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沉积盆地动力学研究进展

中国学术期刊网【地理地质论文】 编辑:天问 地质科学 2016-05-04沉积盆地动力学研究进展论文作者:何登发,原文发表在《地质科学杂志》,经中国学术期刊网小编精心整理,仅供您参考。

关键词: 沉积盆地动力学 板块构造 大陆流变学 4-D综合盆地模型 流体动力学 成矿(藏)效应
摘要: 沉积盆地动力学研究沉积盆地在地质历史时期的地质结构特征、成因机制及其对成矿、成藏的控制作用, 是地球动力学研究的重要组成部分.30多年来, 沉积盆地动力学经历了沉积盆地的板块构造分类与构造环境解释、盆地动力学的兴起, 盆地综合建模与盆地系统动力学3个发展阶段; 在沉积盆地的深部构造背景、盆—山关系、沉降机制、充填模式及其对能源、矿产的控制方面取得重要进展.目前, 在对不同层次、不同尺度、不同机制的盆地动力学综合分析, 全3-D和4-D盆地动力学模型的构建与检验, 及学术界与工业界的充分结合等方面面临重要挑战.需解决一系列关键科学问题: 沉积盆地的深部结构、过程与盆地形成; 沉积盆地的构造—气候古地理; 多旋回沉积盆地叠合动力学过程与原型盆地演化; 叠合盆地复合成矿(藏)系统流体运聚及其资源、能源效应等.基于大数据综合集成、多学科交叉渗透、观测技术与分析方法的不断进步与完善, 盆地动力学将在其结构构造、形成演化及其控矿(藏)的4-D综合模型方面取得突破, 并为人类社会、经济发展做出贡献.

何登发 中国地质大学(北京) 北京 100083
基金项目: 国家自然科学基金项目(编号: 41430316, 40739906, 41272237)资助
何登发,男,1967年12月生,博士,教授,构造地质学专业.
2016-01-10 收稿, 2016-02-24 改回.
中图分类号: P618.13 doi: 10.12017/dzkx.2016.001

沉积盆地是地球系统的浅层组成部分,是壳—幔、岩石圈—软流圈两级圈层相互作用的浅部表现形式。它是地球显生宙历史的档案馆,也是油气、煤、水及其他矿产资源的赋存场所,也与气候引起的海平面波动、地质灾害等密切相关(何登发等,1995;Roure et al.,2010;李思田,2015)。因此,探讨沉积盆地的现今结构,理解控制其长期演化的地质作用是地球科学界的主要任务。

沉积盆地动力学研究沉积盆地在地质历史时期的地质结构特征、成因机制及其对成矿、成藏的控制作用。深入认识形成沉积盆地的作用,它们如何被/未被沉积物充填,在实际的成盆作用停止之后盆地的力学行为,及与流体运移、热传递如何发生等的相互作用,将为探讨制约盆地形成与演化的地球内、外动力地质作用及其动力学机制奠立重要基础(Turcotte and Schubert,2002;Roure et al.,2010),也为剖析地层流体运动及成矿、成藏提供了关键条件。

1 发展历史

Dickinson(1993)率先强调了盆地动力学研究,指出盆地研究的重点应由盆地分类向盆地形成演化的动力学过程转变。盆地演化常常受多重作用的联合控制,这种机制又随着演化阶段而发生转变。这一思想在Ingersoll(1988,2012)、Ingersoll and Busby(1995)提出的盆地分类方案中得到体现,不仅强调盆地赋存的板块构造位置,更多地强调了盆地沉降机制及多因素耦合的成盆概念。

1989年3月,以美国地球科学家为首提出了1990~2020年为期30年具有科学导向的“大陆动力学”研究计划,其中大型沉积盆地的成因和演化是重要的科学问题之一。1997年美国自然科学基金委的《沉积盆地动力学纲要》(Dickinson,1997)强调盆地分析应与全球气候变化、流体流动和地球动力学密切结合。该纲要既强调了板块构造和地幔对流系统对盆地形成演化的控制作用,也强调了盆地流体以及盆地中古气候、古环境记录的研究。盆地动力学成为地球动力学研究的重要组成部分,更强调盆地形成演化中不同演化过程与动力学机制的理解。现今,美国的“大陆动力学”计划更改为“综合地球系统”计划,盆地动力学是其核心研究内容之一。

欧洲地学界在国际岩石圈计划(ILP)中的沉积盆地工作组设立了欧洲的“沉积盆地成因”研究计划,自1990年在法国Rueil-Malmaison召开的首次工作会议以来,连续20多年持续研讨欧洲的大地构造、岩石圈结构与盆地的形成机制与演化过程。2005年以来,逐渐强调深部与浅表作用的综合,并将其活动在世界范围内推广,探讨非洲、中东、亚洲、澳洲、墨西哥、拉美、环太平洋的与环极地(北极与南极)的沉积盆地的形成与演化,取得重要进展。

近年来,国际岩石圈计划资助的TOPO-EUROPE计划开展的地球深部与地表过程研究涉及到大量盆地动力学的研究内容;欧洲研究基金会也资助了大量与盆地动力学相关的研究课题,如ESF-Integrated Basin Studies、Europrobe GeoRift、ESF-EUROMARGINS等,对裂谷、被动大陆边缘与前陆褶皱冲断带等开展了深入的实例解剖。

最近20年来,我国对化石能源和有关沉积矿产资源的需求日益增加,国内沉积盆地动力学在地质—地球化学观测、地球物理探测、模拟和综合研究方面均有不同程度的发展。近年实施了“华北克拉通破坏”和“南海深海过程演变”重大研究计划(汪品先,2012;朱日祥等,2012),为揭示渤海湾盆地与南海盆地的动力学机制提供了重要的研究基础。2008年至今,中国实施的深部探测国家专项(SinoProbe),完成了全国4°×4°、华北和青藏高原1°×1°的大地电磁阵列观测,完成了青藏高原、华南—中央造山带、华北和东北等多条超长深地震反射与折射剖面联合探测、宽频带地震与大地电磁剖面观测,其中深地震反射剖面约上万千米,对于揭示松辽、渤海湾、四川、鄂尔多斯、塔里木、准噶尔等盆地的地壳精细结构,环青藏高原巨型盆—山体系的深部背景,中生代以来中国大陆的构造演化(如华南陆内变形、华北克拉通减薄与破坏、东西部地貌系统与物质的大转换等)提供了直接约束(陈凌等,2010;高锐等,2011;董树文等,2013)。

2 研究进展

盆地动力学主要研究的核心内容有3项: 1)控制盆地形成和演化的地球动力学(构造动力学),2)控制沉积过程的水动力学(沉积充填动力学),3)控制油气、煤、金属等形成与分布的成矿(藏)动力学(热动力、流体动力学等)。自20世纪80年代以来,从盆地深部构造与盆地类型、高精度盆地地层界面与格架分析等,逐渐向综合应用地质学、地球化学(如岩浆岩探针)、地球物理学方法(如深反射、天然地震)和3-D/4-D盆地数值模拟技术研究盆地与造山作用、深部过程、盆地与精细古环境记录、盆地流体等的盆地系统动力学方向发展(王清晨等,2003;王良书等,2004;李忠,2013;Cloetingh et al.,2015;李思田,2015)。

盆地动力学的研究进展主要包括: 1)沉积盆地结构的深部控制: 盆地(盆、山)深部结构及构造;2)岩石圈流变学和盆地分段与地形的构造控制;3)盆地的动力学成因;4)源—汇系统与物源—沉积过程: 气候、隆升与剥蚀、沉降与沉积之间的耦合、源区剥蚀过程及其深部响应;5)盆地充填与物源体系分析及模拟;6)高精度层序地层学;7)造山带沉积记录与盆、山构造演化;8)大陆边缘盆地动力学、深水沉积学;9)构造沉积学与盆—山综合古地理;10)盆地流体动力学及成岩—成藏(矿);11)综合盆地模拟研究与验证的新趋势。

2.1 沉积盆地结构的深部控制

对壳、幔结构的深入了解可以模拟现今仍在活动的内部过程,以及曾经活动而现今停止的作用,这些过程记录保存在沉积层序、地壳与岩石圈地幔的现今几何构型之中。对重力场与地球内部结构进行控制,以及结合对现今过程(如地震活动、地表变形)的监测,对模拟壳—幔系统过去与现今的地球动力学状态与内在过程提供了重要约束。关于壳—幔系统详细历史的信息则提供了与沉积记录演化相关的古地貌重建和对现今地形的控制予以解释的重要基础。

借助先进的地球物理方法与岩石圈探针技术(岩浆岩地球化学分析)对于深层构造背景的多样性与复杂环境有了深入的了解。高精度地震成像对盆地充填与地壳结构提供了关键约束。自1986年在北美苏必利尔湖区获得中陆裂谷盆地的深反射地震剖面以来,全球获得了超过10×104 km的深反射地震剖面,得到了盆地及其地壳、岩石圈的速度结构、密度与岩石组成的大量资料,广泛获得了西欧、北美、南美、西伯利亚、华北、四川、塔里木—准噶尔、青藏等地区的地壳、岩石圈的精细结构(Cloetingh et al.,2010;董树文等,2013,2014),对于盆地的基底构造与深部结构有了更精细的约束。同时,借助于深部钻井取得的岩心,从微区分析角度了解到深部地质过程的演化细节,如对全球地幔柱、热点、大火山岩省的研究,我国对华北克拉通岩石圈的减薄、峨眉地幔柱、塔里木大火山岩省,天山、准噶尔石炭纪火山岩的研究都体现出这一重要趋势。

对地壳尺度反射与折射地震资料的解释,不但可以了解现今盆地的结构,还可以剖析其下伏早期构造活动形迹,例如穿过巴黎盆地的深反射地震剖面(ECORS),揭示了中新生代克拉通盆地之下根植于下地壳的向南缓倾的华力西期冲断系统(Biju-Duval et al.,1987)。利用工业反射地震与有利的势场资料可以分辨前陆冲断带的地质结构、储集体及盐层的分布。

地震层析成像技术的全球应用及其精度的大幅度提高(分辨率达到50 km)可以给出岩石圈厚度、地幔非均一性及对动态壳—幔过程的控制(Bijwaard et al.,1998;Bijwaard and Spakman,2000;Roure et al.,2010)。基于对体波与面波的观测,层析成像提供了地幔结构的3D图像,例如对下地幔结构的聚焦获得了欧洲下地幔的上涌证据,它可能主导了西欧与中欧新生代岩浆的长期活动(Goes et al.,1999;Ziegler and Dèzes,2007)。层析成像也揭示了全球板块构造作用,如过去与现今的俯冲岩石圈板块(Fukao et al.,2001),例如,西太平洋板块的俯冲已进入地幔过渡带,其前锋已到达太行山一带(朱日祥等,2012,2015)。

2.2 岩石圈流变学分层对沉积盆地形成的控制

沉积盆地之下的岩石圈具有流变学分层结构,它们控制挤压、伸展、压扭等盆地的形成与演化(Cloetingh and Ziegler,2007;李廷栋,2010;Cloetingh et al.,2015)。迄今已基本建立了大陆、大洋岩石圈的流变学模型(Ziegler et al.,1995,2001;Watts and Burov,2003;Cloetingh and Van Wees,2005;Ziegler and Dèzes,2007;Cloetingh et al.,2013)。地壳深部与地幔岩石的化学组成、温压状态、含水性,局部弱化(早期变形阶段构造形迹的已有不连续性)是影响其强度的主要因素;岩石组成(能干性、非能干性地层)是控制沉积层序构造变形的主要因素,滑脱层的岩性与分布控制了沉积盆地的分层变形;流体压力尤其是超压流体是影响地壳强度的一个主要因素(Suppe,2014),厚层沉积岩发育区异常高压的孕育可以引起盆地深层强度的大幅度降低。岩石圈流变学分层影响上地壳、下地壳、岩石圈地幔的变形样式(如滑脱层发育部位)与褶皱波长(影响沉积盆地的规模)。

沉积盆地的演化受岩石圈力学性质的控制。大陆岩石圈的强度也与热—构造年龄、先存构造形迹、断层的弱化效应等有关,欧洲岩石圈力学性质研究揭示了热—构造年龄与总体强度之间的直接相关性(Cloetingh and Burov,1996;Cloetingh et al.,2005;Pérez-Gussinyé and Watts,2005)。岩石圈有效弹性厚度是控制沉积盆地发育的一个关键参数,受热、应力、组成及先存构造形迹影响,具有强烈的非均一性,这是沉积盆地差异发育的一个重要原因。

2.3 沉积盆地发育的板块构造环境及盆—山关系

关于沉积盆地发育的岩石圈板块构造环境的研究已非常深入(Dickinsin,1974;Bally and Snelson,1980;Ingersoll,1988,1995,2012;Miall,2000)。近年的主要进展体现在对板内或陆内变形作用机制及其对沉积盆地形成的控制研究方面(Thatcher,2009;Gorczyk and Vogt,2015),如华南大陆长期处于板块构造围限下的分散式陆内变形体制(张国伟等,2013),塔里木、准噶尔等盆地在新生代受印—藏碰撞的远距离效应的影响,处于环青藏高原巨型盆—山体系内(贾承造等,2013)。

前述地学断面计划(如COCORP)、深反射地震剖面计划、大陆钻探计划(如Earthscope、中国大陆科钻)等揭示了沉积盆地与周缘隆起或造山带之间的耦合或拆耦关系。造山带是深部地幔活动、岩石圈(地壳)变形与地表过程相互作用的产物,洋—陆俯冲造山与碰撞造山过程中,造山带隆升与前陆盆地沉降耦合,造山带风化、剥蚀与盆地沉积物源耦合,造山带多幕构造事件与盆地充填序列耦合,造山带增生过程与气候、地表过程耦合,关于前陆盆地的大量研究实例充分体现了逆冲作用与盆地沉降、沉积充填之间的有机联系。而对伸展盆地,伸展断坡—断坪体系则影响地貌表现(Roure et al.,2010),气候、构造与地表过程的相互作用也是制约盆地发育的重要因素(Allen et al.,2013;Cloetingh et al.,2015)。

2.4 沉积盆地的动力学成因模式

Ingersoll(1988,2012)鉴别出使盆地沉降的7种机制(即地壳减薄、岩石圈加厚、沉积与火山负载、构造负载、壳下负载、地幔流动、地壳密度增大),任一盆地的沉降是某几种机制的联合;Allen and Allen(2013)进一步认为地壳与岩石圈厚度变化导致的均衡效应、地表与地下及面内应力的远场效应引起的负载作用、软流圈流动与地幔对流及地幔柱的动态效应(为地幔温度变化引起的浮力效应所导致的沉降或隆升)是沉积盆地沉降、隆升的3种基本机制,据此Allen and Allen(1990,2005,2013)将沉积盆地划分为伸展的、挠曲的、走滑的、地幔动力引起的等成因类型,成功地实现了Dickinson(1993)提出的“要改变现行的盆地分类学”、按照地球动力学建立“成盆基本地质作用”的谱系的理念(表 1)。

表 1(Table 1)

表 1 主要类型沉积盆地的典型特征 (据Cloetingh et al.,2013)Table 1 Typical characteristics of main types of sedimentary basins(modified after Cloetingh et al.,2013) 盆地类型 盆地形态 规模/km 沉降特征 热演化 断裂发育史
岩石圈
褶皱型
盆地 对称 宽度:50~600
深度:可达20 加速沉降;时间尺度1~10 Ma;凸起部位同时隆升 无初始加热;因沉积物沉积与埋藏,温度随时间增大 强烈变形;盆地形成期尤其活动
前陆
盆地 不对称 宽度:50~250
深度:可达10 线性沉降,间夹冲断期的短期快速沉降;时间尺度10~100 Ma;同时,冲断前缘及前隆部位发生隆升 无初始加热;因沉积物沉积与埋藏,温度随时间增大 冲断楔部位断裂活动,冲断作用;前陆部位断裂作用较弱
伸展
盆地 对称
(纯剪)
不对称
(单剪) 宽度:30~500
深度:可达10 快速初始沉降,裂后期热衰减沉降;多幕裂陷时有反复加速沉降;裂后沉降的时间尺度为70 Ma;裂谷期发育不对称的裂谷肩地貌,裂谷掀斜 初始加热事件;其后热流降低 成盆期拉张断裂活动;裂后期无断裂作用
拉分
盆地 对称 宽度:20~50
深度:可达10 非常快速的初始沉降,裂后期热衰减沉降;时间尺度为1~10 Ma;早期,沉积小于沉降 初始加热事件;其后热流迅速降低 成盆期拉张断裂活动;裂后期无断裂作用
克拉通
内盆地 对称 宽度:500~1000
深度:可达10 缓慢沉降,间夹较快沉降期,可能与大规模构造事件相关;特征时间尺度为500~800 Ma 不清楚盆地的成因机制,对初始热流没有预测;在后期阶段,热流受控于埋藏史 在其构造历史中很低程度的断裂活动
表 1 主要类型沉积盆地的典型特征 (据Cloetingh et al.,2013)

Table 1 Typical characteristics of main types of sedimentary basins(modified after Cloetingh et al.,2013)
目前,已建立了主要盆地类型的成因模式,如伸展盆地(McKenzie,1978;Klemme,1980;Ziegler and Cloetingh,2004;Van Wees et al.,2009)、前陆盆地(Beaumont,1981;Beaumont et al.,1999;Naylor and Sinclair,2008;Garcia-Castellanos and Cloetingh,2012)、拉分盆地、克拉通内盆地(Klein,1987;Leighton et al.,1990;Ziegler et al.,1995;Allen and Allen,2013)等。Cloetingh et al.(2013)基于大陆动力学过程的研究,识别出一种新的成盆机制——岩石圈的褶皱作用(Burov and Molnar,1998;Thomas et al.,1999;Cloetingh and Ziegler,2007;Cloetingh and Burov,2011;Smith et al.,2012),岩石圈的流变学分层、构造应力与地表过程影响岩石圈的褶皱作用,岩石圈褶皱型盆地的发育时限为1~10 Ma,如中亚阿姆河、塔里木盆地等(邵学钟等,1997;Smit et al.,2013)。

2.5 沉积盆地的多阶段构造演化

沉积盆地的构造演化是岩石圈应力、岩石圈流变学和岩石圈—地幔系统热扰动之间相互作用的内在结果(Cloetingh et al.,2015)。无论伸展还是挤压,岩石圈的热力学结构在成盆机制的响应方面起重要控制作用。构造复活对大多数沉积盆地的结构与充填都有重要影响。岩石圈长期保持的流变学“记忆”可能对盆地复活有比迄今认为的更加重要的作用。大陆强度随时间的演化以及大陆边缘、裂谷、造山带的应力和强度的空间变化制约着盆地的时、空发育机制。

地质历史中不同阶段的盆地,成因并不一致,随时间演化,出现叠加特征,形成具有叠加地质结构的盆地—叠合盆地(贾承造等,1992;童晓光,1992;何登发等,2005a)或多旋回盆地(李德生,1982;Kingston et al.,1983)、多期盆地(Cloetingh et al.,2013),例如岩石圈褶皱型盆地可以发育在伸展、前陆等盆地基础之上。Kingston et al.(1983)曾倡导用盆地表达式描述多旋回(multi-cycle)或多期(multi-phase)历史的盆地,前述盆地分类即是划分某一地质历史时期的盆地原型,盆地的整体结构就是不同原型盆地的复合与叠合。

多期变形是众多沉积盆地系统的普遍特点。伸展盆地在裂后期的挤压复活见于众多板内裂谷和被动大陆边缘,反映出板内应力体制方位和大小的时、空变化。同样,前陆盆地通常具有前造山期伸展的特点。这些“多期系统”的实际沉降型式一般较之根据端元模型预测的要更为复杂,端元模型仅只考虑盆地的形成机制。

被动大陆边缘盆地是最近沉积盆地研究的亮点。它经历早期断陷(可以是多幕断陷)、裂后坳陷过程,最终演化成为被动大陆边缘,可以是火山型的、也可以是无火山活动的,可以是沉积过补偿型的、也可以是欠补偿的。相对稳定/刚性岩石圈之上的被动边缘,“被动”是相对的,常发育大量重力构造(连锁的伸展—挤压/重力构造),如纳米比亚型、尼日尔三角洲型、墨西哥脊型、宽扎型(盐)、墨西哥湾北部型(盐+泥)。被动边缘另一个特征是其沿走向的分段性,这种边缘的演化受控于先期构造。