盆山耦合与沉积盆地成因

文章编号: 100020550 (2003) 0120024207 ① 国家重点基础研究发展规划 (973)项目G1999043303 课题资助。 收稿日期: 2002210210　收修改稿日期: 2003201210 盆山耦合与沉积盆地成因① 王清晨　李　忠 (中国科学院地质与地球物理研究所　北京　100029) 摘　要　我国的沉积盆地成因研究主要遵循盆山耦合的研究思路进行, 关注重点为盆山体系的构造、沉积和深部结 构上的耦合现象。构造耦合研究是指盆山结合带的统一变形特征, 沉积耦合研究是通过沉积响应去重塑盆山耦合过 程及相邻造山带的演化过程, 深部结构耦合的重点是研究盆山体系在岩石圈尺度的动力学统一性。国际上相应领域 的研究重点为岩石圈深部过程与近地表构造过程的耦合。国内外研究既有相同之处, 又有差异之处。建议在未来的沉 积盆地成因研究中更加开阔思路, 采用天然实验室的工作模式, 进行多学科综合研究。 关键词　盆山耦合　盆地成因　国际岩石圈 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 第一作者简介　王清晨　男　1950 年出生　博士　研究员　岩石学和大地构造 中图分类号　P51212　　文献标识码　A 1　从“中国型盆地”谈起 沉积盆地充填物中不仅蕴藏了丰富的矿产和能源 资源, 而且记录了地球演化过程的丰富信息, 因此沉积 盆地的研究一直倍受关注。20 世纪 60 年代以来, 人们 把盆地的形成与板块运动密切联系起来。20 世纪 80 年代,“Ch inese2type basin s (中国型盆地)”一词出现在 地质文献中。Bally 和 Snelson〔1〕把“中国型盆地”列为 缝合带周缘盆地 (perisu tu ra l basin s) 中的一种特殊类 型, 认为是因挤压或巨型缝合带活动而在板块内部远 端断块处形成的。同时命名的还有西地中海型 (W. M editerranean2type) , 潘能型 (Pannon ian2type) 等盆 地类型。但 K lein〔2〕提出, 盆地的成因类型不应以地方 性名称命名, 因为其中一些盆地的真正成因尚不清楚。 进入 90 年代后, 沉积盆地研究在国内外蓬勃开 展。国际岩石圈计划 ( IL P)于 1990 年在“大陆岩石圈” 领域中设立了“沉积盆地成因”任务组。该任务组的最 初宗旨是通过观测和建模的密切合作来开发新一代盆 地模型〔3〕, 对“应力与盆地演化”〔4〕,“岩石圈流变与盆 地形成”〔5〕,“岩石圈深部过程的近地表显示”〔6〕等专题 进行了国际合作研究。在研究过程中, 多学科多方位合 作的重要性与必要性日益突出, 该任务组开始了与 AL CA PA 计划项目〔7〕及 EU RO PROBE 计划项目〔8〕的 密切合作。1998～ 2000 年期间, 该任务组的研究重点 研究转移到“岩石圈深部过程与近地表构造过程耦合 的精细构造”研究方面, 并对盆地的新构造投注了极大 兴趣〔9〕。 与此同时, 其它一些国际或地质大国的学术组织 也对沉积盆地成因进行了成果 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 或新计划的制定。 沉积盆地与大地构造经常作为一些重要地学会议的重 要研讨主题; 美国科学基金会地球科学部制定的“1990 ～ 2020 年大陆动力学计划 (1989)”中, 16 个主要研究 问题中有 8 个与沉积盆地有关〔10〕; 伦敦地质学会出版 了《欧洲西部新生代前陆盆地》〔11〕。 我国的沉积盆地研究在 80 年代初尚无大型研究 计划, 但对盆地形成与大地构造的关系已十分重 视〔12〕, 尤其是对含油气盆地的研究成果开始涌 现〔13, 14〕。进入 90 年代, 国家自然科学基金委员会及一 些部委开始组织相关研究, 尤其是一批与油气资源相 关的沉积盆地大型研究项目相继启动, 如国家级科技 攻关项目“塔里木盆地油气资源 (1991～ 1995)”,“库车 前陆盆地构造解释和油气勘探方向 (1996～ 2000)”, 国 家重点基础研究发展规划 (973)项目“中国典型叠合盆 地油气形成富集与分布预测 (1999～ 2003)”。迈入新世 纪, 国家自然科学基金委员会把盆山构造体系研究列 为“十五”优先资助领域〔15〕。 我国学者在研究过程中逐步注意到盆山耦合现 象, 日益感到有必要把盆地演化与造山带演化联系起 来进行研究〔16, 17〕, 一批研究实例应运而生〔18～ 26〕。新千 年伊始, 研究盆山耦合的 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 更如雨后春笋〔27～ 29〕。尽 管目前尚无确切的盆山耦合定义, 但从过去十几年的 研究重点来看, 盆山耦合主要是指冲断造山带与前陆 第 21 卷　第 1 期 2003 年 3 月 　　　　　　　　　　 沉 积 学 报 A CTA SED IM EN TOLO G ICA S IN ICA 　　　　　　　　　　　　　 V o l. 21 N o. 1 M ar. 2003 盆地、伸展山岭与裂陷盆地及走滑造山带与走滑盆地 在构造、沉积和深部结构上的耦合现象〔30～ 32〕。 比较上述国内外研究, 二者侧重点虽各有不同, 但 主要研究兴趣与热点基本一致, 这是由盆山体系自身 客观特性所决定的, 同时也印证了, 地质科学理论是没 有国界的, 不宜强调其地方性特色。 2　盆山构造耦合 曾被国外学者称为“中国型盆地”的我国西北诸盆 地的盆山耦合构造现象得到深入研究, 尤其是天山与 其南北两侧的库车和乌鲁木齐盆地的耦合现象。卢华 复等〔21, 22〕把塔里木盆地北部的库车构造带与南天山 造山带的构造联系起来, 自北而南区分出若干构造单 元, 并按断层相关褶皱理论方法〔33, 34〕识别出断层转折 褶皱、断层传播褶皱、滑脱褶皱等多种典型地壳缩短构 造。他们的研究表明: (1)库车构造带的底部逆冲断层 向南变浅, 堆叠逆冲岩席向南变薄, 总体上形成一个向 南的逆冲构造楔; (2) 变形作用向南变新 (从 25 M a 到 1. 8 M a)。他们进一步指出, 在库车变形期间, 附近并 没有板块俯冲发生, 因此, 库车构造是印藏板块碰撞的 内陆构造响应, 应属二叠纪前陆盆地复活而成的再生 前陆盆地变形带。这一认识在国内基本取得共识。 乌鲁木齐盆地位于准噶尔盆地南缘, 与北天山相 邻。刘和甫等〔19〕提出, 新第三纪时天山再度隆起成山, 成为再生造山带, 乌鲁木齐盆地为再生前陆盆地, 并将 盆山耦合带自南而北划分为 4 个背斜构造带。这些背 斜带多为长轴背斜, 平面上呈东西向展布, 自南而北呈 雁行状排列。其变形分为两期, 早期为楔冲作用, 产生 推覆构造和冲断层, 使造山带前锋不断向前陆盆地推 进, 晚期由于造山带上升产生重力作用, 形成滑覆构造 和正断层。此外, 川西前陆盆地与龙门山造山带的构造 耦合〔20〕、鄂尔多斯前陆盆地与其周缘造山带的构造耦 合〔18〕、伊犁盆地与天山造山带的构造耦合〔25〕等也都得 到深入研究。它们均处于挤压环境, 前陆盆地的沉降及 褶皱- 冲断带的发育是由造山带构造楔推进作用发动 的。拉张环境盆山构造耦合关系主要见于我国东部的 中、新生代伸展构造体系, 包括松辽盆地与大兴安岭、 华北盆地与太行山等, 其研究实例以渤海湾新生代盆 地为代表。陆克政等〔35〕对渤海湾盆地的研究表明, 伸 展盆地的构造样式主要取决于盆地基底主断层的几何 学和运动学特征的控制, 可划分出四种盆地结构, 即由 非旋转平面式正断层控制的地堑, 由旋转平面式正断 层控制的多米诺式半地堑, 由铲式正断层控制的滚动 半地堑和由坡坪式正断层控制的复式半地堑。虽然我 国东部盆山 (岭) 关系早已受到注目, 但人们更多地是 在关注其动力学成因机制〔32, 36〕, 探索岩石圈深部过程 与近地表构造 (盆地) 演化的耦合关系, 目前已提出的 机制主要有变质核杂岩隆升作用、地幔对流与底辟作 用、拆层作用等三种〔28〕。 走滑造山带与走滑盆地的研究实例以阿尔金断层 带伴生的柴达木盆地西部坳陷为代表。刘和甫等〔30〕认 为, 阿尔金断裂是始新世时转化为走滑断裂的, 其走滑 挤压形成正花状构造, 并造成两侧塔里木盆地和柴达 木盆地的迅速沉降, 阿尔金东南侧的走滑冲断使柴达 木盆地第三纪沉积中心自西北向东南方向迁移, 并形 成雁列褶皱或反 S 型构造。根据走滑盆地的走滑断层 弯曲度、离散度和聚合度可进一步划分为走滑伸展盆 地 (包括拉分盆地或走滑- 裂陷盆地) , 走滑挤压盆地 (包括走滑挠曲盆地或走滑前陆盆地) , 走滑旋转盆地 等三类〔28〕。 3　盆山沉积耦合 盆山沉积耦合研究主要关注了沉积盆地对相邻造 山带的沉积响应关系, 即通过沉积响应去重塑盆山耦 合过程及相邻造山带的演化。 对盆山耦合过程的沉积响应研究较多地集中在挤 压造山带楔状体向盆内推进过程的响应。如王清晨 等〔37〕对赣北安源煤系盆地的研究表明, 华南造山带向 北西方向的阶段性推复造成了近源沉积相带向盆地内 部的迁移, 同时使砾岩和砂岩的碎屑物成分发生旋回 性变化, 每一旋回都表现出不稳定组分 (千枚岩砾石 等)逐渐减少, 稳定组分 (石英脉砾石等)逐渐增多的趋 势。李勇等〔23〕对龙门山前陆盆地的研究表明, 自中三 叠世以来的地层可识别出 6 个构造层序, 所发育的 11 个砾岩楔状体是对龙门山冲断带多次逆冲推复事件的 响应, 这些砾岩楔状体有向盆地内迁移的趋势。他们对 砾岩和砂岩碎屑物成分的详细研究还进一步揭示出, 在推复过程中, 前陆盆地的早中侏罗世近山沉积在晚 侏罗世后卷入推复体, 成为新的盆地物源, 暗示了冲断 带向盆内的迁移。关于走滑盆地与走滑造山带的沉积 响应以及伸展盆地对伸展山岭的沉积响应, 以往的研 究多局限在通过沉积时代来确定控盆断裂的活动时间 方面, 如对于郯庐断裂和哀牢山断裂与相关盆地的研 究〔30, 38, 39〕。 通过沉积盆地的碎屑物成分进行造山带揭顶历史 的恢复研究主要是围绕挤压造山带的前陆盆地开展 的, 尤以大别山北侧合肥盆地的研究最具特色。大别山 因超高压变质岩的发现而受到国际瞩目, 而研究超高 压变质岩折返过程与动力学的需要使合肥盆地成为热 点研究区。对大别造山带与合肥盆地的地质、地球物 52第 21 卷　　　　　　　　　　　　　　　　王清晨等: 盆山耦合与沉积盆地成因　　　　　　　　　　　　　　　　　 理、地球化学的综合研究〔24〕表明, 大别造山带是中生 代碰撞造山作用的产物, 合肥盆地是在这一造山带隆 起时形成的, 经历了凹陷- 断陷- 构造反转等阶段。李 忠等〔26〕根据合肥盆地侏罗系古水流方向和砂岩碎屑 组成研究指出, 合肥盆地南部侏罗系物源主要来自南 侧的大别山造山带, 主要物源类型经历了下- 中侏罗 统的“再旋回造山带”类型向上侏罗统的“岩浆弧”类型 的复杂演变; 他们进一步通过大别山南、北盆山沉积耦 合关系的对比对造山历史进行反演研究〔40〕, 指出中生 代南大别山源区剥露深度浅于北大别单元, 大规模隆 升剥露的时间也明显滞后于北大别。李任伟等〔41〕则对 合肥盆地侏罗系砾岩中的大理岩砾石进行了碳、氧同 位素分析, 通过与大别山出露的超高压大理岩的碳、氧 同位素组成〔42, 43〕进行对比, 发现二者有显著区别, 并 据此提出侏罗系大理石砾石的来源区不是超高压变质 岩, 而是在大别山造山带早期抬升时被剥蚀掉的层位。 刘少峰等〔44〕对合肥盆地侏罗系砾岩中花岗岩砾石的 同位素年代学进行研究, 在其中发现了年龄值为 214 M a 的花岗岩, 表明大别山确曾发育了同碰撞花岗岩, 但早已剥蚀殆尽。王道轩等〔45〕在合肥盆地上侏罗统砾 岩中发现了榴辉岩砾石, 从而界定了大别山高压- 超 高压变质岩在晚侏罗世之前就已折返出露地表。 应该指出, 自 20 世纪 80 年代特别是 90 年代以 来, 围绕新生代青藏高原隆升这一国际热点, 我国及国 外学者还开展了大量沉积学的研究〔27, 46～ 49〕。这些工作 大多以建立高精度的磁性年代地层框架为基础, 通过 盆地中连续剖面的碎屑沉积物粒度、碎屑矿物组成、沉 积速率以及层序结构等信息的提取, 对高原隆升过程 及其细节进行直接反演和恢复, 从而揭示区域构造特 别是造山带形成演化对环境演变的制约机理。从理论 上讲, 上述成果在我国盆山沉积耦合研究领域应占有 重要地位, 其中一些工作还具有开拓性; 只不过他们早 期有关盆山沉积耦合的研究大多以探讨气候环境变化 为目标, 因此不大为以探索固体地球构造演变基本规 律为己任的多数地质学者的注意。 4　盆山体系的深部结构 以岩石圈形成、演化和动力学为研究目标的全球 地学断面 (GGT ) 计划的执行帮助人们深入认识了盆 山体系的深部结构。到 1998 年为止, 我国已经完成了 10 条地学断面〔50〕。杨宝俊等〔50〕通过对这 10 条地学断 面的综合分析认为, 以大兴安岭- 太行山- 武陵山重 力梯级带为界, 两侧盆地具有不同的地球物理特征。梯 级带以西发育了四川盆地、鄂尔多斯、塔里木、准噶尔、 柴达木等盆地。它们的重力场形态反映了盆地具有高 密度的核部或者基底隆起, 呈刚性, 在构造中不易形 变, 而其周边介质则易于形变。在航磁异常上主要表现 为团状强磁场区, 与四周变化剧烈的NW 向线性异常 形成对比, 表明这些盆地基底不是周围山区基底的延 伸, 而是一个较硬且具有强磁性的结晶岩块。这类古陆 壳块稳定盆地区的居里面深度一般为 40～ 50 km , 盆 地热流值较低, 可称为“冷盆地”。梯级带以东发育有松 辽、渤海湾、南黄海等盆地。它们的重力场形态多表现 为一些小块零星的局部重力异常, 并具有一定的走向。 例如, 渤海湾盆地以宽大的高值正磁异常与宽缓负磁 场区交替分布 (以正磁异常为主) 为特征, 走向以N E 为主, 磁异常梯度的变化反映了古老结晶基底的起伏。 渤海湾盆地布格异常亦呈高低交替状排列, 走向 NN E, 与结晶基底的起伏有良好的对应关系。除去沉 积层的重力效应后, 该盆地呈现出平衡的正布格异常, 反映莫霍面上隆的影响。这些中、新生代盆地断坳区居 里面深约 36～ 40 km , 盆地热流值较高, 特别是基底顶 面及深断裂带处更为明显, 可称之为“热盆地”。关于梯 级带两侧盆地地球物理性质不同的原因, 有一种观点 认为, 梯级带西侧的盆地是构造运动与均衡调整相抗 衡的结果, 而梯级带东侧均衡调整对于盆地的形成起 重要作用〔51〕。 进入新千年后, 一些聚焦于盆山体系动力学的地 球物理调查项目开始取得初步成果。例如, 新疆地学断 面的完成揭示了塔里木盆地与其南北两侧造山带耦合 部位的深部结构〔52～ 54〕。新疆地学断面北起阿尔泰的布 尔津, 南到西昆仑的泉水沟, 全长约 2 000 km。横过西 昆仑- 塔里木的深地震反射剖面揭露出盆山结合部位 地壳与上地幔顶部的精细结构, 发现了塔里木岩石圈 下部南倾、西昆仑山岩石圈下部北倾的强反射特征, 它 们相向倾斜、相互交织, 构成了塔里木岩石圈挤入到西 昆仑北带之下, 与青藏高原西北缘岩石圈相碰撞的图 像。深地震反射剖面还揭示出, 西昆仑山与塔里木盆地 在岩石圈尺度呈“V ”型的盆山耦合关系, 代表了陆- 陆碰撞变形过程的一种样式〔53〕。横过准噶尔- 天山- 塔里木的深地震反射剖面〔54〕揭露出, 中天山与北天山 地体并没有明显山根, 且与准噶尔盆地成为一整体。值 得注意的是准噶尔盆地与天山构造带下的 28～ 35 km 深处有一低密度层 (2. 53～ 2. 65 göcm 3) , 自准噶尔盆 至天山构造带内的大多数断裂向下延伸都没有切穿该 低密度层 (低速层) , 只有中天山南缘断裂切割了整个 地壳, 向莫霍面下延伸, 表明作为塔里木板块一部分的 南天山的向北俯冲。新疆地学断面还揭示出, 塔里木盆 地地壳成层性要优于其南北两侧相邻的造山带, 且没 有低密度层存在。在盆地内靠近塔中隆起处有一莫霍 62 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　沉　积　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第 21 卷 面隆起, 使塔里木的地壳结构在南北方向上呈一南陡 北缓、中部隆起的不对称的“拱形”。这表明刚性的塔里 木板块受南北两侧板块挤压, 从而造成了这种地壳的 弯曲〔52～ 54〕。 5　沉积盆地成因研究浅析 如前所述, 我国在盆山耦合研究方面基本可以与 国际接轨。当然, 若与国外沉积盆地成因研究现状做一 比较分析, 我们仍能找到自己的差距和不足。这里仅就 笔者所知谈些一管之见。 首先, 国际上并无“盆山耦合”的提法, 而是关注 “岩石圈深部过程与近地表构造过程耦合 (coup ling of litho sphere and near- su rface p rocesses)”。国际岩石 圈计划第 III- 2 任务组后期的工作重点就是去认知 岩石圈深部过程与近地表构造过程耦合的精细构 造〔9〕。这种表述的不同可能是因我们使用象形文字的 中国人与使用拼音文字的欧美人思维方式有别而造成 的。我们看到山和盆, 立即转化成文字, 然后再由表及 里, 深入思考。而欧美人没有这种文字便利, 只好一开 始就去思考, 于是, 找出若干盆地沉降的机制 (表 1)〔10, 55〕。文化差异无可厚非, 只要思考深度相同, 当应 殊途同归。然而, 由于我们有了象形文字的中间环节, 有时会不自觉地走向“形而上”, 两眼只盯住山和盆, 却 忽视了岩石圈尺度的构造过程。在这方面, 我国东部拉 张型盆地的研究走在了前边。例如, 对松辽盆地和渤海 湾盆地的成因研究很早就注意到该区上地幔的活 动〔36, 56, 57〕。但我国西部盆地的成因研究仍待深入。例如 天山与其两侧盆地的成因, 人们早就意识到其特殊性, 并命名为“再生前陆盆地”〔19, 21, 22, 35〕。那么, 这种盆地的 成因也与典型前陆盆地一样, 是由地壳和岩石圈的构 造负载引起的吗?令人欣喜是, 关于我国挤压型和走滑 型盆山体系的深层次动力学成因已经受到关注〔28〕, 相 信不久会有高水平成果涌现。 表 1　盆地沉降机制 (据 Ingerso ll & Busby〔55〕; D ick inson et al. 〔10〕) Table 1　M echan ism s of Basin Subsidence 1) 伸展作用、剥蚀或岩浆房萎缩导致的地壳减薄; 2) 下地壳和上地幔的冷却; 3) 地壳和岩石圈的沉积和火山物质负载; 4) 地壳和岩石圈的构造负载; 5) 岩石圈板底垫托作用导致的地壳下负载作用; 6) 因岩石圈下潜而导致软流圈的流动; 7) 高压相变导致的地壳密度增大。 其次, 与国外高水平盆地分析论文相比, 我们的切 入点似乎少了些。例如, 国际上近几年对拉张型盆地的 研究包括了由裂谷盆地沉积物再造、裂谷肩部组成与 古地貌〔58〕, 探讨拉张过程中盆地的几何形态与盆地基 底的垂向运动〔59〕; 对挤压型盆地的研究包括了对造山 带整体几何学的再造〔60〕, 盆地充填序列沿造山带走向 的变化〔61〕, 构造活动对盆地水动力体系的控制, 以及 盆地地貌与汇水型式的耦合等〔9〕。“应力与盆地演化” 是国际上的研究重点之一〔4〕。受现代全球应力场研究 的启发, 人们开始注意盆地形成时的古应力场状态, 进 而研究岩石圈的应力场演化。这一研究是建立在运动 学标志的野外调查基础之上的, 而断层滑动分析 (fau lt2slip analysis) 与古应力再造技术〔62, 63〕使该研究 成为热点之一。 “岩石圈流变与盆地形成”是国际上另一研究重 点〔5〕, 这一研究主要是进行盆地成因模拟。在研究中由 岩石力学资料外推, 建立了强度包络面概念, 并结合热 状态, 提出岩石圈结构模型〔64〕, 模拟中所使用的模型 有弹性模型、粘- 弹性模型及韧- 脆性流变模型。动力 学模拟更多是针对拉张型盆地开展的, 在裂前流变、岩 石圈细颈化深度、盆内断块掀斜、盆地构造 - 热体 制〔65～ 68〕等方面取得了成果。 再有, 在美国大陆动力学研究计划的启发下, 天然 实验室 (natu ra l labo ra to ries) 的研究途径得到广泛认 可。科学家们选取一个理想的地区, 开展多学科综合性 研究, 被认为是一个行之有效的研究模式。在欧洲, 前 述 80 年代成因尚不清的西地中海盆地和潘能盆地等 都被选为天然实验室, 取得了丰硕的研究成果〔66, 69〕。 相比之下, 国内对盆地个例的研究还有待深入。令人高 兴的是, 天然实验室的工作模式在国内已经受到重视, 新的成果即将问世。 6　结语 笔者曾在叶连俊先生指导下学习沉积盆地分析, 后来又转向造山带研究。今值先生九十华诞之际, 应邀 撰此短文, 对盆山耦合与盆地成因研究谈一点认识, 深 感荣幸, 并衷心祈祝先生寿辰快乐。此文发表之时, 又 迎来《沉积学报》创刊 20 周年喜庆, 谨此表示热烈祝 贺。需要强调的是, 本文并不是对盆地成因研究的全面 综述, 因此许多方面并未涉及, 如盆地反转构造研究, 盆地流体研究, 原型盆地与叠合盆地演化研究以及盆 地模拟研究等。在谈及国外盆地成因研究时, 只是想开 阔一下思路, 绝无意鼓吹盲目效仿。把我们中国的沉积 盆地纳入到全球构造中去, 让我们中国科学家的声音 在国际学术舞台上更宏亮些, 这就是本文的初衷。文中 谬误之处敬请指正。 致谢: 感谢肖文交博士在文献收集和整理中付出的极 大努力。 72第 21 卷　　　　　　　　　　　　　　　　王清晨等: 盆山耦合与沉积盆地成因　　　　　　　　　　　　　　　　　 参考文献 (References) 1　Bally A W , Snelson S. 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