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沉积盆地分析与模拟读书报告 中国地质大学 北京 指导老师 林畅松 2007 年 11 月 1 裂谷型盆地形成的动力学机制和构造格架样式 第一章 绪论 一 盆地的概念和分类 1 盆地的概念 油气赋存于沉积盆地之中 油气的生成 运移 聚集和保存与沉积盆地的形成 演化 和改造紧密相关 因此 盆地作为石油天然气勘探开发的对象 一直受到人们的高度重视 尤其是近年来随着能源和资源形势的日趋紧张 许多学者都投入了大量的精力 深入到盆 地的研究中 对此 不同的学者 对于盆地下过各式各样的定义 朱夏 1965 曾将盆地定义为 地壳的一定地段在大地构造发展一定阶段的一种洼陷构 造 或理解为 在地质发展历史一定阶段的一定运动体制下形成发展的统一的沉降大地构 造单元 A G Fisher 1975 曾指出对于地貌学家或地理学家来说 地球上的盆地为岩石圈表面在 三度空间上的凹地 其中充满了水或空气 对于地质学家来说 地球上的盆地还具有第四 度空间即时间的概念 并包括有地表形成的成层岩石 也就是包含有厚达数千米的沉积物 及火成岩 这些盆地的形状和深度并不是受陆地表面或海底限制 而是受较深的深成岩系 或变质岩系基底的限制 填充在盆地内的沉积物及火山岩记载着盆地的发育历史 根据盆 地内填充沉积的情况 组成从补偿盆地到不补偿盆地的一系列盆地 叶连俊 1980 认为 持续地接受沉积的地区称为沉积盆地 从沉积的角度看 盆地可以被定义为沉积物聚集的地区或沉积物聚集而形成的沉陷区 针对我国 300 多个沉积盆地的地质特征以及盆地的发展与构造活动之间的关系 特别是我 国东部中新生代含油气盆地的石油地质特征 这里将盆地定义为在一定地质历史阶段中 受构造运动控制所形成的统一沉积区 从构造意义上来说 沉积盆地就是指岩石圈表面相 对沉降的区域 其中可以充填深达万米的沉积物以及火山活动形成的物质 而此岩石圈表 面沉降区四周为相对隆起区 它不断地遭受风化剥蚀 为沉降区提供了不同类型的丰富物 源 从而构成了物源区与沉积区的平衡统一体 在漫长的地质历史过程中 沉积盆地的形成受到各种各样的要素的影响 受构造运动 影响 不同的盆地具有不同的发展演化历史 从而使得盆地的沉积物充填厚度 盆地的沉 降历史 盆地的规模和形态 沉积盆地中的沉积矿产富集程度等方面可以相差很大 事实 上 在一定的地质历史时期内 含油气盆地是接受富含有机质的沉积物沉降并使其埋藏至 一定深度生成石油和天然气 受构造运动影响所生成的油气发生运移和聚集形成油气田的 基本地质单元 正如许多地质学家所指出的 没有盆地便没有油气 朱夏先生曾指出 寻找油气的工作要从盆地整体着眼 率先考虑全貌 然后再从沉积 构造等条件来选择 有利地区 实践表明 为了在盆地中找到更多的沉积矿床 必须将沉积盆地作为一个基本 单元进行整体解剖和综合分析 以盆地演化史为线索 分层段系统研究盆地埋藏史 构造 发展史 沉积充填史和油气演化史 只有这样 才能更快 更好地寻找到更多的沉积矿产 资源 更有效地为国民经济发展服务 2 盆地的分类 沉积盆地是地球表面发生构造沉降 形成沉积充填的地区 它与造山带是大陆及其边 缘最重要的构成单元 来自不同学科的学者在研究盆地分类时常强调某一种或某一些特征 属性和参数 提出了众多的盆地分类方案 比较典型的有以下几种 沉积盆地分析与模拟读书报告 中国地质大学 北京 指导老师 林畅松 2007 年 11 月 2 1 Dickinson 的盆地分类 1974 Dickinson 1974 提出的较有影响的盆地分类是依据盆地位置与岩石圈基底类型 即板 块构造环境来进行划分的 Dickinson 划分出五大类沉积盆地 1 大洋盆地 指具有洋壳的海洋盆地 2 裂谷性大陆边缘盆地 3 发育于岛弧 海沟体系的盆地 4 蓬合带盆地 5 内陆盆地 以克拉通盆地为主 稳定的板内环境 表 1 1 Dickinson 的盆地分类 这一分类显然忽略了发育于走滑环境的沉积盆地 但它奠定了当代盆地分类的基础 随后 Bdy 和 Sndson 的分类 1980 Ingos011 的盆地分类 1988 以及 Mid 1990 等的沉积盆地 分类都是以盆地发育的板块构造背景为主要依据的 2 Picha 的盆地分类 Picha 1989 将世界上 243 个沉积区分为五大类 即克拉通内盆地 离散边缘 洋盆 聚敛边缘 前陆 图 1 1 Picha 的盆地分类 1989 3 Mial 盆地分类 A D Mial 依据板块边缘和板块内部结构将盆地分为五类 表 并将前四类进一步分出 不同的次级类型 第五类克拉通盆地未作进一步划分 沉积盆地分析与模拟读书报告 中国地质大学 北京 指导老师 林畅松 2007 年 11 月 3 表 1 2 A D Mial 的盆地分类 裂谷盆地 A 张裂拱形盆地 B 环形盆地 1 离散边缘盆地 大洋边缘盆地 A 红海型 年轻的 B 大西洋型 成熟的 海沟和消减杂岩 弧前盆地 弧间和弧后盆地2 会聚边缘盆地 后弧 前陆 盆地 A 板块边界转换断层A 在网养断裂系中的盆地 B 离散边缘转换断层B 断裂末端盆地 C 会聚边缘横推断层 3 转换断层和横推 断层盆地 盆 地 位 置D 缝合带横推断层 盆 地 类 型 C 在雁列养断裂体系中的拉裂盆地 周缘 前渊 盆地 缝合带内内凹盆地 残留洋盆 4 在大陆碰撞和缝 合过程中发育的 盆地前陆盆地伴生的横推断层盆地 5 克拉通盆地加利福尼亚型盆地 4 朱夏的盆地分类 朱夏 1965 l 982 1993 以 两个世代 两种体制 的思想对古生代与中新生代盆地 作了 双重分类 将古生代盆地分为六种原型 将中新生代盆地分为七种原型 古生代盆地原型包括 坳拉槽和台向斜 克拉通周缘沉降盆地及其后期发育的前渊 塌陷盆地 克拉通凹陷 拉张地堑 由于地壳粘性流动而产生的大陆边缘盆地 中新生代盆地原型分为以下七类 A 型俯冲 基底拆离 大陆碰撞 源于壳幔关系的差异沉降 拉张断陷 断层走向滑 移及其引起的拉张与断陷 重力滑移的改造作用 5 刘和甫的盆地分类 刘和甫 1987 按地球动力学特征 将沉积盆地划分为三大序列 12 种类型 并将张 压 剪二元作为盆地地球动力学分类的三个单元 而将克拉通内盆地视为可能是叠置在早 期古裂谷盆地之上的缓慢热沉降盆地 图 1 2 沉积盆地三元分类图解 刘和甫 沉积盆地分析与模拟读书报告 中国地质大学 北京 指导老师 林畅松 2007 年 11 月 4 a 正断层与裂陷盆地 b 冲断层系与压陷盆地 c 走滑断层与走滑盆地 图 1 3 沉积盆地的形成与三个主应力系方位 刘和甫 1986 二 裂谷盆地的基本特点 根据盆地的动力学特点 可以简单的将盆地划分为三种基本类型 即 1 由岩石圈伸 展作用形成的伸展型盆地 2 由岩石圈弯曲作用产生的挠曲类盆地 3 与走向滑动 或巨型剪切带有关的走滑带盆地 伸展型盆地是一类非常重要的盆地类型 伸展型盆地是在引张作用下与地壳和岩石圈 产生伸展 减薄作用有关的一类裂陷盆地 由陆内裂谷到被动大陆边缘这一盆地演化序列 所组成 裂谷是最常见的一种伸展盆地 是 由于整个岩石圈遭受伸展破裂而引起的 并且常 常是一侧为正断层限制的断陷盆地 裂谷 词是 Gregory 1896 研究地堑时提出的 现在的东非裂谷系 Kenyan 部分 就 是以他的名字命名的 对裂谷盆地的地质研究在欧洲始于莱茵地堑 早于 Gregory 在非洲 的 工作 本世纪初之前人们对裂谷盆地近地表的断层几何学和相分布认识比较好 尽管在板 块 构造理论之前就对裂谷的发生 发展进行过不断的研讨 本世纪人们 直致力于对裂谷进 行 精确的描述 并试图找出裂谷起源的可能机制 在世纪之交裂谷盆地内烃类的发现为人们 了 解这些盆地注入了新的活力 Klemme 1980 指出 裂谷作为一个独特的地层单元 只占世界盆地面积的 5 然而 这个地理上的微小单元却被重点研究 原因是其在全球构造中具有广泛的涵义 沉积盆地分析与模拟读书报告 中国地质大学 北京 指导老师 林畅松 2007 年 11 月 5 除了裂谷外 坳陷 坳拉槽和被动大陆边缘也属于伸展盆地 裂谷与只经过区域性沉 降 但缺乏大型伸展断层的坳陷 坳拉槽和被动大陆边缘的主要差别可以简要地解释如下 图 在真正的裂谷中 由于岩石圈上隆 减薄或区域应力场产生的张性偏应力足以克服岩石 强度 从而形成断层 如果张性偏应力不足以造成脆性破裂 那未隆起或沉降作用就会在 无 断裂的情况下进行 如果热源供应中断并不再有新的热源 那么岩石圈就会发生热收缩作 用 并引起热沉降 当裂谷继续伸展 在扩张中心形成新的洋壳时 就开始了裂谷系向被动大 陆 边缘的演化阶段 即裂谷 漂移阶段 被动大陆边缘楔状体沉积物记载了岩石圈对其持 续不断的冷却作用及大量沉积物本身负载的响应 图 1 4 坳陷 裂谷 坳拉槽与被动大陆边缘之间的关系 据 Allen 等 1990 裂谷的形成与伸展作用有关 在威尔逊旋回的各个阶段和各种不同的板块构造环境中 均 可以见到裂谷的形成 它们是 1 与大陆裂开和漂移作用有关的裂谷 2 与俯冲作用有 关的裂谷 3 与大陆碰撞作用有关的裂谷 与大陆裂开和漂移作用有关的裂谷可分成大洋的 大陆间的和大陆内部的裂谷二种类 型 沉积盆地分析与模拟读书报告 中国地质大学 北京 指导老师 林畅松 2007 年 11 月 6 图 1 5 裂谷盆地模型 现代大洋裂谷是沿大洋中脊延伸并受正断层限制的裂谷 谷底和谷肩均为洋壳 大洋 中脊及其裂谷为转换断层所横切 其它特征主要是 1 浅震 2 活动的火山作用 3 呈对 称状正 负交替的磁异常 4 高热流值 实例是大西洋 印度洋中脊上发育的裂谷 大洋裂谷带和大洋中脊一样 随着时间改变其位置和分叉 常常是一个分支丧失其活 动性后 即成为巨大补偿凹陷的中心 可以举大西洋北部的形成作为实例 大西洋中脊裂 谷体系在中生代分布在加拿大和拉布拉多海中格陵兰岛之间 到新生代 裂谷系开始在现 在的大西洋北部地方发育 而在巴芬湾一拉布拉多海 裂谷阶段为宽的坳陷阶段所代替 裂谷本身迅速地为坳陷沉积物所覆盖 现代大陆间裂谷是裂谷的下面为洋壳 谷肩是陆壳 它们是大陆裂谷演化为大洋裂谷 的 过渡产物 例如 在印度洋附近的亚丁湾和红海南部 现代大陆内裂谷的下面为陆壳 谷肩也为陆壳 但裂谷下面陆壳厚度要比周围薄一些 现代大陆内裂谷作用的特征是 I 负布格重力异常 2 高热流 90 至 115mWW 也即是大 于 2H F U 和 3 火山活动 东非裂谷是典型的大陆裂谷系 其特征是在两个大的隆起区发 育 即北部的埃塞俄比亚隆起和东南的东非隆起 在北非还发现其它弯窿隆起 例如像在 Tibesti 和 Hoggar 区的隆起 这些隆起常常与广泛分布的火山活动相伴生 但缺乏裂谷 其 它裂谷系是美国西部的 Rio Grande 裂谷 欧洲的莱茵地堑和中亚的贝加尔裂谷 第二章 裂谷型盆地形成的动力学机制 一 控制裂谷形成的主要因素 由于裂谷是在不同条件下形成的 因而裂谷的形成机制是复杂的 影响裂谷型盆地沉 降的主要因素也很多 主要包括以下几个方面 裂谷盆地沉降的主要影响因素 沉降 热柱上隆拱张裂陷 岩石圈拉伸变薄 裂陷 岩石圈冷却 充填沉积物重力负载 海平面上升 隆升 软流圈隆升加热 岩石圈底的熔融作用 构造挤压反转 沉积盆地分析与模拟读书报告 中国地质大学 北京 指导老师 林畅松 2007 年 11 月 7 沉积层的侵蚀均衡上升 海平面下降 裂陷盆地的沉降过程受到多种因素的控制 从盆地规模的意义上 主要与下列作用有 关 1 岩石圈的拉伸变薄 裂谷或裂陷盆地是在岩石圈受到拉伸发生变薄时形成的 Ziegler 1992 裂陷盆地 沉降量的大小与岩石圈的变薄程度密切相关 大量的研究已表明 岩石圈变薄所产生的空 间大小主要取决于 1 岩石圈的变薄程度 一般可用水平拉伸量或垂向的变薄量来度量 2 岩石圈结构 即拉伸前的初始状态或条件 包括原始厚度 热结构 密度等 2 岩石圈冷却沉降 在裂谷盆地形成时 伴随岩石圈变薄的软流圈上隆导致高的热异常 引起隆升 热隆 导致了裂谷盆地具有高的热流背景 一般来说 裂谷盆地的地温梯度是高的 岩石圈的冷却使密度增大 在重力均衡作用下发生回沉 裂后的热衰减被认为是裂后 盆地发生拗陷沉降的主要驱动机制 二 主动裂陷作用与被动裂陷作用 根据伸展裂陷作用的模式 一般将裂陷作用归为两类 即主动裂陷作用 active rifting 和被动裂陷作用 passive rifting 在主动裂陷作用中 地表变形与地幔热柱或热 席对岩石圈底部的撞击作用相伴生 来自地幔柱的传导加热作用 来源于岩浆生成的热传 递作用或者是来源于热对流作用均可以使岩石圈变薄 如果来自于软流圈的热流足够大 大到可使大陆岩石圈迅速地减薄 这将引起均衡隆起 隆起产生的张应力和地幔热拉上升 在岩石圈底部产生的摩擦拖拽作用可以引起地表岩石圈裂开作用 主动裂陷作用产生的破 裂往往表现为三叉式破裂 红海 亚丁湾 埃塞俄比亚裂谷系是这种三联裂谷的典型实例 三联裂谷中每支裂谷发育不平衡 如红海 亚丁湾 埃塞俄比亚裂谷系 其中红海南部和 亚丁湾两支已发育为陆间裂谷 而另一支埃塞俄比亚裂谷仍处于大陆内裂谷状态 发育不 足 被动裂陷作用是区域应力场的被动响应 在被动裂陷作用中 首先是岩石圈的张应力 引起它破裂 其次才是热地幔物质贯入岩石圈 地壳穹隆作用和火山活动仅是次要过程 RioGrande 裂谷和 McKenzie 1978 所提出的有关沉积盆地成因的模式属于这类被动裂陷 作用 裂谷盆地的形成主要是由于深部热地幔上升导致岩石圈表面的变形和裂陷而形成的 东非裂谷被看作是主动裂谷的典型例子 有广泛的隆起 裂谷系 火山作用明显 热柱 热地幔羽 thermalplume 在岩石圈的底部上拱 快速的加热减小岩石圈的密 度 导致区域性的均衡上隆 上隆作用派生的拉张应力造成裂谷作用 来自地幔羽的传导热 岩浆侵入热或对流热可引起岩石圈受到拉伸的变薄 盆地分析与模拟读书报告 中国地质大学 北京 指导老师 林畅松 2007 年 11 月 8 图 2 1 主动裂谷盆地形成机制 主动和被动裂陷作用模型是裂陷作用的两种理想的端元模式 将裂陷作用划分为主动 和被动两种类型有其合理性 但是在实际研究中是很难掌握的 在很多情况下 将 应力 产生的被动裂谷与地幔柱产生的 主动 裂谷对立起来也是不合适的 实际上 在裂谷的 发育过程中 这两种作用常常是彼此互补 交替发挥作用的 主动裂陷和被动裂陷的最大区别就是裂陷盆地形成前是否出现区域的热隆起 裂陷盆 地的形成和发展过程是否属于区域热降起的后续构造事件 从逻辑关系上看 主动裂陷机 制中 地慢热异常出现于裂陷盆地形成之前 软流因局部热隆起 热对流和热底辟驱动岩 石因发生裂陷 并且是裂陷盆地形成的主要动力源 由此 在裂陷盆地形成过程中 可能 出现 热隆起 火山活动 裂陷盆地形成 热沉降 等构造事件序列 在被动裂陷机制中 区域应力场是驱动岩石圈发生裂陷伸展的主要动力源 地幔任何热异 常都是岩石圈裂陷作用的反映 因而可能出现 裂陷盆地形成 热隆起 火 山活动 均衡沉降 热沉降 等构造事件序列 但是 裂陷作用的主动机制和被动机制不可能是彼此孤立的 主动机制可能被一种决 定开裂时间 可能亦包括开裂地点及裂陷方向等 的被动机制所控制 而被动机制形成的地 慢热作用 热隆起 热底辟等 亦可能将被动裂陷向主动裂陷转化 因此 在裂陷盆地形成 的动力学过程中 裂陷作用既有 主动 成分 亦有 被动 成分 并且在不同阶段可能 表现为不同的动力学机制占优势 三 裂谷的形成模式三 裂谷的形成模式 裂谷盆地形成的力学机制目前有三种认识 即纯剪伸展 McKenzie 1978 单剪伸展 Wernicke 1981 1985 Wernicke Axen 1988 Lister et al 1986 Buck 1988 和混合剪切 纯剪伸展所形成的构造在与伸展方向平行的方向上通常是两侧对称的地堑和地垒 且地壳 浅层的伸展区和岩石圈深层的伸展区对应 即垂向叠合在 起 裂谷期地层和后裂谷期地 层呈典型的牛头模式 单剪伸展的裂谷系主要以半地堑为主 基底断块同方向倾斜 地壳 的伸展区与岩石圈下部的伸展区侧向分开 裂谷期地层和后裂谷期地层的厚度中心也不完 全重合 后裂谷期地层在横向上呈斜盆 旦仅在裂谷系的地壳伸展最强烈的部位发生 层 圈拆离的情况在单剪和纯剪中都可能发生 盆地分析与模拟读书报告 中国地质大学 北京 指导老师 林畅松 2007 年 11 月 9 图 2 2 纯剪变形和单剪变形的比较 从构造运动学角度来看 岩石圈的被动裂陷作用可以概括为两种端元体制 即以 McKenzie 模式为代表的纯剪切变形体制和以 Wernicke 模式为代表的简单剪切变形体制 在构造变形分析中 纯剪切变形是指一种共轴递进变形 即在整个递进变形过程中 应变 主轴的方向保持不变 而简单剪切变形是一种非共轴递进变形 在整个递进变形过程中应 变主轴随递进变形的发展而发生改变 1 McKenzie 的裂谷动力学模型 McKenzie 裂谷动力学模型最早 1978 的定量描述了岩石圈受到拉伸时的基本响应 奠定了裂谷盆地定量理论基础 开辟了一个新的研究领域 其先进性在于三点 1 把 盆地的总沉降分为裂陷期和裂后期沉降 2 提出了拉伸量 的概念 3 确定了拉 伸量与同裂陷沉降和热衰减沉降的定量关系 为后来人们认识裂谷盆地提供了科学的依据 McKenzie 模式有两个重要的假设 假定地壳和岩石圈的伸展量是相同 即均匀伸 展假设 伸展作用是对称的 不发生固体岩块的旋转作用 由此导致的岩石圈的伸展过 程中 主应变轴的方位不会随时间而发生变化 因此 这是纯剪切变形状态 当岩石圈 受到瞬时和均匀的拉伸作用而变薄时 热的软流圈为了保持岩石圈均衡而被动上隆 此时 如果大陆岩石圈的初始表面相当于海平面 可以得到机械伸展造成的沉降量和隆起量 基 于上述假定 McKenzie 1978 提出了均匀伸展定量模型 基本的要点是 1 盆地的 总沉降量由两部分组成 其一是由初始断层控制的沉降 它取决于地壳的初始厚度及伸展 系数 其二是岩石圈等温面向着拉张前的位置松弛 从而引起的热沉降 热沉降只取决 于伸展系数 大小 2 模拟结果表明 断层控制的沉降是瞬时性的 由于热流值随时 间而减小 因此 热沉降的速率随时间呈指数减小 一般情况下 大约 50 Ma 后 岩石圈 的热流值将降低到其初始值的 1 e 因此 裂谷活动停止以后 热流值对 的依赖程度 很小 将盆地的沉降区分出断层控制的同裂陷期 synrift 沉降和热作用控制的裂后期 postrift 沉降是 McKenzie 均匀伸展模型的最主要的贡献 它揭示了岩石圈裂陷作用所 导致的盆地沉降的普遍特征 许多盆地的实例显示出上述盆地沉降特征的普遍性 我国东 部几个典型伸展型断陷盆地均显示出断 坳型或 牛头 型结构 实际上这种结构就代 表了上述两阶段的沉降模式 即断层控制的同裂陷期 synrift 沉降和热作用控制的裂后 盆地分析与模拟读书报告 中国地质大学 北京 指导老师 林畅松 2007 年 11 月 10 期 postrift 沉降 应该明确 由 McKenzie 均匀伸展模型预测的地壳伸展系数 初始 沉降以及热沉降与地质观测结果存在误差 实际的地壳伸展量和初始沉降量要比根据 McKenzie 模型预测的小得多 而热沉降值要比根据 McKenzie 模型的伸展系数 预测的 大得多 Sclater 等 1980 因此 在 McKenzie 均匀伸展模型之外 许多学者又提出了不 少的改进模型 Roydon and Keen 1980 如随深度变化的非连续性拉张模型或随深度变 化的连续性拉张模型等 用以研究地壳伸展量对热沉降值和高程变化的影响 a 岩石圈原始厚度 b 岩石圈地幔伸展系数 r 岩浆侵入量 图 2 3McKenzie 的岩石圈纯剪切动力模型 1978 盆地分析与模拟读书报告 中国地质大学 北京 指导老师 林畅松 2007 年 11 月 11 图 2 4McKenzie 裂谷动力学模型 2 简单剪切拉伸裂谷盆地的 Wernicke 动力学模型 与上述的纯剪模式相反 Wernicke 1985 根据对美国 盆岭省 的断陷盆地系的研 究 提出盆岭省的形成是与岩石圈整体的简单剪切的拉伸作用有关 Wernicke 认为 岩石圈的拉伸破裂通过低角度的折离面从地壳一直延伸到岩石圈的 底界 由于折离面的倾角小 拉伸区横跨大 可划分出三个拉伸带 每个带具有不同的沉 降历史 第一带是上地壳的简单剪切变薄 在低角度拆离面上发育一系列高角度断层控制的断 块 第二带的下地壳和上地幔都明显变薄 而上地壳变薄小 是从沉降带向隆起带过渡的 部位 第三带拆离面切穿岩石圈 上地幔明显变薄 软流圈上升 出现同裂陷期隆起 目前 还未见在任何深地震剖面上观察到低角度的折离面连续延至上地幔深部 Kusznir 和 Matthews 1988 深地震资料表明 主要的基底断裂 向下呈犁形延伸至冷 的和脆性的岩石圈的最上部 常常位于上地壳的震源层 在进一步拉伸时 地温梯度明显增高 下地壳将从简单剪切转向纯剪切变形 值得指出 这一模式可解释在拉伸作用下构造样式的不对称性 但软流圈的隆起部位 远离地壳拉伸 盆地 部位 因而热衰减沉降与同裂陷盆地中心是分离的 显然不能用于 解释在同一部位断 拗重叠的拉伸断陷盆地的形成过程 盆地分析与模拟读书报告 中国地质大学 北京 指导老师 林畅松 2007 年 11 月 12 图 2 5Hellinger 和 Sclater 1983 的岩石圈纯剪切伸展模式 图 2 6 Wernicke 动力学模型 Wernicke 模型重要的一点是提出低角度断裂在拉伸盆地形成过程中的重要作用 低角 度拆离面断裂的延伸深度还有待探讨 但在许多断陷盆地系或裂谷系中低角度拆离断裂都 可能存在 3 联合剪切模式 McKenzie 模式描述了岩石圈伸展的一级响应 假设岩石圈是局部 Airy 均衡 且随深 度均匀拉伸 忽略了基底断裂在岩石圈伸展过程中的作用 相反 Wernicke 模式中 假设 缓倾的剪切面切过地表 穿过整个岩石圈进入软流圈 深层反射资料表明 在大陆岩石圈 盆地分析与模拟读书报告 中国地质大学 北京 指导老师 林畅松 2007 年 11 月 13 伸展和裂谷盆地的形成过程中 大的基底断裂非常重要 控制了不对称盆地的发育 这些 大的基底断裂一般局限于上地壳地震层内 延伸到下地壳后 脆性破裂变形被弥散式韧性 变形作用所代替 Barbier 1986 Kusznir 等 1991 在下地壳和地幔韧性变形区 岩石 圈伸展是通过纯剪切 即上述弥散式韧性变形 而不是岩石圈上部的简单剪切作用来完 成的 因此 大陆岩石圈的变形是简单剪切作用和纯剪切作用共同作用的结果 4 拆离断层及大陆分层伸展模式 岩石圈内部的大型拆离断层可能沿岩石圈内部的构造层面或韧性层滑脱 G P Eaton 1980 在研究美国西部盆岭构造区地壳的地质和地球物理特征的基础上提出的大 陆伸展模式就考虑了岩石圈的分层特性 图 2 7Lister 等 1991 提出的大陆伸展模式图 这种伸展模式中包含着两个重要的思想 其一是地壳 或岩石圈 伸展构造是分层次的 其二是不同层次的地壳或岩石圈的伸展变形方式可以不同 浅层次的伸展盆地构造是受一 条大型拆离断层 或滑脱断层 控制的 拆离断层上盘系统发育一系列同向倾斜旋转的铲式 正断层 形成不对称的半地堑 半地垒 掀斜块断 构造 其基本的变形机制属于旋转伸展 或简单剪切伸展 深层次 下地壳及上地幔 的伸展则是纯剪切伸展机制 形成透入性的韧 盆地分析与模拟读书报告 中国地质大学 北京 指导老师 林畅松 2007 年 11 月 14 性流变及基性岩墙群侵人 这种伸展构造模式既强调大型拆席断层在岩石圈伸展中具有关 键性作用 特别是对于浅层次的脆性伸展构造的影响 同时又认为要充分考虑岩石圈在伸 展过程中存在的 颈缩作用 第三章第三章 裂谷盆地的构造格架特征裂谷盆地的构造格架特征 一 正断层的组合样式 正断层是伸展构造变形中的基本要素 多数裂陷盆地是由正断层作为同沉积边界断层 的沉积盆地 正断层控制盆地的形成和构造演化 因此 裂陷盆地的构造样式取决于构成 盆地中的主干正断层及其断层组合的几何学和运动学特征 图 3 1 伸展型断陷盆地在剖面上的基本构造样式 据 漆家福 从断层几何学的角度 伸展型盆地中的正断层可以划分为平面状和铲状两类 如果同 时考虑到断块的运动学特征 则可以组合成三种类型 Wernicke 等 1982 这三种类型 分别是 断面和断盘均不发生旋转的非旋转平面式正断层 断面和断盘均发生旋转的旋转 平面式正断层和断盘旋转而断层面不发生旋转的铲式正断层 这三种断层控制了三类不同 结构特征的断陷盆地 由非旋转平面式正断层控制的 地堑与地垒 由旋转平面式 正断层控制的 多米诺式掀斜半地堑 由铲式正断层控制的 半地堑 或 滚动式半 地堑 大量的油气勘探资料表明 正断层的几何形态可以是很复杂的 在盆地伸展构造中 的正断层亦可象逆断层一样由多个较陡倾斜的 断坡 和较缓的倾斜的 断坪 联接成台 阶状断层面形态 有的学者称之为连锁式断层系或 坡坪式 正断层 漆家福等 1995 盆地分析与模拟读书报告 中国地质大学 北京 指导老师 林畅松 2007 年 11 月 15 它控制了断陷半地堑和断坡凹陷的发育 非旋转的平面式正断层形成对称的地堑盆地 旋 转类正断层形成的盆地则表现为不对称的半地堑 在大陆地壳伸展区 由旋转类正断层控 制的半地堑类断陷结构是裂陷盆地的主要构造样式类型 在自然界的盆地伸展构造中 断层的几何形态和运动学特征并非一目了然 特别是控 制沉积凹陷发育的基底主断层 在油气勘探深度范围内的地震剖面上往往不能直接显示出 平面式 铲式或坡坪式的整体几何形态 从盆地结构等方面的信息区分基底主断层是否发 生旋转似乎并不困难 但对于同属于旋转类的正断层控制的半地堑类断陷而言 确定其基 底主断层的几何形态则是十分棘手的 如果半地堑断陷中被次级基底断层等构造复杂化 这一问题 断陷盆地则显得更加突出 多级的坡坪式正断层与铲式正断层的最大区别特征是断层上盘 可能发育一个比较完整的滚动背斜和与深部断坡对应的向斜 这种向斜构造称为断坡凹陷 或断坡向斜 一个伸展型断陷盆地中可以发育有多个平等排列的半地堑凹陷 另一方面 基底主断 层的几何形态在盆地演化过程中会发生变化 从而导致盆地的构造样式也发生变化 因此 在判别半地堑凹陷的边界断层属于铲式正断层还是旋转平面式正断层时 还应从不同时期 的盆地结构特征来进行分析 般地 随着伸展作用的渐进发展 基底主断层从非旋转一 种形式向旋转平面式 铲式 坡坪式等多种形式正断层方向演化的趋势 不同类型的基底 主断层及其断陷半地堑 所伴生的次级构造 包括基底次级断层和盖层断层等 有所不同 从构造组合及连锁断层系统角度来分析基底主断层的几何形态是很有必要的 常见的裂谷盆地的构造格架样式有以下几种 1 半地堑式 2 地堑式 3 下断上坳式 4 犁 铲 形断裂 多米诺断块 二 同生构造样式 同生构造 也称同沉积构造 生长构造 主要发育在伸展型或走滑伸展型沉积盆地内 表现为宽缓的褶皱和张性 张扭性断层 由于同沉积构造和生油凹陷的发育以及储集相带 的分布与油气聚集和圈闭的形成有密切的关系 因而受到人们普遍的重视 同沉积构造包括同沉积断裂和同沉积褶皱两种主要的类型 同沉积断裂又可以进一步 分为同生盆地边界断裂和同生盆内断裂 前者常常是更高级别的断裂 从形态上 同沉积 褶皱又可划分为同沉积向斜和同沉积背斜 同沉积褶皱可以在盆地基底古隆起的背景上发 育 盆地分析与模拟读书报告 中国地质大学 北京 指导老师 林畅松 2007 年 11 月 16 图 3 2 南阳盆地南阳凹陷的同沉积生长断层样式 以继承性背斜为主 多见于凹陷缓坡构造带和洼间等低隆起的顶部 在伸展背景下 同沉积褶皱常常受同生断裂控制而形成断裂伴生褶皱 断裂伴生褶皱类型有褶皱枢纽平行 于断裂走向的纵向褶皱和与断层大角度相交或垂直于断层的横向褶皱 关于同沉积断层的形成机制 主要有以下几种作用 坡折带单斜挠曲作用 使该区地层拉伸弯折 形成应力集中带 是同沉积断层发生的 主要诱因 另外 盖层呈单斜挠曲 在枢纽带上岩层的倾角与厚度有一突变 沉积物的荷 重是控制生长断层的另一主要因素 差异压实作用 在推进式三角洲的沉积岩系中 由于岩层的横向非均质性 受其上覆 堆积物的重力作用时必然出现差异压实 这是因为 砂岩与页岩的压实率不相等 他们的 原始体积与压实后的体积有一变化 砂泥两者之间体积变化最大的地方 出现在岩系中岩 性厚度变化最剧烈的位置上 差异压实作用的结果 使岩层以褶皱变动的形式开始 以断 层破坏作用而告终 重力蠕动滑动 蠕动滑移开始有一个平衡阶段 当重力分量超过了岩石的内聚力 滑 动而的摩擦力和边缘的摩擦力时 则开始沿层滑动 随着沉降幅度的增大 坡折带岩层的 表面曲率相应增大 使得水平分量增大 从而导致未固结的沉积物顺倾向移动 水平位移 的积累必然造成沉积物极大地蠕动而张裂 随后的蠕动滑移是连续活动的 运动幅度与地 层斜率和沉积重量的增加成正比 盆地分析与模拟读书报告 中国地质大学 北京 指导老师 林畅松 2007 年 11 月 17 图 3 3 箕状凹陷的发育过程 第四章第四章 裂谷型盆地的演化及石油地质特征裂谷型盆地的演化及石油地质特征 一 裂谷盆地的演化 板块运动过程中可能使大陆岩石圈板块内部某些特定区域受到引张 从而导致大陆岩 石圈减薄并形成裂陷 坳陷盆地或裂陷盆地 如果引张作用使整个大陆岩石圈裂开则形 成大陆裂谷 大陆裂谷进一步扩张和伸展 扩展中心形成新的洋壳时 大陆裂谷将向着 陆间裂谷 被动大陆边缘和大洋裂谷演化 发生在三叉裂谷系中的一支在伸展过程中可 能受到其他两支裂谷的扩张和伸展的限制 这一支大陆裂谷就衰退而演化成为坳拉槽 岩石团在引张作用下形成何种类型的裂陷盆 地 大陆裂谷或裂陷盆地形成后又如何进一 步演化 这会受到很多因素的影响 与大陆裂开和漂移作用有关的裂谷演化 盆地分析与模拟读书报告 中国地质大学 北京 指导老师 林畅松 2007 年 11 月 18 呈下列四条路线 1 大陆内裂谷 大陆间裂谷 大洋 2 大陆内裂谷 坳拉槽 3 大陆内裂谷 被动大陆边缘 4 大陆内裂谷 大陆内坳陷 1 大陆内裂谷 大陆间裂谷 典型的是埃塞俄比亚 红海 亚丁湾三联裂谷系 它们是由埃塞俄比亚 红海 南端 亚丁湾三联裂谷和苏伊士湾 亚喀巴湾 红海北端三联裂谷组成 其中埃塞 俄比亚为大陆内裂谷 红海南端和亚丁湾为大陆间裂谷 红海北部 占红海 1 3 比南部处于 更早的演化阶段 红海南部 占红海 2 3 比亚丁湾演化过程又差一些 至于红海北部裂谷 和其顶部的苏伊士湾和亚喀巴湾性质 红海北部为大陆内主裂谷 苏伊士湾为大陆内分支 裂谷 图 4 1 红海亚丁湾 埃塞俄比亚裂谷分布 亚喀巴湾发育平移断层 阻碍了苏伊士湾的发育 无论何种动力学机制 主动的或被动的 使岩石圈裂陷并形成大陆裂谷或裂陷盆地 当 地幔热物质上升并对裂谷轴部产生热底辟作用后 都有可能促使大陆岩石圈板块裂解成为 两个或多个板块 这时 原先的大陆裂谷的轴部形成新生的大洋地壳 并成为两个或多个 板块的离散边界 大陆裂谷则演变成为陆间裂谷 或原洋盆地 原洋盆地的裂陷作用主要 发生在新生的样壳部位 并且随着大样扩张中脊的形成和发展 陆间裂谷进一步拓宽 演 变成为以洋壳为底的新生大洋盆地 随着裂陷作用的持续发展 地壳性质和厚度 裂谷的 沉积充填物 火山岩成分以及热流值等在裂谷演化的不同阶段表现出不同的特征 反映裂 谷演化的不同程度 在中新世早中期 红海仍然是以大陆地壳上的地堑 半地堑 地垒 半地垒 构造为特征 并开始出现海侵式砂岩 后来又发育厚层蒸发岩 覆盖在渐新世碎屑岩之上 推测中新世 红海仍处于大陆内裂谷阶段 但大陆岩石圈厚度已经减薄到相当程度 直到上新世晚期在 中央海槽出现由拉斑玄武岩 辉长岩和辉绿岩组成的新的洋壳 其同位素年龄测定为 3 5Ma 属晚上新世 自此开始 海底扩张一直延续到现在 红海东南端的新生洋壳部分 已经与印度洋中的大洋中脊相连 热流密度高达 90 一 180 mW m 2 地温梯度在 28 50 Km 以上 从演化特征分析 红海南部的陆间裂谷是在热点和地幔柱使地壳隆起破裂 形成大陆裂谷基础上进一步海底扩张造成的 如果亚丁湾和红海进一步扩张 它们将在未 来的地质时期演化成为类似于大西洋的新生大洋盆地 勘探表明 石油主要分布在红海北部和苏伊士湾等大陆裂谷部分 陆间裂谷仅有一些 天然气显示 这是因为新生洋壳的出现及海底扩张使地温增高 导致石油破坏 盆地分析与模拟读书报告 中国地质大学 北京 指导老师 林畅松 2007 年 11 月 19 图 4 2 大陆内裂谷演化为大洋盆地的示意图 据 Salveson 1978 2 大陆内裂谷 坳拉槽 并非所有的裂谷都会不断的扩张成为新生洋盆 特别是三叉裂谷系中 随着其中的两 支裂谷扩张到出现新生洋壳并进一步演化成为新生洋盆 另一支裂谷的扩张可能会受到限 制而停止扩张 成为衰退裂谷 衰退裂谷与新生洋盆 被动大陆边缘相连 但是当洋盆发 生俯冲作用 继而使被动大陆边缘演化成为碰撞造山带的一部分时 先前的衰退裂谷成为 自造山带伸向大陆克拉通内部的坳拉槽 衰退裂谷一般位于被动大陆边缘的凹角处 在新 盆地分析与模拟读书报告 中国地质大学 北京 指导老师 林畅松 2007 年 11 月 20 生洋盆的扩展过程中 衰退裂谷不再发生裂陷沉降而发生热沉降 并可能成为大陆地区的 物源输入大陆边缘的通道 在洋盆俯冲消减直至发生大陆碰撞的过程中 衰退裂谷还可能 发生一些轻微的挤压构造作用 但由于衰退裂谷的方向与俯冲 碰撞过程中板块的运动 方向近于平行 所以一般还能较完整地保留裂谷时期的地层层序和基本的构造形态 最终 成为坳拉槽 贝努埃凹槽裂谷系南段和尼日尔盆地是这样大陆内裂谷 坳拉槽演化的实例 贝努埃凹槽裂谷的西北为上几内亚隆起 东南为刚果克拉通西北的喀麦隆隆起 均为 前寒武系的变质岩系 裂谷从乍得盆地南端经贝努埃凹槽至尼日尔三角洲 在早白垩世末 至始新世产生 它们可能甚至向北东方向延伸 为特提斯海和大西洋的通道 同时因北西 构造线的影响 出现一些北西向的海湾 美国南部的俄克拉荷马盆地就是一个自奥契塔褶皱带向北西伸向北美克拉通内部的坳 拉槽 它经历了中 晚寒武纪时期的大陆裂谷 晚寒武世 密西西比纪时期的坳陷和 宾夕法尼亚纪的变形后保留下来 形成一个典型的大陆内裂谷 坳拉槽演化序列 图 4 3 俄克拉荷马盆地大陆内裂谷 坳拉槽演化示意图 3 大陆内裂谷 被动大陆边缘 大陆裂谷演化成为陆间裂谷 新生大洋盆地后 裂陷扩展主要发生在新生洋中脊部 位 早先被裂陷的大陆地壳部分不再发生显著的裂陷作用 成为向新生洋盆过渡的被动大 盆地分析与模拟读书报告 中国地质大学 北京 指导老师 林畅松 2007 年 11 月 21 陆边缘 根据沉积环境和沉积物类型 物源供给情况 被动大陆边缘分为陆阶 斜坡 陆 隆型和陆堤型两种 前者主要是陆源碎屑供给不充分 在陆阶上发育碳酸盐岩 页岩相沉 积 在斜坡脚和陆隆上发育浊流相沉积 后者有大量的陆源碎屑供给 且波浪和洋流对输 入大陆边缘的沉积建造的破坏性较小 使沉积层序 主要是三角洲 滨岸体系沉积物 不 断向海洋部分推进 发育何种类型的被动大陆边缘可能与很多因素有关 包括物源供给 洋流 构造活动等等 Dickinson 1978 给出的被动大陆边缘模式中将陆堤看作是陆阶 陆隆进一步演化的产物 大陆裂谷的肩部 陆间裂谷的大陆边缘 由于受裂谷轴部地幔上 涌的影响而处于隆升剥蚀状态 随着新生洋盆的扩展 早期裂陷的大陆岩石圈逐渐发生热 衰减而引起沉降 被动大陆边缘发生海侵形成陆阶一陆隆沉积盆地 随着物源区范围扩大 和水系的发育 大量陆源碎屑被带到被动大陆边缘 陆阶一陆隆沉积盆地逐渐演化成为陆 堤沉积盆地 现今的大西洋两岸边缘是被动大陆边缘 很多地区在被动大陆边缘沉积层序 之下仍然保存有早先的大陆裂谷或裂陷盆地沉积层序 巴西东部雷康卡沃 坎波斯 塞尔希培一阿拉戈斯和圣埃斯皮里托等盆地 非洲西部 加 蓬 宽扎和下刚果等盆地都是大陆内裂谷 被动大陆边缘的实例 4 大陆内裂谷 大陆内坳陷 大陆裂谷或裂陷盆地发展到一定程度后可能不再进一步裂陷扩张了 早先因裂陷作用 减薄的岩石图在热衰减过程中还会引起地表裂陷而形成碟状的沉积盆地 可以称为坳陷盆 地 这种位于克拉通内部 在先前的裂谷或裂陷盆地基础上形成的大陆内部坳陷盆地 也可以 称为克拉通盆地 但是克拉通盆地的涵义更为广泛 泛指克拉通内部发育的坳陷盆地 其 中有些显然不是在大陆裂谷或裂陷盆地基础上演化而成的 由大陆裂谷或裂陷盆地演化而 成的大陆内坳陷盆地 其范围一般比早先的裂陷盆地范围更大一些 早期强烈坳陷 晚期 沉降速率明显衰减 期间还伴随有区域性隆升 表明盆地的形成与演化在很大程度上受大 陆裂谷时期的岩石圈减薄的影响 东欧地台上的中俄罗斯盆地 西西伯利亚盆地 北美地 台上的密歇根盆地 北海盆地等都是由大陆裂谷演化成为大陆内部坳陷盆地的实例 我国 的松辽 渤海湾等裂陷盆地也是沿着大陆裂陷盆地一大陆内勘陷盆地这一途径演化的 2 断陷发育阶段 陆壳 陆壳 3 拗陷发育阶段 陆壳 1 初始张裂阶段 洋壳 洋壳 洋壳 上地幔 上地幔 上地幔 图 4 4 中国东部中新生代裂谷盆地演化模式 裂谷盆地一般可划分为三个阶段 初始张裂阶段 断陷阶段和坳陷阶段 如下图为中 盆地分析与模拟读书报告 中国地质大学 北京 指导老师 林畅松 2007 年 11 月 22 国东部中新生代裂谷盆地的演化模式图 图 4 5 裂陷盆地的演化序列 二 石油地质特征 裂谷盆地是一类很重要的油气储集盆地 也是勘探研究的重点 具有以下特征 1 油气生成特征 烃源岩可以有碳酸盐岩 泥页岩 源岩厚度大 有机质以水生生物为主 且丰富 分 盆地分析与模拟读书报告 中国地质大学 北京 指导老师 林畅松 2007 年 11 月 23 布广 类型多的特点 地热梯度高 利于有机质向油气的转化 2 储盖组合特征 坳陷型裂谷在稳定沉积环境下 储集层发育规模大 横向稳定 成熟度高 断陷盆地 在块断运动作用下发育规模小 横向变化大 储集层成因类型多 盖层岩石类型多 主要 为泥质岩类 盐岩 膏岩及致密的碳酸盐岩 生储盖组合在裂谷前期为新生古储组合为主 断陷期为自生自储式组合为主 而裂谷后期以古生新储组合为主 3 运移特点 裂谷盆地中油气运移既存在侧向运移又存在垂向运移 但以垂向运移为主 断裂带控 制了裂谷盆地中油气田的地理分布 裂谷盆地断裂体系发育 油气纵向运移十分活跃 有 多期运聚 重新分配 多期成藏的特点 油气往往沿断裂向上运移 在断裂两侧富集 纵 向含油气井段长 9 8 7 6 5 4 3 2 1 11 10 N Ed Es1 Es2 3 Es4 图 4 6 断陷盆地油气藏分布模式 4 油气分布特征 裂谷盆地油气藏类型多 图 9 4 主要有背斜油气藏 断块油气藏 岩性油气藏 地 层不整合油气藏 地层超覆油气藏 坳陷型裂谷盆地中部 一般发育与基底活动有关的背 斜油气藏 断块油气藏 断陷盆地陡坡带则主要发育滚动背斜油气藏 断块油气藏 地层 超覆油气藏 洼陷带岩性油气藏发育 缓坡带则以岩性上倾尖灭油气藏 断块油气藏 地 层不整合油气藏 地层超覆油气藏为主 结 论 1 伸展盆地内可简单划分为大陆裂谷系 大洋中脊裂谷和过渡型或陆间裂谷 按其成 因又划分为主动裂谷和被动裂谷 2 裂谷盆地也称伸展盆地 是地壳或岩石圈在引张作用下减薄 破裂和沉陷形成的盆 地 伸展构造是指在区域性引张作用下形成的各种构造变形 裂谷盆地和构造所形成的背 景可以是各种不同的构造环境下 如重力滑动 拉张 挤压 扭动和上拱等条件 并可出 现在岩石圈演化或威尔逊旋回的各个发展阶段 3 裂谷盆地不是单一的 狭长的地堑 而是 系列线状或雁行状 常为非对称的地堑 这些地堑是沿裂谷增生时传播伸展的结果 4 裂谷盆地的演化受到多种因素的影响 控制裂谷形成的主要因素有 岩石圈的拉伸 变薄