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沉积盆地

沉积盆地(Sedimentary basin)主要是由地壳构造运动引起,并陆续接受沉积物充填的地质单元,它以周边高(山地或高原)、中间低(平原或丘陵)的盆状地形为其基本地貌特征。沉积盆地的沉降和充填时间通常能持续较长的地质时期,并达到相当大的厚度。其间可经历沉降—抬升—再沉降等多期构造运动,断裂发育,构造复杂。

沉积盆地的成因与地壳下沉有关。沉积盆地按平面形态的不同可分为盆形、海湾形和海槽形三种;按板块构造划分可分为五个大类型,分别为与板块扩张带有关的盆地、与板块俯冲带有关的盆地、与大陆碰撞带有关的盆地、与转换断层带有关的盆地、克拉通内盆地。据盆地形成动力学系统的三类应力环境,将沉积盆地分为裂陷盆地、压陷盆地、走滑盆地三大基本类型,对应的控制构造依次为正断层系、逆断层系和走滑断层系,力学机制分别为拉张应力、挤压应力和剪切应力。

沉积盆地是地球表面的长期沉降区,大多数盆地的充填体厚度小于20km,它的沉降机制主要与地球内部相对刚性、具有冷的热学边界层岩石圈活动有关。造成盆地沉降的主要机制包括拉张等作用造成的地壳减薄、岩石圈的冷却作用、沉积和火山等负载作用等。沉积盆地在地球表面分布范围广,以面积大于1000km²、沉积岩厚度大于1000m统计,全球约有974个沉积盆地,其中陆上盆地523个,海上盆地451个,这些沉积盆地大约90%是在中、新生代形成。沉积盆地内部蕴藏着十分丰富的矿产资源,如铁矿铅锌矿铜矿

定义

沉积盆地(Sedimentary basin)主要是由地壳构造运动引起,并陆续接受沉积物充填的地质单元,它以周边高(山地或高原)、中间低(平原或丘陵)的盆状地形为其基本地貌特征。沉积盆地既可以接受从物源区搬运来的沉积物,也可以充填相对近源的火山喷发物质,当然也接受由原地化学、生物及机械作用形成的沉积物。因此,沉积盆地既可以是大洋深海和大陆架,也可以是海岸、山前和山间地带。从构造意义上来说,沉积盆地是地表相对下降的地区;相反,地表除沉积盆地以外的其他区域都是遭受侵蚀的剥蚀区,即沉积物的物源区,这种剥蚀区是构造上相对隆起的地区。隆起区遭受剥蚀,剥蚀下来的物质向沉积盆地迁移,并在盆地中堆积下来,这实际上就是一种均衡调整(或称补偿)作用。

形成原因

沉积盆地的成因与地壳下沉有关。据板块理论,地壳升降主要是由于地幔密度的变化和地表负载作用而引起的,这些因素可以使地壳厚度、热状态和均衡平衡条件发生改变,从而导致地壳隆起或沉降。在岩石圈的重力均衡作用下,地壳变厚可使地表隆起,地壳变薄则使地表沉降。在板块离散运动带,地壳因拉伸而变薄,形成大陆或大洋裂谷盆地。

新生的洋壳随着海底扩张的进行,因大量散热而发生冷却收缩,密度增大,产生大规模沉降。在板块敛合运动带,地壳因推挤、堆叠而形成巨大的构造负载。板块的俯冲产生俯冲杂岩负载。此外,在被动大陆边缘堆积着向海加厚的沉积负载(沉积棱柱体)。地表的负载可使岩石圈发生挠曲下弯,引起基底显著沉降。上述各因素都可能使地壳下沉,引起或促进盆地的形成,但盆地的形成不是某一单一因素引起的,往往是由几种因素共同作用、相互配合的结果。

基本特点

1.在地貌上表现为周边高(山地,高原),中间低凹;

2.在同一高程水平上表现为周边地层时代较老,中间地层时代较新;

3.就同一层位地层来看,周边埋藏较浅,中间埋藏较深;

4.就现代水体而言,现代可有可无,但在地史上曾经存在过;

5.就沉积作用来看,现代可有可无,但同样在地史上一定发生过。

分类

按平面形态分

沉积盆地按平面形态的不同可分为盆形、海湾形和海槽形三种。

按板块构造划分

在中国,赵重远(1978)、甘克文(1982)、李德生(1980、1984)、陈发景(1986)、朱夏(1979、1983)、罗立志等(1982)、刘和甫(1986)、陈景达(1989)和彭作林(1995)等先后利用板块构造的观点对中国的沉积盆地或含油气盆地进行了分类。

沉积盆地按板块构造划分可分为五个大类型:与板块扩张带有关的盆地;与板块俯冲带有关的盆地;与大陆碰撞带有关的盆地;与转换断层带有关的盆地;克拉通内盆地。

板块的相互运动是控制沉积环境的主要构造因素,因此的沉积盆地分类,主要从板块相互运动关系出发,根据盆地所处的板块构造位置及基底地壳类型等特征进行划分。这种分类能从全球构造格局分析盆地的形成、演化及其分布规律。但由于分类的侧重点不同,划分的方案不尽相同,国际上流行的有迪金森分类,也有中国学者叶连俊等、朱夏等提出的分类方案。下面仅介绍与各种板块构造环境有关的沉积盆地的主要类型及其沉积特征。

沉积盆地分类的依据

板块构造观点对沉积盆地的分类,通常考虑以下几种影响沉积盆地特征的因素。

构成盆地基底的地壳类型

大洋型地壳:简称洋壳,厚度5~10km,主要由硅镁层构成。

大陆型地壳:简称陆壳,厚度30~40km,具明显双层结构,下部由硅镁层构成,上部由硅铝层构成。

过渡型地壳:厚度介于上面两种类型之间,可由陆壳或洋壳转化而成。

盆地离开板块边缘的距离

板块边缘往往是地壳构造运动最活跃的地方,与板块相互作用有关的构造效应能直接影响盆地的形成和演化。因此,盆地离板块边缘的距离将影响盆地的性质和沉积物的特征。

盆地所处的(或离盆地最近的)板块接合带类型

离散型(divergent)接合带:位于洋壳或陆壳的扩张中心,是老岩石圈发生分裂并产生新岩石圈的部位,分裂后的板块分别向两侧发生背离移动。

汇聚型(convergent)接合带:两岩石圈板块因相向运动而碰撞敛合的地带,可以是大洋板块俯冲于另一板块的俯冲带,也可以是大陆板块相互碰撞产生的褶皱造山带,即大陆板块缝合的地带。

转换型(transform)接合带:两个相邻的岩石圈板块沿着一个断层,彼此以剪切方式滑动,既没有形成新岩石圈,也没有破坏老岩石圈的地带。

综上所述,根据沉积盆地所处的板块构造环境,可将盆地分为以下五个大类型:与板块扩张带有关的盆地;与板块俯冲带有关的盆地;与大陆碰撞带有关的盆地;与转换断层带有关的盆地;克拉通内盆地。

各类沉积盆地的成因及其沉积特征

与板块扩张带有关的盆地

大陆板块的分裂扩张,经过大陆内裂谷阶段,原始大洋湾阶段,最后演化为被动的大陆边缘-深海平原阶段。在这一演化过程中,相应发育了四种类型盆地。

1.陆内裂谷盆地

陆内裂谷盆地是大陆开始分裂扩张的初期产物,它的形成与热地幔物质上涌而导致地壳拉伸和减薄有关,地幔上涌使地壳大范围拱起,隆起区由于区域拉张作用,大陆壳裂开,形成了以断层为边界的狭长凹陷,即为陆内裂谷盆地,此类盆地大多发育在地壳大型隆起的背景上,常为一系列平行分布的、对称或不对称的“V”形地堑或半地堑群,地堑宽度为30~60km,断裂的垂直幅度可达数千米。陆内裂谷盆地的沉积作用主要发生在大陆环境中,形成河、湖相红色粗碎屑沉积,晚期也可因海水侵入而形成海陆交互相及滨、浅海相碎屑岩碳酸盐岩沉积。盆地内碎屑沉积物质主要来自裂谷两壁的陡岸和裂谷内上升断块的侵蚀产物。此外,由于陆内裂谷盆地形成过程中常伴随有大陆火山喷发,因此形成的沉积组合明显地表现为以与碱性或偏碱性基性火山岩成互层的大陆红层为特征,也可含泥灰岩、碳酸盐岩、膏盐、含铜砂岩、煤、石油、天然气等。

现代裂谷盆地的典型实例有俄罗斯的贝加尔裂谷、德国的莱茵裂谷以及东非裂谷系。贝加尔裂谷形成于新近纪,贝加尔湖是世界上最深的湖泊,长670km,深17000m以上,沉积物厚度超过5000m,由陆相的浅水湖泊、沼泽及河流沉积物组成,并夹有少量碱性火山岩。中国东部中新生代盆地,如汾渭地堑、郯庐断裂带白垩纪——古近纪地堑等,都具有陆内裂谷盆地的构造和沉积特征,如汾渭地堑形成于古新世至上新世,盆地中堆积了厚达6000~7000m的陆相红色碎屑沉积。在盆地北部有多次的碱性玄武岩喷发。

2.陆间裂谷盆地

陆间裂谷盆地也称原始大洋湾或狭窄大洋盆地,它是陆内裂谷因拉张进一步发展而完全裂开分离的产物。在分离的两个大陆之间产生了初生的洋壳和狭窄的大洋。它与陆内裂谷盆地的根本区别在于基底地壳类型不是陆壳,而是过渡型地壳或洋壳,但盆地内沉积仍受两侧陆块的影响。由于此类盆地处于海湾环境,盆地边缘为区域性倾斜断块隆起所环绕,在适宜的气候条件下,盆地的这种受阻塞环境有利于蒸发岩的沉积。此外,在陆间裂谷形成阶段,由于坳陷内火山活动形成熔岩,于是熔岩、蒸发岩和前阶段形成的陆内裂谷红层沉积一起,构成了红层-熔岩-蒸发岩组合。如果盆地受限制的条件消失而出现窄大洋,或者有河流携带来自两侧陆块的大量碎屑物进入裂谷盆地,则会产生红层-熔岩-浊积岩组合。

红海亚丁湾是典型的陆间裂谷盆地。红海裂谷长约2000km,宽180~360km,轴部水深超过千米。自上新世开始,进入陆间裂谷发展阶段,在此阶段不但形成了由玄武岩、辉绿岩和辉长岩组成的新洋壳,还形成了大量的蒸发岩、泥质岩及海相软泥、火山碎屑岩等沉积,构成红层-熔岩蒸发岩组合。据陈昌明等人的研究,中国东部以渤海裂谷系为代表的古近一新近纪沉积盆地大致相当于陆间裂谷盆地类型,在古近纪早期,盆地内发育了一套大陆红层、石膏层和玄武岩互层的陆内裂谷盆地沉积组合,以后盆地转化为原始大洋湾,沉积物就逐渐转变为与大洋橄榄玄武岩层伴生的浊积复理石组合。此外,还有生物礁大理石泥灰岩和深水泥岩等,盆地内沉积了厚达6000~7000m的巨厚沉积岩系,并夹多层火山岩。

3.坳拉谷盆地

坳拉谷盆地(aulacogen)也称陆缘谷盆地或边缘裂陷盆地,它是大陆裂谷最初形成时所产生的三叉裂谷中停止发育的一支,另两支发育为大洋。坳拉谷盆地从大陆内向外延伸,并向大陆边缘加深,其走向与海岸斜交或近于垂直,为面向海洋的狭长楔形盆地。沿坳拉谷盆地的走向,盆地的基底类型由开口处的洋壳,经过过渡型地壳渐变为克拉通内的大陆地壳,沿此方向,沉积物特征也有相应的变化,近大洋端为海相或海陆过渡相的碎屑岩浊积岩和碱性或偏碱性火山岩;在近大陆内部一端,沉积与克拉通内盆地相似,为陆相或海陆过渡相的石英砂岩、砂泥岩及碳酸盐岩,沉积厚度向大陆内方向明显变薄,火山活动减弱。坳拉谷沉积物在不同发展阶段也不相同,前期和晚期阶段以陆相碎屑为主,挠曲阶段以海相、海陆过渡相碎屑和碳酸根沉积为主,沉积物早期来源于两侧克拉通,晚期来自于由大洋闭合转变成的造山带。因此,沉积物的搬运方向早期是从大陆向海洋方向搬运,晚期则是从大洋向大陆内搬运。

西非几内亚湾向东北方向延伸的贝努尔(Benue)海槽是最早被描述的坳拉谷实例之一,古近一新近纪期间,这个凹槽充填了10000m以上的沉积物,包括从海底扇沉积,经过三角洲沉积到河流沉积的序列。据孙枢等的研究,中国豫陕古、中元古代盆地是古坳拉谷盆地的又一个实例,这个盆地曾经与东秦岭地槽相连,构成三联裂谷系。在盆地早期的地堑阶段,形成了厚达1000~6000m的陆相偏碱性钾玄岩系及陆相红层组合。在盆地发生挠曲阶段,主要形成滨海、浅海相碎屑岩碳酸盐岩组合,盆地东南侧底部夹有安山玢岩,近秦岭地槽的西南端有较深水的硅泥质沉积。晚期阶段盆地抬升,遭受剥蚀,部分地区为冰碛层覆盖。

4.被动大陆边缘和深海平原盆地

陆内裂谷发展到陆间裂谷阶段后,裂开的大陆断块由于新生洋壳的不断增长而被继续向两侧推挤、扩展。大陆在分离后随时间的延续发生失热沉降,此后因沉积物负载作用等,进一步发生区域性挠曲沉降,形成了具有宽广海岸平原和大陆架、平缓大陆坡和明显大陆隆的被动大陆边缘,成为向海倾斜的区域性坳陷。在这广阔的坳陷内,从基底向上沉积了两套岩系,下部是陆内和陆间裂谷阶段形成的沉积岩系,迪金森称之为原始大洋相;上部是大陆分离后,随着岩石圈失热沉降而迅速堆积的一套陆架相和海陆交互相的底部碎屑相,构成向海方向增厚的楔状体。其后,由于陆缘上沉积负载的作用,岩石圈弯曲下沉,于是在底部碎屑相上又堆积了陆架-近海沉积岩,如藻碳酸盐岩、泥质岩、石英砂岩蒸发岩等。

此外,大量陆源碎屑在大洋底流的参与下,沿着向海倾斜的陆架被搬运到陆坡和陆隆上,形成巨厚的浊积岩沉积。随着陆隆的向海倾斜的陆架被搬运到陆坡和陆隆上,形成巨厚的浊积岩沉积。随着陆隆的向上堆积和陆架的向海增长,形成向海迁移的一系列叠覆的沉积透镜体,每个透镜体的上部都是河流三角洲和滨海相沉积物,沿着透镜体斜坡向下,逐步过渡为富含有机质的前三角洲相、陆坡相和陆隆浊积岩相。由于这些活动的沉积透镜体不断向海移动,促使陆架外缘和陆坡从过渡型壳向海推进到大洋壳。由此可见,被动陆缘沉积向海延伸很远,主要为大陆架-陆隆型沉积,陆棚区沉积浅海碳酸盐岩碎屑岩,陆隆区主要为深海浊积岩、等深积岩,总体上构成一个分别向大陆和大洋两个方向尖灭的巨大透镜体,即沉积棱柱体,棱柱体的各种不同组分分别覆盖在陆壳、过渡型壳和洋壳上。

被动陆缘碎屑沉积物以软泥、粉砂及细砂为主,是由低密度浊流和等深流沉积所形成。当地平线比较低,沉积物接近陆架边缘的河流相沉积时,由浊流和其他块状流形成的粗碎屑更为普遍,碎屑成分的成熟度高,主要为石英砂长石、石英砂;岩屑,特别是火山岩屑较少,甚至没有。

古代和现代的被动陆缘沉积,世界上许多地区都有出露和分布,如北美东部著名的阿巴拉契亚山脉山的寒武、奥陶系,中生代一新生代时裂开的北大西洋大陆边缘的沉积岩系都具有上述沉积特征。据王鸿祯研究,中国扬子地块北缘的大巴山区可能是震旦纪和早古生代的被动陆缘,中生代的北喜马拉雅地区是冈底斯与印度大陆在晚三叠世分离扩张后出现的被动陆缘。新洋底变冷和沉降可进一步形成深海平原,在深海平原中,早期堆积在洋脊上的沉积物可被远洋沉积物(如钙质或硅质软泥及棕色黏土)所覆盖。如果是靠近大陆或岛弧的物源区,则为浊流沉积所覆盖。远洋沉积物可以覆盖在玄武岩之上,也可以夹于其中或呈互层。位于大洋扩张中心的中央海岭,发育有许多小的裂谷盆地,这些盆地的基底和四周均由基性熔岩和侵入岩所构成,其内仅沉积少量远洋沉积物。洋脊和深海平原地区有重要的锰结核沉积物和分布不很广的富金属软泥。

与板块俯冲带有关的盆地

当大洋板块与大陆板块因相向运动而相遇时,因重力关系,大洋板块向大陆板块之下俯冲,产生岛弧和海沟,谓之弧沟系。弧沟系是典型的汇聚型板块接合带,主要发育有四种类型的盆地。

1.海沟盆地

海沟盆地是直接与俯冲带相邻的一个深海渊,因大洋板块俯冲下插而成。海沟通常是一个狭长而两侧不对称的凹槽,靠岛弧侧为内壁,坡度较陡而曲折;向海延伸的一侧为外壁,坡度较缓。由于俯冲作用,致使海沟底部的大部分沉积物潜入地幔而被消耗,因此多数海沟中的沉积物时代较新,年龄不超过1Ma,厚度不大,一般不超过1km。当板块呈斜向俯冲,且俯冲速度较慢,海沟底又长时间位于沉积速率高的大陆边缘的黄河体系附近时,海沟中可充填大量浊积岩楔状体,厚度明显增大。海沟沉积物由两部分物质组成,一部分是由俯冲板块带来的深海平原沉积物,如生物成因的钙质和硅质软泥、红色黏土等,它们覆盖在洋壳上;另一部分是在海沟形成的半深海和深海相浊积岩,主要成分是粉砂和黏土及部分砂和火山灰,通常不整合地盖在深海平原沉积物之上。海沟浊积物是通过海底峡谷从近岸搬运到海沟的,在海沟范围内浊流的搬运作用沿着海沟轴的方向进行。

此外,由于俯冲作用,还可导致海沟中和俯冲大洋板块上的沉积物被刮落和停积在板块接触带上,同时也可使俯冲板块产生破碎岩块滑落到接触带上,因而造成巨厚的不同性质、不同时代的变形岩石混杂堆积在一起,此种岩石组合体称为混杂岩。随着俯冲作用的进行,混杂岩堆积体不断增长和抬高,从而在火山弧前缘形成弧形隆起,称之为外弧或构造堆积弧,它是板块俯冲带或海洋闭合带的重要标志。美国弗朗西斯科混杂岩体(Francisco complex)是位于古代板块俯冲带上的典型混杂岩堆积实例。另外,在海沟内壁,由于地形过陡,可出现由于水下重力滑动形成的滑塌堆积,它常与海沟浊积岩混在一起,构成滑塌复理石或野复理石。世界上,许多现代海沟,如日本海沟、中美海沟、马里亚纳海沟、智利海沟等都具有类似上述的构造和沉积特征。古代海沟或板块俯冲带的识别主要是根据混杂堆积。

古混杂堆积在世界许多造山带都有发现,如在北美西部海岸山脉及阿尔卑斯山脉区等地。混杂堆积在中国四川省西藏自治区祁连山脉、秦岭山脉等地陆续发现。例如,在金沙江断裂带,即印支期俯冲带东西两侧分别发育有滑塌堆积和混杂堆积,两侧的混杂堆积是一种蛇绿混杂岩,其基质为二叠纪三叠纪的基性-超基性岩、细碧角斑岩及放射虫硅质岩,其中混杂有石炭一二叠纪的大理石砂岩片岩、纯橄岩、榴辉岩、辉橄岩等岩块,这些岩块大小悬殊,产状和形态不一,组成矿物普遍表现有扭曲、破碎、波状消光等变形特征。

2.弧前盆地

弧前盆地位于海沟斜坡折点与火山弧前峰之间,也称为外弧凹槽或岛弧-海沟间隙。弧前盆地的发育与弧沟间隙下部岩石圈下沉有关。弧前区的沉降主要是由冷板块俯冲作用和沉积负载作用引起,沉积物主要来自附近的岩浆弧,也可以来源于弧沟间隙范围内的局部隆起。由于物源近,物质供应量较大,因而弧前盆地沉积物以不成熟或极不成熟的碎屑为主,包括大量的火山碎屑、岩屑砂岩长石砂岩。浊积岩是弧前盆地最主要的一种沉积,弧前复理石以成分不成熟为特征。不过,陆缘弧前复理石稍有例外,可出现石英质复理石。

此外,碎屑成分在垂向上也出现有规律的变化,自下而上深成岩屑与火山岩屑比例逐渐增大;火山岩屑成分也从弧早期相对富铁镁质岩类型,演化到晚期为长英质岩类型。由于弧前盆地发育在活动的俯冲杂岩体之外,因而沉积物没有遭受像俯冲杂岩体那样的变形和变质作用。弧前盆地的基底是大洋或岛弧的火山岩、深成岩,下部由深水蒙脱石页岩、火山灰和少量细的浊积岩组成,向上渐变为较粗的浊积岩、陆架碎屑岩,也可能出现礁碳酸盐岩。如果盆地逐渐变浅,其上部可出现三角洲、滨岸及陆架相碎屑沉积。因盆地内侧存在岩浆弧的火山活动,所以在盆地沉积岩系中有熔岩、火山碎屑岩呈指状穿插。

加利福尼亚州的大谷弧前盆地是典型的弧前盆地之一,该盆地位于西边的旧金山和东边的内华达州之间,盆地内沉积物厚达12km,物源来自内华达火山,大部分由火山碎屑浊积岩组成。在中国,北天山的部分古生代、沿雅鲁藏布江分布的晚白垩世(可能也包括始新世)的桑珠孜区群等可能属于弧前盆地的沉积。

3.弧内盆地和弧间盆地

由于火山弧区的微型扩张作用,最初在火山弧内出现以断层为界的拉张盆地,称为弧内盆地,其成因可能与局部的火山-构造沉陷有关。火山弧的进一步扩张,在纵向上分为两部分,一半为活动性很弱的残留弧,另一半为活动性强的火山弧,其间发育了弧间盆地。

弧内盆地的基底为过渡型壳或陆壳,沉积物主要来自岩浆弧,火山碎屑及深成岩屑为其主要组成成分。对于洋内弧内盆地,沉积物以海相为主,主要堆积火山碎屑浊积岩和海相凝灰岩。对于陆缘弧内盆地,沉积物通常是非海相的,主要为山前扇、坡积和河湖相的粗碎屑磨拉石沉积,火山碎屑及红层和陆相凝灰岩是其主要成分,有时夹火山碎屑岩和火山岩,汤加、马里亚纳等为典型实例。中国许多地槽的中央隆起带,如新元古代的江南古岛弧、古生代的北秦岭等都可能是古洋内弧或古陆缘弧,但由于这些岩浆弧长期隆起,遭受剥蚀,因此仅在一些山间盆地保留有一些原先的弧内盆地沉积。

弧间盆地在地貌上为深海平原,水深一般2200~3400m,最深可达4000m,盆地两侧常为正断层所限,基底地壳类型为大洋型,厚度很薄。盆地内沉积物缺乏陆源输入物,主要有四种类型沉积物:①来自火山弧的火山碎屑物,为沉积物的最重要成分;②来自火山岛链的富含蒙脱石的棕色黏土;③生物成因的软泥(远洋碳酸钙软泥);④来自大陆的风成粉尘(棕色黏土或硅质软泥)。

盆地内沉积物的分布是对称的,靠近火山弧一侧,发育由火山碎屑构成的特征的浊积岩裙,很少或不存在深海沉积;在火山碎屑裙远端以外,堆积有远海棕色黏土,这种黏土以富含玻璃和蒙脱石成分而与深海盆地黏土相区别;在盆地的更远端,沉积了含碳酸钙的远海软泥,但在超过碳酸盐补偿深度的地方则为棕色黏土或硅质软泥堆积。

4.边缘海盆地

边缘海盆地也称弧后盆地,位于活动的陆缘与岛弧或残留弧之间,以洋壳为基底,地貌上多数为深海平原,水深3000~6000m。关于边缘海盆地的成因有多种假说,其中之一认为主要与弧后扩张有关,是陆缘岩浆弧或大陆边缘地壳裂陷、分离而形成,在本质上与弧间盆地没有多大区别,与弧间盆地相比,边缘海盆地沉积形式变化多端,而且也比较复杂,物质来源可以来自大陆,也可来自岛弧,输入的陆源物质也多种多样,因此不存在单一类型的沉积作用。沉积相的种类几乎与大洋中发现的一样多,但因边缘海盆地被大陆和岛弧所环绕,通常没有大洋底流的影响,从而使其缺失重要的大洋底流沉积物,而含有较多的火山碎屑物和火山灰,这可能是边缘海盆地相和真正大洋相之间的唯一区别。边缘海盆地中浊流沉积很发育,尤其是持续扩张的海盆,如有丰富的陆源碎屑物或火山碎屑物供应时,可形成厚的浊积岩层,因此边缘海盆地可能是复理石沉积的主要环境之一。根据海底钻探资料,边缘海盆地内可形成两种类型沉积:靠近陆源一侧,主要形成复理石沉积;远离陆缘,靠近岛弧一侧,常为深海沉积、半浮游生物沉积与火山岩互层。

现代的边缘海盆地主要分布在西太平洋边缘,如白令海鄂霍次克海、日本海、南海菲律宾海等,这些盆地水深可达3000m以上。盆地内沉积物特征有明显差异,近大陆侧与被动的陆缘沉积相同,是在陆壳或过渡地壳基底上发育的冒地槽型沉积;近岛弧侧及盆地中部则是在过渡壳或洋壳基底上发育的优地槽型沉积。

与大陆碰撞带有关的盆地

在汇聚型板块接合带附近,由于消减作用导致大洋逐渐收缩,以致最终闭合,从而使两大陆板块边缘彼此相碰。在碰撞带,褶皱作用和冲断层作用造成两个板块上的陆壳抬升,形成山脉,在碰撞点之间可能存在古洋盆地的海湾,谓之残留洋盆地,而在隆起山脉附近,可形成陆前盆地。

1.残留洋盆地

两个碰撞的大陆板块边缘和外弧带一般较平整,但不十分规则,它们之间仍会存在未消耗完的、老的洋盆(即残留洋盆地)。现代残留洋盆地的典型例子是孟加拉湾,由于继续消减作用,这个盆地正在闭合中,沉积物主要来源于碰撞造山带的碎屑,形成三角洲与海底扇沉积,这种大的三角洲体系在侧向上随着碰撞带一起迁移。三角洲向海一边的海底扇,发育于大洋底的远洋沉积物之上,随着消减作用继续进行,残留洋盆地的沉积物可以达到消减带,并且其中大部分被刮落形成外弧,一个大型的外弧有可能发育成山脉,山脉的不断上升又给海底提供更多的碎屑物来源。

地中海是非洲和欧洲板块碰撞过程中,正在消亡、尚未闭合的残留洋盆地。现代地中海形成于中新世早期,被年轻的大陆褶皱山系包围。中新世早期和中期,洋底上沉积了深海沉积物,其中浊流沉积发育,中新统上部沉积了数千米厚的蒸发岩,它是地中海曾经干涸的确切证据。上新世第四纪主要是含超微体化石和有孔虫的深海沉积。东地中海新生代浊流沉积广泛分布,形成地中海型复理石,其特征是:含大量成分成熟的浊积岩,火山碎屑浊积岩少见或仅局部出现,是同造山期形成的,向上或在侧向上都可以过渡为磨拉石。

2.陆前盆地

陆前盆地亦称前陆盆地,是大陆板块的碰撞作用,导致大陆边缘因构造负荷效应发生弯曲沉陷所形成的一类盆地。这类盆地可分为两类,在俯冲板块上面形成的周缘陆前盆地或周缘盆地(peripheral basin);形成于仰冲板块上的弧后陆前盆地或弧后盆地(retroarc basin),这两种盆地均发育于陆壳基底之上。

周缘陆前盆地位于造山带的褶皱-逆冲断层带与克拉通之间,盆地横剖面不对称,靠近造山带一侧,盆地中地层褶皱和冲断层发育,沉积厚度大;而靠近克拉通一侧,地层变形微弱,沉积厚度小。盆地内沉积基本上是同造山期或造山前形成的复理石和造山后或同造山期形成的磨拉石,其中磨拉石是周缘陆前盆地最特征的沉积物,初期可能为海相、海陆交互相及三角洲相,以后则主要是陆相的河流、三角洲、湖沼及山麓堆积,沉积物主要来源于褶皱-逆冲断层带,但也有部分来自克拉通翼部。阿尔卑斯山脉北麓的瑞士平原,喜马拉雅山脉前紧靠南边印度次大陆的盆地都是典型的周缘陆前盆地。

弧后陆前盆地分布于陆缘山弧(如安第斯山)或陆缘岛弧(如中国台湾、爪哇)后侧紧邻大陆板块的周围地带。盆地横剖面与周缘陆前盆地很相似,也是不对称的,近克拉通一侧盆内地层厚度小,变形微弱,而靠近褶皱-逆冲断层带一侧,地层厚度大,变形强烈。弧后陆前盆地为特征河流三角洲相、浅海陆架相沉积;也可以全部处于大陆环境,形成山麓相、河流相及湖沼相等磨拉石沉积;深海沉积较为少见。沉积物主要来源于岩浆弧和褶皱-逆冲断层带,也有些来自克拉通。加拿大西部阿尔伯塔省盆地以及中国的台湾海峡是典型的弧后陆前盆地,台湾海峡基底为大陆壳,可能是在新近纪边缘海盆地的基础上发育起来的弧后陆前盆地,其内新近系冒地槽沉积厚达四、五千米,第四系沉积物主要为巨厚的砾石质磨拉石以及以砂屑为主的现代陆架沉积。

与转换断层带有关的盆地

转换断层是一种特殊类型的板块边界,相邻两板块沿着此边界做剪切错动。由于断层两侧的断块运动往往不是纯水平、离散或汇聚的,而是斜向的,从而在局部规模上或全球规模上都表现出某种程度的挤压或拉张。挤压引起隆起,形成山丘或岛弧;拉张引起沉降,形成沉积盆地。由于盆地一般都临近同期的隆起,因此沉积充填极为迅速,沉积作用在垂向和横向上变化较大,常有沉积间断。在转换断层带相邻地区同时发育有拉张和挤压构造,很少或无变质作用,岩浆活动也很罕见。

转换盆地的沉积与盆地所处的地理环境有关。位于大洋中的转换盆地,由于附近缺乏大量沉积物供给区,因此盆地内不可能形成巨厚堆积,只能接受来自断层两侧的碎屑物,或者由浊流、洋底火山等带来的沉积物及其他远洋沉积物。而位于大陆环境中的转换盆地,陆源区可向盆地供应大量碎屑物,加之差异性断层活动,可形成横向和垂向上相变迅速,厚度大,而且厚度变化也大的沉积层系。转换盆地中形成特征的加利福尼亚州型复理石,其成分比较成熟,没有酸性-中性火山岩屑,可能形成于同造山期,岩系在空间上延伸不大,向上和向两侧均过渡为磨拉石。死海以及与圣安德烈斯转换断层系共生的沉积盆地是转换盆地的典型代表。

克拉通内盆地

克拉通是大陆地壳上长时间处于稳定状态,很少接受沉积和很少遭受变形的地壳部分。克拉通内盆地是指那些远离板块边界,位于大陆板块内的盆地,关于其成因有多种看法,其一,认为是由于地幔物质上涌,热力作用使地壳上拱,从而造成地壳因拉张而发生裂隙、断陷和坳陷而形成;其二,认为是由于受到相邻板块运动的影响,使大陆岩石圈板块内部发生形变而产生沉降所造成,至于真正板内环境中陆上盆地大规模持久沉陷的机理,尚不清楚。

根据克拉通内盆地的形态和沉积特征,可将其划分为三种主要类型。

1.克拉通内简单盆地

克拉通内简单盆地浅而宽广,平面上大致为圆形、椭圆形,剖面上呈碟状,沉积厚度不大,一般为3000~4000m。盆地以浅水沉积为主,通常为陆表海、陆棚海及大陆湖盆等环境,形成地台型的海相和陆相沉积。盆地内的主要沉积是:台地碳酸盐岩组合和台间碳酸盐岩组合、大型三角洲相组合以及内陆盆地红层组合等。因长期海侵,主要发育典型的浅海碳酸盐岩和碎屑岩沉积,有的发育海湾蒸发岩沉积,典型的克拉通内简单盆地有美国的威林斯顿盆地、密歇根盆地和伊利诺伊州盆地等,中国的塔里木盆地四川盆地等也属于此类型。

2.克拉通内坳陷盆地

克拉通内坳陷盆地与克拉通内简单盆地相似,不同之处是坳陷强烈、地层厚度比较大。俄罗斯西西伯利亚盆地和中国的松辽盆地等均为这类盆地的典型实例。松辽盆地是在海西褶皱带基础上发育起来的断陷-坳陷盆地,以坳陷为主,坳陷幅度较大,形成厚达5000m以上的中新生代沉积,以河湖相沉积为主,发育了规模较大的河湖三角洲,白垩纪中期,盆地处于坳陷阶段,盆地中部分布大面积湖区,沉积了较厚的湖相黑色泥岩,是良好的生油层。

3.克拉通内断陷盆地

克拉通内断陷盆地是陆壳受到水平拉张作用形成的断陷盆地,与大陆内初始裂谷相比,盆地裂陷较深,沉积厚度较大。欧洲北海盆地的维京地堑和中央地堑属于这种类型盆地。北海盆地在三叠纪末和晚侏罗世末,发生强烈的块断活动,形成许多长条形地堑盆地,如中央地堑和维京地堑等,这些断陷盆地内充填了侏罗一白垩纪海相地层,主要由鲬粒大理石、介壳灰岩、砂岩页岩以及海相泥岩等组成。

根据板块构造环境划分沉积盆地类型,探讨其形成、演化及其沉积特征,对于寻找金属、非金属和油气矿产,正确评价含矿远景具有重要意义。国内外油气分布资料表明,盆地含油气丰富程度与不同时代板块活动体制,盆地在板块构造中所处的位置,以及盆地的热体制有密切关系。例如,转换型大陆边缘的盆地,往往较其他类型大陆边缘盆地含油气丰富。此外,中、新生代大陆内裂谷或地堑盆地、断陷或坳陷盆地以及陆前盆地等均有丰富的油气藏,而克拉通内简单盆地、岛弧前盆地含油气较少。一般来说,盆地内温度较高,有利于石油的生成和运移。

基于地球动力学划分

在中国化石能源地质界,基于地球动力学的沉积盆地分类得到广泛应用(刘和甫,1986,1993)。据盆地形成动力学系统(构造应力场最大主应力系方位)的三类应力环境,将沉积盆地分为裂陷盆地、压陷盆地、走滑盆地三大基本类型,对应的控制构造依次为正断层系、逆断层系和走滑断层系,力学机制分别为拉张应力、挤压应力和剪切应力。

第一序列

第一序列是发育于伸展构造背景的断陷沉积盆地,地球动力来自于最大主应力为水平的张应力,进一步分为大陆裂谷盆地、陆间海盆地、张裂大陆边缘、边缘海/弧后盆地和夭折谷/坳拉槽。这些类型中,我们重点了解大陆裂谷盆地和张裂大陆边缘盆地,这两种盆地的沉积速率(m/Ma)和大地热流值(HFU)存在显著差异。

大陆裂谷盆地是深部地幔热物质对流上涌至浅部向两边分开形成的拉张力,使地壳上部产生张性破裂,岩石圈减薄,逐渐演变而成的裂谷盆地。盆地往往为狭长的沉降谷,长轴与主断裂线平行;正断层系十分发育,盆地边缘由同沉积断裂控制;盆地形成于大陆张性大陆边缘盆地发育在被动大陆边缘或离散板块两侧,盆地基地为过渡型地壳(陆壳与洋壳混生区),盆地成因与大陆扩张作用有关。基底构造较稳定,很少或无明显地震和火山活动,大地热流正常。大陆边缘往往发育大型三角洲,沉积速率较低,从陆地向海洋推进,形成楔形沉积体,极有利于煤和油气的形成。大型三角洲是聚煤作用最重要的场所,也是形成油气砂岩储层的有利沉积环境,许多煤油气共生盆地与这种环境有关。其特征为:发育陆阶、陆堤、陆隆等单元;硅质碎屑沉积速率中等,构成楔形沉积体;盆地内部生长断层或同生断层发育。例如,东海陆架盆地是一个煤与油气共生的新生代盆地,盆内断层发育,多为平移断层或走滑断层,从西往东构成隆凹相间的构造格局;中~后期转化为坳陷盆地。其中,古近纪含煤地层形成于断陷盆地向坳陷盆地演化的转折时期。

第二序列

第二个序列是形成于压缩构造环境的压陷盆地,与化石能源形成、转化和富集高度相关的有前陆盆地和缝间/山间盆地。它们共同的特点是形成于构造回返期,逆冲断层系发育,沉积速率极大,大地热流值偏低,具有“冷盆”性质。前陆盆地形成于大洋闭合的地壳回返碰撞造山期,缝间/山间盆地形成阶段更晚,是板块碰撞以后再旋回造山期的产物。不同盆地发育不同的沉积体系,前陆盆地的典型沉积特征是发育磨拉石建造,缝间/山间盆地发育冲积扇辫状河等近源沉积。这两种盆地沉积速率都很大,原因在于强烈构造挤压导致沉积区与陆源区地形高差较大,盆地可容空间增大,强烈剥蚀作用使得沉积物供应速率较大,这种快速充填的沉积条件有利于有机质的保存。挤压型盆地一般都偏冷盆,与两方面因素有关,一方面是地壳较厚导致地幔热流向上传导的路径较长,另一方面是逆冲断层系不利于深部热液等携带的热介质往上对流,造成浅部的地温梯度较低。

前陆盆地,过去也往往称为山前坳陷或前渊,包括周缘前陆盆地和弧后前陆盆地两种类型。共同点是都与造山带紧邻,为挤压成因,边缘逆冲断裂系发育,但两者形成的力学机制、与俯冲带之间的产状关系不同。周缘前陆盆地形成于A型缝合线附近,逆冲断层系与俯冲带同向倾斜;弧后前陆盆地形成于B型俯冲带附近,逆冲断层系倾向与俯冲带倾向相反。例如,三叠纪四川省前陆盆地起源于板块碰撞挤压构造负荷引起的地壳挠曲沉降,直接原因是冲断挠曲盆地龙门山造山带由西向东的推覆作用,发育晚三叠世须家河组煤系,是中国重要的页岩气勘查层系之一;靠近龙门山一侧发育厚度较大的边缘相,地层厚度向远离边缘断裂方向变薄,沉积厚度变化大,挤压型同沉积褶皱十分明显。

按刘和甫(1993)定义,缝间盆地为两条缝合线之间发育的盆地,例如塔里木盆地盆地;山间盆地边缘造山带与缝合线没有关系,只是夹在造山带之间的盆地。两者都有较厚的陆壳基底,构造变形向盆内逐渐减弱,发育由多个构造旋回构成的多旋回叠合盆地,常发育磨拉石建造,周缘断层发育,常有与断层伴生的火山岩发育。塔里木盆地是具有叠合性质的多旋回盆地,南缘发育昆仑山脉——阿尔金山脉古缝合线,控制性挤压力来自于南北两个方向;从早古生代到中生代末期,盆地经历了几次构造旋回,发育多套构造层。中国第二大天然气田(克拉2气田)位于此盆地。

第三序列

第三个序列是属于走滑构造体系的走滑(剪切构造)沉积盆地,根据剪切力与其他力的复合作用可以分为走滑一拉分盆地(剪张性质)、走滑一挠曲盆地(剪扭性质)两种类型,它们都可以形成有工业价值的油气盆地和煤盆地。在这种力学机制作用下,走滑沉积盆地最具特色的是花状断层构造组合样式,形成于压扭力学机制的具有正花状构造,张扭力学机制的产物是负花状构造。此类盆地的形成受大型平移断裂控制,盆地在平面上呈长条状,沉积中心呈串珠状,断裂呈雁列式展布,沉积速率大。两类盆地大地热流值相差较大,走滑一拉分盆地具有“热盆”特征,走滑一挠曲盆地偏冷。

走滑一拉分盆地的典型实例为伊通新生代盆地,属于郯庐断裂系北中段的一个组成部分,是一个含煤盆地,同时具有石油勘探前景。盆地呈狭长带状,北西和北东边缘有断层控制,沉降最强烈的地带靠近北西缘断裂,早期为断陷盆地,晚期转变为坳陷。盆内发育众多正断层,这些断层在平面上呈雁列式展布,走滑一拉分特征十分明显。

沉积盆地分析

思路

沉积盆地分析是为能源及其他沉积和层控矿产的勘查而进行的战略性研究。沉积盆地分析的实用性及其在找矿中的有效性,促进了这一学科的蓬勃发展,同时促进了其与多学科、多种手段的结合,包括与沉积学、大地构造学、地球物理学地球化学、矿床学等多学科的相互渗透和结合,使沉积盆地分析逐渐形成完整的理论和方法体系。盆地分析实际上是一项复杂的系统工程研究。李思田教授等结合多年从事能源盆地分析的实践经验将盆地分析的基本思路概括为四个方面:整体分析、背景分析、演化分析和联系分析(李思田等,1983,1988)。在研究过程中这四个方面相互联系,构成一个较为完整的研究思路。

整体分析

早在20世纪60年代早期,Potter和Pettijohn(1963)首先提出了把盆地作为一个整体进行研究的思路。整体分析着眼于整个盆地,就是把沉积盆地作为一个成因上统一的地质体。整体分析的涵义包括从整个沉积盆地范围和整个充填演化序列来进行分析。事实上,如果不重建整个沉积盆地的轮廓,确定原始沉积边界,弄清盆地完整充填序列和整体古地理环境,局部的环境研究有时会得出片面的乃至错误的结论。整体分析则便于客观地掌握盆地发生和发展过程中各系统的相互联系和规律性,其实际的目的是更有效地确定沉积矿产及能源资源在盆地中的分布规律。鉴于目前盆地这一术语通常指现今保存下来的实体,即经过后期形变与剥蚀保留下来的部分,与原来的沉积范围相比较,有时二者相近,有时则相差甚远,因此,整体分析应指整个同沉积盆地的重建。

背景分析

沉积盆地的形成演化脱离不开形成背景。背景分析就是从大区域的地质背景范围研究和分析盆地发育演化,使单个盆地研究与更高级别的控制因素联系起来。沉积盆地的背景分析包括:①大地构造背景;②古气候;③全球性地平线变化;④盆地在大的古地理格局中的部位;⑤盆地周围源区的岩性、地球化学特征;⑥其他全球事件,如缺氧事件。上述六个方面显然对沉积盆地充填、构造和成矿有重要影响,而这些问题的研究都超出盆地自身的范围,属于盆地演化的宏观背景。

大地构造是背景分析的首要内容,盆地类型和特征主要取决于盆地形成的大地构造条件,它决定成盆基底地壳的类型和性质、与板块边界关系、动力学背景和成盆期发生的深部过程。我国绝大部分含油气盆地和含煤盆地发育于陆壳基底,因此,如果不对大陆构造进行深入划分和研究,将不能阐明多种类型盆地的成因。在不同部位发育的盆地,如我国晚古生代和中、新生代许多盆地在性质上有较大差异。大型盆地基底常有古老的地块和微地块为依托,如四川、鄂尔多斯市准噶尔盆地。基底地壳的性质特别是先存断裂网络的分布对盆地形成演化有显著的控制作用,如裂谷和坳拉槽盆地几乎都是沿先存断裂网络发育的。盆地与板块边界的距离和板块边界的性质决定着盆地演化的地球动力学背景,即离散的、聚合的或走滑的背景。

古气候变化在盆地充填物中有明显反映,并对成矿条件有重要的控制作用,这种变化既可能起因于全球气候改变,也可能起因于板块的漂移改变了盆地与气候带的关系。因此,古地磁场的系统研究也在许多盆地中进行。

地平线变化对盆地中沉积体系域的面貌有重要的控制作用。这种变化可能是区域性构造运动的影响,也可能是全球性海平面周期性变化的结果。

盆地周围物源区特征包括岩石类型的研究和地球化学特征的研究。许多金属矿成矿与源区有用元素的丰度有关,可间接地根据基底岩石类型进行矿床预测,如沉积金矿与源区角闪岩和绿片岩带分布密切相关。煤中有用元素的富集,如陆相煤盆地中高硫煤的出现亦都取决于源区岩性。在含油气盆地分析中,石油地质工作者注意到储层物性与源区岩性存在密切关系。

盆地在大的古地理格局中的位置,特别是与海岸线的距离和成盆区的古海拔标高,决定着盆地属于内陆、近海或海陆交替的总体充填面貌。一些中小型盆地中的充填面貌还取决于与古水系的关系,完全相同的断陷盆地有大的水系注入者形成了补偿条件,并形成以洪水沉积物为主;反之则由于缺少充分的碎屑输入而形成欠补偿盆地,发育了深水湖盆,这两种情况在云南省东部新生代断陷湖盆群中都可见到。

盆地中的一些特殊的沉积环境有时与全球性事件有关,如许多研究者所注意的全球性缺氧事件与黑色页岩的关系。

演化分析

沉积盆地的形成、发展到消亡是一个历史的过程,演化分析就是对整个盆地的发展历史的研究,包括沉积史、构造史、热演化史和成矿演化史等。对盆地的深入研究,特别是根据能源勘探所获取的丰富资料,使人们认识到沉积盆地的复杂性。盆地从其初始下沉到结束充填的漫长过程中其各项参数都在发展变化,这种变化可以划分出一系列阶段,因此需要以演化、发展的观点研究盆地的历史,或者说需要按照发展阶段分期、分层次地对盆地进行研究。

联系分析

联系分析一方面强调沉积和构造研究的紧密结合。沉积和构造研究是盆地分析的两项基本内容,盆地分析中强调学科的综合分析外,最重要的是古环境和古构造的结合分析。盆地分析从其发展的早期就是以重现整个盆地的古地理面貌为目标的,环境分析和相模式的研究是沉积学近代发展中取得重大成就的领域之一,这些成就为盆地整体古地理面貌的重建和沉积作用过程的恢复提供了较为成熟的理论和方法。沉积盆地形成演化的全部阶段中,构造因素是一个起主导作用的因素,事实上,沉积盆地的全部充填过程都离不开基底的沉降运动和沉积物源区的上升运动。同沉积构造运动的类型、方向、幅度和速度等诸方面特征决定着盆地充填的面貌。因此在沉积盆地分析中,人们对同生构造的研究日益关注和重视。在许多沉积盆地中还发现基底先成的构造网络在上覆地层堆积过程中再活动,从而控制了盆地充填的演化。有些在盆地形成发展中新生的构造也常常追踪和利用基底古构造的成分。因此,研究沉积建造与基底古构造和同生构造的关系成为盆地分析的重要内容,而构造地质学领域的成就也将更多地用于盆地分析。大量的实践表明,沉积盆地成矿特征不是单一因素控制的,只有把沉积环境研究和古构造研究结合起来才能有效地进行成矿规律预测。

联系分析另一方面强调物源区剥蚀过程与沉积区沉积作用的紧密结合,也就是源-汇系统分析的思路。物源区热构造事件及隆升剥蚀过程与沉积区沉积充填过程两者之间并非孤立的事件,它们之间通过沉积物路径系统建立起必然的耦合关系。如青藏高原快速隆升和高剥蚀速率南海快速沉积速率就存在很好的耦合关系(Clift,2006)。

内容

沉积盆地分析的内容就是分析盆地形成及演化过程中的规律性,由此再造盆地的发展史,对其中的各种沉积矿产资源做出合理的预测和评价,其最终的目的是为能源资源及其他沉积和层控矿产的勘探和开发服务。近年来人们对矿产资源的需求量增大和矿床勘查的难度增大,促进了盆地分析中多学科和多种手段的结合,沉积学、大地构造学、地球物理学地球化学和矿床学等许多学科的进展及其与盆地分析互相渗透,使得盆地分析领域得到突飞猛进的发展。正是源于多学科联合研究和新技术的使用,促使盆地分析领域逐渐拓宽,当今盆地分析进入盆地动力学研究阶段。沉积盆地动力学可以理解为盆地内充填物(包括沉积充填和地层流体)形成过程、演化机制及其控制因素分析,既包括盆地沉积充填、盆地流体形成演化及其控制机制分析,也包括直接控制和明显影响盆地沉积充填和盆地流体的地球内、外动力地质作用及其动力学机制分析。盆地动力学研究内容包括3部分,即以沉积学分析为主的盆地沉积充填动力学、以构造作用分析为主的盆地形成演化动力学和多学科交叉的盆地流体动力学研究。

盆地沉积充填动力学

盆地沉积充填分析就是研究盆地内充填沉积物的内部构成、空间展布及其演变规律。一般而言,盆地充填物分析包括两方面内容:一方面是充填物的成因及其沉积作用过程分析,也就是沉积体系分析的主要内容;另一方面充填物的地层属性分析,强调充填物序列、地层格架及沉积体的空间配置,也就是层序地层分析的主要内容。近年来,层序地层学及精确定年技术提出了建立等时地层格架、确定盆地中沉积体系三维配置的理论与方法,大大推动了沉积充填动力学的研究。构造-地层学、事件地层学、层序地层学和地震沉积学等相关分支学科的密切结合,更好地揭示了各类构造背景下发育的盆地构造格架和层序地层格架,更好地揭示了构造、海平面变化和沉积物补给等各种动力学因素的影响,也为资源勘查和有利储层及矿层预测提供坚实的基础。

盆地形成演化动力学

沉积盆地形成演化分析就是研究沉积盆地形成演化同期和后期变形、反转的动力学机制及其演变过程,包括盆地与板块构造格架和地幔深部过程的动力学关系,盆地发展演化各个阶段的动力学背景、控制因素及其对盆地沉积沉降、能量场等多个方面的影响,盆地后期变形与反转的构造样式及其表现形式。许多沉积盆地的形成演化都是多重机制的联合,在盆地的不同演化阶段其主要控制作用各异,不同的区域地球动力学背景及复杂的板块活动重组事件往往形成复杂的盆地构造样式。

盆地流体动力学

盆地流体是指盆地内任何占据沉积物孔隙、裂隙和在其中流动的流体。沉积盆地作为一个动力学演化的整体,随着盆地形成及不断演化,地层流体形成并随之发生相应的流动,从而构成盆地演化过程中重要的组成部分。盆地流体分析就是试图揭示盆地流体活动以及相关的物理化学作用过程。盆地流体动力学研究可以理解为在沉积盆地范围内,通过对温度场、压力场和化学场等各种物理化学场的综合研究,在流体输导网络的格架下,再现盆地内流体运动过程及其活动规律的多学科综合的研究(解习农等,2006)。地质历史时期沉积盆地的形成和演化经历了一个相当复杂的过程,同样,盆地内流体运动也经历了一个复杂的过程。盆地流体活动是控制盆地中物质演变和能量再分配的主导因素,对各类矿藏的形成、聚集具有关键的控制作用。大型层控金属矿床形成过程中金属元素的活化、迁移和富集与盆地及深部的流体作用有关,油气生成、运移和成藏过程与盆地流体作用等有密切关系,因此,盆地流体分析成为油气勘探和某些层控金属矿床勘探研究的重要手段之一。

沉降作用

沉积盆地是地球表面的长期沉降区,大多数盆地的充填体厚度小于20km,它的沉降机制主要与地球内部相对刚性、具有冷的热学边界层岩石圈活动有关。造成盆地沉降的主要机制包括:

①拉张等作用造成的地壳减薄;

②岩石圈的冷却作用;

③沉积和火山等负载作用;

④地壳和岩石圈的构造负载作用;

⑤板片俯冲引起的地幔动力流动作用;

⑥板内应力;

⑦地壳深部变质作用等。

在利用地球动力学方法进行盆地构造-热演化模拟之前需要对盆地进行构造沉降史分析,获得盆地构造沉降数据,为盆地构造-热演化模拟提供目标函数。盆地的基底深度是盆地的总沉降量,其中包括沉积作用造成的沉降及其他动力因素造成的构造沉降。盆地的沉降分析就是要获得基底的构造沉降特征,即把沉积负载的影响从基底总沉降中通过校正消除掉,从而得到构造沉降量。

分布

世界分布

沉积盆地在地球表面分布范围广,以面积大于1000km²以上、沉积岩厚度大于1000m统计,全球约有974个沉积盆地,其中陆上盆地523个,海上盆地451个,这些沉积盆地大约90%属中、新生代形成。世界各大洲沉积盆地分布状况如下图所示。

中国分布

中国沉积盆地分布广泛,总面积约为345×104𝑘𝑚2,占国土面积的1/3以上。与世界沉积盆地相比,中国沉积盆地数量极多,大大小小的沉积盆地总计有236个,盆地数量占世界沉积盆地的1/3以上,这在世界上是绝无仅有的。中国沉积盆地的规模总体比较小,没有一个面积超过100×104𝑘𝑚2的超巨型盆地,而世界上面积超过100×104𝑘𝑚2的超巨型盆地有很多,如西西伯利亚盆地(230×104𝑘𝑚2)、波斯湾盆地(256.5×104𝑘𝑚2)、墨西哥湾盆地(153.9×104𝑘𝑚2)等。中国面积超过50×104𝑘𝑚2,属于巨型盆地的只有塔里木盆地,面积为56×104𝑘𝑚2。面积超过10×104𝑘𝑚2的大型盆地有10个,分别是松辽盆地渤海湾盆地、苏北-南黄海盆地、二连盆地准噶尔盆地柴达木盆地鄂尔多斯盆地四川盆地、东海陆架盆地、珠江口盆地。其他面积超过1×104𝑘𝑚2的有30个,其余的沉积盆地面积皆不足。

矿产资源

沉积盆地是大自然提供给人类能源和矿产资源的最重要的地质体,盆地内部蕴藏着十分丰富的矿产资源。据统计,铁矿的90%(包括沉积变质铁矿床)、铅锌矿的40%~50%、铜矿的25%~30%,锰矿石和铝矿绝大部分为沉积矿产形成于沉积盆地中(曹成润等,2005)。煤炭、石油、天然气能源99%以上在沉积盆地生成,而且地球本身蕴含的地热能、原子能也主要分布在沉积盆地中。中国的石油资源主要集中分布在渤海湾、松辽、塔里木、鄂尔多斯市准噶尔汗国、珠江口、柴达木盆地和东海陆架八大盆地,可采资源量172×10⁸t,占中国的81.13%;天然气资源集中分布在塔里木、四川、鄂尔多斯、东海陆架、柴达木、松辽、莺歌海镇、琼东南和渤海湾九大盆地,可采资源量18.4×1012𝑚3,占中国的83.64%。

参考资料

世界地球日|四川盆地从何而来?“盆”里的水去了哪里?.封面新闻.2025-04-24

河南工人日报数字报