岩石学报  2019, Vol. 35 Issue (4): 1238-1256, doi: 10.18654/1000-0569/2019.04.17   PDF    
尼日尔三角洲的沉积-构造特征
苏玉山1 , 王桐1 , 李程2 , 张光亚3 , 赵岩4 , 李曰俊5 , 赵巍1 , 赵甜玉4     
1. 中国石油化工股份有限公司勘探开发研究院, 北京 100083;
2. Department of Geography, Kyung Hee University, Seoul 02447;
3. 中国石油天然气股份有限公司勘探开发研究院, 北京 100083;
4. 科新石油技术服务有限责任公司, 库尔勒 841000;
5. 中国科学院地质与地球物理研究所, 岩石圈演化国家重点实验室, 北京 100029
摘要:尼日尔三角洲位于非洲大陆西海岸的几内亚湾,由尼日尔河注入大西洋形成的,是世界上最大的三角洲之一。它发育于冈瓦纳大陆裂解形成的中、西非裂谷系和大西洋被动大陆边缘交汇部位,主体位于大西洋洋壳之上,部分位于非洲前寒武纪结晶基底之上。中、西非中生代裂谷系通过控制贝努埃-尼日尔河系的发育,间接控制三角洲的形成演化。尼日尔三角洲是一个进积型三角洲,具有典型的进积三角洲沉积序列,自下而上依次是海相页岩(Akata组)、近海三角洲相砂岩-页岩互层(Agbada组)和陆相冲积砂岩(Benin组)。三个岩石地层单位均规律性穿时,向洋方向变新。尼日尔三角洲层序中发育一大型重力滑动构造。该重力滑动构造的主滑脱面位于Akata海相页岩中,可以划分出前缘挤压构造变形区和后缘拉张伸展构造变形区。挤压构造变形区发育褶皱冲断带,伸展构造变形区发育堑垒构造,两者之间的过渡带发育滑脱褶皱。尼日尔三角洲的重力构造伴生有广泛发育的泥构造。重力动构造的形成可能与新生代喀麦隆火山带(Cameroon volcanic line)有一定的关系。
关键词: 尼日尔三角洲     进积三角洲     重力滑动构造     泥构造     贝努埃-尼日尔河系     东大西洋被动大陆边缘     中非裂谷系     西非裂谷系     冈瓦纳裂解    
The sedimentary and tectonic features of the Niger Delta
SU YuShan1, WANG Tong1, LI Cheng2, ZHANG GuangYa3, ZHAO Yan4, LI YueJun5, ZHAO Wei1, ZHAO TianYu4     
1. Research Institute of Petroleum Exploration & Production, SINOPEC, Beijing 100083, China;
2. Department of Geography, Kyung Hee University, Seoul 02447, Korea;
3. PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration and Development(RIPED), Beijing 100083, China;
4. Kexin Petroleum Science & Technology Service Co., Ltd., Korla 841000, China;
5. State Key Laboratory of Lithospheric Evolution, Institute of Geology & Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
Abstract: The Niger Delta, one of the largest delta in the world, is located on the eastern passive continental margin of the Atlantic Ocean. It was formed during the Niger River entering the Atlantic Ocean. The main part of the delta lies on the Atlantic oceanic crust, and the minor part on the African pre-Cambrian basement. The Central and West African Rift Systems indirectly control the formation of the Niger Delta through controlling the distribution and development of the Benue-Niger river system. It is a prograded delta with typical prograding sequence, i.e., regressive sequence. The prograding sequence is constituted with the marine shale (Akata Formation), paralic sand and shale (Agbada Formation) and continental alluvial sands (Benin Formation) from the bottom to the top. These three lithostratigraphic units are diachronous. All of them are younger seaward. There is a large scale gravity gliding tectonics. The main detachment fault lies in the Akata marine shale. The gravity tectonics can be divided into the front compressional deformation province and the trail extensional deformation province. The front compressional deformation formed a fold-thrust belt. The trail extensional deformation formed horst-graben structures. The detachment folds are well developed in the transitional zone between these two deformation provinces. Accompanied with the gravity-gliding tectonics, shale tectonics are widely developed in the Niger Delta. There is possibly some formation-relation between the gravity-gliding tectonics and the Cenozoic volcanic activities of the Cameroon volcanic line.
Key words: Niger Delta     Prograded delta     Gravity-gliding tectonics     Shale tectonics     Benue-Niger river system     Eastern Atlantic passive continental margin     Central African Rift System     West African Rift System     Breakup of the Gondwana    

尼日尔三角洲(Niger Delta)位于非洲大陆西海岸的几内亚湾(图 1),总面积约300000km2,陆上部分的面积约75000km2,主体属于尼日利亚,跨赤道几内亚和喀麦隆。它是世界上最大的三角洲盆地之一,由尼日尔(Niger)-贝努埃(Benue)河系注入大西洋而成。三角洲沉积体最厚处的厚度可达12km,体积达500000km3,(Doust and Omatsola, 1990应维华和潘校华,1998赵欢欢,2011岳鹏升,2012)。

图 1 尼日尔三角洲盆地的位置 Fig. 1 Location of the Niger Delta

尼日尔三角洲盆地位于大西洋被动大陆边缘之上,同时处于中非和西非中-新生代裂谷系交汇的部位。南大西洋自侏罗纪末-白垩纪初开始打开(Torsvik et al., 2009; Mouli et al., 2010; Pérez-Díaz and Eagles, 2017),形成被动大陆边缘;冈瓦纳大陆中(新)生代裂解形成的中非和西非裂谷系,控制了尼日尔河、贝努埃河等水系的发育;尼日尔河和贝努埃河汇聚,注入大西洋,形成了尼日尔三角洲。因而,尼日尔三角洲盆地同时记录了南大西洋打开过程和冈瓦纳大陆裂解的诸多重要信息。

尼日尔三角洲已探明石油可采储量达45亿吨,天然气可采储量达2.7万亿立方米,构成了世界上第十二大油气聚集区(岳鹏升,2012)。三角洲沉积体,生储盖组合齐全、配套,圈闭发育,石油地质条件优越,油气勘探潜力巨大。自1993年起,中石化、中石油和中海油陆续参与尼日尔三角洲盆地的勘探开发,成为我国全球油气战略的重要组成部分。

1 现今尼日尔三角洲的地貌和沉积环境

尼日尔三角洲总体表现为海退型,间有海进的演化历史。海进时以浪控、潮控三角洲沉积为特征,海退时则以河控三角洲沉积为代表。目前,尼日尔三角洲以浪控、潮控三角洲沉积为特色;中心部位是建设性三角洲,翼部属于破坏性三角洲(图 2)(Doust and Omatsola, 1990; 侯高文,2006)。三角洲的现代沉积物以陆源碎屑为主。物源主要为非洲大陆的前寒武系结晶基底,以及源自它们的白垩系和古近系-新近系的再旋回物源。另外,喀麦隆火山区也提供一定量的火山碎屑物源(Doust and Omatsola, 1990)。控制三角洲形成的尼日尔河,每年注入大西洋的河水达3000×108m3,相当于密西西比河的40% (Nedeco,1959)。

图 2 尼日尔三角洲的现代沉积环境(据Allen, 1965, 1970; Doust and Omatsola, 1990改绘) Fig. 2 The present sedimentary environment of the Niger Delta (modified after Allen, 1965, 1970; Doust and Omatsola, 1990)

下三角洲平原上,分布着多条分支河流,其中以福卡多斯河和农河规模最大。河流附近是淡水沼泽。靠近海岸线的三角洲陆上部分,潮汐的影响加大,淡水比例减少,发育了面积约10000km2大型咸水红树林沼泽。三角洲两翼的海岸线及各沉积相带均向陆内退缩约25km。各分支河流注入大西洋,在海岸线一带形成一系列的河口坝。进入大西洋,尼日尔三角洲水下部分可以划分出:三角洲前缘台地(内浅海)、前三角洲斜坡、开阔陆架(外浅海)和陆坡等地理单元(图 2)。

三角洲的水下部分向几内亚湾内延伸达250km左右,包括陆棚和陆坡。海底地貌在一定程度上受断裂和泥底辟构造影响。陆坡上发育一系列水下峡谷。一些峡谷在陆坡远端转化为浊积水道;另一些水下峡谷可以运送沉积物穿越整个斜坡,至斜坡底部卸载,形成海底扇。尼日尔三角洲前缘,对应三个大规模的海底峡谷,形成了Avon、尼日尔和Calabar三个较大规模的海底扇(图 3)。

图 3 尼日尔三角洲附近的几内亚湾海底沉积自然地理概况(据Burke, 1972; Benkhelil, 1987; Reijers et al., 1997改绘) Fig. 3 Physiographic sketch of the deep marine sediments in the Gulf of Guinea off the Niger Delta (modified after Burke, 1972; Benkhelil, 1987; Reijers et al., 1997)
2 尼日尔三角洲的地层系统

尼日尔三角洲附近大面积出露前寒武系变质杂岩,中-新生代裂谷盆地(比达盆地、贝努埃槽/盆地、阿南布拉盆地)中出露以白垩系为主的中生代地层;古生界大面积缺失(图 4表 1)。尼日尔三角洲盆地的地层系统可以划分为基底构造层(前白垩系)、裂谷构造层(白垩系-古新统)和三角洲构造层(始新统-第四系)。

图 4 尼日尔三角洲及邻区地质简图(据Allen, 1965; Whiteman, 1982; Doust and Omatsola, 1990编绘) Fig. 4 Simplified geological map of Niger Delta and adjacent area (Compiled according to Allen, 1965; Whiteman, 1982; Doust and Omatsola, 1990)

表 1 尼日尔三角洲的地层系统 Table 1 Stratigraphic chart of the Niger Delta
2.1 基底构造层

尼日尔三角洲的基底包括陆壳基底和洋壳基底。

洋壳基底是大西洋打开的过程中形成的,缺乏直接资料。根据全球古大陆恢复资料分析,尼日尔三角洲之下的洋壳形成于白垩纪早-中期;其与陆壳的分界则是依据地球物理资料推测的(Hospers, 1965; Whiteman, 1982; Kaplan et al., 1994)。实际上,它应该属于尼日尔三角洲的裂谷演化阶段的产物。

陆壳基底虽然也没有钻井钻遇,但是可以通过三角州附近的露头地质研究。它包括中-新生代裂谷作用发生之前的所有岩石,即前白垩纪的所有岩石,基本上都是由前寒武纪变质杂岩和岩浆岩组成的泛非褶皱基底(Bumby and Guiraud, 2005)。地表出露于西非地块、北尼日尔地块和奥班地块(图 4)。前寒武系基底杂岩的岩石类型主要为混合岩化片麻岩、轻微混合岩化或未混合岩化的副片岩和花岗岩。其中还穿插有不同岩性的岩脉。在前寒武系变质杂岩之上,奥班地块上见晚前寒武纪沉积地层,西非地块上见古生代沉积地层。尼日尔三角洲地区是否存在前白垩纪未变质沉积地层,目前尚不明确;普遍认为,白垩系直接不整合于前寒武系变质杂岩之上。

2.2 裂谷构造层

尼日尔三角洲的裂谷构造层包括白垩纪-古新世裂谷作用阶段的沉积。它是冈瓦纳大陆裂解-大西洋打开过程的重要记录。这一构造层可以进一步划分为2个伸展序列:下白垩统-上白垩统下部伸展序列和上白垩统上部-古新统伸展序列。该构造层埋深大(可达12km),缺乏钻井资料,地层发育特征主要依据东北侧相邻的阿南布拉盆地出露的同时代地层来推断。

2.2.1 下白垩统-上白垩统下部伸展序列

该序列自下而上依次为Asu River群、Odukpani组、Eze Aku组和Awgu组(表 1);总体为一套海进沉积体系,主要岩性为灰色砂岩和页岩,局部地区发育灰岩,伴随有裂谷型岩浆作用;总厚度可达4500m。其中,Asu River群是裂谷作用早期沉积,也是尼日尔三角洲已知最老的沉积盖层,直接不整合覆盖于前寒武系变质杂岩之上,岩性为暗绿色、棕褐色页岩和细砂岩夹灰岩,底部为粒度较粗的底砂岩,含菊石类化石,是滨海相潮下环境沉积。局部见基性和中性侵入岩。Odukpani组见于Calabar翼部,为浅海碎屑岩沉积。Eze Aku组为灰色、灰黑色页岩和钙质砂岩。Awgu组又称之为Awgu页岩,以灰色页岩为主,夹少量细砂岩和灰岩。Awgu组沉积后,盆地发生过短暂的抬升或海退,造成规模不大的沉积间断。这一地质事件称之为Abakaliki抬升。

2.2.2 上白垩统上部-古新统伸展序列

本序列是一套滨-浅海相的碎屑岩和含煤碎屑岩,总体表现为海退三角洲沉积体系。自下而上依次为Nkporo组、Mamu组(又称下含煤岩系)、Ajali组(又称Ajali砂岩)、Nsukka组(又称上含煤岩系)和Imo组(又称Imo页岩)。

Nkporo组、Mamu组、Ajali组和Nsukka组属于上白垩统上部,总体属于海相或三角洲近海环境沉积,总厚度2500m左右。Nkporo组分上、下两段,下段为黑色页岩夹生屑灰岩段,上段为页岩段。Mamu组为细粒-中粒砂岩、页岩,夹煤层或煤线。Ajali组为成岩较差的粗-细粒砂岩。Nsukka组的岩性是砂、泥岩互层,夹煤层或煤线。

Imo组属于古近系古新统,为海相沉积,岩性主要为黑灰色、蓝灰色页岩,顶部偶夹铁质黏土层和薄层砂岩条带,含丰富的有孔虫等化石。Imo组的岩性横向变化较大,向尼日利亚东部变为粉砂质页岩和泥质粉砂岩,到尼日利亚西部以厚层状介壳灰岩为特征。厚度变化也比较大,320~1070m。

2.3 三角洲/被动大陆边缘构造层

三角洲构造层包括始新世到第四纪的沉积。这时,大西洋已经扩张为广阔的大洋,东、西两侧均为典型的被动大陆边缘盆地(Guiraud and Bosworth, 1999; Guiraud et al., 2005; Moulin et al., 2010; 李江海等,2014);所以,该构造层又可以称之为被动大陆边缘构造层。目前,尼日尔三角洲的油气勘探目前都针对本构造层,因而,本构造层已经获得了丰富、翔实、可靠的地质资料。

钻井资料证实,本构造层由三大套岩石组合组成,每一大套岩石组合构成一个岩石地层单位。自下而上依次为海相页岩、近海砂岩和页岩、陆相碎屑岩,分别被命名为Akata组、Agbada组和Benin组(Short and Staeuble, 1967; Avbovbo,1978; Ekweozor and Daukoru, 1994)。在三角洲主体的各部位,垂向岩石序列都比较简单,规律性很强,总体显示海退沉积序列特征(表 1图 5)。同时,各岩石地层单位又都规律性穿时,造成同时代地层的岩石组合横向变化复杂。该三角洲层序的形成除了受控于尼日尔-贝努埃河系的控制外,其沉积带还受控于同沉积断层(生长断层)。主干生长断层控制了由北向南的多个沉积带,每个沉积带都包括自下而上三分的海退层序的三角洲沉积序列。这些由主干生长断层控制的沉积带,在油气勘探界被称之为巨型构造(Megastructure)(Evamy et al., 1978)或沉积带(Knox and Omatsola, 1989; Doust and Omatsola, 1990)。

图 5 尼日尔三角洲岩石地层与年代地层关系 Fig. 5 The relationship between the litho-stratigraphy and chrono-stratigraphy in the Niger Delta

Akata组为前三角洲和陆架斜坡沉积,由海相页岩、泥岩和粉砂岩组成,夹少数可能为浊积成因的薄砂层。暗色泥/页岩有机质丰富,是尼日尔三角洲盆地的主要烃源岩。该组在近海陆坡底辟带,可以穿刺上覆地层至海底;在陆上三角洲东北部出露地表。根据钻井和地震资料推测(绝大多数钻井未钻穿Akata组),该组厚600~6000m,在三角洲中部厚度可达7000m(图 6)。Akata组的时代为始新世至全新世。

图 6 Akata组厚度图 Fig. 6 The isopach map of the Akata Formation

Agbada组为近岸-三角洲前缘沉积。由砂岩、粉砂岩、页岩形成韵律性层。每个韵律厚15~45m;一般不超过60m。总体上,该组粗碎屑向上增多;下部以页岩为主,上部砂岩居多。底部与Akata组为渐变过渡关系。页岩呈灰色,致密,富含微体动物化石。砂岩分选性差,无胶结物或仅少量钙质胶结,常含煤屑和褐铁矿颗粒,见少量介壳碎屑和海绿石。

Agbada组在各沉积带都有发育,沉积时代从始新世至全新世,厚度600~3600m(图 7)。Agbada组砂、页岩互层,形成多个储-盖组合,是尼日尔三角洲主要的油气产层。其中,砂岩是油气主要储集层,泥/页岩构成良好的盖层。

图 7 Agbada组等厚度图 Fig. 7 The isopach map of the Agbada Formation

Benin组为陆相砂、砾岩夹泥岩,沉积时代为渐新世-全新世。它是陆相河流及岸后沼泽沉积,在三角洲陆区及浅水区均有分布,厚0~2100m(图 8)。Benin组底面在三角洲中部埋深最大,可达3000m以上;向南、北变浅。其中的砂体可能形成于砂坝、河道或天然堤环境;所夹的泥/页岩可能是沼泽、牛轭湖和泻湖沉积。

图 8 Benin组等厚度图 Fig. 8 The isopach map of the Benin Formation
3 尼日尔三角洲的构造变形特征

尼日尔三角洲盆地的构造变形,如果不加特别说明,所研究的都是其三角洲构造层的构造变形。这也是油气勘探最关注的层系。地震反射波可及,研究程度高。深部构造层(基底构造层和裂谷构造层)因缺乏可靠的地震和钻井资料,研究较少。

尼日尔三角洲的构造变形总体显示为一个大型重力滑动构造系统,从陆地向大西洋方向,也就是从三角洲扇顶到三角洲前缘,可以划分出2个大的构造变形区:伸展构造变形区和挤压冲断构造变形区。两者过渡地带,泥底辟构造和滑脱构造发育。因为泥底辟构造与油气关系密切,所以,研究者往往在两者之间划分出一个泥底辟带。从后缘伸展、中间滑脱-泥底辟到前缘挤压冲断,构成一个完整的大型重力滑动构造系统。其主滑脱断层面位于Akata海相页岩内(图 9)。尼日尔三角洲的构造变形与三角洲构造层的形成演化几乎是同时的,可以追溯到始新世,并持续至今(Doust and Omatsola, 1990; Cobbold et al., 2009)。不过,早期的构造变形微弱,明显的重力滑动构造变形发生于中新世-第四纪。有人特别强调洋壳断裂带,Chain和Charcot断裂带对尼日尔三角洲的控制作用(Whiteman,1982Kaplan et al., 1994Sandwell and Smith, 2009; Wu et al., 2015)。我们认为,那主要是大西洋洋底构造的范畴,对于三角洲构造层的形成演化影响较小。地表地质调查也没有发现它们延伸到非洲大陆的证据。

图 9 尼日尔三角洲的构造纲要图 (b) A-A’为跨越尼日尔三角洲的区域构造剖面; (c) B-B’为尼日尔三角洲的一条区域地震剖面 Fig. 9 Structure outline map of the Niger Delta (b) A-A' is a regional structural cross-section of the Niger Delta; (c) B-B' is a regional seismic profile of the Niger Delta
3.1 伸展构造变形区

伸展构造变形区包括三角洲陆上和近海部分,构造变形特征是同沉积的正断层及其控制的泥底辟构造(图 10)。同沉积断层又称生长断层。伴随正断层往往发育滚动背斜,即正断层相关的断层转折褶皱。不同方向的正断层在剖面上可以组合成各种堑垒构造。该区的主干正断层多倾向大洋方向,向下汇聚于Akata主滑脱面,呈典型的铲式断层特征。主干断层上盘发育滚动背斜和反向派生正断层。因控制背斜构造的形成,所以,这些主干断层又称之为成构造断层(structure-building fault)。滚动背斜顶部还可以发育一系列走向平行于背斜轴线的正断层,其形成不仅与区域性伸展构造活动有关,更受控于背斜顶部的局部拉张作用。

图 10 尼日尔三角洲伸展构造变形区的C-C’地震剖面(剖面位置见图 9) BB-Benin组的底,相当于第四系的底;BQC-Qua Iboe Clay的底,相当于上新统的底;BMS-中新统顶部M-shale的底;BPS-中新统上部P-shale的底 Fig. 10 C-C' seismic profile of the extensional province, Niger Delta (see the profile location in the Fig. 9) BB is the bottom of Benin Formation, approximately the bottom of the Quaternary; BQC is the bottom of the Qua Iboe Clay, approximately the bottom of the Pliocene; BMS is the bottom of the top Miocene M-shale; BPS is the bottom of the upper Miocene P-shale

作为同沉积断层,每一条主干断层往往又控制一小型沉积带的发育。当海平面相对下降,主干断层活动性减弱,沉积物源充足,沉积带的可容空间将被逐渐填满,于是沉积中心便向大洋方向迁移至新的沉积带(图 11)。主干(成构造)断层控制各沉积带的形成,同时也就控制了不同地质历史时期沉积中心的形成和分布。

图 11 后缘伸展区沉积带发育模式图 Fig. 11 A carton model showing the formation and evolution of the depo-zone in extensional province of the Niger Delta
3.2 挤压构造变形区

挤压构造变形区位于三角洲前缘,常称之为三角洲前缘褶皱冲断带。其又可以进一步划分出内褶皱-冲断带、滑脱褶皱区和外褶皱-冲断带(图 9图 12)(Corredor et al., 2005; Sun and Liu, 2018)。构造变形样式以断层传播褶皱为主,其次是断层转折褶皱和滑脱褶皱。前缘的逆冲断层往往错断Akata组和Agbada组至海底面。重力滑动构造前缘的挤压应力是褶皱-冲断带形成的动力来源。冲断构造控制泥底辟构造的发育。

图 12 尼日尔三角洲重力滑动构造的前缘褶皱冲断带的地震剖面(剖面位置见图 9的B-B’地震剖面) Fig. 12 Seismic profile showing the front fold-thrust belt of the gravity gliding tectonics in the Niger Delta (see the profile location of the B-B' seismic profile in Fig. 9)

根据断裂分析和生长地层分析,尼日尔三角洲前缘的冲断作用起始于中新世。冲断构造形成后,在每一个冲断片的上方可以形成规模不等的背驮盆地。实际上,三角洲前缘褶皱-冲断带的逆冲断层也是同沉积断层,也是生长断层,只是以往的研究多关注伸展区的生长正断层,对前缘的生长逆断层缺乏重视。

关于三角洲前缘褶皱-冲断带逆冲断层和褶皱的关系,一般认为褶皱是逆冲断层的断层相关褶皱(Sun and Liu, 2018)。部分冲断层的下盘,反射层向断层方向的抬升,显示,构造变形初期可能是滑脱褶皱,是滑脱褶皱前缘突破形成了断层转折褶皱的假象。也就是说,部分冲断层可能是褶皱相关断层。这种情况经常见于以盐层或活动性泥/页岩层为主滑脱面的褶皱-冲断带(Li et al., 2016)。背斜顶部的派生正断层无疑属于褶皱相关断层。

3.3 滑脱-泥底辟构造带

泥底辟构造在尼日尔三角洲大型重力滑脱构造体系中,是一种特殊成因类型的构造变形,并不是重力滑脱构造的一个独立构造带。它在伸张构造区和前缘褶皱-冲断带都有发育,只是在两者之间发育得更好(图 9图 13),所以,在尼日尔三角洲构造研究中,泥底辟构造带往往作为过渡带的同义词。本文称之为滑脱-泥底辟构造带。

图 13 尼日尔三角洲的滑脱褶皱和泥构造(剖面位置见图 9的B-B’地震剖面) Fig. 13 Interpreted seismic profile showing detachment fold and shale tectonics (See the profile location of the B-B' seismic profile in Fig. 9)

Akata组是富含水的前三角洲相泥/页岩,可能含有一定量的盐。在后续三角洲沉积充填过程中,所处的温-压条件不断升高。当温度≥100℃和压力≥ 6×104kPa时,Akata海相泥/页岩塑性加强,成为活动性泥/页岩,开始发生塑性流动。活动性泥/页岩上拱,刺穿上覆地层,形成泥底辟构造。断层的发育有利于泥底辟的形成;以活动性泥/页岩为主滑脱面的重力滑动作用是泥底辟构造发育的重要促进因素。生长地层显示,尼日尔三角洲的泥底辟构造与重力滑动构造基本上是同步的。以往的研究者多认为,尼日尔三角洲的泥底辟作用诱发了断层的活动(应维华和潘校华,1998)。实际上,这里既有主动泥底辟,也有被动泥底辟。主动泥底辟可以诱发、控制断层发育;主要见于滑脱-泥底辟带(图 13)。被动泥底辟则是断裂活动控制泥底辟作用;主要见于后缘伸展区和前缘褶皱冲断带(图 12图 14)。

图 14 发育泥底辟和生长断层的D-D’地震剖面(剖面位置见图 9) BB-Benin组的底,相当于第四系的底;BQC-Qua Iboe Clay的底,相当于上新统的底;BMS-中新统顶部M-shale的底;BPS-中新统上部P-shale的底 Fig. 14 D-D' seismic profile showing the mud diapirs and growth faults in the Niger Delta (see the profile location in the Fig. 9) BB is the bottom of Benin Formation, approximately the bottom of the Quaternary; BQC is the bottom of the Qua Iboe Clay, approximately the bottom of the Pliocene; BMS is the bottom of the top Miocene M-shale; BPS is the bottom of the upper Miocene P-shale
4 冈瓦纳大陆的裂解与尼日尔三角洲的形成演化

尼日尔三角洲盆地坐落在大西洋被动大陆边缘之上。尼日尔-贝努埃河系在几内亚湾注入大西洋,是尼日尔三角洲的直接成因。中、西非裂谷系(图 15)通过控制尼日尔-贝努埃河系的形成和展布(图 4),间接控制尼日尔三角洲的形成演化。大西洋的打开,中、西非裂谷系的裂谷作用,都是冈瓦纳大陆中-新生代裂解作用的重要内容,所以,尼日尔三角洲的形成演化与冈瓦纳中-新生代裂解过程有密切的关系。

图 15 非洲中-北部地质简图,展示尼日尔三角洲与中非、西非裂谷系的空间关系(据Wilson and Guiraud, 1998; Guiraud et al., 2005改绘) Fig. 15 Schematic geological map of Northern-Central Africa, showing the space relation between Niger Delta and the Central and West African Rift Systems (modified after Wilson and Guiraud, 1998; Guiraud et al., 2005)

尼日尔三角洲盆地实际上是一个叠合盆地。新生代三角洲盆地/被动大陆边缘盆地叠合在中生代裂谷盆地之上。按盆地的构造类型划分,现今的尼日尔三角洲盆地是大西洋东岸被动大陆边缘盆地的一部分。称之为三角洲盆地是考虑其沉积相特征,是一个沉积相分类。

4.1 冈瓦纳大陆裂解与尼日尔三角洲的构造格局

南大西洋的打开和中、西非裂谷系的裂谷作用基本上是同时发生的,都是自侏罗纪末-白垩纪初开始。主裂谷期发生于早白垩世。有人认为尼日尔三角洲-贝努埃槽的初始裂谷作用可能在晚侏罗世就已经开始了(Guiraud and Bellion, 1995Maluski et al., 1995),但是,缺乏可靠的钻井和地震资料证据。进入新生代,中、西非裂谷系的裂谷作用迅速减弱,趋于稳定;南大西洋扩张成为广阔的大洋(Guiraud et al., 2005; Torsvik et al., 2009; Moulin et al., 2010),东、西两侧演化为典型的被动大陆边缘。

冈瓦纳大陆中-新生代裂谷作用,在非洲大陆形成了由NE-SW和NW-SE走向正断层,构成共轭断裂系统(图 15)。虽然尼日尔三角洲地区的地震资料无法清晰显示基底构造层和裂谷构造层的面貌,但是,地面地质研究证明,该地区也发育这套共轭断裂系统(图 16a)。根据重、磁资料可以刻画出尼日尔三角洲的基底构造轮廓,也显示了NE-SW和NW-SE向的基底构造,且以前者为主。尼日尔三角洲的区域地质结构剖面也进一步证实了这一构造特征(图 17)。NWW-SEE走向的地质结构剖面展示一大型地堑构造;该裂谷是贝努埃槽向西南方向的延伸。剖面上的断裂发育特征显示,尼日尔三角洲地区的中-新生代裂谷作用起始于侏罗纪末-白垩纪初;至新生代,裂谷作用迅速减弱,进入相对稳定的弱伸展被动大陆边缘演化阶段。NE-SW走向地质结构剖面展示一大西洋向非洲大陆的斜坡。中-新生界之下的基底构造层,自非洲大陆向大西洋方向,由陆壳基底转变为洋壳基底。洋壳-陆壳基底转换的确切部位尚不十分明确。航磁资料给出的基底埋深超过11000m(图 16)。这是一条非常简化的地质结构剖面,其展示的平缓斜坡忽略了大量构造变形细节,可能严重失真。

图 16 尼日尔三角洲及邻区断裂分布图(a)和区域结构剖面(b、c、d)(据Kaplan et al., 1994; Whiteman, 1982; Rouby et al., 2011编绘) (c、d)中A-A’和B-B’剖面位置见图(b);图(b)中的等值线(km)是三角洲沉积体总厚度等值线(据Kaplan et al., 1994) Fig. 16 The main faults (a) and regional diagrammatic cross sections (c, d) of the Niger Delta and adjacent area (compiled according to Kaplan et al., 1994; Whiteman, 1982; Rouby et al., 2011) A-A' and B-B' profiles in Fig. 16c and Fig. 16d are seen in Fig. 16b; Isopachs (km) in location map in Fig. 16b are total sediment thickness (Kaplan et al., 1994)

图 17 尼日尔三角洲基底构造图(上)和布格重力异常图(下)(据Murat, 1972; Haack et al., 2000; 应维华和潘校华,1998; 侯高文,2006编绘) Fig. 17 Basement tectonic (upper) and Bouguer gravity (lower) maps of the Niger Daelta (Compiled according to Murat, 1972; Haack et al., 2000; Ying and Pan, 1998; Hou, 2006)

尼日尔三角洲盆地东侧Douala盆地(图 1)的SW-NE向区域地质结构剖面(图 18),可以帮助我们更合理、正确地认识研究区中生代裂谷期断裂发育特征。该剖面基本上垂直于大陆边缘。剖面上发育三个大的不整合,分别是白垩系与前寒武系基底之间的不整合,古近系与白垩系之间的不整合,以及中新世底部的不整合;两套断裂系统,分别是深部的裂谷断裂系统和浅部的被动大陆边缘断裂系统。

图 18 Douala盆地SW-NE向区域地质剖面(据Logar, 1983改绘) Fig. 18 SW-NE regional geological cross section of Douala Basin (modified after Logar, 1983)

深部的裂谷断裂系统发育于白垩系,最高可影响到古近系底部;由一系列正断层组成,组合成堑垒构造和阶梯状构造。这套裂谷断裂系统在尼日尔三角洲也应该存在,即,尼日尔三角洲之下应该存在NW-SE走向的裂谷期断裂,只是因埋深太大,地震反射很差(基本上没有反射),目前尚未被清晰揭示。浅部的被动大陆边缘断裂系统发育于新生界,为一系列的正断层,显示被动大陆边缘伸展构造背景。正断层断距自下而上逐渐减小,是新生界的同沉积断层,所以又称之为生长断层。这一断裂系统在尼日尔三角洲更发育。

中、西非裂谷系分别由一系列中-新生代裂谷盆地组成。这些裂谷盆地的形成演化都是冈瓦纳大陆裂解过程的一部分,与大西洋的打开是同时发生的。Muglad盆地是中非裂谷系的一个大型裂谷盆地,其形成演化过程在中、西非裂谷系具有很好的代表性。该盆地油气勘探程度较高,有大量高品质的地震资料,清晰地展示了裂谷作用过程。借助该盆地的地震勘探资料,弥补尼日尔三角洲盆地深部地震反射差的缺陷,认识尼日尔三角洲盆地前新生代构造特征和演化。

图 19是过中非裂谷系Muglad裂谷盆地的2条地震剖面。精细地震解释可以得到Muglad盆地的形成演化过程。

图 19 中非裂谷系Muglad盆地的两条代表性地震剖面 (a)穿越Muglad盆地西部Sufyan凹陷的一条NE-SW向地震剖面; (b) Muglad盆地东部Kaikang槽东侧的一条NEE-SWW向地震剖面; (c) Muglad盆地的地层系统 Fig. 19 Two regional seismic profiles of Muglad Basin, Central Africa Rift System

白垩系-新生代裂谷沉积体系直接不整合于前寒武系变质基底之上,是一个中-新生代裂谷盆地。裂谷作用起始于侏罗纪末-白垩纪初,持续至新近纪。Muglad盆地的裂谷作用存在两个大的旋回。第一个旋回发生于白垩纪,裂谷作用遍及全盆地。第二个旋回发生于新近纪,裂谷作用的中心东移。沉降中心位于Kaikang槽;西部Sufyan凹陷构造活动较弱,仅边界断裂仍有一定的正断层作用。第四纪,整个Muglad盆地的裂谷作用基本停息,缓慢沉降。

4.2 尼日尔三角洲的沉积充填过程 4.2.1 裂谷阶段的沉积充填过程

白垩纪-古近纪早期是尼日尔三角洲地区的裂谷阶段,其沉积充填过程严格受裂谷作用控制。

冈瓦纳大陆的裂解作用形成的NE-SW和NW-SE走向的共轭断裂系统,控制了NE-SW和NW-SE走向裂谷盆地的形成(图 15)。贝努埃盆地、比达盆地以及南大西洋白垩纪的裂谷作用都是其组成部分。尼日尔三角洲位于贝努埃裂谷的西南延伸方向,处于大西洋早期裂谷与贝努埃裂谷构成的白垩纪中期构造三联点上(Doust and Omatsola, 1990)。其早白垩世沉积为典型的裂谷沉积建造,包括碎屑岩、火山碎屑岩和火山岩。

至晚白垩世,大西洋已经扩张到相当的规模,洋壳已经形成;贝努埃槽的裂谷作用减弱,火山活动明显减少,盆地具有坳拉槽的性质。贝努埃-尼日尔河系带来的大陆沉积物沿贝努埃槽不断向大西洋方向推进,形成尼日尔三角洲的雏形。这也就是尼日尔三角洲盆地的早期演化阶段。当时NE-SW和NW-SE走向的两组共轭断裂系统对盆地起着控制作用(图 16)。晚白垩世早期,阿巴卡利基高地尚未形成,贝努埃槽与大西洋联通,为一海槽,接受海相沉积。至晚白垩世晚期,构造反转作用,形成Apakaliki高地,贝努埃-Abakaliki海槽关闭,结束海相沉积的历史。

4.2.2 三角洲/被动大陆边缘阶段的沉积充填过程

古近纪早期,尼日尔三角洲地区发生了一次大规模的海侵,掩盖了之前形成的原始三角洲,沉积了广泛分布的Imo页岩。此后,尼日尔三角洲盆地进入了现代三角洲沉积发展的演化历史。

尼日尔三角洲沉积物主要由尼日尔-贝努埃河系提供。此时裂谷作用虽然已经基本停止,但是,早期(白垩纪-古新世)形成的裂谷,依然有效地控制着尼日尔-贝努埃河系的发育,从而间接控制了尼日尔三角洲的形成演化。充沛的物源供应,使三角洲迅速发展,不断向大西洋方向推进。7500年以来的海平面上升,致使海岸线向非洲大陆方向后退了约50km(图 20)。

图 20 35Ma以来尼日尔三角洲海岸线的迁移(据Whiteman, 1982; Tamunosiki, 2014改绘) Fig. 20 Cartoon showing how the coastline of the Niger Delta has migrated since 35Ma (modified after Whiteman, 1982; Tamunosiki, 2014)

始新世是尼日尔三角洲演化的早期阶段。沉积物供给主要由尼日尔-贝努埃河系提供,其次是Cross河。始新世晚期-渐新世早期,由于Cross河提供了充分的物源供给,在尼日尔三角洲东南侧曾经短暂地形成独立的三角洲环境。

渐新世-中新世,物源供给非常丰富,沉积速度加快,堆积了很厚的三角洲沉积,使三角洲得以快速发展。地层埋深迅速加大,加之岩浆活动,造成地温升高,致使深部的海相页岩(Akata)液化,重力滑动构造启动,生长地层和泥底辟构造开始发育。与油气关系密切的滚动背斜的形成演化也起始于这一地质历史阶段。生长断层-泥底辟构造控制了一系列沉积带的形成演化。总体上,生长断层-沉积带的形成是前展式的,即,向大西洋方向推进的(图 11)。

上新世-更新世,三角洲沉积体的生长速度减慢。重力构造、生长断层以及泥底辟构造也明显变弱。

自更新世晚期,第四纪冰期之后的冰川消融,造成了海平面的上升和海侵,淹没了上新世-更新世的三角洲平原。海平面上升约90m,尼日尔三角洲的海岸线向大陆方向退缩了约50km,从而形成现今尼日尔三角洲的面貌。同时,生长断层活动及其控制的沉积带向三角洲前缘方向迁移至大陆斜坡部位;重力构造的前缘褶皱冲断带发育并定型;泥底辟作用广泛分布于水下三角洲之下。

5 讨论和结论

(1) 尼日尔三角洲的形成演化受控于冈瓦纳大陆中-新生代裂解。它坐落于冈瓦纳大陆中生代裂解形成的构造三联点之上。该三联点由贝努埃裂谷和南大西洋裂谷组成。后期,南大西洋裂谷持续演化为大洋;贝努埃裂谷夭折,成为坳拉槽(贝努埃槽)。尼日尔三角洲的洋壳基底属于大西洋洋壳,形成于早白垩世。其陆壳基底是冈瓦纳大陆基底的一部分;其上发育的中生代裂谷是贝努埃裂谷的一部分;裂谷作用形成了NE-SW和NW-SE向共轭断裂系统。中生代裂谷作用起始于侏罗纪末-白垩纪初,高峰发生于早白垩世,持续至新生代早期。冈瓦纳大陆的裂解作用控制着南大西洋及其被动大陆边缘和中、西非裂谷系的形成。尼日尔河和贝努埃河的发育受中、西非裂谷系的控制。两者汇聚,注入南大西洋几内亚湾,形成了尼日尔三角洲。

(2) 尼日尔三角洲以海退型三角洲为主,间有海进的演化历史;海进时以浪控、潮控三角洲沉积为主,海退时以河控三角洲沉积为代表。三角洲沉积体剖面上具有典型的三分性,自下而上依次为:海相页岩(Akata组)、海陆交互向砂-页岩(Agbada组)和陆相碎屑岩(Beinin组)。各岩石地层单位穿时,且总体向大西洋方向变新。

(3) 在Agbada组沉积区发育数层较厚的泥岩,如Agbada泥岩、Buguma泥岩、Soku泥岩、Afam泥岩、Qua Iboe泥岩等。部分泥岩甚至延伸至Benin组沉积区。它们都是尼日尔三角洲较大规模(三角洲尺度)海侵过程中形成的泥岩。由于海侵时效性,这些泥岩层可以被视作准等时的沉积,故在年代地层划分对比和地震解释中,可以作为良好的标志层。同时,它们还是尼日尔三角洲的重要的油气盖层。

(4) 尼日尔三角洲的地质剖面可以划分出三大构造层,分别是:前寒武系褶皱基底构造层、白垩系-古新统裂谷构造层和始新统-第四系三角洲(被动大陆边缘)构造层。分别代表了尼日尔三角洲地区地质演化的三大阶段。泛非构造运动形成了研究区的前寒武系褶皱基底。此后,长期隆升剥蚀,形成寒武系-侏罗系巨大的地层间断。冈瓦纳大陆中-新生代裂解过程中,形成一系列NE-SW和NW-SE走向的裂谷,包括贝努埃裂谷。同时,(南)大西洋逐渐打开。尼日尔三角洲位于大西洋早期裂谷与贝努埃裂谷构成的三联点上,接受了白垩系-古新统裂谷沉积。至渐新世,大西洋由早期的裂谷演化为广阔的大洋,形成成熟的被动大陆边缘;研究区的裂谷作用逐渐停息,构造趋于稳定。贝努埃、比达等裂谷盆地控制的尼日尔-贝努埃河系注入大西洋,在大西洋被动大陆边缘之上形成了尼日尔三角洲盆地,接受了渐新统-第四系三角洲沉积,构成了大西洋被动大陆边缘沉积的一部分。

(5) 尼日尔三角洲深部(古新统以下)的构造变形,因埋深大,地震反射差,钻井未及,无法直接研究;需要借鉴同处于东大西洋被动大陆边缘的相邻盆地(如Douala盆地)以及同处于中、西非裂谷系上的盆地(如Anambra盆地、Muglad盆地)的研究成果,并结合航磁、重力资料,进行分析研究。目前,古近系以下可以识别出的构造变形主要是裂谷期的正断层。NE-SW走向的断层属于贝努埃裂谷体系,NW-SE走向的断层是南大西洋打开初始阶段裂谷作用的产物。

(6) 浅部(新生界)发育重力滑动构造及其控制下的泥底辟构造。泥底辟构造和以Akata页岩为主滑脱断层的大型重力滑动构造可能是同时形成的。

浅部的重力滑动构造总体可以划分出后缘的伸展构造变形区和前缘的挤压变形区。两者之间的过渡带属于滑脱-泥底辟构造变形带。尼日尔三角洲的生长正断层的形成演化历史可能起始于三角洲演化的初始阶段。虽然具体构造的形成时间有先后,但是,整个重力滑动构造,从后缘到前缘,变形起始时间基本一致,约为12Ma(中新世中期)。新生代喀麦隆火山带的活动可能是尼日尔三角洲重力滑动构造的诱因之一(Njome and de Wit, 2014)。

渐新世晚期-中新世快速沉积,巨厚的沉积载荷加上喀麦隆火山带等新生代岩浆作用提供的热能,引起下伏Akata页岩的活化,形成泥底辟构造。泥底辟构造以被动底辟为主,主动底辟主要发生于滑脱-泥底辟构造带。

致谢      本项研究的地震资料主要来自中石化勘探开发研究院和中石油勘探开发研究院。研究过程中,王道轩教授、刘计国博士、余朝华博士、刘亚雷博士、文磊博士等给予了有益的建议。审稿人的建设性修改意见使论文质量得到了大幅度提高。在此一并致以衷心的感谢。

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