Cenozoic tectonic subsidence characteristics of Albert Lake Depression in East African Rift System
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摘要: 新生代形成的东非裂谷是威尔逊旋回萌芽阶段的典型陆内裂谷，长期以来备受国内外地质学家关注。Albert湖凹陷位于东非裂谷系的西支最北端，整体呈北西向带状展布的不对称(半)地堑。目前，该区已有较好的工业性油气发现，分析其沉降演化规律对进一步揭示该凹陷的构造沉降特征及其油气勘探潜力具有重要的意义。基于钻井资料，结合地震资料解释、沉降史、埋藏史与断层活动性分析，重新划分了构造单元，总结了构造沉降特征，探讨了沉降与断裂的关系、沉降中心迁移的规律及其对油气勘探的指示意义。研究表明：Albert湖凹陷东部的次级构造单元主要受到东部边界断裂的控制，F1、F2断层对东部陡断带、东部断阶带以及三个构造调节带的沉降变化及其形成起主要控制作用；南部次凹在早期沉降速率较大，有利于晚中新世形成巨厚的烃源岩，随着沉降中心向北迁移，北部次凹发育了上中新统和下上新统烃源岩；沉降中心周缘的构造带是油气运聚的有利指向区。研究成果为东非裂谷系Albert湖凹陷油气进一步勘探提供了新的依据。Abstract: The Cenozoic East African Rift is a typical intracontinental rift at the germination stage of the Wilson cycle, which has long attracted the attention of geologists at home and overseas. The Albert Lake Depression is located at the northern most end of the west branch of the East African Rift System.It is an asymmetric (half) graben with a NW orientation. At present, good industrial oil and gas have been discovered in this area.The analysis of the subsidence evolution is of great significance to further reveal the tectonic subsidence characteristics and petroleum exploration potential of this depression.Based on drilling data, combined with seismic interpretation, and analysis of subsidence history, burial history and fault activities, this paper reclassifies tectonic units, and summarizes the characteristics of tectonic subsidence. The relationship between subsidence and fault activities, the law of subsidence center migration and its indicating significance for petroleum exploration were discussed in this study. The results show that the secondary structural units in the east of the Albert Lake Depression are mainly controlled by the eastern boundary faults, and the F1 and F2 faults play a major role in controlling the subsidence and formation of the eastern steep fault belt, the eastern fault terrace zone and the three structural adjustment belts. The subsidence rate of the southern sub sag was large in the early stage, which was conducive to the formation of extremely thick source rocks in Late Miocene.With the northward migration of the subsidence center, the Upper Miocene and Lower Pliocene source rocks were developed in the northern sub sag.The structural belt around the subsidence center is the favorable direction area for hydrocarbon migration and accumulation. This study provides a new basis for further petroleum in Albert Lake Depression of the East African Rift System.
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东非裂谷位于非洲东部，是目前世界上最大的新生代裂谷，Albert湖凹陷是位于东非裂谷西支的一个典型陆内裂谷盆地，关于Albert湖凹陷裂谷形成的年代目前尚存在争议，因为该盆地保存的第一批中新世早期沉积物被认为不是同生裂谷沉积，而是早于裂谷作用时期的河流沉积物。根据前期已有的生物地层学资料[1-2]，第一个同生裂谷湖相沉积发生在晚中新世(8 Ma)，发生在12.6~9 Ma之间的Virunga地区的第一次火山爆发也支持了这一观点。而最近的石油勘探和生物地层学[3]研究则表明该裂谷形成时期是中新世早期约17 Ma。Tullow等石油公司[4-7]在此获得重大油气成就后，Albert湖凹陷也逐渐成为全球油气勘探的热点区域。国内外众多专家学者通过多种技术方法，对Albert湖凹陷的石油地质特征[8]、陡断带三角洲沉积特征[9]、构造调节带特征[10]及油气成藏的主控因素[11]等进行了相关研究。
沉降史分析是含油气盆地分析的重要组成部分，通过对沉降速率和沉降量的研究，可以了解凹陷的形成机制、发育历史，重塑凹陷构造演化阶段，分析潜在烃源岩时空展布特征，评价凹陷含油气性[12-18]。而Albert湖凹陷沉降史分析，以及关于其构造单元形成与边界断裂影响的研究较少，了解其构造沉降特征及其形成主控因素对油气勘探具有重要意义。笔者拟通过运用钻井资料和二维地震资料解释结果，对Albert湖凹陷的构造特征进行分析，依据剖面沉降史、埋藏史与断层活动性研究，探讨凹陷的形成演化及成藏条件，重新划分次级构造单元，总结其构造沉降特征。
1. 区域地质背景
东非裂谷系是由一系列地堑-半地堑裂谷盆地组成的裂谷系统(图 1-a)，发育于元古宙构造活动带上，沿太古宙的坦桑尼亚克拉通边缘展开[19-20]。东非裂谷系被分为东支和西支，东支包含11个凹陷，面积为7.3万km2，形成于始新世-渐新世(35 Ma)，目前在South Lokichar凹陷已经发现了油气；西支包含5个凹陷，面积12.4万km2，形成于晚中新世(8.5 Ma)，目前在Albert湖凹陷已经发现了油气[21]。
图 1 东非裂谷简要地质图(a)和Albertine裂谷简要地质图(b)(据文献[20]修改)Figure 1. Simplified structural map of the East African Rift (a), regional geological map of the Albertine Rift (b)Albert湖凹陷属于西支北部的Albertine裂谷系，其大部分分布在乌干达境内，南北长约500 km，东西宽约为45 km，面积约为2.5万km2，沉积厚度达6 km，目前已探测到的最大水深约有50 m。该裂谷系包括Albert湖、Edward湖和George湖，裂谷系北部以Azwa构造带为界，南部以Virunga火山为界，高达5 000 m的Rwenzori山脉将Albert湖和Edward湖分隔成两大部分[22-23](图 1-b)。
Albert湖凹陷通常被认为是一个向西北倾斜的不对称的地堑，伸展的构造应力背景控制了中新世以来Albert湖凹陷的形成。震源机制和GPS测量的研究表明，Albert湖凹陷目前主要以2 mm/a的速度向NWW-SEE方向拉张伸展[24-25]。同时，在Albert湖凹陷南部地区的地震剖面上也显示为走滑构造、正花状构造和背斜构造，因此研究者们认为Albert湖凹陷在演化过程中可能也受到了走滑作用的影响[11, 26-27]。
Simon等[28]通过Albert湖凹陷的断层分析和沉降演化规律研究，认为其是由4个阶段演化而成：①基底侵蚀的起源和年代不详，但是早于中新世；②17.0~6.2 Ma，该区域可能发育比现今裂谷更大的沉积盆地，受控于低扩散伸展作用，并被富含有机质的湖相沉积充填；③6.2~2.7 Ma，是受断层控制的第一阶段裂陷，具有高沉降速率的特征；④2.7 Ma至今，Rwenzori山脉隆升后的第二裂谷期，可能还有Blue山脉隆升后的裂谷期。沉积中心的位置受主要断裂控制，主要位于盆地的中部和南部。
Albert湖发育了新近系至第四系沉积地层(图 2)，地层岩性主要为泥岩、页岩、砂岩及黏土。上中新统下部是一套厚度较大的砂岩，不整合覆盖于基底之上，砂岩上部覆盖一套厚约600 m的泥岩，泥岩中夹杂着4层较薄的砂岩和3套砂质页岩；下上新统厚度在200~1 000 m不等，与下部上中新统整合接触，主要岩性为砂岩和泥岩，在下上新统顶部和底部存在含油层位；上上新统地层厚度为100~800 m，与下部地层整合接触，岩性以泥岩为主，在顶部覆盖有两套砂岩；更新统厚度为500~1 500 m，与下部地层整合接触，岩性变化复杂，整体为多套砂泥岩互层，上部砂岩相对更发育。
图 2 Albert湖凹陷地层柱状图与纵向剖面图Figure 2. Columnar map and longitudinal section of Albert Lake Depression2. Albert湖凹陷构造单元划分与特征
赵伟等[29]将Albert湖凹陷划分为6个次级构造单元，分别为北东控次盆构造调节带、中部控凹构造调节带、南西控次盆构造调节带、东侧断阶带、西部陡断带和凹陷带。蔡文杰等[10]将Albert湖凹陷划分为8个次级构造单元，即北部构造调节带、中部构造调节带、南部构造调节带、西部陡断带、东部陡断带、东部断阶带和2个凹陷中心。Albert湖凹陷两侧的高陡断裂控制了凹陷的形状，断裂如图 3中F1、F2所示，凹陷整体呈NE-SW向带状分布，由双地堑—半地堑组成，其间被调节带分隔(连接)，这些地堑和半地堑沿NW-SE向伸展拉张，除此之外，还有比较明显的走滑作用影响，该走滑作用由基底北西向剪切带(如Aswa剪切带)控制。笔者综合了两种划分方案及前人的研究，根据地层展布特征以及断裂发育特征将Albert湖凹陷重新划分为3个构造调节带、2个陡断带、2个次凹和1个断阶带共8个次级构造单元(图 3)。
图 3 Albert湖凹陷构造单元划分图与测线虚拟井位置图Figure 3. Albert Lake Depression structural unit division map and survey line virtual well location map结合骨干剖面(图 4)，北部构造调节带内断裂极其发育，断层较陡，倾角大多在70°以上，多数断层两盘地层厚度相近，属于晚期断层，主要是以NE-SW向及近乎SN向两组方向延伸，该构造带油气十分丰富，集中了乌干达区块80%的油气地质储量；东部断阶带地层展布较为平缓，延伸范围较远；北部次凹总体走向为NE-SW，呈不对称地堑构造；中部构造调节带地层扭动变形明显；西部陡断带位于刚果(金)一侧，现有资料较少，根据最新的二维地震分析，西部陡断带北段发育一条大型边界断层，断层上盘形成半背斜圈闭，南段可能发育二台阶，内部断层走向不清；南部次凹为NE-SW走向，靠近中部构造调节带地层深度较深；东部陡断带地层埋深变化较大，在该地区的钻井较少，相关资料较少；南部构造调节带处于Albert湖凹陷和Semliki凹陷之间，对两者起着调节作用，有断层发育。
图 4 Albert湖凹陷结构剖面图(剖面图位置见图 3)Figure 4. Structural profile of the Albert Lake Depression由此可见，Albert湖凹陷划分的8个构造单元构造特征与成因机制各不相同。陡断带对凹陷边界起到控制作用，控制了凹陷的演化，而构造调节带对地堑以及凹陷起分割作用，控制了Albert湖凹陷的构造格局。
3. 沉降史分析方法
盆地沉降量的计算一般采用回剥技术，是采用反演的方法来恢复沉降史，目前已成为盆地分析中的一项常规技术[13, 30]。根据质量守恒和沉积压实原理，经过压实校正，保持地层骨架的厚度不变，然后通过已知的地层分层参数根据不同地层的不同年代逐层剥出，并充分考虑沉积压实、间断以及构造时间、海平面变化和古水深计算等因素。
本次实验数据来自于中海油Albert湖凹陷的地震资料，按照Albert湖凹陷地区的时深转换公式Y=0.000 159 493 33X2+0.759 850 184 98X计算深度，其中X为双程时间(ms), Y为深度(m)；各种岩性和混合岩性物性参数的选取依据王敏芳等[31]的研究选取；本次模拟的古水深取值为陆相和海岸平原相古水深为0 m，滨海为0~50 m。最终通过EBM盆地模拟系统对凹陷沉降史进行回剥及恢复。
4. 构造沉降特征分析
根据从北至南的空间顺序，对各条深度剖面及测线进行沉降速率与总沉降量、构造沉降量的分析，总共选择了23条测线，563口虚拟井模拟沉降速率，分析凹陷内沉降速率的变化规律(图 4)。其中总沉降量是由各种因素导致盆地发生沉降的总和，包括构造沉降量和非构造沉降量。影响构造沉降的主要因素是地层的构造作用，影响非构造沉降的主要因素包括沉积物压实和均衡作用以及沉积物基准面的变化。构造沉降的另一种解释方式即为总沉降除去沉积物和水负载沉降、沉积物压实沉降和海(湖)平面变化的剩余沉降量。
4.1 凹陷整体沉降特征
通过统计和绘制不同时期的构造沉降速率平面展布图(图 5)，可以看出，各时期沉降速率有不同特征。
(1) 晚中新世(11.6~5.3 Ma) 构造沉降速率在南部次凹最大，最大约为240 m/Ma，整体上从南至北递减，与其余时期相比较，晚中新世的构造沉降速率最小(图 5-a)。
(2) 早上新世(5.3~3.6 Ma) 构造沉降速率大部分在300 m/Ma左右波动，整体的构造沉降速率高于其他时期，由缓慢沉降进入快速沉降。中部构造调节带沉降速率为该时期最大，以该区域为界，南北两边区域构造沉降速率均呈减-增-减的趋势，在南部次凹最高可达470 m/Ma，在北部次凹最高可达370 m/Ma，推测此时的沉降中心在向两个次凹的中心区域迁移(图 5-b)。
(3) 晚上新世(3.6~1.8 Ma) 构造沉降速率波动变化不大，几乎保持在100~240 m/Ma之间，沉降中心已转移到北部次凹，盆内整体沉降速率减慢(图 5-c)。
(4) 更新世(1.8~0 Ma) 构造沉降速率变化波动较大，整体上大部分区域的构造沉降速率在200~300 m/Ma之间，又一次进入快速沉降时期，与早上新世相反，北部次凹沉降速率大于南部次凹，最大值达到350 m/Ma；北部次凹以北区域的沉降速率逐渐减小，在南北两个构造调节带的沉降速率最小，部分不足20 m/Ma。与其他时期不同的是，南部构造调节带西南区域的沉降速率又一次增大，甚至高达300 m/Ma，这有可能是一个新的沉降中心正在形成(图 5-d)。
根据Albert湖凹陷整体沉降速率变化，早上新世与更新世的沉降速率较高，是Albert湖凹陷主要的沉降时期，晚中新世沉降速率较低。各测线上所获得的沉降速率呈从凹陷西北至东南方向逐渐减小的趋势。晚中新世的沉降速率普遍不高，但由于时间跨度长，沉降深度较深；早上新世沉降速率在南部构造调节带至中部构造调节带逐渐增大，在中部构造调节带至北部构造调节带逐渐减小；晚上新世地层沉降速率与早上新世地层相比有所减少，沉降深度几乎为4个时期中最浅；而更新世地层沉降速率在大多区域均高于其余时期，仅在南北两个构造调节带附近出现低值。
4.2 各构造单元沉降特征
本研究选取Albert湖凹陷内7个构造单元的8口虚拟井以及一条近南北向的轴向测线中选取的8口虚拟井(Well 27~Well 34)进行了沉降特征对比分析(图 6)。对比图中各虚拟井位置如图 3所示。
沉降曲线的对比见图 6-a，可以看出，Well 1、Well 6与Well 8三口井各时期沉降量均较低，分别对应北部构造调节带、东部断阶带和南部构造调节带。北部构造调节带沉降速率普遍低于100 m/Ma；南部构造调节带在早上新世和更新世的沉降速率较大，最大值超过200 m/Ma，而其余时期大多低于150 m/Ma，大部分区域低于100 m/Ma。中部构造调节带在早上新世之后沉降速率呈增大趋势。Well 3位于东部陡断带，由于凹陷内断层的发育，对此区域的构造沉降有影响。Well 2和Well 4均位于南部次凹，南部次凹始终是凹陷内一个重要的沉降中心。Well 7位于北部次凹，北部次凹发育较晚，在上新世之后沉降量的增加才逐渐明显，至今也成为Albert湖凹陷内一个重要的沉降中心，上新世之前该点的沉降量与其他区域相差不多，上新世之后至今仅次于南部次凹。
轴向测线各点的沉降量变化趋势与各构造单元展现的变化趋势大致相同(图 6-b)。沉降曲线中Well 28与Well 29位于南部次凹，其沉降量最大，整体趋势同构造单元图中基本一致；Well 31、Well 32位于北部次凹中心区域，其变化趋势也与北部次凹初始沉降量较小后持续增加至与南部次凹几乎一致的趋势大致相同；Well 33与Well 34临近北部构造调节带，因此其各时期的构造沉降量均较低。
4.3 南、北次凹沉降特征
南、北次凹为两个主要沉降中心，其沉降速率在各时期均高于凹陷内其他区域，根据模拟结果可知两个次凹的主要沉降时期：①南部次凹在早上新世的沉降速率最大，其值约370 m/Ma；②北部次凹在更新世的沉降速率最大，最高可达400 m/Ma，早上新世沉降速率略低于更新世，约为330 m/Ma。上新世之后是南、北次凹的主要沉降时期。
对比分析表明，南部次凹早上新世与更新世沉降速率较大，为南部次凹的主要沉降时期，晚上新世沉降速率较小，沉降作用不明显；而北部次凹晚中新世沉降深度较深，早上新世与更新世也为主要的沉降时期，但与南部次凹不同，早上新世以后的沉降速率变化不大，甚至略大于南部次凹同期。南、北次凹越接近东部边界断裂，其沉降速率越小(图 7)。
5. 讨论
5.1 沉降特征与断裂的关系
Albert湖凹陷东部发育两条边界断层F1和F2(图 3)，断裂附近构造单元分布复杂，根据断层活动速率和区域沉降速率变化规律，凹陷东部的构造单元主要受两条边界断层的控制(图 8)。东部陡断带沉降速率在早上新世之后向北逐渐下降，同F1断层活动速率变化一致，东部断阶带沉降速率则从早上新世开始略微增加，F1断层在此区域的断层活动速率也有从早上新世开始增加的趋势，可认为F1断层对这两个区域起控制作用。
凹陷内发育3个构造调节带。南部构造调节带在断层附近的沉降速率和断层活动速率在各时期均低于邻近的东部陡断带，认为南部构造调节带的发育也主要受控于F1断层；F1断层在凹陷北边发育不明显，对北部构造调节带发育形成的影响较小。通过F2断层的活动速率趋势分析，认为F2断层对北部构造调节带起主要控制作用。盆地中央的中部构造调节带发育于两条大型断层和南北两个次凹之间，此区域的沉降速率与沉降量仅略高于南北两个构造调节带，根据断层活动速率趋势，F2断层在此区域发育明显，因此认为中部构造调节带主要受F2断层控制。
凹陷内部发育南北两个次级凹陷，根据沉降速率和断层活动速率变化，南部次凹受F1、F2断层的影响不大，其沉降中心位置也略靠近西侧，推测南部次凹的发育可能受控于西部的边界断层或受到盆地内的其他断层影响。而北部次凹在早上新世之后逐渐展现形成新的沉降中心的趋势，与此同时，受F1断层影响，东部断阶带靠近北部次凹区域沉降速率也有加快之势，可能与F1断层的发育有关，因此推测F1断层对北部次凹沉降也存在影响，但并不一定是主控断层。
5.2 沉降中心迁移规律
Albert湖凹陷在晚中新世开始孕育形成，早上新世沉降速率达到峰值，接近500 m/Ma，更新世次之，表明这两个时期为Albert湖凹陷主要的沉降时期。Albert湖凹陷沉降速率变化呈快慢交替趋势，凹陷最北部区域沉降速率始终低于100 m/Ma，凹陷最南部区域沉降速率几乎维持在100~200 m/Ma之间，变化不大，凹陷东部边界区域自早上新世后逐渐增加，后维持在200 m/Ma左右；凹陷内部沉降速率变化幅度颇大，凹陷中部以南区域(今南部次凹)在早上新世时期为主要沉降中心，至晚上新世时期沉降速率略有减小，中部以北区域(今北部次凹)呈递增趋势，其沉降速率逐渐增加并成为沉降速率最大的区域，由此可看出Albert湖凹陷内沉降中心呈由南至北逐渐迁移的趋势。
南部次凹在早期沉降速率较大，有利于晚中新世形成巨厚的烃源岩，随着沉降中心向北迁移，北部次凹内部沉降速率的逐渐增大，为上中新统和下上新统烃源岩的形成提供了潜在的有利容纳空间，主力烃源岩埋深进一步加大，为油气形成提供了足够的深度和温度，此时的南部次凹沉降速率降低，因此北部次凹生烃条件变得更加优越(图 9)，而现今油气勘探证实了这一点，主要的油气发现也集中在北部构造调节带上，构造沉降中心的变迁对烃源岩发育和油气成藏过程产生了至关重要的影响。
图 9 Albert湖凹陷埋藏史及生烃史图(Well 32、Well 35位置见图 3)Figure 9. Burial history and hydrocarbon generation history of Albert Lake Depression5.3 对油气聚集的指示
前人研究成果[29, 32-33]表明，Albert湖凹陷北部构造调节带为主要的油气聚集区域(占凹陷已探明油气储量的80%)，根据沉降速率平面展布图、骨干测线深度剖面图以及凹陷内相关资料，凹陷内地层整体呈南深北浅、由SW向NE方向呈上翘趋势，有利于油气从南向北长期运聚。北部构造调节带晚期构造活动强烈，断裂极其发育，且受北部Aswa剪切带影响(图 1-a)，盆内主要形成了3组断裂：NE向的边界控盆断裂、NW向的张扭断层以及近SN向的张性断裂[10]，部分断裂具走滑性质，加速了油气从北部次凹向该调节带的运聚作用。而南部构造调节带附近形成的新沉降中心，与凹陷内其他沉降中心有着较为相似的形成过程，其附近也存在一系列构造带，预测应该存在良好的油气聚集，可作为下一步油气勘探的有利选区。
6. 结论
(1) 将Albert湖凹陷划为3个构造调节带、2个陡断带、2个次凹和1个断阶带共8个次级构造单元。2个次凹沉降速率为盆内最高值，沉降量巨大，3个构造调节带上沉降速率均较慢，北部构造调节带断裂发育，调节带内晚期的构造活动有利于油气运聚，中部构造调节带位于两个次凹中间区域，沉降速率略高；东部陡断带和东部断阶带均位于断裂附近，沉降速率介于次凹和构造调节带之间。
(2) Albert湖凹陷东部区域的沉降主要受控于两条边界断层F1、F2，F1、F2断层对东部陡断带、东部断阶带以及3个构造调节带的沉降变化以及形成起主要控制作用，其中北部构造调节带和中部构造调节带受控于F2断层。东部断阶带和北部次凹自早上新世后加速沉降，位于交界处的F1断层可能对北部次凹沉降中心的形成有一定的影响。
(3) Albert湖凹陷两个沉降中心为有利生烃中心，在油气从沉降中心向周边运移过程中，沉降中心周缘的构造带是油气运聚的有利指向区，为有利的油气聚集场所。通过沉降中心的迁移和相似构造带形成规律的分析表明，上上新统北部次凹的沉降中心更靠近北部构造调节带，相较于其余两套含油地层拥有更便利的油气运移条件；紧邻生烃中心的断阶带及陡断带也是油气运移保存的有利区带。
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图 1 东非裂谷简要地质图(a)和Albertine裂谷简要地质图(b)(据文献[20]修改)
Figure 1. Simplified structural map of the East African Rift (a), regional geological map of the Albertine Rift (b)
图 2 Albert湖凹陷地层柱状图与纵向剖面图
Figure 2. Columnar map and longitudinal section of Albert Lake Depression
图 3 Albert湖凹陷构造单元划分图与测线虚拟井位置图
Figure 3. Albert Lake Depression structural unit division map and survey line virtual well location map
图 4 Albert湖凹陷结构剖面图(剖面图位置见图 3)
Figure 4. Structural profile of the Albert Lake Depression
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