中新生代苏北盆地的沉积特征与地形巨变

中、新生代苏北盆地的沉积特征与地形巨变 张振克1,2 田海涛1 (1 南京大学海岸与海岛开发教育部重点实验室,南京210093)(2中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室,西安) 摘要:苏北断陷盆地中、新生代接受了厚达数千米的巨厚的沉积体系,沉积记录了中、新生代以来复杂的地质构造变动影响和沉积环境变化过程。早、中三叠世苏北盆地以海陆过渡相、海相沉积为主;中、晚三叠世扬子板块和华北板块发生碰撞,苏北盆地地表抬升,进入陆相沉积环境。扬子板块和华北板块碰撞以及早、中侏罗世太平洋板块与中国东部大陆板块开始碰撞,造成中国东部地势抬升强烈,中生代中国东部高原-山脉系统开始形成,由于断裂活动引起的不均匀快速隆升,苏北构造盆地雏形在早侏罗世开始出现,砂砾岩快速沉积。早白垩世太平洋板块俯冲加强,郯庐断裂发生大规模左行平移,推覆构造发育,苏北断陷盆地与盆缘山地之间地势差异达到最大;晚白垩世郯庐断裂两侧发生伸展,断陷盆地发育,苏北盆地的箕状断陷特征加强,呈山盆地貌景观。晚白垩世末到早第三纪太平洋板块俯冲带东撤,苏北盆地构造活动减弱,外力风化剥蚀与消高填低的夷平作用活跃,地势大幅度降低,并遭受短时间尺度的事件海侵。晚第三纪受新构造运动的影响苏北盆地整体坳陷,盆地边缘山地有所抬升,火山活动加强,第四纪以来苏北盆地继续沉降,在冲积和海积作用下,现代苏北平原形成。分析了苏北盆地早第三纪海侵的特点,指出了可能的海侵通道;恢复了中、新生代苏北盆地的古地形变化过程。 1.引言 中、新生代以中国为核心的亚洲和西太平洋地区发生了强烈的构造环境变化[1],中国东部“宏伟的中生代高原-山脉系统”的形成、消失和世界屋脊——青藏高原的诞生,奠定了中国现代地貌格局的形成。青藏高原在全球变化研究和地表系统物质循环中占据十分重要的位置,青藏高原隆升使得高原成为欧亚大陆的大河之源,以青藏高原为源地的巨型河流系统向世界大洋提供了大约70%的陆源悬移质沉积物[2]。地貌作为地球内、外营力相互作用的产物,在探索构造与气候关系、地球系统过程演化中具有十分突出的优越性。长期以来,我国地貌和第四纪地质研究十分重视研究新构造运动及其地貌标志[4]、地貌形态与地质剖面沉积记录[5],在青藏高原隆升的时代、幅度及其毗邻云贵高原、黄土高原环境演化与东亚古季风研究中,地貌学与第四纪地质研究发挥了重要作用[6-10]。地球系统过程研究正朝着穿越圈层、跨越时空的方向发展,成为过去全球变化研究热点[3]。近年来,中国东部燕山期高原的地质研究受到极大关注[11, 43],高原的范围扩大到整个中国东部[12]。任纪舜(1999)认为在晚侏罗纪晚期-白垩纪初在亚洲东部存在一个“宏伟的中生代高原-山脉系统”,该高原的范围在贝加尔湖-鄂尔多斯盆地-四川盆地以东的亚洲东部,推测是西太平洋板块与古亚洲大陆碰撞造成的[13]。因此,中生代燕山期中国地貌起伏表现为东高西低的特点,中国大陆东部白垩纪到早第三纪存在复杂高峻的山系[4]。本文选择长江三角洲北翼、郯庐深大断裂带东侧的苏北盆地开展研究,根据前人在本区大地构造、地层、石油地质方面的大量研究资料,综合分析了中、新生代苏北盆地的沉积特征和地形演化,为研究中、新生代中国地形倒转巨变事件提供一个区域尺度上的例证。 2.现代自然地理概况与大地构造背景 2.1 现代自然地理概况 研究区位于长江三角洲北翼的苏北平原,东临黄海,北部和西部与江苏北部剥蚀丘陵、苏皖接壤地区的低山丘陵边缘为界,大致沿连云港—东海—宿迁—泗洪—洪泽湖—金湖—高邮湖西—扬州展布,南界在扬州—泰州—海安—如东—线。平原区大部分海拔小于20 m ,其中可以划分为沿海海积平原和河流泛滥平原和面积狭小的山前倾斜平原三种类型。黄河泛滥平原沿废黄河故道两侧分布,海拔大部分在5 m以上;海积平原海拔多在5 以下,其中射阳—建湖—兴化为轴心的浅洼平原,海拔多在2 m以下。苏北平原地区,地处暖温带和北亚热带季风气候区,气候温暖,年平均气温13~15 oC,雨热同期,降水主要集中在夏季,年平均降水量在1000 mm 左右;区内河湖众多,位于平原西部的洪泽湖和高邮湖,面积分别为1 578 km2和675 km2,是黄淮海平原重要的淡水湖泊;苏北河网水闸密布,大运河贯通南北,有十分便利的灌溉条件,是黄淮海平原东南部著名的渔米之乡和粮棉油生产基地。 2.2区域大地构造格局 苏北盆地及毗邻地区的大地构造背景比较复杂(图1),苏北平原主体以苏北-南黄海构造盆地的陆上部分(苏北盆地)为构造基础,苏北盆地西北部以响水—淮阴—盱眙断裂为界,将苏北-胶南地块与苏北盆地分开[14],断裂带以北为正向构造区,松散沉积覆盖层一般小于100 m,覆盖在前寒武系浅变质岩、变质岩地层上;南部为苏北盆地,古老基底上发育厚达数千米的中新生代沉积体系,在苏北盆地内部构造差异明显,进一步可以划分三个次一级的构造单元,即盐城-阜宁凹陷、高邮-东台凹陷,以及两个凹陷包围的建湖隆起[15]。苏北盆地南部发育WE走向的如东—扬州断裂和NE走向的金坛—如皋断裂,断裂东南侧为如东隆起和扬州-仪征构造隆起;苏北盆地西南部推测发育有北西向的断裂构造,和苏北平原现今20 m等高线的展布趋势一致[16]。苏北盆地断裂构造在平面上以NW、NE、NNE和WE为主,断裂将苏北盆地切割成众多的箕状小盆地[17]。 响水—淮阴—盱眙断裂是苏北平原北部的边界断裂,其形成和郯庐深大断裂带的演化有密切的联系,并对苏北平原构造盆地的发育的宏观格局产生重要影响。郯庐断裂中生代以来经历了晚侏罗世末-早白垩世的走滑运动、晚白垩世-早第三纪的伸展运动和晚第三纪以来的逆冲活动[18]。苏北平原地区的大地构造演化和中生代以来古太平洋板块的俯冲作用、俯冲带东撤等有密切的联系,同时,苏北平原是中、新生代构造活化的陆内板块的接合地带,扬子陆块和华北陆块(苏北-胶东地块)之间相互作用及深部岩浆活动也是苏北构造盆地演化的重要影响因素。 3沉积特征与环境 3.1中生代沉积特征与古环境 苏北盆地区中生界地层发育齐全,为海相-陆相沉积以及中、酸性火山岩[19],地层巨厚,相变空间差异较大(图2)。三叠系青龙组(T1)地层以页岩与薄层灰岩互层开始,向上海相灰岩成份逐渐增加,中三叠世初期仍发育以周冲村组为代表的泥灰岩、白云岩夹石膏沉积,陆相沉积特征日益显著,以紫红色砂岩的黄马青组(T2)沉积为代表,标志着本地区大范围海相沉积环境的结束,从此,苏北盆地地质演化进入一个新的阶段。侏罗系地层与下覆地层呈明显不整合接触关系,中、下侏罗统地层以象山群为代表,为巨厚的砾岩、砂岩为主,夹有煤层和中性安山岩,反映中生代构造运动在本区域表现十分强烈,构造抬升明显,苏北构造盆地的雏形形成,强烈的侵蚀和流水搬运堆积过程异常活跃,故发育了厚层砾岩[19]。晚侏罗纪的岩浆活动达到鼎盛,大量的中性岩浆岩喷出,广泛发育安山岩、流纹岩和凝灰岩等,根据构造活动的特点,推断苏北盆地区晚侏罗纪的整体构造抬升继续加强,对侏罗纪苏北盆地的抬升的幅度估计抬升到1000-2000 m。白垩系自下而上发育葛村组、浦口组和赤山组,均为陆相碎屑沉积[20],根据岩性、古生物化石和玄武岩年代的研究,把泰州组划入上白垩系[21-24]。白垩纪早期太平洋-库拉板块活动强烈,以底角度向亚洲板块俯冲,苏北 盆地西部的郯庐断裂发生快速左行走滑,钻孔揭示苏北盆地中生代推推覆构造和逆断层十分发育,葛村组沉积了超过千米的砂岩、泥岩和砾岩,而盆地周边地区火山喷发活跃、喷出岩及其相关沉积占主导。白垩系以浦口组最为发育,最大厚度2000 m以上,根据岩芯岩性、古生物特征进一步划分四段,岩相变化趋势表现为自下而上粒度变细,下部为杂色的砂砾-角砾岩,中部为暗棕色、灰棕色泥质粉细砂岩和粉砂质泥岩,局部夹有盐岩和石膏层,上部为暗棕色、灰棕色泥岩和粉砂质泥岩。浦口组与下伏地层不整合接触,而且下覆地层的时代跨度很大,苏北地区浦口组沉积时期应具有海安、高邮、白驹、淮安、盐城五个沉积中心[25]。对苏北盐阜坳陷沉积相和沉积环境的研究显示,区内钻井岩芯浦口组沉积厚度从630 m 到2700 m,变化幅度较大,并与上覆地层呈明显不整合接触关系,浦口组主要发育冲积扇、扇三角洲和湖泊三种主要沉积相类型[26]。赤山组在苏北地区的东台坳陷、盐阜坳陷中广泛发育,建湖隆起带上缺失[36]。泰州组与下覆地层呈不整合接触关系,一段为砂岩和含砾砂岩,上部二段为黑灰色泥岩,构成一个由粗到细的沉积旋回。包括苏北盆地的南黄海盆地及邻区中生代地层的对比分析显示,南黄海盆地及邻区中生代地层具有东部沉积薄、西部沉积厚,东部沉积环境以氧化为主、岩石发红,西部以还原环境为主、岩石发暗,东部以火山岩类岩相为主、西部以碎屑岩为主的特征[27],反映中生代晚期从南黄海盆地东部向苏北盆地,地形变化大势应和今天相反,呈东部高西部低的态势,而且东部火山活动更为强烈,东亚中生代大面积的岩浆活动,有从西部向东迁移、岩浆时代逐渐变新的趋势[28]。苏北中生代陆相碎屑沉积包含若干沉积中心,沉积中心底砾岩厚度普遍较大,四周渐薄,反映沉积初期的古地形起伏较大;据石油地质钻孔浦口组厚度变化特征[26],估算白垩纪苏北盆地区的地势最大差异接近2000 m,属于山、盆相间的地貌环境。 3.2新生代沉积特征与古环境 苏北地区第三纪地层有下第三系的阜宁组、南戴组、三垛组和上第三系的盐城组,沉积的总厚度4500-5000 m(图2)。苏北平原石油地质研究十分深入,下第三系为主要油气存贮地层,包含多个构造沉积旋回和沉积中心。其中,阜宁组包含四段,黑灰色的泥岩与泥灰岩、砂岩层互层为沉积特点,下部一、二段和上部三、四段构成两个沉积旋回,其中阜宁组与泰州组呈整合接触关系;南戴组分上下两段,构成又一个沉积旋回,上部以黑色泥岩为主,下部杂色砂岩为主,与下覆地层不整合接触;三垛组一段为块状砂岩、泥岩与砂岩互层,二段为泥岩和砂岩互层,与下覆地层呈假整合或不整合接触关系[23]。下第三纪地层中普遍夹有玄武岩层,其中,阜宁组上部三、四段有3-4次玄武岩喷发,三垛组的玄武岩喷发多达6-7次[24]。下第三系地层地震反射剖面结果显示,早第三纪苏北平原地区构造活动强烈,下第三系沉积多表现为楔状沉积体,广泛发育箕状断陷盆地[29]。苏北平原地区上第三系盐城组和第四系东台组,为在坳陷背景下的相对连续的沉积,盐城组与下覆地层不整合接触,厚度超过1000 m,第四系东台组中心在东台-海安一带,厚度超过250米,为海陆交互相地层。在盐城组沉积层中夹有1-2层玄武岩,反映晚第三纪以来岩浆活动趋于弱化。由于太平洋板块俯冲带的东撤,构造活动减弱[30];早早第三纪苏北平原地区拉张断陷明显,由于不均匀沉降,发育箕状断陷盆地,同时在盆地拉张作用下有多次的玄武岩喷发活动。箕状断陷盆地中心沉积厚度大,箕状断陷盆地缓坡突起部位外力剥蚀作用强烈。根据苏北盐城凹陷的地层相对削失量的计算结果,盐城凹陷真武事件相对剥蚀量为0~1247m,三垛事件相对剥蚀量为0~480m。在白驹凹陷,真武事件相对剥蚀量为0~1362m,三垛事件相对剥蚀量为0~≥596m[29]。由此可见,苏北盆地早第三纪的夷平作用十分显著。苏北盆地阜宁组二段、四段地层中具有海侵的痕迹,发现有龙介虫科栖管、藻叠层石和钙质超微化石、自生的海绿石以及海相介形类新单角介等[22, 31, 32]。有关海侵的问题尚存在很多的争议[33, 34],根据海相生物分布局限、不连片和垂直分布星散的特点,推断早第三纪苏北平原地区的以河湖相沉积为主,曾短暂受到海水侵入的影响。苏北平原地区晚第三系盐城组中新统(盐一段) 顶部发育厚度40-80 m的红色泥岩,覆盖在巨厚的砂砾岩、砂岩上,该泥岩层分布广,厚度变化较大,在凹陷中心泥岩厚度达到400 m;上新统(盐二段)主要为粉砂质泥岩,夹厚度不大的中、细砂岩层,地层厚度呈从西部向东部逐渐增大的趋势,其中盐城、海安等地盐二段厚度超过500 m [35]。沉积反映的古地理环境属于河流洪、冲积和泛滥平原相沉积,并伴有平原湖沼相沉积;同时,沉积特征反映晚第三纪的夷平作用十分强烈,在构造拗陷背景下,后期沉积物具有广泛超覆的特点,不再明显反映盆地沉积的特点,沉积厚度从西向东逐渐加厚,说明晚第三纪末苏北平原地区地势已经从中生代的东高西低演化为西高东低的大势。第四纪沉积继承了晚第三系沉积的大势,主要表现为在大范围拗陷构造背景下加积沉积的特征,其中值得注意的是第四纪气候冷暖变化造成的海岸变迁和海平面变化,对区内沉积环境有重要影响。根据区域地质调查资料,第四纪苏北平原地区存在五个海相层,其中倒数第二海侵范围最大[38];同时,低海平面时期特别是末次冰期的风尘沉积,在苏北平原地区也非常发育,主要表现为埋藏的硬粘土层[37]。冰后期海平面上升,受长江、黄河和潮流侵蚀输砂的影响,于6000-5000 aB.P.期间苏北平原东部开始发育以东台为顶点的扇形陆上潮成砂体[39]。近2000年来黄河泛滥和河道变迁,对苏北平原海岸演化有重要贡献。 4 讨论 4.1关于苏北盆地早第三纪海侵通道问题 虽然有人怀疑中国东部早第三纪某些海侵证据[33],但不能提出全面否定海侵的科学依据。因此,根据有限海侵证据分布特点,作者倾向于早第三纪现代苏北平原地区的沉积盆地曾短暂地受海洋影响的观点,以海水通道的形式和苏北早第三纪盆地一度联系起来。但海侵发生在什么样的地质构造背景下?可能的通道在哪里?对苏北盆地构造与演化研究表明,东西向的构造带在本区占主导地位,如苏北盆地北部的盐阜坳陷、中部的建湖隆起和东台坳陷,其东西向展布特征明显[40]。白垩纪末到早第三纪,我国东部地区构造活动相对平静,夷平作用加强[41],其重要原因是早第三纪全球性气候异常湿润,降水丰沛,外力侵蚀作用大大加强[42]。苏北盆地和周边区域早第三纪地势起伏已经远远小于白垩纪的地势差异。区域地球物理勘察资料显示,苏北-南黄海盆地近东西向的“坳-隆-坳”构造带,被NW 向多组盆内断裂分割[43],推测沿NW、EW向断裂发育的谷地,是苏北盆地早第三纪古地理环境的重要特征。根据上述苏北盆地地质地貌演化特征,我们认为,早第三纪阜宁组记录的苏北盆地海水侵入事件,可能通道主要来自从苏北-南黄海盆地东部缺口的入侵(图3)。早第三纪期间期间气候变化、构造运动引起的短尺度海平面上升,特别是异常的海啸事件[44],均有可造成海水沿上述通道进入苏北盆地;同时,全球性的海平面变化研究也显示白垩纪末到早第三纪为高海平面时期[45],全球性高海面是苏北盆地早第三纪遭受海侵的重要背景。 4.2苏北盆地地质演化与地形巨变过程 中国东部中、新生代地质构造演化,前人做了大量的研究,关于古地形巨变,张旗等认为中、晚侏罗纪中国东部高原,可与今天的青藏高原类比[11],苏北盆地也位于该高原范围内。汪品先对亚洲新生代形变和环境演变进行了分析,认为中生代并至少持续到古新世,中国地形大势仍为东高西低,曾发育3500-4000 m的山脉[1]。郑洪波在前人研究基础上认为长江中下游平原地区晚白垩纪到古新世的古地貌高度在2000-3000 m,并绘制了中国东西古地貌剖面示意图[47]。然而,苏北盆地在中国“东部高原”范围内处于独特的地质构造环境中,本文从沉积特征、地质构造演化、古地貌与环境的角度,初步恢复了苏北盆地环境演变过程中的地形巨变过程(图4),目的是抛砖引玉,希望大家批评指正,以期对中国东部中新生代地形巨变在苏北盆地的表现有一个初步的认识。三叠纪初为海陆交互相沉积,早、中三叠纪的巨厚碳酸盐沉积记录了下扬子区三叠纪最大海侵事件,中-晚三叠纪扬子板块和华北板块的强烈碰撞[46],结束了苏北盆地和邻近区域的大规模海侵和海相沉积环境历史。 受大陆板块碰撞的影响,晚三叠纪末和早侏罗纪早期造山活动强烈,构造隆升作用加强[47],苏北盆地和邻近地区以山地地貌开始出现。早、中侏罗纪在不均匀隆升的过程中构造盆地雏形开始出现,苏北盆地和邻近区域象山群砂砾岩中夹有安山岩和凝灰岩,反映构造隆升过程中伴随着火山活动。中侏罗纪到晚侏罗纪太平洋和中国大陆板块碰撞挤压,苏北盆地前侏罗系地层发生强烈的形变,褶皱构造和逆掩推覆断裂发育,控盆构造发育。早白垩纪在太平洋板块挤压作用下,郯庐断裂发生左旋走滑[40],苏北地区推覆构造发育,构造盆地形成,盆地沉降中心与周边山地的地势差异达到最大,盆地接受巨厚的白垩系沉积,苏北盆地在中生代巨大“东部高原-山脉系统”中呈典型的山盆地貌格局。早第三纪以来,太平洋板块俯冲带东撤,中生代高原-山脉系统发生塌陷[12],苏北盆地由推覆挤压转向重力作用下的断裂滑移,箕状断陷盆地的沉积特征日益显著[17],并发生了如前所述的海侵事件。早第三纪晚期苏北盆地火山喷发加强,但规模不大,早渐新世三垛组包含多层玄武岩,苏北盆地晚渐新世存在沉积间断[24],表明在长期的夷平作用下,早第三纪苏北盆地及周边山地地貌由于构造活动减弱,外力剥蚀作用加强,地势差异降低,晚渐新世的沉积间断是对地表夷平过程的响应。 进入晚第三纪,西太平洋板块系统向西部的运动加强[48],苏北盆地周边山地构造活动强烈,西部郯庐断裂发生逆冲活动并伴随火山喷发[40],而西南部盆地边缘的玄武岩喷发十分活跃,反映苏北盆地与周边地势差异加大;但苏北盆地整体稳定,处于整体坳陷,接受大量陆源沉积物,从沉积物中包含较多的粗大砂砾层可以推断,晚第三纪盆地尚存在地势差异。第四纪以来,盆地持续沉降,周边山地因风化剥蚀降低,地势差异逐渐接近现代;第四纪海平面变化在苏北盆地第四纪沉积记录留下多层海侵层和海岸变迁遗迹,在河流冲积作用、海积作用下苏北盆地的现代平原地貌形成。