下希尔斯卡鲁盆地的3D重力反演建模及其对区域卡鲁盆地演化的影响

本研究利用三维重力反演方法，在马拉维Shire Graben的Ngabu次盆区确定其三维密度结构和几何形态，揭示了次盆的沉积中心深度达4公里，并发现高密度结构分隔Ngabu与Mwabvi次盆，可能与Chikwawa玄武岩活动相关，同时断层对沉积分布有显著影响。

　　

Brave Manda|Jianguo Yan|Zuze Dulanya|Chikondi Chisenga

武汉大学测绘与遥感信息工程国家重点实验室，中国武汉珞喻路129号邮箱

摘要

我们研究了Ngabu次盆地，利用深度加权重力反演方法确定了其三维（3-D）结构和几何形态。Ngabu次盆地是东非裂谷系统西支Shire地堑的一部分，位于非洲东南部的马拉维南部。由于该地区的裂谷历史和构造演化，它被认定为潜在的烃类勘探区域。本研究的目标是：（1）建立三维密度模型；（2）描述盆地结构和几何特征；（3）确定盆地深度。反演得到的三维密度结构显示，Ngabu次盆地的沉积中心深度约为4公里。它与Mwabvi次盆地之间被一个高密度结构分隔开来，这个高密度结构可能与Chikwawa玄武岩的形成有关。Nyamalambo断层和Nkombedzi断层出现在航空重力数据覆盖的边缘附近，而Mwanza断层和Thyolo断层则被解释为延伸至约4公里的深度。这些主要断层显著影响了Shire裂谷内的沉积物分布和地貌。尽管数据限制影响了Lengwe次盆地和Mwabvi次盆地的完整分辨率，但低密度异常表明Lengwe次盆地和Ngabu次盆地规模较大，呈NW-SE走向，而Mwabvi次盆地规模较小且具有独特的构造特征。低密度结构还暗示可能存在与Ngabu次盆地相关的Karoo异常体，该异常体可能最初是一个统一的盆地，在中侏罗世-白垩纪富岩浆裂谷作用期间被分割开来。本研究采用的方法可以应用于东非裂谷系统西支的其他沉积环境，以了解Karoo盆地的结构、沉积厚度和几何特征。

引言

Karoo（石炭纪-三叠纪）地层的岩石地层学受到了广泛关注，因为它们含有多种具有经济价值的矿产资源，包括煤炭、烃类和铀（Cairncross, 2001; Catuneanu et al., 2005; Phiri et al., 2016）。除了资源潜力外，Karoo地层对于理解冈瓦纳大陆聚合和分裂过程中的局部和全球构造及气候机制也非常重要（Catuneanu et al., 2005; Shoko & Gwavava, 1999）。然而，在非洲中南部地区，由于地表出露程度、可访问性及历史勘探重点的不同，人们对Karoo盆地的了解仍然不均衡（Dypvik et al., 2001; Nyambe & Utting, 1997; Schlueter et al., 1993）。这限制了区域盆地之间的对比以及Karoo盆地系统的时空一致性理解。

地球物理方法在解析Karoo盆地的地下结构和构造-沉积演化中发挥了重要作用（例如，Daly et al., 1992; Fairhead et al., 2013; Reeves, 2000）。重力、磁力和地震数据被用来划分盆地边界、确定厚度、断层控制的沉积中心以及基底结构（Daly et al., 1992; Fairhead et al., 2013; Reeves, 2000）。在主要的Karoo盆地系统中，综合地球物理研究限定了盆地的几何形状和沉积厚度，并暗示了与冈瓦纳构造相关的伸展阶段（例如，Lindeque et al., 2011; Visser et al., 1996）。在中赞比西盆地和Luangwa盆地进行的类似研究揭示了典型的Karoo裂谷特征——半地堑结构（Bailey et al., 2000; Banks et al., 2015; Shoko & Gwavava, 1999）。

在马拉维，由于地表出露情况不佳和经济利益的差异（Habgood, 1963），人们对Karoo盆地的地质认识存在差异（例如，Dulanya et al., 2024; Kolawole et al., 2022; Wedmore et al., 2020）。北部盆地由于岩石出露良好且拥有煤炭和铀等宝贵资源，因此得到了更深入的研究，而南部盆地（如Lengwe和Mwabvi）则因新生代覆盖层而难以研究。相比之下，尽管Lengwe和Mwabvi盆地之前被认为勘探前景较低，但它们属于更广阔的中赞比西-Shire河谷盆地系统，该系统与重要的构造事件有关（Catuneanu et al., 2005）。Lengwe次盆地从莫桑比克的Moatize-Minjova盆地延伸而来（Fernandes et al., 2015），以其煤炭资源而闻名。除了煤炭外，非洲南部的Karoo盆地还含有烃类潜在的源岩和铀矿化，表明盆地几何形状、沉积厚度和埋藏历史对资源潜力具有关键控制作用（例如，Hiller & Shoko, 1996; Turner, 1985）。在Shire地堑中，厚厚的新生代覆盖层阻碍了对这些关系的研究，因此对该地区的定量约束对于识别沉积中心、评估埋藏深度和降低勘探风险至关重要。此外，Stomberg和Lupata火成岩的存在（Castaing, 1991; Habgood, 1963）表明马拉维南部的Karoo发育可能比北部持续时间更长。理解该地区的构造和地质演化对于解释从Karoo沉积到新生代东非裂谷的转变至关重要（Chisenga et al., 2019; Kolawole et al., 2022）。

在研究Lower Shire地堑的地质结构过程中，Sanders Geophysics Ltd于2012年获取的全国航空地球物理数据为改善马拉维的地表和地下解释提供了宝贵机会。随后的航空地球物理解释和地质测绘显著提升了区域认识（例如，Boger et al., 2022; Chisenga et al., 2019; Fullgraf et al., 2022）。在Lower Shire地堑中，Lengwe和Mwabvi盆地被Stomberg群的玄武岩熔岩和广泛的冲积层所分隔，这些覆盖层阻碍了对下伏Karoo地层的直接观测（Boger et al., 2022; Chisenga et al., 2019; Fullgraf et al., 2022）。Chisenga等人（2019）利用重力数据提出，在这些覆盖层之下存在一个埋藏的次盆地，他们将其命名为Ngabu次盆地。尽管该盆地具有地质意义，但由于缺乏地震数据和地表出露有限，其几何形状、深度和地层特征仍然知之甚少。目前，地下解释主要依赖于潜在场数据和边缘检测算法（Chisenga et al., 2019; Kolawole et al., 2022）。

Ngabu次盆地是东非裂谷系统西支Shire地堑的一部分，位于马拉维南部。由于其裂谷历史和构造-沉积演化，该地区被认为是区域盆地评估的重点区域。迄今为止，尚未有研究应用三维（3D）重力反演方法来定量建模该盆地的地下结构。本研究的目标是：（1）建立三维密度模型；（2）描述Ngabu次盆地的结构和几何特征；（3）确定盆地的深度和横向范围。这些目标旨在提高对地下结构的定量约束，以支持数据有限的区域地质解释和盆地尺度评估，从而更好地理解马拉维南部以及类似非洲沉积盆地的发育过程。

区域构造背景

Shire地堑位于马拉维裂谷带南部，属于东非裂谷系统（EARS）西支，是Nubian板块和Rovuma板块之间的分离边界。该地区的伸展作用始于晚古生代-晚中生代，形成了NE走向的Karoo裂谷盆地，这被认为是东非中部冈瓦纳大陆分裂的早期阶段（Delvaux, 2001; Ring & Betzler, 1995）。这些盆地由主要的正断层界定，形成狭窄且不对称的半地堑结构。

岩石密度

马拉维地质中的岩石密度测量数据由Andrew（1974）记录。在20世纪70年代的全国重力站网络调查中，共收集并分析了44个原位岩石样本。测量的岩石类型包括：黑云母钠长石片麻岩、黑云母角闪片麻岩、黑云母-角闪片麻岩、石英-长石花岗岩、角闪岩质花岗岩、石榴石质角闪岩质花岗岩、正长岩以及Karoo/后Karoo砂岩等（Andrew, 1974）。表2总结了这些岩石类型。

重力数据特征及预处理、地形

本研究使用了马拉维地质调查局提供的Bouguer异常数据（Bates & Mechennef, 2013a, 2013b）。数据是通过以108节速度飞行的飞机获取的（图3），数据特征在表3中有所描述（Bates & Mechennef, 2013a, 2013b）。在数据采集过程中，由于邻国政治动荡，部分盆地区域无法进入，导致数据覆盖不完整。最终的数据集覆盖了大约80%的盆地面积。

Bouguer异常与地形

如图5a和5b所示，Lower Shire盆地的Bouguer异常值从低到高不等。高异常值主要与Lengwe和Mwabvi盆地相关（图5a和5b）。Ngabu区域的Bouguer异常值较低，范围在-101.74 mGal到约-90 mGal之间（图5a和5b）。Mwanza断层和Thyolo断层都与高Bouguer异常值相关，数值范围在-66.69 mGal到-47.50 mGal之间（图5a和5b）。

密度结构

本研究采用的三维反演技术基于Li & Oldenburg（1996, 1998）和Oldenburg & Li（2005）提出的深度加权算法（公式1）。这种方法已被验证并成功用于解析地壳和地幔的密度结构（例如，Tao et al., 2024; Zhang et al., 2015）。这种反演方法的一个关键优势是能够结合先前的地球物理和地质信息（表2和表4）以及深度约束。

结论

本研究解析了Lower Shire次盆地的结构，并确定了与Chikwawa玄武岩相关的岩浆活动及其深度范围。根据三维重力反演结果，Chikwawa岩浆活动被认为是中侏罗世-白垩纪富岩浆裂谷作用期间的主要伸展中心。这些结果首次通过定量密度结构分析提供了对Ngabu次盆地的详细见解，而这在之前的研究中是无法实现的。

作者贡献声明

Chikondi Chisenga：撰写、审稿与编辑、可视化、监督、正式分析。Jianguo Yan：撰写、审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、方法论研究、资金申请。Zuze Dulanya：撰写、审稿与编辑、可视化、正式分析。Brave Manda：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件应用、方法论研究、调查工作、正式分析、数据整理、概念构建

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

数据可用性

作者无权分享航空重力数据。本研究使用的航空重力数据可向马拉维自然资源、能源和矿业部的地质调查局申请获取。

资金支持

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42241116）和国家重点研发计划（项目编号：2022YFF0503202）的支持。Jianguo Yan还获得了中国新疆维吾尔自治区2022年天湖人才计划以及澳门科技大学（SKL-LPS-MUST）-2021-2023项目的资助。

我们确认所有作者均已阅读并批准了手稿内容，且没有其他符合作者资格但未列入名单的人员。因此，我们建议《非洲地球科学杂志》可以无反对意见地发表该论文。

致谢

我们感谢马拉维地质调查局、自然资源、能源和矿业部提供了本研究所需的航空重力数据。同时，我们也感谢主编Read Brown Mthanganyika Mapeo和副主编Harald Dill及时高效地处理了这篇论文，并非常感谢Ameha Muluneh和一位匿名审稿人的宝贵意见，这些意见显著改进了论文的质量。