Salt Structure Formation Modeling Controlled by Structure Inclination Angle: Take the Lower Congo Basin as an Example

WANG Dianju1,2, LI Jianghai1,2,†, CHENG Peng1,2, LIU Zhiqiang3, YU Fahao4

1. School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871; 2. Institute of Oil and Gas, Peking University, Beijing 100871; 3. Sinopec Petroleum Exploration and Production Research Institute, Beijing 100083; 4. Bohai Oilfield Research Institute of CNOOC Ltd., Tianjin 300452; † Corresponding author, Email: jhli@pku.edu.cn

Abstract Based on the data of three seismic work areas in the Lower Congo Basin, nine typical salt-related tectonic patterns are summarized in the basin and the distribution pattern of salt structures is confirmed. Established with the base tilt angle as a single variable based on the discrete element numerical simulation method, and evolution results of the structure and motion vectors are obtained. With the increase of the basement inclination angle, the flow velocity of salt rock and its overlying sediments gradually increases, and the subsequent terrigenous sediment transport distance is also longer. The basement inclination mainly has three kinds of control effects on the salt rock flow: differential compaction as the master control, differential compaction and gravity gliding combined, gravity gliding as master control. These three control effects are all affected by the basement inclination angle and appear in turn with the change of the angle. Based on the analysis results above, control pattern of basement inclination on salt rock flow in the passive margin basin of the South Atlantic is established. Key words Lower Congo Basin; salt structure; numerical simulation of discrete element method; structure inclination; control pattern

下刚果盆地位是非洲和南美洲分离后, 南大西洋开放形成的被动大陆边缘盆地[1]。20世纪70年代以来, 在西非(安哥拉)地区发现一些具有规模性储

量的油气田, 其中绝大多数近海油田均与盐构造相关[2]。因此, 加深对盐构造的认识, 对于近一步开展油气勘探及油气成藏研究具有重要意义。下刚果

盆地主要经历了4期构造演化: 前裂谷期、裂谷期、过渡期和漂移期[3–4], 属于过渡期(124.5~112 Ma)的阿普特阶发育厚层蒸发岩从陆向海厚度逐渐增大[5]。在大陆边缘形成的早期, 薄陆壳和年轻洋壳迅速冷却, 密度增大, 下沉, 整个大陆边缘形成

[6–8]向海方向的基底倾斜 。因此, 重力滑脱作用在盐构造形成过程中占据主导地位, 但对于构造坡度对盐岩流动形成盐构造的控制作用, 尚无明确的认识。本文针对下刚果盆地的3个地震工区(分别位于盆地的伸展区(A工区)、过渡区(B工区)和挤压区(C工区))(图1), 总结盆地盐构造样式。

对比南大西洋两岸盆地剖面可以发现, 位于南美板块的圣埃斯皮里图盆地和桑托斯盆地(图2(a)和(b))的大陆斜坡倾斜角度比位于非洲板块的宽扎盆地和下刚果盆地(图2(c)和(d))大, 两岸盆地的盐岩分布也有明显的差异。圣埃斯皮里图盆地和桑托斯盆地的盐构造比较单一, 在其斜坡位置, 盐岩基本上消失, 在坡下形成巨厚的盐墙。在宽扎盆地和下刚果盆地的斜坡位置有少量盐岩滞留, 靠近坡下位置多为刺穿型株状盐底辟构造, 深海部位为巨厚盐墙。可见, 盆地构造的倾斜角度影响盐构造的形成与分布。本文结合以上资料及认识, 基于离散元数值模拟方法, 针对构造倾斜角度开展盐岩的运动学对比分析, 明确其对盆地内盐岩流动的控制作用,进而探讨盆地内形成典型盐构造样式的原因。

1 下刚果盆地盐构造样式

受盐岩流动影响, 盐岩及其上覆沉积层在不同的区带发生有规律的构造变形, 变形样式也表现出明显的构造分区特征。南大西洋被动陆缘含盐盆地从陆向海方向可划分为3个区带: 伸展区、过渡区和挤压区。从伸展区到挤压区, 盐构造的成熟度逐渐增大。前人对下刚果[9]、圣埃斯皮里图[10]、桑托斯和坎波斯[11]等盆地依此进行了区带划分。

1.1 伸展区盐构造

伸展区最常见的盐构造样式为铲式生长断层、盐滚和盐筏[11–12]。由于向海方向基底斜坡的存在,盐岩向海流动, 随着时间的推移, 坡上位置盐岩逐渐减薄, 甚至消失, 在靠近坡下位置盐岩规模性地聚集而形成这些盐构造样式。

A工区位于盆地构造倾斜的坡上位置, 剖面可见明显的地层反射界面和盐岩边界, 表现为伸展型构造特征。受盐岩流失的改造作用, 越靠近盐岩的

278地层, 构造变形越明显。例如, 渐新统沉积以来的地层构造变形较小, 断层少; 与阿普特阶盐岩相邻的地层, 受盐岩流动影响, 存在较大的形变以及多处断裂(图3(a2))。

1.2 过渡区盐构造

过渡区(B工区)的盐株构造主要发育在盆地斜坡坡脚较平缓的部位。盐株属于后期刺穿型盐构造, 盐岩层顶界至中新统顶界表现为地堑构造, 断层呈对称型, 在靠近盐构造位置上超至盐株构造两翼。由于盐岩受到的伸展应力作用减小, 流动能力变弱, 造成深部老底辟构造的加宽早于上部年轻底辟构造, 故底辟构造呈现下宽上窄的变形样式[7](图3(b2))。

蘑菇状底辟构造由单个盐株构造发育而成, 与盐株构造相比, 蘑菇状底辟构造几乎完全刺穿整个盐上沉积层(图3(c2))。随着底辟构造的形成, 两翼围岩地层越靠近盐岩层的层位, 上倾的角度越大,其形态受底辟构造的影响也越大[13]。

1.3 挤压区盐构造

挤压区(C工区)受到强烈的构造挤压, 形成的盐构造包括盐席构造、迷你盆地和大型逆冲断层等, 均属于严重形变的构造样式。其中, 受构造环境影响, 大型的逆冲断裂在全工区, 甚至全层位(盐上层位)发育, 盐岩集中在渐新统及其上地层, 且对渐新统之上的地层造成极大的破坏(图4(a2))。盆地的盐席构造在平面上表现为大规模侵入上覆地层, 与原盐岩层位以逆冲断层相连接, 盐席构造失去原位盐岩层的盐岩供给, 受区域构造应力影响, 呈舌状不对称地分布, 有向盆地内运动的趋势。在靠近盐席构造根部的位置, 围岩地层的形变受其影响较大(图4(b2))。

早在1933年, Barton[14]就将迷你盆地的概念应用到盐撤凹陷构造的说明中, 并对其应用准则做了解释。在下刚果盆地的地震剖面上可见渐新统的顶和底被两个大型的底辟构造截断, 两界面有明显的下凹特征(图4(c2))。

2 离散元数值模拟方法及建立模型2.1 离散元数值模拟原理

1979年, Cundall等[15]基于离散粒子间相互作用的理论提出离散元法(discrete element method, DEM)。该方法应用于脆性变形模拟和摩擦滑动的材料分析, 在断裂模拟方面也取得显著的成果, 研

究者对其模拟的基本原理已有充分的认识[16–19]。DEM采用时步有限差分法求解系统中所有质点的牛顿运动方程[20]:

Fp m p( xp),  (1) M  I (  ) , (2) p p p其中, Fp 和M 分别是作用在每个颗粒上的净力和p净力矩, mp 和 Ip分别是质量和转动惯量, xp 和p 分别是离散颗粒的线性加速度和角加速度。将作用在每个颗粒上的重力、颗粒间接触力和设定的外部作用力带入式(1)和(2), 能够有效地表达颗粒的速度和位移[21]。

在进行模拟时, 离散颗粒的移动造成颗粒与颗粒之间的相互作用, 颗粒接触力和位移会交替计算,也就造成颗粒净力的不断改变, 直至计算达到平衡状态。在任意时刻, 每个小球所受的外力是此时周

围小球对它作用力的矢量之和(图5(a)): F   f c , (3) p

其中, c为周围接触小球的个数。颗粒间接触符合Hertz-mindlin准则, 颗粒间的接触应力可转化为正应力和剪切应力(图5(b)): f  k n(  ) , (4) n n fs  k s(  s)。 (5)

其中, fn 和 fs分别代表正应力和剪切应力,  和s

n分别代表颗粒间正向上和切向上的接触量, kn 和 ks分别为颗粒间正向黏结系数和剪切黏结系数(图5 (c))。可通过相应岩石的物理学参数, 设定球体颗粒黏结系数。剪切应力与颗粒间的摩擦系数相关, 当颗粒间的黏结强度被破坏后, 颗粒间的运动遵循滑动接触的规律, 即符合摩擦效应。

2.2 建立离散元模型

盐构造控制因素模型的建立基于离散元法。根据现有的研究结果, 南大西洋两岸被动陆缘盆地盐构造的数值模拟分析中各项重要参数值如表1所示。盐上沉积物密度为2500 kg/m3, 盐岩密度为2200 kg/m3, 水的密度为1000 kg/m3 [21–24]。盐岩层的摩擦系数为0.1, 与边界接触部位被认为是均衡流体, 摩擦系数为0, 盐上层沉积物摩擦系数为0.3。在地质年代尺度上, 盐岩被认为是黏性流体[22,25–26],在模型中的黏度参数为1×108 Pa·s。后续陆源沉积的沉积速率为0.05 m/s[22]。

参考现有的研究结果, 建立包含3层的离散颗粒沉积模型(图6): 岩盐岩层(紫色)和盐上层(绿色),并在盐上层设置可控的后续持续沉积层(浅蓝色)。为了对模拟结果有更直观的认识, 此模型在各层中部或接触部位还分别设定 3 个标志层: 盐岩层的白色标志层、盐上层的蓝色标志层、盐上层与后续沉积的黑色接触标志层。为使模拟结果体现下刚果盆地不同盐构造样式的分布差异, 几何模型的宽度和深度与盆地真实情况相同: 长100 km, 高15 km。建立基于基底倾斜角度的 3 个单因素变量模型: 2.5°模型、5°模型和7.5°模型。模型中盐岩层和盐上岩层的厚度为2 km, 后续沉积的初始沉积离岸距离为20 km, 沉积速率为0.05 m/s。

2.3 离散元数值模拟结果

3个模型的构造倾斜角度分别设为2.5°, 5°和7.5°, 在后续沉积速率和模拟时间相同的条件下,模拟不同构造倾斜角度条件下, 下刚果盆地盐构造的样式及分布, 结果如图 7 所示。

2.5°模型中, 随着盐岩的流动, 出现多个破裂变形, 形成铲式生长正断层及盐上地堑式构造, 初步形成大规模的盐岩隆起(图7(a))。

5°模型中, 后续陆源沉积的搬运距离比2.5°模

(a) 圣埃斯皮里图盆地[8]; (b) 桑托斯盆地[8]; (c) 宽扎盆地[8]; (d) 下刚果盆地[9]图 2 南大西洋两岸含盐盆地剖面解译图Fig. 2 Seismic profiles interpretation of South Atlantic margin salt basin

地形数据源自 General Bathymetric Chart of the Oceans (https://www.gebco.net)图 1下刚果盆地盐构造及工区位置分布Fig. 1 Distribution map of salt structures and work area in Lower Congo Basin

表 1离散元模型各层岩石微观物理学参数Table 1 Microphysical parameters of rock in each layer of discrete element model

图 5离散元数值模拟颗粒接触准则(据文献[21]修改) Fig. 5 Criterion of particle contact in numerical simulation of discrete element (after Ref. [21])