板块构造与沉积作用.ppt

板块构造与沉积作用板块运动对沉积条件的控制长期以来 沉积学理论都是与地槽一地台学说紧密联系的 但是过去的地槽概念实际是一种推断解释 板块学说的诞生 为沉积学提供了已有的任何构造学说无可比拟的更合理的理论基础 迪金森 Dickinson 1974 正确指出 尽管板块构造学说对岩石圈水平运动作了十分恰当的强调 但它也为解释地壳和岩石圈大规模垂直运动提供了至今最好的理论根据 因此 从沉积作用观点来看 把对水平运动的强调看作是板块学说的潜在弱点的看法是个误解 板块相互作用所引起的附带的垂直运动 完全能够满足沉积盆地及其起源方面数据的需要 板块水平运动引起地厚度 热状态和均衡平衡条件的改变而实现的 第一节裂谷带的沉积作用一 裂谷带的构造特征及成因与板块离散运动有关的沉积 是以在伸展构造 extensionaltectonics 或裂陷作用 taphrogeny 下产生的地堑或半地堑中的沉积为特征 Hallam 1981 它们都发生在通常所说的裂谷带中 包括大陆裂谷带和大洋裂谷带以及其间的过渡型环境 1 裂谷的概念裂谷 Riftvalleyzone 一词首先由Gergory 1894 提出 应用于典型的东非裂谷 早期的裂谷概念为 由地壳断裂作用所产生的地形洼地 也有人称之为地堑 但裂谷主要是与火山活动和地震活动有关的断陷带 近年来 板块构造学者常用于指有火山活动和地震活动的全球裂谷系和洋中脊系 Burke 1980 将这一概念修改为 整个岩石圈厚度在伸展中破裂了的地域上的狭长凹陷 实际是一种大型伸展构造 2 裂谷带的特征 1 几何特征Riftvalleyzone是位于陆上或水下的一系列狭长且中央深陷的谷地 盆地或海湾 其发育在往往伴有三联构造的地幔隆起背景上 经常沿袭古老的断裂呈锯齿状或雁行状排列 裂谷带的边界可以是一对平行的 彼此相向倾斜的正断层 也有逆断层 或阶梯状断层系 也可以只在一侧有主干断层系 另一侧则不能肯定其边界是一断层或一个陡的单斜挠曲 裂谷的内部结构复杂 有的是对称的或不对称的V形地堑 有的为半地堑或一系列向一侧倾斜的断块带 有的则是两个地堑夹一个地垒或地堑与地垒相间成群的盆岭构造 2 地球物理特征 莫霍面隆起 地壳变薄 软流圈较浅和有异常上地幔存在 明显的高热流和负的布格重力异常 亦有正的布格重力异常 3 运动学和动力学特征在拉张应力场作用下 岩石圈的伸展应变和来自深部的热地幔上涌 2 形成机制 地幔上涌是裂谷形成的决定性原因 地幔上涌导致了岩石圈的伸展应变 强调拉伸的应力作用是裂谷形成的又一决定性原因 二种伸展构造模式 尽管观点有所分歧 但都肯定了裂谷带的演化是在热和拉张应力作用下与地壳和岩石圈的伸展应变及伴随的变薄作用紧密联系的 Wernicke 1981 3 裂谷的演化阶段 初期裂谷作用之前的岩石圈裂前拱起阶段 此阶段往往伴有大面积的陆相碱性和次碱性玄武岩 陆内裂谷或大陆裂谷阶段 此阶段因岩石圈的向下陷落而变薄 上部产生listric效应和塑性流动伸展 出现陆内裂谷盆地 初始离散阶段 当岩石圈上部伸展变薄已达到软流圈等势面时 软流圈物质沿裂谷轴部贯入 溢出 新的洋壳开始形成 形成狭窄的大洋盆地或陆间裂谷盆地 海底扩张阶段 此阶段形成开阔的大洋和成对裂开的大陆边缘一大西洋型 被动 大陆边缘 4 裂谷的成因大量事实证明 在拉张应力作用下岩石圈的伸展应变和来自深部的热地幔上涌 是共生于裂谷带的彼此密切关联的两个基本特征 基于此 由于所强调的侧重点不同 对裂谷的形成机制产生了不同的解释 一种认为 地幔上涌导致岩石圈的伸展应变 地幔上涌是裂谷形成的决定性原因 Bott 1982 在论证大陆分裂机制时也强调 地壳拉张不是东非裂谷形成的主要原因 而是由于热地幔上涌 通过热点活动使热散失 引起火山和热而薄的岩石圈均衡隆起 结果发生了地壳拉张 因此 大陆分裂似乎是来自深部的热在大陆岩石圈突然释放的结果 另一种观点则强调拉张的应力作用是裂谷形成的决定性原因 二 陆内裂谷的沉积作用1 沉积条件陆内裂谷盆地的沉积作用主要是在下列条件下发生的 大陆地壳的不断变薄而使盆地沉降 同时 两侧陆块的不断剥蚀和盆地中沉积物的不断堆积也使岩石圈均衡沉降 不断隆起的大陆断块是主要的蚀源地 供应了大量不成熟的石英一长石砂或长石砂 往往还伴随有大陆火山喷发物质 沉积主要在大陆环境中发生 形成河 湖相碎屑沉积 晚期也可以有海水浸入而形成海陆交互相及滨 浅海相碎屑岩 碳酸盐沉积 基底断块的差异性活动对岩相和厚度的分布有很大影响 2 物质成分石英一长石或长石砂岩 晚期可有海陆交互相及滨海 浅海相相的碎屑岩 碳酸岩等沉积 3 岩石组合以与碱性或拉斑玄武质陆相喷发岩呈互层的大陆红层为特征 除大量碎屑沉积物外 可含泥灰岩 碳酸岩 膏盐 含铜砂岩 煤 石油 天然气等 厚度达数千米 许多现代的大陆裂谷带都具有上述沉积特征 例如 东非裂谷带 侏罗 白垩纪处于裂前拱或裂谷初期阶段 有大量的大陆碱性喷发岩 中新世以来是裂谷活动的主要时期 有多次陆相的碱性喷发 在地堑盆地中堆积了以冲积扇和湖相沉积为主的碎屑 火山碎屑沉积 厚可达2000米 贝加尔裂谷活动主要在晚第三纪 形成以湖泊 沼泽及河流相为主的碎屑沉积 伴有不多的碱性火山岩 厚达3000 5000米 山西的汾渭地堑 裂谷作用始于古新世 在南部 上新世达到高潮 并形成统一的裂谷 盆地中堆积了厚达六 七千米的陆相红色碎屑沉积 在北部有多次碱性玄武岩喷发 华北平原 这个长方形的断陷盆地 刘训等 1981 及许多人研究后认为是白垩一早第三纪的古裂谷 其中有五千条北北东和北东向正断层 将盆地切割成无数大小不等 线性展布 隆坳相间的地垒一地堑系 与美国西部的盆一岭构造相似 盆地从早白垩世开始形成 早第三纪是裂谷发展主要时期 伸展断层效应使基底水平拉开约57 7公里 伸展量16 平均每年伸展1 63毫米 下第三系主要为红色及灰绿 灰黑色泥岩 砂岩 泥质砂岩互层系 下部夹多层亚碱质拉斑玄武岩及碱性玄武岩 中上部有生物灰岩 鲕状灰岩 卢石膏 岩盐 油页岩及煤 厚达四 五千米 它们是在干旱和潮湿气候交替 一度与海水相通的内陆河湖环境中形成的 晚第三纪以来 华北由主张应力场转变为主压应力场 结束了裂谷阶段 盆地大面积整体沉降 形成厚千米的河湖相泥砂岩 第四系中还夹有少量玄武岩及凝灰岩 三 陆间裂谷盆地的沉积作用1 沉积条件陆间裂谷的沉积是在过渡地壳或洋壳基底上堆积的 这种远比一般陆壳薄很多并在继续变薄的基底 以及在变薄同时地壳中发生的失热沉降 是弓I起盆地沉降和海水侵入的主要原因 据迪金森 Dickinson 1974 的意见 过渡地壳的产生 一方面是通过陆壳的伸展变薄 形成厚度薄于一般陆壳但性质与陆壳相似的准大陆地壳 Quasicontinentalcrust 另一方面 由于凹陷内的火山活动和同期的沉积作用 形成了包括熔岩流 岩墙 岩床和海相沉积等火成组分与沉积组分相混杂的地壳剖面 从而产生一种厚度大于一般大洋地壳但属于大洋性质的准大洋地壳 Quasioceaniccrust 以洋壳或准洋壳出现为标志的大陆板块的分离 不是一下子沿裂谷全线同时彻底完成的 在初期 海水很可能是部分地或断断续续地淹没裂谷基底 形成类似于红海的原始大洋海湾 Proto oceanicgulf 盆地 其基底主要是准陆壳 也有准洋壳 随后 新洋壳沿裂谷全线开始形成时 两个大陆板块彻底分离 海水贯穿全线 形成窄大洋 Narrawocean 基底主要是准洋壳及大洋壳 2 沉积特征海湾的环境以及盆地边缘存在的可阻挡陆源碎屑进入盆地的倾斜断块隆起 在适宜的气候带中 盆地的这种受限制的条件将促使蒸发岩形成 于是 熔岩 蒸发岩和在此之前的陆内裂谷红层一起 构成了红层一熔岩一蒸发岩组合 如果 有河流携带着来自两侧陆块的大量碎屑流经海峡而进入裂谷盆地 或者盆地受限制的条件消失而窄大洋已经出现 就会缺乏蒸发岩 三角洲沉积将向盆地内延伸 越过三角洲前缘的碎屑物质可以形成浊流沉积 于是产生红层一熔岩 浊积岩组合 红海是陆间裂谷的典型代表 它沿阿拉伯隆起轴部地带分布 这个前寒武系基底隆起幅度约5公里 宽2000公里 红海呈北西向延伸 它与北东向延伸的亚丁湾裂谷及东非裂谷构成一个三联构造 三联点位于埃塞俄比亚的阿法尔附近 红海裂谷长约2000公里 宽180 360公里 阿法尔附近宽仅28公里 轴部海槽的水深超过千米 其宽为4 30公里 裂谷活动可能在中生代末期和新生代早期开始 最初在埃塞俄比亚等地有碱性橄榄玄武岩的广泛溢出 形成高原的溢流玄武岩 渐新世和中新世可能处于陆内裂谷阶段 形成厚达5公里的红层和蒸发岩 局部地方有玄武岩与沉积物成指状交错 经过中新世末的构造运动 表现为角度不整合 上新世开始进入陆间裂谷阶段 伴随着玄武岩 辉绿岩和辉长岩组成的新洋壳的形成 又形成大量的蒸发岩 泥质岩及海相软泥 火山碎屑等沉积 总体构成红层一熔岩一蒸发岩组合 四 坳拉谷盆地的沉积1 坳拉槽 aulacogen 的形成在裂谷的初始离散阶段 三向联结的裂谷体系不是同等发育的 其中两枝有离散作用而向前发展成陆间裂谷 进而演化成大洋裂谷 第三枝则因热地幔柱衰退或大陆漂移而使裂谷位置离开地下热柱 地幔上涌终止 不发生离散作用 导致热散失 壳下收缩 原有的地堑形式无法保持而转入大面积沉降阶段 形成aulacogen 注 三联点 三个板块的会聚点 即三个板块相汇在一起形成的三联构造 2 aulacogen的演化阶段 前期或地堑阶段 包括坳拉谷发育前的裂前拱起阶段和陆内裂谷阶段 早期或挠曲下翘阶段 此期先前的热地幔隆起消失 导致壳下失热收缩和地堑趋向消亡 使岩石圈在宽广范围内大幅度向下弯曲 大量的堆积也促使岩石圈进一步均衡沉降 于是 狭窄的地堑转变为宽阔的拗陷 沉积范围扩大到地堑之外 这个阶段是坳拉谷发展的主要阶段 持续时间达数千或数亿年 基底沉降深度和沉积厚度达1 2km至5 15km 晚期或逆转阶段一地槽后挤压阶段 其特点是从拉张转为挤压 沉积物变形 局部有磨拉石建造形成 3 沉积特征前期和晚期阶段以陆相碎屑为主 挠曲阶段以海相 海陆过度相和碳酸岩沉积为主 第二节被动陆缘 大陆边缘裂谷 的沉积作用一 大陆边缘的类型按照板块构造观点 大陆边缘可分为两种类型 即被动型 稳定型 离散型 拖曳型 大陆边缘 大西洋型大陆边缘 和活动 主动 型大陆边缘 太平洋型大陆边缘 1 被动型大陆边缘指大陆向大洋过度的一个广泛地带 包括大陆架 大陆坡 陆隆在内 这里没有海沟 没有俯冲带 没有岛弧 地壳为大陆地壳 大洋地壳的过度带 2 活动型大陆边缘可以分为两类 安第斯型大陆边缘 沿海岸发育一巨大的山系 山弧 外侧有俯冲带和海沟 典型实例是南美的安第斯山 岛弧型 靠近大陆边界有一岛弧 岛弧和大陆之间是边缘海盆地 岛弧外是俯冲带和海沟 典型实例是西太平洋岛弧区 二 被动大陆边缘的基底地质构造 基底主要由自陆向洋的过度型地壳组成 厚度在8 25km之间 陆隆之下则全部转为洋壳 陆隆和陆坡之下 普遍有一个厚数公里的纵波速度为7 1 7 4km sec的地震层 被认为是地下深处密度已经增大的洋壳代表 基底中有许多产状上陡下缓凹面朝上的铲式正断层 在未变形沉积物之下的地堑中 普遍有厚度超过5km并己变形的裂谷期红层一蒸发岩 自大洋中脊延伸过来的转换断层 使大陆边缘被沿走向分割成若干盆地 ProfileofdeepstructureofcontinentalshelfoffAtlanticcoastofeasternNorthAmerica typicalofpassivecontinentalmargins Basedongravity magneticsandseismicdata Criticalpointsregardingthisprofileare a thelargethicknessofpost riftsedimentsofMesozoic Tertiaryage upto15km and b thatmostofthesesedimentsareshallow watertype Note volcanicsandevaporitesandreef orcarbonatebanks 三 被动大陆边缘的沉积作用被动大陆边缘的沉积物沿大陆边缘成延伸很远的基本连续的长条状 在剖面上为分别向大陆和大洋两个方向尖灭的透镜体 促进被动大陆边缘沉降的主要因素是 岩石圈的伸展变薄 大陆分离之后 岩石圈随时间的延续产生的失热沉降 开阔大洋出现后 陆坡和陆隆上的沉积负载 陆坡和陆隆之下洋壳物质转变为高密度矿物相引起的岩石圈挠曲沉积 沉积作用主要有以下三种 A 早期热构造沉降形成的底部碎屑岩相 B 均衡挠曲沉降为主时期的成熟相 在底部碎屑岩相之上有堆积了新的陆架及海陆交互相沉积 岩石有碳酸盐岩 石英砂岩以及蒸发岩 煤 石油等 C 迭覆沉积透镜体的大陆填方 其是由于陆隆向上堆积 陆架向海建造形成的迁移迭覆 每个透镜体都是河流三角洲和滨海相的沉积物 沿斜坡向下过度为富有机质的三角洲相和陆坡相 随后又过度为浊流相 四 大洋裂谷 洋中脊的沉积作用沉积物有 生物成因的软泥 粉砂 砂质沉积 火山源和陆源的碎屑沉积 随着距洋中脊的距离加大 沉积厚度逐渐加大 第三节活动大陆边缘的沉积作用一 两种活动大陆边缘的几个构造单元 一 洋内弧沟系1 海沟 Treach 2 俯冲杂岩或消减杂岩 Subductioncomplex 3 弧一沟间隙 Arc Treachgap 一在此形成弧前盆地 4 岩浆弧 靠海一侧是由没有火山活动的前弧或分缘弧 fontalarc 靠陆一侧由成串的火山构成火山链 弧内可能在构成岩浆弧基底地壳的地堑构造中出现弧内盆地 intra arcbasin 5 弧后区 主要有残留弧 边缘海盆地和弧间盆地 二 安第斯型一陆缘弧沟系二 海沟的沉积作用1 沉积条件海沟并非笔直延伸很远 走向 往往被海脊分割而呈菱形 海沟外坡存在许多与沟轴斜交的断层 地堑和地垒 断裂 挠曲或小海脊 在中美洲海沟的一些海脊上 有明显的磁异常带 并证明其为原始的 俯冲板块的下弯和沉降首先使这些原有的断层重新复活 2 沉积物 由俯冲板块带来的深海盆地沉积物 在海沟处形成的半深海和深海相的浊积岩等碎屑岩 主要成分是粉砂和粘土及部分火山灰 通常盖在第一层之上 海沟沉积物的厚度很少有大于1公里的 沉积物的年龄很少有大于l00m y的 三 滑塌堆积与混杂堆积 olistostromeandmelange 1 olistostromeolistostrome又译为滑来层 滑坡层 滑积岩或泥砾岩等 概念 由混杂无序且内部混合不同类物质 如石块和泥 的物体所组成的一种沉积体 这种沉积体由水下重力滑动或塌落的松散沉积物聚集成的半流体沉积而成 它是一种缺乏真正层理但夹在正常地层序列之中的透镜状沉积单元 包围在滑塌堆积基质中的滑塌块 olistolith 是由水下重力滑动或塌落而搬运来的外来块体或其它岩石块 其大小由砾石级到数立方公里 该概念是由G Flores 1955 在研究西西里第三纪的滑塌堆积时提出的 沉积条件 出现在陡的地形环境中 如海沟内壁的台阶状沉积盆地 沉积物特征 a 由沉积物 火山物质及变质岩砾石等组成 b 可堆积半深海软泥 火山夹层及陆源粗粒浊积岩等 2 melange原译为混杂岩 李春翌 1980 建议将其译为混杂堆积 melange一词是由Geenly 1919 引入地质学中的 melange一词是许靖华 1968 用于研究佛郎西斯科混杂堆积时将赋予了板块构造的特殊涵义 概念指一种含有外来和原地的 各种大小不同的碎片和岩块并经构造嵌入到遭受更大破坏而已碎裂和普遍剪切的韧性基质中的地质体 或者理解为一种普遍剪切的韧性基质与被构造破碎的外来的和原地的岩块共生在一起的地质体 沉积特点a 不同时代 不同来源 不同种类的岩石相混杂 有海沟原地形成的浊积硬砂岩 粉砂岩 砾岩 也有俯冲板块上的硅质放射虫等大洋沉积和枕状玄武岩 辉绿岩 蛇纹岩 橄榄岩 榴辉岩等 洋壳地幔的碎块 还可有数量不多的海沟内壁上的蓝闪片石岩及其他基底岩石 基质主要为洋壳的射绿岩质以及海沟和大洋中沉积的泥质岩等 b 岩块的大小和形状差别很大 并且是构造作用形成的 其大小可从显微碎片到数公里不等 形状有透镜状 菱形及其他不规则形状 其边界常为断层面或滑动破裂面 C 基质普遍遭受剪切 基质中破裂面发育 显得非常破碎 挠曲 甚至塑性流动 出现错综复杂的褶皱 3 differencebetweenmelangeandolistostrome K J Hsu 1980 产生的水动力条件不同 滑塌堆积是沉积作用产生的 混杂堆积是构造作用形成的 基质的力学状态不同 滑塌堆积的基质滑动是泥砂而不是岩石 因富水而象烂泥一样流动 混杂堆积的基质是页岩 它之所以流动 是因为页岩在高压下发生塑性流动 岩块的成因不同 滑塌堆积的岩块是崩塌 滑动过程中打碎的 并且主要是来自海沟内壁的岩石 而混杂堆积的岩块是俯冲过程中俯冲板块基底断片楔入或高度剪切作用下破碎裂解而成的 大多数岩块的外形基本上反映了形成时的断裂网络 滑塌堆积是一种地层单元 一层状或似层状产出 层序正常的厚度在1Km 它的上下均为普通的沉积物 彼此间为沉积接触 而混杂堆积则为一个构造单元 它以冲断岩片的形式产出 其上下是普遍未被剪切的建造 其间为断层接触 层序和厚度均无法确定 滑塌堆积象沉积岩一样 只需要很短一段地质时间就可形成 而混杂堆积的形成则是整个剪切运动所经历的时间 起可长可短 滑塌堆积虽多见于造山带 但可在十分不同的构造环境中形成 只要有陡坡或地震活动就可能形成 其分布范围受古地理格架限制 混杂堆积是板块俯冲的重要标志之一 且有重要的板块构造意义 它发育是区域性的 有的是可达数千Km2的地质体 郭令智 1977 指出 在滑塌堆积区 可以看到滑塌堆积逐渐过度到序粒的浊积层 而在混杂堆积区 可以看到不同发育程度的碎裂和混杂作用 从内部完整的岩片过度到碎裂建造 然后过度到普遍剪切和紧密混杂的混杂堆积 四 弧 沟间隙 弧前盆地的沉积1 沉积环境弧沟间隙的沉积作用主要发生在海沟坡折处与岩浆弧之间的地区 弧前盆地中 基底各地不一 有陆壳 过度壳 也可以有残留洋壳 弧前地貌复杂 沉积相空间变化大 2 沉积特征弧前地貌环境复杂 其沉积物也复杂 可出现河流三角洲相 滨海相 陆架相以及显示横向水流迹象的海底浊积扇和显示纵向水流迹象的充满海槽的浊积相 物源主要来自岩浆弧 不仅有火山岩 也有隆起剥蚀而来的深成岩和变质岩 理想的弧前盆地沉积序列是 底部为大洋或岩浆弧的火山岩 深成岩 它也可能是沉积盆地的基底岩系 下部由深水蒙脱石质页岩 火山灰和少量细的浊积岩组成 向上逐渐变为较粗的浊积岩 陆架碎屑岩 并可出现碳酸岩盐 如果盆地逐渐变浅 上部可出现三角洲 滨海及陆架相碎屑沉积 五 岩浆弧和弧内盆地沉积1 岩浆弧岩石组合的三种成因类型 Dickinson 1974 喷发中心及其附近的中心相和近源相 主要是熔岩 火山碎屑岩及某些沉积岩呈互层产出 呈沉积物裙或沉积盖层层产出的火山碎屑岩为主的分散相 沉积在弧边的海盆相 2 弧内盆地的沉积 沉积条件弧内盆地通常平行于弧的走向延伸 是以断层为界的拉伸盆地 基底为过度型地壳或陆壳 与深部岩浆上升使地壳隆起产生的拉张有关 也可与同构造原因的局部沉降有关 沉积特征物源来源与岩浆弧 物质成分以火山碎屑和深成岩为主 可包括陆相层到深水浊积岩序列 六 弧间盆地的沉积1 沉积条件由弧内扩张演化而致 而残留弧就是岩浆弧分离出去的残留地质体 故有扩张 有高热流 2 沉积特征几乎没有陆缘沉积 沉积物主要是来自岩浆弧的火山碎屑浊积层以及生物成因的钙质 硅质软泥 靠近残留弧处还可以有铁锰结核 在某些地方还可有枕状玄武岩 玄武岩的性质可能为大洋拉斑玄武岩 一部分可能为岛弧型 七 边缘海盆地的沉积1 沉积条件位于大陆与岛弧或残留弧之间 广义的边缘海盆地包括了弧间盆地 2 沉积特征现代西太平洋大陆边缘的许多研究表明 边缘海盆地的沉积与被动大陆边缘的沉积特征相同 但在许多边缘海盆地是陆缘弧或大陆边缘地壳裂陷扩张形成的 其演化则与裂谷带相似 八 边缘海盆地 弧间盆地的形成机制 是沟 弧 盆体系的成员 其成因与俯冲作用有关 盆地为拉伸应力状态 有不同程度的扩张作用 弧后区有大面积的高热流区存在 说明有大规模的热异常地幔存在 九 弧后前陆盆地的沉积1 一般特征位于陆缘山弧或陆缘岛弧后紧邻的大陆板块周围 基地全为大陆地壳 这个盆地对岩浆弧而言是弧后盆地 而对大陆板块而言则是前陆盆地 前陆盆地有如下特征 在大陆地壳之上 有一个特征的前陆冲断带 代表挤压应力状态 褶皱冲断带位于盆地边缘弧侧与弧平行 向盆地 弧后 逆冲 沿褶皱带可以有向大洋倾斜的震源带或