波斯湾盆地油气资源富集，已发现油气储量1.6×10¹²bbl油当量^[1]，待发现资源量5145×10⁸bbl油当量^[2]，油气勘探潜力较大。波斯湾盆地古隆起处发育多个世界级大型构造油气田：中阿拉伯次盆盖瓦尔隆起处发育世界最大油田——Ghawar油田，为侏罗系背斜构造油气藏，可采储量为1676×10⁸bbl油当量^[1]；卡塔尔隆起处发育世界最大的非伴生气田——North-South Pars气田，为上二叠统—下三叠统低幅背斜气藏，可采储量为4156×10⁸bbl油当量^[1]；中阿拉伯次盆的波斯湾海域，发育世界最大的海上油田——Safaniya油田，为下白垩统背斜构造油气藏，可采储量为568×10⁸bbl油当量^[1]。前人研究发现，阿拉伯板块碰撞拼合过程中形成基底古隆起和基底断裂，后期古隆起继承性发育控制形成巨型低幅背斜，进而控制大型油气田的形成^[3]。因此，精细识别波斯湾盆地深部古隆起并探讨其对油气分布的控制作用，是拓展波斯湾盆地深层油气勘探的关键，具有重要的理论与实践意义。

20世纪80—90年代，前人利用钻至前寒武系的探井（El-Haba-2井，Khabb-1井，Jauf-10井，Ain Dar-196井）和地震剖面，在波斯湾盆地识别出萨曼台地、安纳凸起、盖瓦尔凸起、达曼凸起和卡塔尔隆起，且均获得油气发现^[3]。目前波斯湾盆地已有的钻井、地震资料和油气发现主要集中于白垩系—古近系，缺少对深部古隆起的精细刻画和系统研究，制约了盆地深层油气勘探潜力评价及区带优选。

自由空气重力数据纵向和平面尺度大，能够较全面地揭示深部构造特征。本文利用高精度EGM自由空气重力数据开展小波变换分析，并结合地震资料，精细识别波斯湾盆地深部古隆起和断裂，探讨其对油气分布的控制作用，预测波斯湾盆地深层背斜油气藏有利区带，力求为波斯湾及类似盆地的深层油气勘探提供一定借鉴。

波斯湾盆地面积约为300×10⁴km²，位于阿拉伯板块的稳定大陆架之上^[4]，西部为阿拉伯地盾，东部为扎格罗斯缝合带^[5]，主要包括西阿拉伯、维典—美索不达米亚、中阿拉伯、鲁卜哈里、阿曼和扎格罗斯6个次盆（图 1）。

图 1

图 1 波斯湾盆地次盆及油气田分布（油气田数据来源于文献[1]） Fig. 1 Distribution of sub-basins and oil and gas fields in Persian Gulf Basin (oil and gas fields data from reference [1])

阿拉伯板块由Midyan、Hijaz、Asir、Afif和Rayn等5个地块于前寒武纪（715—620Ma）碰撞拼合而成^[3]：715—680Ma，Midyan、Hijaz和Asir 3个地块碰撞拼合形成西阿拉伯地盾^[6]；680—640Ma，西阿拉伯地盾与Afif地块沿Nabitah缝合带碰撞拼合形成阿拉伯地盾^[7]；640—620Ma，阿拉伯地盾与Rayn地块沿近Amar缝合带碰撞拼合形成阿拉伯板块，同时形成Najd断裂带、共轭的Abu Jifan左旋走滑断裂和Wadi Batin右旋走滑断裂。Abu Jifan和Wadi Batin断裂所夹持的三角区域在强挤压作用下，形成南北向的萨曼台地、安纳凸起、盖瓦尔背斜和卡塔尔背斜等基底古隆起^{[3, 8]}（图 2）。570—530Ma，Najd断裂带发生左旋走滑，南北向基底古隆起翼部发育近直立的张扭性基底断裂^[3]。前寒武纪—早寒武世，波斯湾海域发育霍尔木兹盐岩，在基底断裂处形成低幅盐背斜和盐底辟，盐岩侧向滑动引起上覆地层形成穹隆构造，白垩系及以上地层形成披覆背斜^[9]。晚泥盆世—晚石炭世，海西运动导致波斯湾盆地经历北西向挤压，发生北东向褶皱变形和倾斜，基底断裂活化，断块隆升形成继承性古隆起，部分古隆起发生北东向旋转^[10-11]。晚白垩世，喜马拉雅运动导致波斯湾盆地经历东西向挤压，古隆起继承性发育^[12]。中—上新世，扎格罗斯运动导致波斯湾盆地东北缘俯冲于亚洲板块之下，古隆起向扎格罗斯次盆倾没，形成潜伏背斜，区域性挤压导致南北向古隆起继承性发育，规模不断加大，部分发生北西向旋转^{[9, 13]}。

图 2

图 2 阿拉伯板块基底构造单元分布图（a）及构造演化过程示意图(b) (据文献[3]修编) Fig. 2 Distribution of basement structural units (a) and basement tectonic evolution process (b) in the Arabian Plate (modified after reference [3]) ①西阿拉伯次盆；②维典—美索不达米亚次盆；③中阿拉伯次盆；④鲁卜哈里次盆；⑤阿曼次盆；⑥扎格罗斯次盆

波斯湾盆地为发育在前寒武系结晶基底之上的叠合盆地，主要经历了前寒武纪—石炭纪陆内断陷盆地、二叠纪—早白垩世被动陆缘盆地和晚白垩世—新生代前陆盆地3期构造沉积演化阶段（图 3）。前寒武纪，波斯湾盆地为盐盆发育阶段^[14]，Najd左旋走滑形成阿曼裂谷盆地，发育陆相碎屑岩^[3]。早寒武世—晚泥盆世，波斯湾盆地处于具有克拉通背景的被动陆缘早期伸展演化阶段，形成西阿拉伯、维典—美索不达米亚、中阿拉伯和鲁卜哈里次盆，以陆相碎屑岩为主^[15-16]。晚泥盆世—晚石炭世海西运动导致盆地普遍缺失石炭系，发育区域性上石炭统—下二叠统Unayzah组砂岩不整合面^{[10, 17]}。二叠纪—早白垩世，为被动陆缘晚期伸展演化阶段，以碳酸盐岩沉积为主^[18]。晚白垩世—新生代为前陆盆地演化阶段，形成扎格罗斯次盆，以碳酸盐岩和膏盐岩建造为主要特征^[19]。

图 3

图 3 波斯湾盆地地层综合柱状图（修编自文献[1]） Fig. 3 Comprehensive stratigraphic column in Persian Gulf Basin (modified after reference [1])

波斯湾盆地成藏条件优越，发育4套主力烃源岩和4套储盖组合^[20-21]（图 3）。4套主力烃源岩分别是下志留统Qalibh组热页岩^[22-23]、中—上侏罗统Dhruma组、Sargelu组、Hanifa组泥页岩^[24]、白垩系Nahr Umr组泥页岩^[25-26]及古新统—始新统Hassa群泥页岩^[19]。4套储盖组合指古生界、侏罗系、白垩系及古近系—新近系储盖组合，其中二叠系Unayzah组砂岩、Khuff组碳酸盐岩储层与Khuff组顶部蒸发岩及储层间致密泥页岩形成古生界储盖组合^[27-28]，侏罗系Marrat、Arab组碳酸盐岩与Hith组蒸发岩形成侏罗系储盖组合，白垩系Yamama组、Shuaiba组、Mishrif组、Aruma组等碳酸盐岩、Zubair组及Burgan组砂岩与储层间致密页岩形成白垩系储盖组合，渐新统Asmari组碳酸盐岩与其上覆蒸发岩形成古近系—新近系储盖组合^[19]。

BGI自由空气重力数据来自国际重力局(BGI)的EGM2008模型，数据网格分辨率为2.5′×2.5′。EGM自由空气重力数据来自国际全球地球模型中心(ICGEM)的EGM2008模型，数据网格分辨率为0.6′×0.6′。

首先，应用区域BGI自由空气重力数据确定基底断裂和古隆起的分布范围。重力场中的线性梯度带、线性错断带、串珠状重力异常展布带等可以指示断裂分布。但是，当断裂规模较小或者埋藏深度较大时，断裂引起的重力异常特征不明显，在原始重力场中较难识别。二维小波断裂垂向n阶细节处理是对自由空气重力数据先低通滤波后垂向n阶导数处理，能够突出被区域异常所掩盖的局部线性构造异常信息，有效指示基底断裂展布。对BGI自由空气重力数据进行二维小波断裂垂向n阶细节处理，根据重力线性带特征及其场源深度，初步识别基底断裂。结合基底断裂空间展布，在BGI自由空气重力数据滑动平均局部场中，初步识别南北向古隆起，确定古隆起精细识别的研究区域。

然后，应用高精度EGM自由空气重力数据精细识别古隆起。重力场中的高、低重力异常分别指示高、低密度地质体。二维小波多尺度分解n阶细节处理，可以突出被区域场所掩盖的局部构造单元的异常信息，有效识别隆起、凹陷等构造单元，尺度大小决定重力异常值所反映的地质体规模和埋深。由于研究区断裂展布和基底埋深不同，将研究区划分为阿拉伯次盆东部、鲁卜哈里次盆东部和扎格罗斯次盆东南缘3个区域分别进行分析。在断裂精细识别结果的约束下，在二维小波多尺度分解n阶细节场中精细识别古隆起。

区域BGI自由空气重力数据范围介于-189~ 415mGal，呈西北部重力高异常、东南部重力低异常的特征（图 4a）。对BGI自由空气重力数据进行二维小波断裂垂向细节处理。在垂向3阶细节场中识别出多条重力高异常线性带和重力异常线性错断带（图 4b），其对数功率谱曲线揭示场源深度为32~34km（图 4c）。北西向和北东向2条区域性重力异常线性错断带可能分别为盆地基底拼合过程中形成的Abu Jifan走滑断裂和Wadi Batin走滑断裂；南北或北北东向重力高异常线性带可能为基底拼合过程中形成的基底断裂。结合基底断裂空间展布，在BGI自由空气重力数据滑动平均局部场图中（图 4d），识别出4个南北向重力高异常体，可能为前寒武纪基底断块隆升形成的基底原生古隆起。

图 4

图 4 BGI自由空气重力数据基底断裂和古隆起识别 Fig. 4 Identification of basement faults and paleo uplift by BGI free air gravity data (a) BGI自由空气重力原始数据；(b) 二维小波断裂分析垂向3阶细节图；(c) 二维小波断裂分析垂向3阶细节场对数功率谱图；(d) BGI自由空气重力数据滑动平均局部场中识别的基底隆起

由基底断裂与古隆起的分布特征以及深部构造的形成机制可知，深部构造主要分布于阿拉伯次盆东部、鲁卜哈里次盆东部和扎格罗斯次盆东南缘。

中阿拉伯次盆东部的范围为东经46.5°~50.5°，北纬22.5°~32°。EGM自由空气重力场中，东北部为重力低异常，西部为重力高异常（图 5）。EGM自由空气重力二维小波断裂垂向1~3阶细节图和小波多尺度分解1~3阶细节图均未显示重力异常线性特征。在二维小波断裂垂向4阶细节图中，识别出7条近南北向、1条北东向、3条北西向重力高异常带（图 6a），与小波多尺度分解4阶细节图中的重力梯度带相对应（图 6b），指示11条断裂。识别结果与BGI自由空气重力数据识别的基底断裂展布特征基本一致（图 4b）。EGM自由空气重力二维小波断裂垂向4阶细节图和小波多尺度分解4阶细节图的对数功率谱曲线揭示其场源深度（图 6c、d）均为7~8km。因此，推测这11条断裂均为基底断裂，埋深从32~34km延伸至7~8km。EGM自由空气重力数据小波多尺度分解4阶细节图中，重力梯度带一侧的10个重力高异常圈闭指示与基底断裂具有成因联系的古隆起（图 6b）。

图 5

图 5 研究区EGM自由空气重力数据(位置见图 4) Fig. 5 EGM free air gravity data in the study area (location is in Fig. 4)

图 6

图 6 中阿拉伯次盆EGM自由空气重力数据古隆起精细识别（图件位置见图 5） Fig. 6 Fine identification of paleo uplifts in Central Arabian sub-basin by EGM free air gravity data (location is in Fig. 5) (a) 二维小波断裂垂向4阶细节图；(b) 小波多尺度分解4阶细节图；(c) 二维小波断裂垂向4阶细节图对数功率谱；(d) 小波多尺度分解4阶细节图对数功率谱

鲁卜哈里次盆东部研究范围为东经50°~56°，北纬17.5°~27.5°。EGM自由空气重力场中，东北部和西南部均为重力低异常，中部为重力高异常（图 5）。在EGM自由空气重力数据二维小波断裂垂向4阶细节图中，识别出13条南北或北东向重力高异常带（图 7a），与小波多尺度分解4阶细节图中的重力异常梯度带展布基本一致（图 7b），指示13条断裂。断裂的识别结果与BGI自由空气重力数据识别的基底断裂（场源深度为32~34km）基本一致（图 4a、c）。二维小波断裂垂向4阶细节图和小波多尺度分解4阶细节图的对数功率谱曲线揭示其场源深度均为7~8km（图 7c、d），说明断裂埋深从32~34km延伸至埋深7km左右。在EGM自由空气重力数据小波多尺度分解4阶细节图中（图 7b），沿基底断裂的展布方向识别出19个南北或北东向重力高异常圈闭，指示与基底断裂具有成因联系的古隆起。

图 7

图 7 鲁卜哈里次盆EGM自由空气重力数据古隆起精细识别（图件位置见图 5） Fig. 7 Fine identification of paleo uplifts in Rub'al-Khali sub-basin by EGM free air gravity data (location is in Fig. 5) (a) 二维小波断裂垂向4阶细节图；(b) 小波多尺度分解4阶细节图；(c) 二维小波断裂垂向4阶细节图对数功率谱图；(d) 小波多尺度分解4阶细节图对数功率谱图

扎格罗斯次盆东南部区域的范围为东经50.5°~ 56°，北纬26.5°~32°。EGM自由空气重力场中，西南部海湾表现为重力低异常，东北部表现为重力高异常（图 5）。在EGM自由空气重力二维小波断裂垂向1~4阶细节图和小波多尺度分解1~4阶细节图中均未识别出重力异常线性特征。在EGM自由空气重力二维小波断裂垂向5阶细节图和小波多尺度分解5阶细节图中，识别出6条北西向重力高异常值带，指示6条断裂（图 8a、b）。断裂识别结果与前述BGI自由空气重力数据识别的基底断裂（场源深度为32~34km）相比更为精细（图 4a、c）。EGM自由空气重力二维小波断裂垂向5阶细节图和小波多尺度分解5阶细节图的对数功率谱曲线揭示其场源深度均约为12km（图 8c、d），说明这6条断裂从基底延伸至地表以下约12km处。在EGM自由空气重力数据小波多尺度分解5阶细节图中（图 8b），沿基底断裂的展布方向识别出7个北西向重力高异常圈闭，均指示与基底断裂具有成因联系的古隆起。

图 8

图 8 扎格罗斯次盆东南部EGM自由空气重力数据古隆起精细识别（图件位置见图 5） Fig. 8 Fine identification of paleo uplifts in the southeastern Zagros sub-basin by EGM free air gravity data (location is in Fig. 5) (a)二维小波断裂垂向5阶细节图；(b)小波多尺度分解5阶细节图；(c)二维小波断裂垂向5阶细节图对数功率谱图；(d)小波多尺度分解5阶细节图对数功率谱图

本研究共识别出36个古隆起（图 9），其中3号古隆起与萨曼台地位置相近，4号和9号古隆起分别位于安纳凸起的北段和南段，10号古隆起与盖瓦尔凸起位置相近，11号古隆起与达曼凸起位置相近，13、14、17、18、19号古隆起与卡塔尔隆起范围相近。

图 9

图 9 本文识别古隆起与前人已发现古隆起位置分布对比图 Fig. 9 Comparison of distribution of discovered paleo uplifts between this study and previous studies 黑色数字1—36为本文识别古隆起编号；红色数字1—5为前人已发现古隆起：1—萨曼台地；2—安纳凸起；3—盖瓦尔凸起；4—达曼凸起；5—卡塔尔凸起

前寒武纪，波斯湾盆地经历区域性挤压，形成南北向基底断裂和基底古隆起，发育南北向低幅背斜构造，顶部发育不整合面。之后，古隆起被寒武系超覆淹没、填平补齐，上部继承性充填奥陶系、志留系和泥盆系（厚度较均一）（图 10）。南北向古隆起虽然后期经历继承性发育，但其走向未改变，其定型时间为前寒武纪。

图 10

图 10 跨12号古隆起地震剖面（a）及其对应地质剖面（b）[29]（剖面位置见图 9AB） Fig. 10 Seismic profile (a) and corresponding geological section (b) across paleo uplift No.12 [29] (section location is in Fig. 9AB)

晚泥盆世—早石炭世发生海西运动，研究区基底断裂活化、基底断块隆升形成继承性古隆起，隆起核部发育寒武系—泥盆系平行褶皱，泥盆系遭受明显剥蚀，石炭系缺失，形成泥盆系Jubah组砂泥岩与上石炭统—下二叠统Unayzah组砂岩之间的区域性角度不整合面（图 11）。早二叠世，古隆起被上石炭统—下二叠统Unayzah组砂岩超覆淹没，陆续沉积二叠系Khuff组碳酸盐岩及中生界。海西运动产生的北西向挤压作用导致南北向前寒武纪基底古隆起继承性发育、规模增大，部分发生北东向旋转^[10-11]。因此，北东向古隆起的定型时间为晚泥盆世—早石炭世。

图 11

图 11 跨10号古隆起地质剖面(修编自文献[30])（剖面位置见图 9CD） Fig. 11 Geological section across paleo uplift No.10 (modified after reference [30]) (section location is in Fig. 9CD)

晚白垩世发生喜马拉雅运动，波斯湾盆地经历东西向挤压，古隆起上覆地层继承性发育，走向并未改变。白垩系Aruma组碳酸盐岩发生明显削截，对应形成Aruma组楔状削截不整合带（图 12）。

图 12

图 12 跨23号古隆起地震剖面(a)及其对应地质剖面(b)[29]（剖面位置见图 9EF） Fig. 12 Seismic profile (a) and corresponding geological section (b) across paleo uplift No.23 [29] (section location is in Fig. 9EF)

中新世—上新世发生扎格罗斯造山运动，区域性挤压作用导致南北向前寒武纪基底古隆起和北东向晚泥盆世—早石炭世古隆起继承性发育，规模不断加大，部分发生北西向旋转^[13]。因此，北西向古隆起的定型时间为中新世—上新世。

根据古隆起的形成演化过程，划分出3期古隆起。第1期为南北向前寒武纪基底古隆起，第2期为北东向晚泥盆世—早石炭世继承性古隆起，第3期为北西向中新世—上新世继承性古隆起。因此，1—4号、7—16号古隆起为第1期古隆起，5—6号、17—29号古隆起为第2期古隆起，30—36号古隆起为第3期古隆起。

波斯湾盆地古隆起及其边缘发育下志留统Qalibh组热页岩、下—中侏罗统泥页岩、白垩系泥页岩等多套烃源岩。同时，发育大型缓坡碳酸盐台地，为台内滩沉积模式，广泛发育泥盆系Jauf组碳酸盐岩储层^{[15, 22-23]}、上二叠统—下三叠统Khuff组优质碳酸盐岩储层^{[28, 31]}、侏罗系Arab组优质碳酸盐岩储层和白垩系Shuaiba组生物礁滩相优质储层。广泛发育泥盆系Jubah泥岩盖层、二叠系Khuff组层间泥灰岩/硬石膏盖层、二叠系Sudair页岩盖层、上侏罗统Hith组蒸发岩盖层和白垩系层间泥页岩盖层。因此，波斯湾盆地古隆起处具备良好的古生界—中生界源、储、盖配置条件。

第1期和第2期古隆起控制前寒武系基底背斜构造圈闭（图 10）、寒武系—泥盆系背斜构造圈闭（图 11）、泥盆系削截不整合—岩性圈闭（图 11）以及二叠系—白垩系背斜构造圈闭的发育（图 12）。第1期和第2期古隆起位于波斯湾南部陆上，扎格罗斯造山作用对其油气成藏的破坏作用较小，盐拱作用或与基底隆升的共同作用会导致侏罗系油气二次运移至白垩系成藏^[3]。第3期古隆起控制中新统—上新统披覆背斜圈闭的发育，扎格罗斯造山作用对其挤压强烈，导致白垩系油气被重新分配到中新统—上新统成藏。基底断裂在晚泥盆世—早石炭世再次活化，切穿志留系—二叠系，对油气运移起到输导作用。

下志留统Qalibh组热页岩于中三叠世开始生油，晚白垩世开始生气^{[21, 32]}，晚于第1期和第2期古隆起区圈闭的形成时间。结合下志留统热页岩生烃灶的分布范围（图 13a）可知，下志留统Qalibh组热页岩生成的油气能够在5—12、17—18、20—23、26—27号古隆起背斜圈闭中有效保存，为古生界油气勘探潜力区。目前已在8—9号、34—35号古隆起周缘发现多个古生界油气藏。但是，古生界North-South Pars气田区域并未识别出古隆起（图 13a）。North-South Pars气田为上二叠统—下三叠统低幅背斜圈闭，背斜长300km，宽约100km，倾角为0.4°~0.7°^[33]。一方面，该低幅背斜发育在基底断块之上，该基底断块位于阿拉伯板块边缘的波斯湾内，处于Abu Jifan和Wadi Batin断裂所夹持的高应力挤压区边缘（图 2），海西期挤压应力对其作用较小，断块隆升幅度较小，重力高异常特征不明显。另一方面，霍尔木兹盐岩在后期构造运动中易发生侧向滑动，导致上覆岩层弯曲形成低幅穹隆构造，白垩系及以上地层形成披覆背斜。该低幅背斜可能是霍尔木兹盐岩侧向滑动的产物，而不是深部古隆起活化的结果，所以其在重力场中无法被识别。中—上侏罗统泥页岩于早白垩世进入生油高峰，在早古新世进入生气阶段^{[24, 34-35]}，晚于第1期和第2期古隆起区圈闭的形成时间。结合中—上侏罗统热页岩生烃灶的分布范围（图 13b）可知，1—7、9—15、17—23、25—29号古隆起为侏罗系油气勘探潜力区，目前已在7、9—11号古隆起周缘发现多个侏罗系油气藏。

图 13

图 13 波斯湾盆地古生界—中生界油气勘探有利区预测 Fig. 13 Prediction of favorable exploration areas in the Paleozoic—Mesozoic in Persian Gulf Basin (a)本文识别古隆起与下志留统热页岩生烃灶、志留系已发现油气田叠加分布图；(b)本文识别古隆起与中—上侏罗统泥页岩生烃灶、侏罗系已发现油气田叠加分布图；(c)本文识别古隆起与白垩系泥页岩生烃灶、白垩系已发现油气田叠加分布图

白垩系泥页岩于中晚白垩世—古新世开始生油^{[25, 36]}，晚于第1期和第2期古隆起区圈闭的形成时间。结合白垩系热页岩生烃灶的分布范围（图 13c）可知，1—2、4—7、10、20—23、25—29号古隆起为白垩系油气勘探潜力区，目前已在1、5—6、22—23、27号古隆起周缘发现多个白垩系油气藏。

由于地质资料的局限性，油气藏预测结果存在一定误差，需要进一步地地质调查和勘探实践进行验证。

（1）自由空气重力异常数据为波斯湾盆地深部古隆起识别提供了重要手段，在波斯湾盆地中阿拉伯、鲁卜哈里和扎格罗斯次盆共识别出36个古隆起。其中9个古隆起与前人利用有限地震资料针对局部地区开展研究识别的古隆起范围吻合较好，其余27个古隆起由于缺少高品质地震资料，为本文新识别的古隆起。

（2）根据古隆起形成演化过程，将其划分为3期。南北向前寒武纪古隆起，北东向晚泥盆世—早石炭世古隆起，北西向中新世—上新世古隆起。第1期和第2期古隆起控制前寒武系—泥盆系背斜构造圈闭、泥盆系削截不整合—岩性圈闭以及二叠系—白垩系背斜构造圈闭的发育。第3期古隆起控制中新世—上新世披覆背斜圈闭的发育。

（3）波斯湾盆地中阿拉伯、鲁卜哈里和扎格罗斯次盆深层勘探潜力巨大，其中5—12、17—18、20—23、26—27号古隆起是古生界油气勘探的潜力区，1—7、9—15、17—23、25—29号古隆起是侏罗系油气勘探的潜力区，1—2、4—7、10、20—23、25—29号古隆起是白垩系油气勘探的潜力区。