹽巖）初始長(zhǎng)度52 cm，單斜坡底板角度（基底傾斜角度）設(shè)置為3°及5°，在向海端設(shè)置一底板隆起，來(lái)模擬后期火山活動(dòng)對(duì)鹽巖形成的阻擋（圖3）。鹽筏伸展的空間來(lái)源一般認(rèn)為有兩種，一是由坡下鹽層流動(dòng)產(chǎn)生的褶皺與逆沖提供；二是海底擴(kuò)張。下剛果盆地鹽筏兩個(gè)時(shí)期的漂移距離可達(dá)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(jié)合研究區(qū)實(shí)際地震資料及前人研究基礎(chǔ)，選取鹽巖向海側(cè)為自由端，以模擬鹽巖沉積早期在沒(méi)有阻擋的情況下向海擴(kuò)展。鹽巖上覆的同構(gòu)造活動(dòng)沉積層的沉積速率則通過(guò)間隔固定時(shí)間篩入等厚的砂層控制。

圖3 鹽筏構(gòu)造物理模擬模型簡(jiǎn)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(zhì)現(xiàn)象及地球動(dòng)力學(xué)過(guò)程，物理模擬通過(guò)將地質(zhì)尺度的時(shí)間與空間縮小到實(shí)驗(yàn)室尺度來(lái)重現(xiàn)自然條件下無(wú)法觀測(cè)到的變形過(guò)程，相似原則由伽利略早在幾個(gè)世紀(jì)以前提出，Hubbert（1937）首次將其應(yīng)用到了構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)中。

相似的基本特征包括幾何（空間）相似、運(yùn)動(dòng)（時(shí)間）相似、動(dòng)力（物理）相似。其中幾何相似指的是自然原型與設(shè)計(jì)模型的幾何尺寸對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度均保持一個(gè)固定比例，幾何相似是其他相似的前提。在幾何相似的基礎(chǔ)上，運(yùn)動(dòng)相似（速度方向相同，大小成比例）只需要確定時(shí)間比例即可（Jackson and Hudec, 2017）。動(dòng)力相似需要物體對(duì)應(yīng)受力的性質(zhì)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(guān)系通過(guò)力學(xué)基本定律來(lái)約束（Allen and Beaumont, 2012）。那么當(dāng)其中任意三個(gè)相似比例被確定，最后一個(gè)則可由公式導(dǎo)出。依據(jù)相似原則，實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的重力系數(shù)g與自然條件下一致，gr不變等于1；長(zhǎng)度系數(shù) lr=0.25×10-5，即實(shí)驗(yàn)條件下1 cm約等于自然條件下4 km；密度系數(shù) ρr≈0.5，即實(shí)驗(yàn)條件下的平均密度約為自然條件下一半；粘度系數(shù) μr≈1.2×10-15。依據(jù)公式（1）

可得到實(shí)驗(yàn)條件下1 h約為自然條件下10 Ma。

3 物理模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)1

實(shí)驗(yàn)1設(shè)計(jì)目的為觀測(cè)無(wú)差異負(fù)載沉積的情況，鹽巖在底板傾斜條件下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。初始鋪設(shè)暗色硅膠（鹽巖層）厚度約1 cm，等厚的紅白相間標(biāo)志砂層（前構(gòu)造沉積層）厚度約為2 cm，覆蓋在鹽層之上。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后抬升底板角度至5°，同時(shí)每隔30 min記錄平面構(gòu)造變化，實(shí)驗(yàn)總時(shí)長(zhǎng)7 h。由實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果可知，伸展斷裂最早出現(xiàn)在近陸端，并逐漸向海發(fā)展，隨著斷裂距離的增大，被兩組斷裂完全隔開(kāi)的前構(gòu)造沉積層，形成了一個(gè)個(gè)的“筏”，漂浮在鹽層之上。觀測(cè)斷裂的最終分布可見(jiàn)，斷距最大的斷裂出現(xiàn)在斷裂群的中部，斷裂凸向指向陸地一側(cè)，鹽巖隨著斷裂的擴(kuò)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(jié)果Fig. 4 Results of the physical modelling 1 of the Cretaceous salt rafts in the Lower Congo Basin

3.2 實(shí)驗(yàn)2

實(shí)驗(yàn)2設(shè)計(jì)目的為觀測(cè)在后續(xù)快速沉積的情況下，鹽筏構(gòu)造的演化規(guī)律。初始條件與實(shí)驗(yàn)1相同，鋪設(shè)鹽巖層厚度約1 cm，等厚的前構(gòu)造沉積層厚度約為2 cm。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后抬升底板角度至5°，同時(shí)進(jìn)行后續(xù)沉積層的快速加載（ 綠白相間標(biāo)志砂層，沉積間隔20 min，共4次）。觀測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果，后續(xù)沉積的加載使得鹽巖的上涌趨勢(shì)被抑制，同時(shí)斷裂的擴(kuò)展速度也有所減慢。但伸展斷裂仍是由陸到海的發(fā)展趨勢(shì)，靠陸一端的斷裂伸展不夠充分，形成上下盤(pán)相接的前鹽筏構(gòu)造樣式。而在斷裂群的中部，鹽構(gòu)造沉積層在上下盤(pán)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(cè)，在剖面上可見(jiàn)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(jié)果Fig. 5 Results of the physical modelling 2 of the Cretaceous salt rafts in the Lower Congo Basin

3.3 實(shí)驗(yàn)3

實(shí)驗(yàn)3設(shè)計(jì)目的為觀測(cè)在后續(xù)沉積相對(duì)較慢的情況下，鹽筏構(gòu)造的演化規(guī)律。初始條件與實(shí)驗(yàn)1相同，鋪設(shè)鹽巖層厚度約1 cm，等厚的前構(gòu)造沉積層厚度約為2 cm。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后抬升底板角度至3°，同時(shí)慢速加載后續(xù)沉積層（沉積間隔2 h，共4次）。觀測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果，伸展斷裂仍是由陸到海的發(fā)展趨勢(shì)，由于較低的傾斜角度及后續(xù)的緩慢沉積，斷裂得到充分的伸展，同時(shí)所有的鹽構(gòu)造沉積的筏體在上下盤(pán)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(jié)果Fig. 6 Results of the physical modelling 3 of the Cretaceous salt rafts in the Lower Congo Basin

4 討論

鹽構(gòu)造活動(dòng)的觸發(fā)機(jī)制一般認(rèn)為有兩種：重力擴(kuò)展及重力滑脫，然而對(duì)不同鹽構(gòu)造形成過(guò)程中，重力滑脫作用與差異負(fù)載作用仍有爭(zhēng)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(wú)前構(gòu)造沉積），同時(shí)后續(xù)沉積為進(jìn)積的情況下（即差異負(fù)載作用為主），即使無(wú)傾斜角度，一樣可以形成類似的鹽筏構(gòu)造（Adam and krézek, 2012; Ings and Beaumont, 2010; Vendeville, 2005; Gaullier and Vendevile, 2005）。但基于實(shí)際地震剖面的解釋成果表明，下剛果盆地研究區(qū)內(nèi)的白堊系鹽巖之上是存在前構(gòu)造沉積層的，鹽巖在未活動(dòng)之前已被覆蓋，并非自由表面，此外后續(xù)的地層沉積方式也未見(jiàn)到進(jìn)積的形式（圖7a，c）。物理模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示，鹽巖在傾斜底板上，即使沒(méi)有差異負(fù)載作用，依然是可以流動(dòng)?？梢哉J(rèn)為，觸發(fā)下剛果盆地鹽筏構(gòu)造活動(dòng)的動(dòng)力為基底下傾引起的重力滑脫。

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

鹽筏構(gòu)造演化受到多種因素影響，包括初始鹽層厚度、前構(gòu)造沉積層厚度、基底形態(tài)及傾角，同沉積速率等等，但其中最為關(guān)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(gòu)造樣式。沉積速率相對(duì)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(gòu)造（圖7b，d）。沉積速率較慢時(shí)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(qū)A（位置見(jiàn)圖1）內(nèi)發(fā)育的白堊系鹽筏具有多米諾式的向海傾斜斷層，同時(shí)產(chǎn)生多種鹽筏與前鹽筏構(gòu)造（圖7c）。對(duì)比實(shí)驗(yàn)二模擬結(jié)果與下剛果盆地的實(shí)際地震剖面具有較高的符合度，推測(cè)下剛果盆地的鹽筏構(gòu)造應(yīng)為沉積速率相對(duì)較快條件控制下形成的。

5 結(jié)論

（1）沉積負(fù)載不是鹽筏形成主要因素，下傾時(shí)鹽巖能夠在沒(méi)有任何差異荷載的情況下流動(dòng)形成前構(gòu)造沉積層的伸展斷裂。觸發(fā)鹽巖流動(dòng)的動(dòng)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(gòu)造沉積層后續(xù)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(gòu)造樣式。

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

致謝：感謝成都理工大學(xué)國(guó)土資源部構(gòu)造成礦成藏重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供的物理模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備、材料以及在物理模擬實(shí)驗(yàn)開(kāi)展過(guò)程中提供的熱心幫助。