盐构造(salt structure),地下深埋的盐类沉积受上覆巨厚盖层的负荷引起密度倒置而使盐类流动并上浮,在有些地段迫使盐层向上挤入上覆沉积物中,从而使岩层及围岩发生构造变形,如盐丘(盐底辟)及岩层揉流褶皱等就是盐构造。这类盐运动及其所形成的盐构造起因于重力失稳,一般认为与区域构造运动无必然的联系。此外,硬石膏层的水化作用使其塑性增高、体积膨胀,除产生层内变形外,也可在一定地区内引起崩滑构造、复杂褶皱和小型充断层。
盐构造背景
目前已在全球许多不同性质的盆地中均发现了蒸发岩类沉积,其中约有120个盆地的构造变形和演化明显受了盐构造运动的影响。从南、北半球分布状况来看,含盐盆地主要分布在北半球,其中又以欧亚板块最多,北美次之,南半球仅有为数不多的盐盆。从盆地性质来看,盐构造主要发育在克拉通盆地、同裂谷期盆地、裂谷期后的被动大陆边缘盆地、大陆碰撞带及前陆盆地等4类盆地中,而活动大陆边缘盆地中较少。
一般来说,岩盐的形成必须满足一些基本条件,如封闭和稳定沉降的构造条件,干旱和半干旱的气候条件,以及足够的盐类物质来源等。全盆性的岩盐沉积模式主要包括深水深盆、浅水深盆和浅水浅盆等3类。统计资料表明,不同地区的岩盐沉积过程和时代差别较大,较早的盐类沉积可发生在中、新元古代,较晚的岩盐沉积时代可以是新近纪和第四纪。大型含油气区的岩盐沉积主要发生在新元古代、侏罗纪、二叠纪和白垩纪,大多数盐盆均发育多套(韵律)含盐层系,如波斯湾从寒武系到新近系共有6套地层含有岩盐沉积,墨西哥湾地区有4套地层含有盐类沉积,我国的塔里木盆地也发育中寒武统、下石炭统、古-始新统和中新统等4套含盐层系。
岩盐流变特征
与砂岩、砾岩和泥岩等相比,岩盐具有密度较小、抗压强度较弱、弹性模量较小等一些特殊的力学性质。岩盐具有的另一个特点是不可压缩性。随着埋深的增加,岩盐密度一般不发生变化,导致岩盐的密度一般都小于上覆的碳酸盐岩和碎屑岩,从而有利于形成密度反转,产生浮力作用,促进岩盐发生塑性流动。
早期对干盐进行的位错蠕动实验证实,只有当温度大于205℃,即相当于埋深7000m以上时,干盐才开始流动。但现在有越来越多的资料证实岩盐的流动不需要这么深的深度,有时在几百米深处就可流动,如中东地区许多出露地表的盐体在常温下还在流动。自然界的岩盐一般都含有晶间胆巴,湿盐一般都表现出牛顿流体性质(应力指数等于1),并遵循扩散蠕变准则。
在一般地质条件作用下,岩盐都表现出塑性变形的特征。但目前也有露头和模拟研究表明,当应变速率增加到一定程度时,岩盐也会发生脆性变形。根据塑性稳态蠕动定律,当干盐在温度为50℃,差应力为25MPa的背景下,导致脆性变形发生的应变速率必须达到5×10s。一般来说,在盐构造发育地质背景下的应变速率很少有超过10-12s-1的,但当孔隙流体处于超压状态时,岩盐在较低的差应力下也可发生断层作用。
盐构造样式
在不同地质条件作用下,岩盐发生塑性流动,并影响周围地层的构造变形特征,最终可形成形态各异的多种盐构造变形样式,这也反映了岩盐在盐构造生长过程中与上覆层发生了复杂的相互作用过程。按盐构造形态及其与围岩的接触关系,可将盐构造样式分为整合型、过渡型、刺穿型和喷出型等4类,主要包括盐底辟(Saltdiapir)、盐枕(Saltpillow)、盐墙(Saltwall)、盐株(Saltstock)、盐舌(Salttongue)、盐席(Saltsheet)、盐筏(Saltraft)、盐床(Saltsill)、盐蘑菇(Saltmushroom)、盐推覆(Saltnappe)、盐滚(Saltroller)、盐篷(Saltcanopy)、盐盖(Saltlacco-lith)、盐焊接(Saltweld)、盐悬挂体(Saltoverhang)、龟背(Saltturtle)、假龟背(Mockturtle)、盐茎(Saltstem)、盐缝合(Saltsuture)、盐冰川(Saltglacier)、盐边凹陷(Salt-withdrawalminibasin)等。盐底皮的几何形态可根据源供应速率、溶解速率、沉积速率、剥蚀速率、伸展速率和挤压速率等6个参数来确定。根据岩盐发生塑性流动的时间先后及其周缘地层厚度变化特征,可将盐焊接构造进一步分为初次盐焊接、二次盐焊接和三次盐焊接,盐边凹陷也可分为初次盐边凹陷、二次盐边凹陷和三次盐边凹陷。
盐构造机制
触发岩盐发生塑性流动和盐构造形成的驱动力较多,如浮力、差异负载、重力、热对流、挤压和伸展作用等,而阻碍岩盐流动的主要因素则是上覆地层的强度和盐体边缘的拖曳力,只有当驱动力超过阻碍力时,盐体才可以发生流动。盐体的流动性主要与岩盐的纯度、干湿度和地温梯度等因素有关,一般来说,湿盐比干盐容易流动。
早期一般认为由盐体与上覆层密度差异引起的浮力作用是盐构造形成的主要动力,但目前研究发现,除了在某些特定的地质背景下,浮力作用还可成为盐构造形成的主要驱动力外,大多数环境下的盐构造形成和演化主要是受差异负载和伸展作用控制。其中,差异负载作用可分为重力负载、位移负载和热负载等3类,哪类差异负载起决定作用主要取决于盐体的埋深、几何形态、热条件及其所处的地质背景。目前认为,纯走滑作用对盐构造的形成并不能产生重要影响,但如果扭动作用能形成伸展或挤压应力分量时,盐体也会发生明显的塑性流动,从而在走滑断裂的弯曲处形成盐构造。另外,在盐构造形成演化的不同阶段,主控因素也可能存在差异。Waltham(1997)建立了一个有关盐层和上覆层的弹塑性模型,可用于定量对比分析浮力、沉积差异负载和挤压应力等因素对盐构造形成演化的影响程度。
研究表明,上覆地层的几何形态和厚度对外来盐席的生长有重要影响,盐席可以喷出、逆冲、沿盐翼挤入等不同方式发育。对盐边凹陷的早期发育机制也提出了新的认识,而且也已认识到盐体的存在可能会导致应力场的不均一性。盐构造变形与周围断裂系统的发育具有密切关系,尤其是盐下基底断裂对盐构造的发育具有重要控制作用。基底断裂的活动可以在上覆层中产生弱势区,或是形成差异负载作用,从而有利于盐体侵入作用的发生,反过来盐构造运动也可以影响基底断裂的运动方式。