板块运动对中国近海新生代盆地沉降及充填的控制作用_李运振.docx

缘集中了全球约四分之三的边缘海盆地。有关边缘海盆地成因的研究以Karig的弧后扩张说为开端,大多是在板块构造的理论框架内进行的,如弧后扩张模式、大西洋型扩张模式、捕获模式、热区模式、陆缘扩张模式等等1-6。这些模式的得出无一例外脱离不了对板块构造体系的深入研究,说明板块之间的相互运动是沉积盆地的形成决定因素。因此,沉积盆地的形成机理、盆地结构的组成及沉积体系的演化特征等方面的研究,都需要从宏观上对板块运动进行分析。本文通过研究中国近海相关板块之间的相互运动来解释盆地的沉降机制和内部结构,区分中国近海不同盆地沉积体系展布的差异性,总结板块运动对盆地结构及沉积体系的控制作用。1 中国近海沉积盆地沉降类型中国近海夹峙于欧亚板块、太平洋板块和印图1 26种盆地的沉降机制(据Ingersoll等8)Fig11 Twenty six kinds ofbasin subsidencemechanisms(after Ingersoll et al8)A1拉伸作用、剥蚀或岩浆侵位造成的地壳减薄作用; B1下地壳和上地幔的冷却作用; C1地壳和岩石圈的沉积负载和火山负载作用;D1地壳和岩石圈的构造负载作用; E1岩石圈俯冲造成壳下负载; F1下倾岩石圈进入软流圈的动力流动; G1高压相变造成的地壳密度增大度板块之间,它的形成演化受到这3大板块的发展运动和相互作用的制约。板块运动实际上是内部力源和外部力源共同作用的结构,使板块运动的外部力源有银河系对太阳系地球的作用力、地球自转对板块产生的作用力、太阳和月亮对地球的固体潮力等7。使板块运动的内部力源一般认为是地幔的对流,它和外部力源共同为盆地的沉降提供相应的构造环境。例如Ingersoll和Busby(1995)根据地质观测和模拟研究确定了产生和维持盆地沉降的7种机制和5种板块构造环境有关的26种盆地类型(图1)8-9,其中5种板块构造环境包括离散、板内、会聚、转换和复合,引起盆地基底沉降的因素有岩石圈拉伸变薄、岩石圈冷却收缩作用、地壳和岩石圈的沉积负载和火山负载作用、地壳和岩石圈的构造负载作用、岩石圈俯冲造成壳下负载、下倾岩石圈进入软流圈的动力流动及高压相变造成的地壳密度增大等。中720现 代 地 质2010年 国近海沉积盆地类型多样,但其形成有两种基本的动力来源,一是地壳的拉伸,一是地幔的对流,这两种沉降类型分别为被动热沉降型和主动热沉降型。中国近海沉积盆地由于经常是不同时期两种力源的变更或相互叠加,沉降类型通常具有组合的特征(表1)。111 被动热沉降型在板块运动上,这种沉降特征一般表现为板块内部主动拉伸,板块下部地幔被动上升。我国近海沉积盆地在形态上基本表现为断陷和坳陷的有序组合。不同盆地所经历的断陷和坳陷的时间、沉降幅度迥异。断陷的成因可归结为一条或数条滑脱断层的控制。断陷盆地裂后期热沉降的速率、幅度和热流特征可用均匀拉伸模型描述和表征10。这种盆地的形成过程可分为两个阶段,即初始沉降裂陷阶段和热沉降裂后阶段。在初始沉降裂陷阶段,地壳拉伸,通过断裂方式减薄,为达到质量均衡地幔被动上升补偿;而到了热沉降裂后阶段,地壳拉伸停止,地幔冷却收缩,形成破裂不整合及其后的热沉降。我国近海北部湾盆地、南黄海盆地、北黄海盆地、渤海湾盆地(除渤中凹陷、歧口凹陷)都属被动热沉降型盆地。此类盆地具有双层结构,下部断陷,上部坳陷,中间具破裂不整合面11;热沉降速率大约在200 Ma间水载沉降幅度约小于1 000 m,例如北部湾盆地早期断陷期沉降速率呈单峰,最大可达800 m/Ma,峰值在40 Ma左右,晚期坳陷期降到80 m/Ma,呈指数衰减,在沉降721 第4期李运振等:板块运动对中国近海新生代盆地沉降及充填的控制作用速率直方图上为单峰左偏态(表1)12。112 主动热沉降型主动热沉降型盆地的成因是地幔对流引起地壳温度升高,下部地壳发生相变密度增加,上部地壳薄化,最终可导致洋壳出露、海底扩张,为达到质量均衡地壳下沉形成碟形盆地。它可分为热沉降-扩张-冷沉降3个发育阶段。在热沉降阶段,由于地幔对流引起地壳减薄造成地表沉降;到了扩张阶段,地壳开始薄化,洋壳出露海底面,地幔继续对流,并发生海底扩张;最后的冷沉降阶段,地幔对流结束,海底扩张结束,洋壳变冷收缩海底继续沉降。在板块运动上,这种沉降特征一般表现为由于下部地幔主动上升,板块内部或板块边缘呈现被动拉伸的特征。中国近海莺歌海盆地、台西南盆地等都属主动热沉降型盆地。此类盆地呈碟形而不是半地堑式的断陷,坳陷的成因与滑脱断层没有关系,不能归结为岩石圈的脆性形变13。其沉降速率、幅度和热流特征远远超出现有模型所允许的范围,地壳薄化系数远大于断裂所能计算出的拉张系数,具有莫霍面高、局里面高、热流值高的三高特点。盆地的沉降速率远大于被动热沉降型盆地热沉降速率所允许的范围,例如莺歌海盆地为持续快速沉降,在29Ma和14Ma左右为高峰,可达700m/Ma以上(表1)。113 组合热沉降型中国近海以单一沉降机制形成的沉积盆地较少,大部分都经历了多次不同类型的沉降。以单一沉降机制形成的盆地基本上靠近大陆一侧,而组合型的盆地基本上远离大陆一侧。组合热沉降型一般是在早期被动热沉降的基础上后期又叠加了主动热沉降,可分为2种类型,一种是在原盆地上进行叠加,另一种是在原盆地外侧进行叠加。在板块运动上,这种沉降特征一般表现为板块内部及板块边缘深部力源的不断变迁而使盆地产生叠加的特征。第一种类型主要见到的是在原盆地基础上的叠加,例如琼东南盆地的中央凹陷、渤海湾盆地的渤中凹陷、东海盆地的浙东凹陷。这种盆地具有双层结构,形态上很像被动热沉降形成的裂谷盆地,但热沉降阶段的沉降速率远远大于被动热沉降所允许的范围,其莫霍面、局里面、热流值都较单一被动热沉降阶段形成的裂谷盆地高,并见到局里面高于莫霍面的现象,后期叠加的主动热沉降反映在沉降速率上可以看到快速-高速-快速的发育特点。例如珠江口盆地珠一和珠三坳陷,早期断陷期沉降速率也呈单峰,在4240 Ma时达到最大值400m/Ma;晚期坳陷期又出现一个峰值,在2923Ma区间达到最大值400m/Ma左右。因此在沉降速率直方图上表现为双峰的左偏态(表1)。第二种类型一般见于中国近海大陆边缘盆地中,它的形成机制是在早期热沉降阶段后形成盆地旁侧,后期发生新的主动热沉降,使早期盆地发育中断并受控于旁侧热沉降。这种现象在琼东南盆地、东海盆地都可以见到,盆地的形态特点是两次热沉降间的不整合面上下沉降中心位置不一致,并且不整合面上下沉降速率也有明显的变化,例如琼东南盆地早期断陷期的沉积速率峰值出现在2923 Ma,可达400 m/Ma;晚期坳陷期沉积速率则呈断续增加,呈单峰右偏,峰值出现在5Ma以内,其值可为1 000 m/Ma以上(表1)。2 中国近海板块运动与盆地结构对于中国近海沉积盆地的形成,环太平洋构造沟弧理论体系是目前代表大多数学者观点的理论。孙肇才(2004)从环西太平洋盆地形成的地球动力学背景看,认为西太平洋是一个自北而南的沟-弧-盆(陆缘海)系统;大体以台湾海峡为界,东海盆地是一个由转换或被动边缘演化而来的聚敛边缘,南海属于由活动或聚敛边缘转化而来的被动边缘,而位于东海北部、朝鲜西部的板内盆地则是在3大板块相互作用下形成的陆内裂谷(图2)14。因此,中国近海相关板块的相对运动实际上可以将近海盆地分成北部、中部及南部3个方向的盆地群。北部板内裂谷型沉积盆地位置处在大陆板块内部,包括渤海湾盆地、北黄海盆地和南黄海盆地;中部板缘沉积盆地位置处在大陆板块东部边缘,主要是指东海陆架盆地;南部板缘沉积盆地位置处在大陆板块南部边缘,主要是指珠江口盆地和莺琼盆地。北部湾盆地较为特殊,前人一般将它划为板内裂谷盆地,但其沉降特征与相邻的裂谷盆地具有相似性,因此也将它划为南部板缘沉积盆地。211 北部板内沉积盆地中国大陆板块内部地块的相互运动对中国近海沉积盆地尤其是靠近大陆一侧的盆地产生重要影响。中国东部陆地主要构造单元为华北地块和华南地块,其中华南地块又可分为扬子地块和华夏地块(图2)。华北地块在中元古代至古生代的漫长时期,是中国唯一且世界上少见的以/稳定0722现 代 地 质2010年 第24卷 第4期2010年8月现 代 地 质GEOSCIENCEVol124 No14Aug12010板块运动对中国近海新生代盆地沉降及充填的控制作用李运振1, 2,邓运华3,徐 强1,于兴河2(11中海石油研究中心,北京 100027; 21中国地质大学能源学院,北京 100083; 31中国海洋石油总公司,北京 100010) 收稿日期:2010 02 06;改回日期:2010 03 25;责任编辑:潘令枝。 基金项目:中国海洋石油总公司大型油气田及煤层气开发科技重大专项项目(2008ZX05023)。 作者简介:李运振,男,博士后, 1977年出生,石油地质专业,主要从事盆地分析、沉积学及石油地质综合研究工作。Emai:l liyunzhen sohu1com。摘要:太平洋板块、印度板块和欧亚板块的演化对中国近海沉积盆地的沉降及充填具有控制作用。根据地幔对流及地壳拉伸特征可将中国近海沉积盆地沉降类型划分为被动、主动和组合热沉降型3种。不同沉降类型分别具有不同的盆地结构,其中被动热沉降型以断陷为主,主动热沉降型以坳陷为主,组合热沉降型则是两种盆地结构的叠加或侧加。中国近海北部板内沉积盆地沉降类型以被动热沉降为主,远离海洋,受海侵影响较小,以陆相沉积体系为主;中部板缘沉积盆地沉降类型为被动侧加主动热沉降,水体整体较浅,坡折及三角洲发育规模小;南部板缘沉积盆地沉降类型也为被动侧加主动热沉降,水体整体较深,坡折及三角洲发育规模大。关键词:中国近海盆地;板块运动;沉降类型;盆地类型;沉积体系中图分类号:TE12111 文献标志码:A 文章编号:1000-8527(2010)04-0719-08Controls ofPlateM otions on Subsidence and Filled Characteristics ofthe Cenozoic in Chinese O ffshore BasinsLIYun-zhen1, 2, DEN Yun-hua3, XUQiang1, YU Xing-he2(11Research Center, CNOOC, Beijing 100027, China;21School ofEnergyResources, China University ofGeosciences, Beijing 100083, China;31ChinaNationalOffshoreOilCorporation, Beijing 100010, China)Abstract:The evolutions of the Pacific Plate, the IndianOcean Plate and the Eurasian Plate have the contro-lling effect to the subsidence and filled characteristics of the Cenozoic in Chinese offshore basins. According tothe characteristics ofmantle convection and crustal stretching, the subsidence types ofChinese offshore basinscan be divided into passive, initiative and combination thermal subsidences. The different subsidence types ofsedimentation basins have different basin structures. Rift is the main type in the passive thermal subsidence.Depression is themain type in the initiative thermal subsidence. Verticalor lateraloverlapping is themain typein the combination thermalsubsidence. The passive thermalsubsidence is themain type in northernChinese of-fshore basins in internalplates. As away from the sea, these basins are less affected by the transgressionwhich isdominated by the continentalsedimentary system. CentralChinese offshore basins in platemarginshave the sub-sidence characteristicswhich the initiative overlaps the passive in a lateral direction with shallow water, smallslope break and delta. SouthernChinese offshore basins in platemargins also have the subsidence characteristicswhich the initiative overlaps the passive in a lateral directionwith deeperwater, large slope break and delta.Key words:Chinese offshore basins; platemotion; subsidence type; basin type; sedimentary system0 引 言地壳运动控制着地球表面的海陆分布,影响各种地质作用的发生和发展,形成各种巨大的褶皱山系,以及巨形凹陷、岛弧、海沟等。中国近海位于西太平洋的边缘,而现代西太平洋大陆边著称的古板块15。扬子地块是指西部以康滇古陆、汶茂深大断裂,北以秦岭)大别造山带为界,东南以江南古陆为限的古扬子地块16。印支运动之前,渤海湾盆地属于华北地块,黄海盆地分属华北地块和扬子地块,印支运动使得华北地块与扬子地块发生碰撞,两个地块合为一体。从侏罗纪、白垩纪开始,随着滨太平洋构造域的俯冲挤压,亚洲东部伸展作用增强,在拼合后的华北地块与扬子地块东部地区开始形成一系列NE)NNE向相互分隔的侏罗纪、白垩纪小型断陷。之后,伴随燕山期至古近纪期间几次伸展与挤压的相互转换,亚洲东部的小型断陷盆地几经反转和消亡。从新近纪,图2 26个中国近海区域板块及盆地分布图Fig12 Location of region plates and distribution ofbasins in Chinese offshore渤海湾和黄海地区整体沉降,形成大型坳陷(图2中A1)A2剖面)17-18。这些板内裂谷盆地除渤中凹陷在坳陷阶段具有主动热沉降的特征,其余凹陷的沉降过程都具有被动热沉降的特征。212 中部板缘沉积盆地中国近海盆地受到太平洋板块与欧亚板块相互作用的程度最为强烈,尤其是东海陆架盆地,它地处西太平洋板的大陆边缘,是西太平洋一系列串珠状沟-弧盆体系的组成部分,是一个年轻的弧后盆地-边缘海19-20。东海具有明显的欧亚板块与太平洋板块不同时期相互碰撞的消亡带构造和消亡带后侧产生的裂张挤压构造。东海陆架盆地先期723 第4期李运振等:板块运动对中国近海新生代盆地沉降及充填的控制作用为被动热沉降而形成西部坳陷带,后期为侧向主动热沉降而形成东部坳陷带(图2中B1-B2剖面)。西部坳陷带盆地结构类似于裂谷型沉积盆地,但后期受到挤压,缓坡带抬升遭受剥蚀剧烈,这种类型盆地包括东海长江坳陷、东海台北坳陷、台西盆地乌丘屿凹陷、台西盆地夏澎凹陷;东部坳陷带盆地具有上厚下薄的双层结构,整体呈现碟形,早期的箕状断陷是拉张的反映,后期以坳陷沉积为主,并受后期挤压出现反转构造,这种类型盆地包括东海浙东坳陷和台西盆地新竹凹陷。213 南部板缘沉积盆地亚洲大陆内部及南海海盆新生代以来的构造活动同样受到印度板块和欧亚板块的相互作用。印度板块从南偏西方向撞上欧亚板块,使得青藏高原抬升,在亚洲大陆内部沿地壳薄弱带发育了巨大的左旋走滑断层21。例如,在印度与欧亚板块碰撞后的2030Ma,当时表现为左旋的红河断裂是调节印度板块与欧亚板块相互作用的主要场所。在这段时期内,印支地块相对于华南地块顺时针转动并且向东南方向迁移,致使印支地块和华南地块之间造成了一个强烈拉张区,形成中国南海。南海西侧莺歌海盆地沉降特征一直为主动热沉降,呈长条形,沉积巨厚,是在印支期缝合线上断裂重新活动形成的盆地;南海北部陆架盆地北部坳陷带盆地结构类似于裂谷型沉积盆地,但由于盆地后期受到南海的两次扩张影响,沉降特征先期为被动热沉降,后期为侧加主动热沉降,盆地持续向南海一侧沉降。这种类型盆地包括珠一坳陷、珠三坳陷。南海北部陆架盆地南部坳陷带盆地具有上厚下薄的双层结构,后期地层不断向海方向沉降,沉降特征同北部坳陷带相同。这种类型盆地包括珠二坳陷、琼东南盆地、台西南盆地(图2中C1)C2剖面)。3 中国近海新生代沉积盆地充填特征 不同的沉降机制造成不同的沉积盆地结构,也会对沉积物堆积方式及地层间的叠置方式产生影响,因此中国近海不同位置上的盆地分别具有不同的沉积充填特征。311 北部板内沉积盆地近海北部板内裂谷型盆地大部分只经历了被动热沉降阶段,而渤海湾盆地中的渤中凹陷则经历了被动热沉降和叠加主动热沉降两个阶段。由于这些盆地离海洋相对较远,再加上华北地块与扬子地块的融合使得这个区域地势相对较高,受海侵影响较小,沉积环境主要为陆相,沉积体系类型丰富,主要包括冲积扇、河流、三角洲及湖相沉积。例如渤海湾盆地新生代就具备较高的沉降速率,它在经历古新世夷平后,发生大批并联或串联的半地堑沉降带,物源供给受到限制,一般为近物源沉积体系。在这种构造古地理背景下,常常是沉降速率成为控制充填的主要因素。对于渤海湾盆地内的渤中坳陷,多水系导致多物源又导致多种类型的沉积体系,诸如冲积扇、水下扇、浊积体、三角洲、扇三角洲、沙坝和碳酸盐岩台坪等。新生代渤中坳陷演化可分为断陷、坳陷两期,断陷早期由紫红色粗碎屑岩建造演化为湖相生油岩建造;断陷中期即强烈深陷期为重力流沉积建造及湖相生油岩建造;断陷晚期为大型三角洲、重力流沉积建造及湖相生油岩建造;坳陷期则为河流相沉积(图3(a),剖面位于图2中的A1)A3)。312 中部板缘沉积盆地近海中部板缘沉积盆地经历了被动热沉降和侧加主动热沉降两个阶段,它可分为西部坳陷带和东部坳陷带,早期的箕状断陷是拉张的反映,晚期的坳陷沉积盆地则是挤压与拉张共同作用的结果。这是由于菲律宾海板块向中国大陆俯冲的后期,俯冲板块的倾角增大,造成地壳上部产生挤压力,在东部应力集中的地区形成较多的逆断层,同时俯冲板块又具有不断向东后退的特征,挤压与拉张可达到相对平衡,主要形成巨厚的坳陷型盆地。西部坳陷带由于是断陷盆地的沉积,盆地沉降速率快,横向距离短,分布范围窄,水体较深,沉积体系的堆积具有近物源的特征,主要由(扇)三角洲、水下扇等组成。例如台北坳陷丽水凹陷的沉积相类型包括湖泊、(扇)三角洲、滨海-内浅海、外浅海、水下扇,三角洲前缘主要发育于丽水/椒江凹陷西斜坡,扇三角洲前缘主要发育于凹陷及东部边缘。东部坳陷带由于是早期断陷、晚期坳陷的沉积,横向距离大,沉积相带横向变化慢,分布范围广,水体较浅,沉积体系的堆积具有远物源的特征,主要由河流、潮坪、三角洲等组成。纵向上,具有从海陆过渡相到陆相的演化特征;横向上,从西向东沉积相具有潮坪-浅海或河流-三角洲-滨浅湖的变化特征。钻井也揭示了始新统724现 代 地 质2010年 图3 中国近海东部、中部、南部盆地沉积体系剖面对比图Fig13 Profile comparison of sedimentary systems in eastern, central and southern basins ofChinese offshore以来频繁的砂泥岩互层为特征的沉积岩,少见典型的三角洲沉积的反旋回特征。地震相特征基本平行-亚平行、较连续、中-弱振幅,少见前积特征。海陆交互相分布范围广,三角洲改造作用强烈,较少出现深湖环境。例如西湖凹陷在地质历史时期经历海陆过渡相的海湾沉积环境,主要存在于始新统平湖组沉积时期,并包括三角洲和潮坪两种主要沉积相类型。通过对西湖凹陷岩心的观察,认为平湖组沉积环境为海陆过渡相,发育有河流-三角洲、潮坪等沉积,推断也可能有海岸平原沼泽及滨浅海环境。例如在平湖组发现较多的具脉状层理和透镜状层理的粉砂质泥岩、泥质粉砂岩。虽然理论上在其他环境下,如三角洲前缘、河流环境中也可出现这种沉积构造,但它仍然可作为潮汐影响的典型特征之一。西湖凹陷陆相沉积环境主要发育于渐新统花港组及中新统龙井组、玉泉组、柳浪组,包括河流相、湖泊三角洲相及湖相等类型(图3(b),剖面位于图2中的B1)B3)。313 南部板缘沉积盆地近海南部板缘沉积盆地经历了被动热沉降和侧加主动热沉降两个阶段,相对于近海中部板缘沉积盆地,后期侧加的主动热沉降为持续向南一侧拉张沉陷,因此沉积体系规模大,沉降速率高。南部板缘沉积盆地可分为北部坳陷带和南部坳陷带,其中南部坳陷带的沉降中心和沉积中心重合,堆积中心位于盆地一侧,坡折带相对发育,具有大型的三角洲前积结构,能够形成大规模的三角洲,并出现较深水环境(图3(c),剖面位于图2中的C1)C3)。北部坳陷带主要为断陷盆地的沉积,沉积体系的堆积具有近物源的特征。断陷初期盆地发育一套火山碎屑岩和山麓冲积粗碎屑岩建造。断陷中期发育的一套半深-深湖生油建造为始新统文昌组及恩平组下段。晚期断陷缓慢发育一套湖沼含煤及页岩建造。坳陷期盆地经由陆相湖盆向海相盆地的演变,发育一套海陆交互相含煤建造及浅海碎屑岩建造22。在东沙隆起上发育一套碳酸725 第4期李运振等:板块运动对中国近海新生代盆地沉降及充填的控制作用盐岩和生物礁滩,为渐新统珠海组、中新统珠江组及韩江组。南部坳陷带沉积体系的堆积具有远物源的特征,由于受新生代的断陷、断坳、坳陷热沉降及断块升降等几个构造演化阶段的影响,因此具备多套组合的沉积体系,例如白云凹陷发育了陆相断陷期文昌组河湖相沉积、断坳期恩平组大型湖盆沉积、过渡期珠海组海陆过渡相的浅海三角洲)滨岸沉积以及坳陷期珠江组)韩江组陆架斜坡海相深水沉积等4套沉积体系组合23。4 结 论(1)中国近海以单一沉降机制形成的沉积盆地较少,大部分都经历了多次不同类型的沉降。一般是在早期被动热沉降的基础上后期又叠加了主动热沉降,一种是在原盆地上进行叠加,另一种是在原盆地外侧进行叠加。(2)中国大陆板块内部华北地块和扬子地块发生碰撞,拼合后的华北地块与扬子地块东部地区形成一系列相互分隔的断陷;大平洋板块前缘俯冲到欧亚板块之下,使得东海陆架盆地先期为被动热沉降而形成西部坳陷带,后期为侧向主动热沉降而形成东部坳陷带;印度板块从南偏西方向撞上欧亚板块后相对于华南地块旋转并迁移造成强烈拉张区,外加太平洋板块对南海俯冲作用使得南海北部陆架盆地先期为被动热沉降,后期为侧加主动热沉降,并持续向南海一侧沉降。(3)被动热沉降型沉积盆地由于断裂发育,地层倾角较大,沉积物搬运距离短,以近源堆积的沉积体系为主;而主动热沉降型沉积盆地断裂相对不发育,盆地以整体沉降为特征,地层倾角较小,沉积物搬运距离远,以远源堆积的沉积体系为主。(4)北部板内沉积盆地远离海洋,受海侵影响较小,以陆相沉积体系为主;中部板缘沉积盆地水体整体较浅,坡折及三角洲发育规模小;南部板缘沉积盆地水体整体较深,坡折及三角洲发育规模大。参考文献:1 Karig D E. 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