沉積盆地(Sedimentary basin)主要是由地殼構造運動引起,并陸續接受沉積物充填的地質單元,它以周邊高(山地或高原)、中間低(平原或丘陵)的盆狀地形為其基本地貌特征。沉積盆地的沉降和充填時間通常能持續較長的地質時期,并達到相當大的厚度。其間可經歷沉降—抬升—再沉降等多期構造運動,斷裂發育,構造復雜。
沉積盆地的成因與地殼下沉有關。沉積盆地按平面形態的不同可分為盆形、海灣形和海槽形三種;按板塊構造劃分可分為五個大類型,分別為與板塊擴張帶有關的盆地、與板塊俯沖帶有關的盆地、與大陸碰撞帶有關的盆地、與轉換斷層帶有關的盆地、克拉通內盆地。據盆地形成動力學系統的三類應力環境,將沉積盆地分為裂陷盆地、壓陷盆地、走滑盆地三大基本類型,對應的控制構造依次為正斷層系、逆斷層系和走滑斷層系,力學機制分別為拉張應力、擠壓應力和剪切應力。
沉積盆地是地球表面的長期沉降區,大多數盆地的充填體厚度小于20km,它的沉降機制主要與地球內部相對剛性、具有冷的熱學邊界層的巖石圈活動有關。造成盆地沉降的主要機制包括拉張等作用造成的地殼減薄、巖石圈的冷卻作用、沉積和火山等負載作用等。沉積盆地在地球表面分布范圍廣,以面積大于1000km2、沉積巖厚度大于1000m統計,全球約有974個沉積盆地,其中陸上盆地523個,海上盆地451個,這些沉積盆地大約90%是在中、新生代形成。沉積盆地內部蘊藏著十分豐富的礦產資源,如鐵礦、鉛鋅礦、銅礦。
定義
沉積盆地(Sedimentary basin)主要是由地殼構造運動引起,并陸續接受沉積物充填的地質單元,它以周邊高(山地或高原)、中間低(平原或丘陵)的盆狀地形為其基本地貌特征。沉積盆地既可以接受從物源區搬運來的沉積物,也可以充填相對近源的火山噴發物質,當然也接受由原地化學、生物及機械作用形成的沉積物。因此,沉積盆地既可以是大洋深海和大陸架,也可以是海岸、山前和山間地帶。從構造意義上來說,沉積盆地是地表相對下降的地區;相反,地表除沉積盆地以外的其他區域都是遭受侵蝕的剝蝕區,即沉積物的物源區,這種剝蝕區是構造上相對隆起的地區。隆起區遭受剝蝕,剝蝕下來的物質向沉積盆地遷移,并在盆地中堆積下來,這實際上就是一種均衡調整(或稱補償)作用。
形成原因
沉積盆地的成因與地殼下沉有關。據板塊理論,地殼升降主要是由于地幔密度的變化和地表負載作用而引起的,這些因素可以使地殼厚度、熱狀態和均衡平衡條件發生改變,從而導致地殼隆起或沉降。在巖石圈的重力均衡作用下,地殼變厚可使地表隆起,地殼變薄則使地表沉降。在板塊離散運動帶,地殼因拉伸而變薄,形成大陸或大洋裂谷盆地。
新生的洋殼隨著海底擴張的進行,因大量散熱而發生冷卻收縮,密度增大,產生大規模沉降。在板塊斂合運動帶,地殼因推擠、堆疊而形成巨大的構造負載。板塊的俯沖產生俯沖雜巖負載。此外,在被動大陸邊緣堆積著向海加厚的沉積負載(沉積棱柱體)。地表的負載可使巖石圈發生撓曲下彎,引起基底顯著沉降。上述各因素都可能使地殼下沉,引起或促進盆地的形成,但盆地的形成不是某一單一因素引起的,往往是由幾種因素共同作用、相互配合的結果。
基本特點
1.在地貌上表現為周邊高(山地,高原),中間低凹;
2.在同一高程水平上表現為周邊地層時代較老,中間地層時代較新;
3.就同一層位地層來看,周邊埋藏較淺,中間埋藏較深;
4.就現代水體而言,現代可有可無,但在地史上曾經存在過;
5.就沉積作用來看,現代可有可無,但同樣在地史上一定發生過。
分類
按平面形態分
沉積盆地按平面形態的不同可分為盆形、海灣形和海槽形三種。
按板塊構造劃分
在中國,趙重遠(1978)、甘克文(1982)、李德生(1980、1984)、陳發景(1986)、朱夏(1979、1983)、羅立志等(1982)、劉和甫(1986)、陳景達(1989)和彭作林(1995)等先后利用板塊構造的觀點對中國的沉積盆地或含油氣盆地進行了分類。
沉積盆地按板塊構造劃分可分為五個大類型:與板塊擴張帶有關的盆地;與板塊俯沖帶有關的盆地;與大陸碰撞帶有關的盆地;與轉換斷層帶有關的盆地;克拉通內盆地。
板塊的相互運動是控制沉積環境的主要構造因素,因此的沉積盆地分類,主要從板塊相互運動關系出發,根據盆地所處的板塊構造位置及基底地殼類型等特征進行劃分。這種分類能從全球構造格局分析盆地的形成、演化及其分布規律。但由于分類的側重點不同,劃分的方案不盡相同,國際上流行的有迪金森分類,也有中國學者葉連俊等、朱夏等提出的分類方案。下面僅介紹與各種板塊構造環境有關的沉積盆地的主要類型及其沉積特征。
沉積盆地分類的依據
板塊構造觀點對沉積盆地的分類,通常考慮以下幾種影響沉積盆地特征的因素。
構成盆地基底的地殼類型
大洋型地殼:簡稱洋殼,厚度5~10km,主要由硅鎂層構成。
大陸型地殼:簡稱陸殼,厚度30~40km,具明顯雙層結構,下部由硅鎂層構成,上部由硅鋁層構成。
過渡型地殼:厚度介于上面兩種類型之間,可由陸殼或洋殼轉化而成。
盆地離開板塊邊緣的距離
板塊邊緣往往是地殼構造運動最活躍的地方,與板塊相互作用有關的構造效應能直接影響盆地的形成和演化。因此,盆地離板塊邊緣的距離將影響盆地的性質和沉積物的特征。
盆地所處的(或離盆地最近的)板塊接合帶類型
離散型(divergent)接合帶:位于洋殼或陸殼的擴張中心,是老巖石圈發生分裂并產生新巖石圈的部位,分裂后的板塊分別向兩側發生背離移動。
匯聚型(convergent)接合帶:兩巖石圈板塊因相向運動而碰撞斂合的地帶,可以是大洋板塊俯沖于另一板塊的俯沖帶,也可以是大陸板塊相互碰撞產生的褶皺造山帶,即大陸板塊縫合的地帶。
轉換型(transform)接合帶:兩個相鄰的巖石圈板塊沿著一個斷層,彼此以剪切方式滑動,既沒有形成新巖石圈,也沒有破壞老巖石圈的地帶。
綜上所述,根據沉積盆地所處的板塊構造環境,可將盆地分為以下五個大類型:與板塊擴張帶有關的盆地;與板塊俯沖帶有關的盆地;與大陸碰撞帶有關的盆地;與轉換斷層帶有關的盆地;克拉通內盆地。
各類沉積盆地的成因及其沉積特征
與板塊擴張帶有關的盆地
大陸板塊的分裂擴張,經過大陸內裂谷階段,原始大洋灣階段,最后演化為被動的大陸邊緣-深海平原階段。在這一演化過程中,相應發育了四種類型盆地。
1.陸內裂谷盆地
陸內裂谷盆地是大陸開始分裂擴張的初期產物,它的形成與熱地幔物質上涌而導致地殼拉伸和減薄有關,地幔上涌使地殼大范圍拱起,隆起區由于區域拉張作用,大陸殼裂開,形成了以斷層為邊界的狹長凹陷,即為陸內裂谷盆地,此類盆地大多發育在地殼大型隆起的背景上,常為一系列平行分布的、對稱或不對稱的“V”形地塹或半地塹群,地塹寬度為30~60km,斷裂的垂直幅度可達數千米。陸內裂谷盆地的沉積作用主要發生在大陸環境中,形成河、湖相紅色粗碎屑沉積,晚期也可因海水侵入而形成海陸交互相及濱、淺海相碎屑巖和碳酸鹽巖沉積。盆地內碎屑沉積物質主要來自裂谷兩壁的陡岸和裂谷內上升斷塊的侵蝕產物。此外,由于陸內裂谷盆地形成過程中常伴隨有大陸火山噴發,因此形成的沉積組合明顯地表現為以與堿性或偏堿性基性火山巖成互層的大陸紅層為特征,也可含泥灰巖、碳酸鹽巖、膏鹽、含銅砂巖、煤、石油、天然氣等。
現代裂谷盆地的典型實例有俄羅斯的貝加爾裂谷、德國的萊茵裂谷以及東非裂谷系。貝加爾裂谷形成于新近紀,貝加爾湖是世界上最深的湖泊,長670km,深17000m以上,沉積物厚度超過5000m,由陸相的淺水湖泊、沼澤及河流沉積物組成,并夾有少量堿性火山巖。中國東部中新生代盆地,如汾渭地塹、郯廬斷裂帶白堊紀——古近紀地塹等,都具有陸內裂谷盆地的構造和沉積特征,如汾渭地塹形成于古新世至上新世,盆地中堆積了厚達6000~7000m的陸相紅色碎屑沉積。在盆地北部有多次的堿性玄武巖噴發。
2.陸間裂谷盆地
陸間裂谷盆地也稱原始大洋灣或狹窄大洋盆地,它是陸內裂谷因拉張進一步發展而完全裂開分離的產物。在分離的兩個大陸之間產生了初生的洋殼和狹窄的大洋。它與陸內裂谷盆地的根本區別在于基底地殼類型不是陸殼,而是過渡型地殼或洋殼,但盆地內沉積仍受兩側陸塊的影響。由于此類盆地處于海灣環境,盆地邊緣為區域性傾斜斷塊隆起所環繞,在適宜的氣候條件下,盆地的這種受阻塞環境有利于蒸發巖的沉積。此外,在陸間裂谷形成階段,由于坳陷內火山活動形成熔巖,于是熔巖、蒸發巖和前階段形成的陸內裂谷紅層沉積一起,構成了紅層-熔巖-蒸發巖組合。如果盆地受限制的條件消失而出現窄大洋,或者有河流攜帶來自兩側陸塊的大量碎屑物進入裂谷盆地,則會產生紅層-熔巖-濁積巖組合。
紅海和亞丁灣是典型的陸間裂谷盆地。紅海裂谷長約2000km,寬180~360km,軸部水深超過千米。自上新世開始,進入陸間裂谷發展階段,在此階段不但形成了由玄武巖、輝綠巖和輝長巖組成的新洋殼,還形成了大量的蒸發巖、泥質巖及海相軟泥、火山碎屑巖等沉積,構成紅層-熔巖蒸發巖組合。據陳昌明等人的研究,中國東部以渤海裂谷系為代表的古近一新近紀沉積盆地大致相當于陸間裂谷盆地類型,在古近紀早期,盆地內發育了一套大陸紅層、石膏層和玄武巖互層的陸內裂谷盆地沉積組合,以后盆地轉化為原始大洋灣,沉積物就逐漸轉變為與大洋橄欖玄武巖層伴生的濁積復理石組合。此外,還有生物礁大理石、泥灰巖和深水泥巖等,盆地內沉積了厚達6000~7000m的巨厚沉積巖系,并夾多層火山巖。
3.坳拉谷盆地
坳拉谷盆地(aulacogen)也稱陸緣谷盆地或邊緣裂陷盆地,它是大陸裂谷最初形成時所產生的三叉裂谷中停止發育的一支,另兩支發育為大洋。坳拉谷盆地從大陸內向外延伸,并向大陸邊緣加深,其走向與海岸斜交或近于垂直,為面向海洋的狹長楔形盆地。沿坳拉谷盆地的走向,盆地的基底類型由開口處的洋殼,經過過渡型地殼漸變為克拉通內的大陸地殼,沿此方向,沉積物特征也有相應的變化,近大洋端為海相或海陸過渡相的碎屑巖、濁積巖和堿性或偏堿性火山巖;在近大陸內部一端,沉積與克拉通內盆地相似,為陸相或海陸過渡相的石英砂巖、砂泥巖及碳酸鹽巖,沉積厚度向大陸內方向明顯變薄,火山活動減弱。坳拉谷沉積物在不同發展階段也不相同,前期和晚期階段以陸相碎屑為主,撓曲階段以海相、海陸過渡相碎屑和碳酸根沉積為主,沉積物早期來源于兩側克拉通,晚期來自于由大洋閉合轉變成的造山帶。因此,沉積物的搬運方向早期是從大陸向海洋方向搬運,晚期則是從大洋向大陸內搬運。
從西非的幾內亞灣向東北方向延伸的貝努爾(Benue)海槽是最早被描述的坳拉谷實例之一,古近一新近紀期間,這個凹槽充填了10000m以上的沉積物,包括從海底扇沉積,經過三角洲沉積到河流沉積的序列。據孫樞等的研究,中國豫陜古、中元古代盆地是古坳拉谷盆地的又一個實例,這個盆地曾經與東秦嶺地槽相連,構成三聯裂谷系。在盆地早期的地塹階段,形成了厚達1000~6000m的陸相偏堿性鉀玄巖系及陸相紅層組合。在盆地發生撓曲階段,主要形成濱海、淺海相碎屑巖和碳酸鹽巖組合,盆地東南側底部夾有安山玢巖,近秦嶺地槽的西南端有較深水的硅泥質沉積。晚期階段盆地抬升,遭受剝蝕,部分地區為冰磧層覆蓋。
4.被動大陸邊緣和深海平原盆地
陸內裂谷發展到陸間裂谷階段后,裂開的大陸斷塊由于新生洋殼的不斷增長而被繼續向兩側推擠、擴展。大陸在分離后隨時間的延續發生失熱沉降,此后因沉積物負載作用等,進一步發生區域性撓曲沉降,形成了具有寬廣海岸平原和大陸架、平緩大陸坡和明顯大陸隆的被動大陸邊緣,成為向海傾斜的區域性坳陷。在這廣闊的坳陷內,從基底向上沉積了兩套巖系,下部是陸內和陸間裂谷階段形成的沉積巖系,迪金森稱之為原始大洋相;上部是大陸分離后,隨著巖石圈失熱沉降而迅速堆積的一套陸架相和海陸交互相的底部碎屑相,構成向海方向增厚的楔狀體。其后,由于陸緣上沉積負載的作用,巖石圈彎曲下沉,于是在底部碎屑相上又堆積了陸架-近海沉積巖,如藻碳酸鹽巖、泥質巖、石英砂巖及蒸發巖等。
此外,大量陸源碎屑在大洋底流的參與下,沿著向海傾斜的陸架被搬運到陸坡和陸隆上,形成巨厚的濁積巖沉積。隨著陸隆的向海傾斜的陸架被搬運到陸坡和陸隆上,形成巨厚的濁積巖沉積。隨著陸隆的向上堆積和陸架的向海增長,形成向海遷移的一系列疊覆的沉積透鏡體,每個透鏡體的上部都是河流三角洲和濱海相沉積物,沿著透鏡體斜坡向下,逐步過渡為富含有機質的前三角洲相、陸坡相和陸隆濁積巖相。由于這些活動的沉積透鏡體不斷向海移動,促使陸架外緣和陸坡從過渡型殼向海推進到大洋殼。由此可見,被動陸緣沉積向海延伸很遠,主要為大陸架-陸隆型沉積,陸棚區沉積淺海碳酸鹽巖和碎屑巖,陸隆區主要為深海濁積巖、等深積巖,總體上構成一個分別向大陸和大洋兩個方向尖滅的巨大透鏡體,即沉積棱柱體,棱柱體的各種不同組分分別覆蓋在陸殼、過渡型殼和洋殼上。
被動陸緣碎屑沉積物以軟泥、粉砂及細砂為主,是由低密度濁流和等深流沉積所形成。當地平線比較低,沉積物接近陸架邊緣的河流相沉積時,由濁流和其他塊狀流形成的粗碎屑更為普遍,碎屑成分的成熟度高,主要為石英砂或長石、石英砂;巖屑,特別是火山巖屑較少,甚至沒有。
古代和現代的被動陸緣沉積,世界上許多地區都有出露和分布,如北美東部著名的阿巴拉契亞山脈山的寒武、奧陶系,中生代一新生代時裂開的北大西洋大陸邊緣的沉積巖系都具有上述沉積特征。據王鴻禎研究,中國揚子地塊北緣的大巴山區可能是震旦紀和早古生代的被動陸緣,中生代的北喜馬拉雅地區是岡底斯與印度大陸在晚三疊世分離擴張后出現的被動陸緣。新洋底變冷和沉降可進一步形成深海平原,在深海平原中,早期堆積在洋脊上的沉積物可被遠洋沉積物(如鈣質或硅質軟泥及棕色黏土)所覆蓋。如果是靠近大陸或島弧的物源區,則為濁流沉積所覆蓋。遠洋沉積物可以覆蓋在玄武巖之上,也可以夾于其中或呈互層。位于大洋擴張中心的中央海嶺,發育有許多小的裂谷盆地,這些盆地的基底和四周均由基性熔巖和侵入巖所構成,其內僅沉積少量遠洋沉積物。洋脊和深海平原地區有重要的錳結核沉積物和分布不很廣的富金屬軟泥。
與板塊俯沖帶有關的盆地
當大洋板塊與大陸板塊因相向運動而相遇時,因重力關系,大洋板塊向大陸板塊之下俯沖,產生島弧和海溝,謂之弧溝系。弧溝系是典型的匯聚型板塊接合帶,主要發育有四種類型的盆地。
1.海溝盆地
海溝盆地是直接與俯沖帶相鄰的一個深海淵,因大洋板塊俯沖下插而成。海溝通常是一個狹長而兩側不對稱的凹槽,靠島弧側為內壁,坡度較陡而曲折;向海延伸的一側為外壁,坡度較緩。由于俯沖作用,致使海溝底部的大部分沉積物潛入地幔而被消耗,因此多數海溝中的沉積物時代較新,年齡不超過1Ma,厚度不大,一般不超過1km。當板塊呈斜向俯沖,且俯沖速度較慢,海溝底又長時間位于沉積速率高的大陸邊緣的黃河體系附近時,海溝中可充填大量濁積巖楔狀體,厚度明顯增大。海溝沉積物由兩部分物質組成,一部分是由俯沖板塊帶來的深海平原沉積物,如生物成因的鈣質和硅質軟泥、紅色黏土等,它們覆蓋在洋殼上;另一部分是在海溝形成的半深海和深海相濁積巖,主要成分是粉砂和黏土及部分砂和火山灰,通常不整合地蓋在深海平原沉積物之上。海溝濁積物是通過海底峽谷從近岸搬運到海溝的,在海溝范圍內濁流的搬運作用沿著海溝軸的方向進行。
此外,由于俯沖作用,還可導致海溝中和俯沖大洋板塊上的沉積物被刮落和停積在板塊接觸帶上,同時也可使俯沖板塊產生破碎巖塊滑落到接觸帶上,因而造成巨厚的不同性質、不同時代的變形巖石混雜堆積在一起,此種巖石組合體稱為混雜巖。隨著俯沖作用的進行,混雜巖堆積體不斷增長和抬高,從而在火山弧前緣形成弧形隆起,稱之為外弧或構造堆積弧,它是板塊俯沖帶或海洋閉合帶的重要標志。美國弗朗西斯科混雜巖體(Francisco complex)是位于古代板塊俯沖帶上的典型混雜巖堆積實例。另外,在海溝內壁,由于地形過陡,可出現由于水下重力滑動形成的滑塌堆積,它常與海溝濁積巖混在一起,構成滑塌復理石或野復理石。世界上,許多現代海溝,如日本海溝、中美海溝、馬里亞納海溝、智利海溝等都具有類似上述的構造和沉積特征。古代海溝或板塊俯沖帶的識別主要是根據混雜堆積。
古混雜堆積在世界許多造山帶都有發現,如在北美西部海岸山脈及阿爾卑斯山脈區等地。混雜堆積在中國四川省、西藏自治區、祁連山脈、秦嶺山脈等地陸續發現。例如,在金沙江斷裂帶,即印支期俯沖帶東西兩側分別發育有滑塌堆積和混雜堆積,兩側的混雜堆積是一種蛇綠混雜巖,其基質為二疊紀和三疊紀的基性-超基性巖、細碧角斑巖及放射蟲硅質巖,其中混雜有石炭一二疊紀的大理石、砂巖、片巖、純橄巖、榴輝巖、輝橄巖等巖塊,這些巖塊大小懸殊,產狀和形態不一,組成礦物普遍表現有扭曲、破碎、波狀消光等變形特征。
2.弧前盆地
弧前盆地位于海溝斜坡折點與火山弧前峰之間,也稱為外弧凹槽或島弧-海溝間隙。弧前盆地的發育與弧溝間隙下部巖石圈下沉有關。弧前區的沉降主要是由冷板塊俯沖作用和沉積負載作用引起,沉積物主要來自附近的巖漿弧,也可以來源于弧溝間隙范圍內的局部隆起。由于物源近,物質供應量較大,因而弧前盆地沉積物以不成熟或極不成熟的碎屑為主,包括大量的火山碎屑、巖屑砂巖和長石砂巖。濁積巖是弧前盆地最主要的一種沉積,弧前復理石以成分不成熟為特征。不過,陸緣弧前復理石稍有例外,可出現石英質復理石。
此外,碎屑成分在垂向上也出現有規律的變化,自下而上深成巖屑與火山巖屑比例逐漸增大;火山巖屑成分也從弧早期相對富鐵鎂質巖類型,演化到晚期為長英質巖類型。由于弧前盆地發育在活動的俯沖雜巖體之外,因而沉積物沒有遭受像俯沖雜巖體那樣的變形和變質作用。弧前盆地的基底是大洋或島弧的火山巖、深成巖,下部由深水蒙脫石質頁巖、火山灰和少量細的濁積巖組成,向上漸變為較粗的濁積巖、陸架碎屑巖,也可能出現礁碳酸鹽巖。如果盆地逐漸變淺,其上部可出現三角洲、濱岸及陸架相碎屑沉積。因盆地內側存在巖漿弧的火山活動,所以在盆地沉積巖系中有熔巖、火山碎屑巖呈指狀穿插。
加利福尼亞州的大谷弧前盆地是典型的弧前盆地之一,該盆地位于西邊的舊金山和東邊的內華達州之間,盆地內沉積物厚達12km,物源來自內華達火山,大部分由火山碎屑濁積巖組成。在中國,北天山的部分古生代、沿雅魯藏布江分布的晚白堊世(可能也包括始新世)的桑珠孜區群等可能屬于弧前盆地的沉積。
3.弧內盆地和弧間盆地
由于火山弧區的微型擴張作用,最初在火山弧內出現以斷層為界的拉張盆地,稱為弧內盆地,其成因可能與局部的火山-構造沉陷有關。火山弧的進一步擴張,在縱向上分為兩部分,一半為活動性很弱的殘留弧,另一半為活動性強的火山弧,其間發育了弧間盆地。
弧內盆地的基底為過渡型殼或陸殼,沉積物主要來自巖漿弧,火山碎屑及深成巖屑為其主要組成成分。對于洋內弧內盆地,沉積物以海相為主,主要堆積火山碎屑濁積巖和海相凝灰巖。對于陸緣弧內盆地,沉積物通常是非海相的,主要為山前扇、坡積和河湖相的粗碎屑磨拉石沉積,火山碎屑及紅層和陸相凝灰巖是其主要成分,有時夾火山碎屑巖和火山巖,湯加、馬里亞納等為典型實例。中國許多地槽的中央隆起帶,如新元古代的江南古島弧、古生代的北秦嶺等都可能是古洋內弧或古陸緣弧,但由于這些巖漿弧長期隆起,遭受剝蝕,因此僅在一些山間盆地保留有一些原先的弧內盆地沉積。
弧間盆地在地貌上為深海平原,水深一般2200~3400m,最深可達4000m,盆地兩側常為正斷層所限,基底地殼類型為大洋型,厚度很薄。盆地內沉積物缺乏陸源輸入物,主要有四種類型沉積物:①來自火山弧的火山碎屑物,為沉積物的最重要成分;②來自火山島鏈的富含蒙脫石的棕色黏土;③生物成因的軟泥(遠洋碳酸鈣軟泥);④來自大陸的風成粉塵(棕色黏土或硅質軟泥)。
盆地內沉積物的分布是對稱的,靠近火山弧一側,發育由火山碎屑構成的特征的濁積巖裙,很少或不存在深海沉積;在火山碎屑裙遠端以外,堆積有遠海棕色黏土,這種黏土以富含玻璃和蒙脫石成分而與深海盆地黏土相區別;在盆地的更遠端,沉積了含碳酸鈣的遠海軟泥,但在超過碳酸鹽補償深度的地方則為棕色黏土或硅質軟泥堆積。
4.邊緣海盆地
邊緣海盆地也稱弧后盆地,位于活動的陸緣與島弧或殘留弧之間,以洋殼為基底,地貌上多數為深海平原,水深3000~6000m。關于邊緣海盆地的成因有多種假說,其中之一認為主要與弧后擴張有關,是陸緣巖漿弧或大陸邊緣地殼裂陷、分離而形成,在本質上與弧間盆地沒有多大區別,與弧間盆地相比,邊緣海盆地沉積形式變化多端,而且也比較復雜,物質來源可以來自大陸,也可來自島弧,輸入的陸源物質也多種多樣,因此不存在單一類型的沉積作用。沉積相的種類幾乎與大洋中發現的一樣多,但因邊緣海盆地被大陸和島弧所環繞,通常沒有大洋底流的影響,從而使其缺失重要的大洋底流沉積物,而含有較多的火山碎屑物和火山灰,這可能是邊緣海盆地相和真正大洋相之間的唯一區別。邊緣海盆地中濁流沉積很發育,尤其是持續擴張的海盆,如有豐富的陸源碎屑物或火山碎屑物供應時,可形成厚的濁積巖層,因此邊緣海盆地可能是復理石沉積的主要環境之一。根據海底鉆探資料,邊緣海盆地內可形成兩種類型沉積:靠近陸源一側,主要形成復理石沉積;遠離陸緣,靠近島弧一側,常為深海沉積、半浮游生物沉積與火山巖互層。
現代的邊緣海盆地主要分布在西太平洋邊緣,如白令海、鄂霍次克海、日本海、南海及菲律賓海等,這些盆地水深可達3000m以上。盆地內沉積物特征有明顯差異,近大陸側與被動的陸緣沉積相同,是在陸殼或過渡地殼基底上發育的冒地槽型沉積;近島弧側及盆地中部則是在過渡殼或洋殼基底上發育的優地槽型沉積。
與大陸碰撞帶有關的盆地
在匯聚型板塊接合帶附近,由于消減作用導致大洋逐漸收縮,以致最終閉合,從而使兩大陸板塊邊緣彼此相碰。在碰撞帶,褶皺作用和沖斷層作用造成兩個板塊上的陸殼抬升,形成山脈,在碰撞點之間可能存在古洋盆地的海灣,謂之殘留洋盆地,而在隆起山脈附近,可形成陸前盆地。
1.殘留洋盆地
兩個碰撞的大陸板塊邊緣和外弧帶一般較平整,但不十分規則,它們之間仍會存在未消耗完的、老的洋盆(即殘留洋盆地)。現代殘留洋盆地的典型例子是孟加拉灣,由于繼續消減作用,這個盆地正在閉合中,沉積物主要來源于碰撞造山帶的碎屑,形成三角洲與海底扇沉積,這種大的三角洲體系在側向上隨著碰撞帶一起遷移。三角洲向海一邊的海底扇,發育于大洋底的遠洋沉積物之上,隨著消減作用繼續進行,殘留洋盆地的沉積物可以達到消減帶,并且其中大部分被刮落形成外弧,一個大型的外弧有可能發育成山脈,山脈的不斷上升又給海底提供更多的碎屑物來源。
東地中海是非洲和歐洲板塊碰撞過程中,正在消亡、尚未閉合的殘留洋盆地。現代地中海形成于中新世早期,被年輕的大陸褶皺山系包圍。中新世早期和中期,洋底上沉積了深海沉積物,其中濁流沉積發育,中新統上部沉積了數千米厚的蒸發巖,它是地中海曾經干涸的確切證據。上新世及第四紀主要是含超微體化石和有孔蟲的深海沉積。東地中海新生代濁流沉積廣泛分布,形成地中海型復理石,其特征是:含大量成分成熟的濁積巖,火山碎屑濁積巖少見或僅局部出現,是同造山期形成的,向上或在側向上都可以過渡為磨拉石。
2.陸前盆地
陸前盆地亦稱前陸盆地,是大陸板塊的碰撞作用,導致大陸邊緣因構造負荷效應發生彎曲沉陷所形成的一類盆地。這類盆地可分為兩類,在俯沖板塊上面形成的周緣陸前盆地或周緣盆地(peripheral basin);形成于仰沖板塊上的弧后陸前盆地或弧后盆地(retroarc basin),這兩種盆地均發育于陸殼基底之上。
周緣陸前盆地位于造山帶的褶皺-逆沖斷層帶與克拉通之間,盆地橫剖面不對稱,靠近造山帶一側,盆地中地層褶皺和沖斷層發育,沉積厚度大;而靠近克拉通一側,地層變形微弱,沉積厚度小。盆地內沉積基本上是同造山期或造山前形成的復理石和造山后或同造山期形成的磨拉石,其中磨拉石是周緣陸前盆地最特征的沉積物,初期可能為海相、海陸交互相及三角洲相,以后則主要是陸相的河流、三角洲、湖沼及山麓堆積,沉積物主要來源于褶皺-逆沖斷層帶,但也有部分來自克拉通翼部。阿爾卑斯山脈北麓的瑞士平原,喜馬拉雅山脈前緊靠南邊印度次大陸的盆地都是典型的周緣陸前盆地。
弧后陸前盆地分布于陸緣山弧(如安第斯山)或陸緣島弧(如中國臺灣、爪哇)后側緊鄰大陸板塊的周圍地帶。盆地橫剖面與周緣陸前盆地很相似,也是不對稱的,近克拉通一側盆內地層厚度小,變形微弱,而靠近褶皺-逆沖斷層帶一側,地層厚度大,變形強烈。弧后陸前盆地為特征河流三角洲相、淺海陸架相沉積;也可以全部處于大陸環境,形成山麓相、河流相及湖沼相等磨拉石沉積;深海沉積較為少見。沉積物主要來源于巖漿弧和褶皺-逆沖斷層帶,也有些來自克拉通。加拿大西部阿爾伯塔省盆地以及中國的臺灣海峽是典型的弧后陸前盆地,臺灣海峽基底為大陸殼,可能是在新近紀邊緣海盆地的基礎上發育起來的弧后陸前盆地,其內新近系冒地槽沉積厚達四、五千米,第四系沉積物主要為巨厚的礫石質磨拉石以及以砂屑為主的現代陸架沉積。
與轉換斷層帶有關的盆地
轉換斷層是一種特殊類型的板塊邊界,相鄰兩板塊沿著此邊界做剪切錯動。由于斷層兩側的斷塊運動往往不是純水平、離散或匯聚的,而是斜向的,從而在局部規模上或全球規模上都表現出某種程度的擠壓或拉張。擠壓引起隆起,形成山丘或島弧;拉張引起沉降,形成沉積盆地。由于盆地一般都臨近同期的隆起,因此沉積充填極為迅速,沉積作用在垂向和橫向上變化較大,常有沉積間斷。在轉換斷層帶相鄰地區同時發育有拉張和擠壓構造,很少或無變質作用,巖漿活動也很罕見。
轉換盆地的沉積與盆地所處的地理環境有關。位于大洋中的轉換盆地,由于附近缺乏大量沉積物供給區,因此盆地內不可能形成巨厚堆積,只能接受來自斷層兩側的碎屑物,或者由濁流、洋底火山等帶來的沉積物及其他遠洋沉積物。而位于大陸環境中的轉換盆地,陸源區可向盆地供應大量碎屑物,加之差異性斷層活動,可形成橫向和垂向上相變迅速,厚度大,而且厚度變化也大的沉積層系。轉換盆地中形成特征的加利福尼亞州型復理石,其成分比較成熟,沒有酸性-中性火山巖屑,可能形成于同造山期,巖系在空間上延伸不大,向上和向兩側均過渡為磨拉石。死海以及與圣安德烈斯轉換斷層系共生的沉積盆地是轉換盆地的典型代表。
克拉通內盆地
克拉通是大陸地殼上長時間處于穩定狀態,很少接受沉積和很少遭受變形的地殼部分。克拉通內盆地是指那些遠離板塊邊界,位于大陸板塊內的盆地,關于其成因有多種看法,其一,認為是由于地幔物質上涌,熱力作用使地殼上拱,從而造成地殼因拉張而發生裂隙、斷陷和坳陷而形成;其二,認為是由于受到相鄰板塊運動的影響,使大陸巖石圈板塊內部發生形變而產生沉降所造成,至于真正板內環境中陸上盆地大規模持久沉陷的機理,尚不清楚。
根據克拉通內盆地的形態和沉積特征,可將其劃分為三種主要類型。
1.克拉通內簡單盆地
克拉通內簡單盆地淺而寬廣,平面上大致為圓形、橢圓形,剖面上呈碟狀,沉積厚度不大,一般為3000~4000m。盆地以淺水沉積為主,通常為陸表海、陸棚海及大陸湖盆等環境,形成地臺型的海相和陸相沉積。盆地內的主要沉積是:臺地碳酸鹽巖組合和臺間碳酸鹽巖組合、大型三角洲相組合以及內陸盆地紅層組合等。因長期海侵,主要發育典型的淺海碳酸鹽巖和碎屑巖沉積,有的發育海灣蒸發巖沉積,典型的克拉通內簡單盆地有美國的威林斯頓盆地、密歇根盆地和伊利諾伊州盆地等,中國的塔里木盆地、四川盆地等也屬于此類型。
2.克拉通內坳陷盆地
克拉通內坳陷盆地與克拉通內簡單盆地相似,不同之處是坳陷強烈、地層厚度比較大。俄羅斯的西西伯利亞盆地和中國的松遼盆地等均為這類盆地的典型實例。松遼盆地是在海西褶皺帶基礎上發育起來的斷陷-坳陷盆地,以坳陷為主,坳陷幅度較大,形成厚達5000m以上的中新生代沉積,以河湖相沉積為主,發育了規模較大的河湖三角洲,白堊紀中期,盆地處于坳陷階段,盆地中部分布大面積湖區,沉積了較厚的湖相黑色泥巖,是良好的生油層。
3.克拉通內斷陷盆地
克拉通內斷陷盆地是陸殼受到水平拉張作用形成的斷陷盆地,與大陸內初始裂谷相比,盆地裂陷較深,沉積厚度較大。歐洲北海盆地的維京地塹和中央地塹屬于這種類型盆地。北海盆地在三疊紀末和晚侏羅世末,發生強烈的塊斷活動,形成許多長條形地塹盆地,如中央地塹和維京地塹等,這些斷陷盆地內充填了侏羅一白堊紀海相地層,主要由鲬粒大理石、介殼灰巖、砂巖和頁巖以及海相泥巖等組成。
根據板塊構造環境劃分沉積盆地類型,探討其形成、演化及其沉積特征,對于尋找金屬、非金屬和油氣礦產,正確評價含礦遠景具有重要意義。國內外油氣分布資料表明,盆地含油氣豐富程度與不同時代板塊活動體制,盆地在板塊構造中所處的位置,以及盆地的熱體制有密切關系。例如,轉換型大陸邊緣的盆地,往往較其他類型大陸邊緣盆地含油氣豐富。此外,中、新生代大陸內裂谷或地塹盆地、斷陷或坳陷盆地以及陸前盆地等均有豐富的油氣藏,而克拉通內簡單盆地、島弧前盆地含油氣較少。一般來說,盆地內溫度較高,有利于石油的生成和運移。
基于地球動力學劃分
在中國化石能源地質界,基于地球動力學的沉積盆地分類得到廣泛應用(劉和甫,1986,1993)。據盆地形成動力學系統(構造應力場最大主應力系方位)的三類應力環境,將沉積盆地分為裂陷盆地、壓陷盆地、走滑盆地三大基本類型,對應的控制構造依次為正斷層系、逆斷層系和走滑斷層系,力學機制分別為拉張應力、擠壓應力和剪切應力。
第一序列
第一序列是發育于伸展構造背景的斷陷沉積盆地,地球動力來自于最大主應力為水平的張應力,進一步分為大陸裂谷盆地、陸間海盆地、張裂大陸邊緣、邊緣海/弧后盆地和夭折谷/坳拉槽。這些類型中,我們重點了解大陸裂谷盆地和張裂大陸邊緣盆地,這兩種盆地的沉積速率(m/Ma)和大地熱流值(HFU)存在顯著差異。
大陸裂谷盆地是深部地幔熱物質對流上涌至淺部向兩邊分開形成的拉張力,使地殼上部產生張性破裂,巖石圈減薄,逐漸演變而成的裂谷盆地。盆地往往為狹長的沉降谷,長軸與主斷裂線平行;正斷層系十分發育,盆地邊緣由同沉積斷裂控制;盆地形成于大陸張性大陸邊緣盆地發育在被動大陸邊緣或離散板塊兩側,盆地基地為過渡型地殼(陸殼與洋殼混生區),盆地成因與大陸擴張作用有關。基底構造較穩定,很少或無明顯地震和火山活動,大地熱流正常。大陸邊緣往往發育大型三角洲,沉積速率較低,從陸地向海洋推進,形成楔形沉積體,極有利于煤和油氣的形成。大型三角洲是聚煤作用最重要的場所,也是形成油氣砂巖儲層的有利沉積環境,許多煤油氣共生盆地與這種環境有關。其特征為:發育陸階、陸堤、陸隆等單元;硅質碎屑沉積速率中等,構成楔形沉積體;盆地內部生長斷層或同生斷層發育。例如,東海陸架盆地是一個煤與油氣共生的新生代盆地,盆內斷層發育,多為平移斷層或走滑斷層,從西往東構成隆凹相間的構造格局;中~后期轉化為坳陷盆地。其中,古近紀含煤地層形成于斷陷盆地向坳陷盆地演化的轉折時期。
第二序列
第二個序列是形成于壓縮構造環境的壓陷盆地,與化石能源形成、轉化和富集高度相關的有前陸盆地和縫間/山間盆地。它們共同的特點是形成于構造回返期,逆沖斷層系發育,沉積速率極大,大地熱流值偏低,具有“冷盆”性質。前陸盆地形成于大洋閉合的地殼回返碰撞造山期,縫間/山間盆地形成階段更晚,是板塊碰撞以后再旋回造山期的產物。不同盆地發育不同的沉積體系,前陸盆地的典型沉積特征是發育磨拉石建造,縫間/山間盆地發育沖積扇、辮狀河等近源沉積。這兩種盆地沉積速率都很大,原因在于強烈構造擠壓導致沉積區與陸源區地形高差較大,盆地可容空間增大,強烈剝蝕作用使得沉積物供應速率較大,這種快速充填的沉積條件有利于有機質的保存。擠壓型盆地一般都偏冷盆,與兩方面因素有關,一方面是地殼較厚導致地幔熱流向上傳導的路徑較長,另一方面是逆沖斷層系不利于深部熱液等攜帶的熱介質往上對流,造成淺部的地溫梯度較低。
前陸盆地,過去也往往稱為山前坳陷或前淵,包括周緣前陸盆地和弧后前陸盆地兩種類型。共同點是都與造山帶緊鄰,為擠壓成因,邊緣逆沖斷裂系發育,但兩者形成的力學機制、與俯沖帶之間的產狀關系不同。周緣前陸盆地形成于A型縫合線附近,逆沖斷層系與俯沖帶同向傾斜;弧后前陸盆地形成于B型俯沖帶附近,逆沖斷層系傾向與俯沖帶傾向相反。例如,三疊紀四川省前陸盆地起源于板塊碰撞擠壓構造負荷引起的地殼撓曲沉降,直接原因是沖斷撓曲盆地龍門山造山帶由西向東的推覆作用,發育晚三疊世須家河組煤系,是中國重要的頁巖氣勘查層系之一;靠近龍門山一側發育厚度較大的邊緣相,地層厚度向遠離邊緣斷裂方向變薄,沉積厚度變化大,擠壓型同沉積褶皺十分明顯。
按劉和甫(1993)定義,縫間盆地為兩條縫合線之間發育的盆地,例如塔里木盆地盆地;山間盆地邊緣造山帶與縫合線沒有關系,只是夾在造山帶之間的盆地。兩者都有較厚的陸殼基底,構造變形向盆內逐漸減弱,發育由多個構造旋回構成的多旋回疊合盆地,常發育磨拉石建造,周緣斷層發育,常有與斷層伴生的火山巖發育。塔里木盆地是具有疊合性質的多旋回盆地,南緣發育昆侖山脈——阿爾金山脈古縫合線,控制性擠壓力來自于南北兩個方向;從早古生代到中生代末期,盆地經歷了幾次構造旋回,發育多套構造層。中國第二大天然氣田(克拉2氣田)位于此盆地。
第三序列
第三個序列是屬于走滑構造體系的走滑(剪切構造)沉積盆地,根據剪切力與其他力的復合作用可以分為走滑一拉分盆地(剪張性質)、走滑一撓曲盆地(剪扭性質)兩種類型,它們都可以形成有工業價值的油氣盆地和煤盆地。在這種力學機制作用下,走滑沉積盆地最具特色的是花狀斷層構造組合樣式,形成于壓扭力學機制的具有正花狀構造,張扭力學機制的產物是負花狀構造。此類盆地的形成受大型平移斷裂控制,盆地在平面上呈長條狀,沉積中心呈串珠狀,斷裂呈雁列式展布,沉積速率大。兩類盆地大地熱流值相差較大,走滑一拉分盆地具有“熱盆”特征,走滑一撓曲盆地偏冷。
走滑一拉分盆地的典型實例為伊通新生代盆地,屬于郯廬斷裂系北中段的一個組成部分,是一個含煤盆地,同時具有石油勘探前景。盆地呈狹長帶狀,北西和北東邊緣有斷層控制,沉降最強烈的地帶靠近北西緣斷裂,早期為斷陷盆地,晚期轉變為坳陷。盆內發育眾多正斷層,這些斷層在平面上呈雁列式展布,走滑一拉分特征十分明顯。
沉積盆地分析
思路
沉積盆地分析是為能源及其他沉積和層控礦產的勘查而進行的戰略性研究。沉積盆地分析的實用性及其在找礦中的有效性,促進了這一學科的蓬勃發展,同時促進了其與多學科、多種手段的結合,包括與沉積學、大地構造學、地球物理學、地球化學、礦床學等多學科的相互滲透和結合,使沉積盆地分析逐漸形成完整的理論和方法體系。盆地分析實際上是一項復雜的系統工程研究。李思田教授等結合多年從事能源盆地分析的實踐經驗將盆地分析的基本思路概括為四個方面:整體分析、背景分析、演化分析和聯系分析(李思田等,1983,1988)。在研究過程中這四個方面相互聯系,構成一個較為完整的研究思路。
整體分析
早在20世紀60年代早期,Potter和Pettijohn(1963)首先提出了把盆地作為一個整體進行研究的思路。整體分析著眼于整個盆地,就是把沉積盆地作為一個成因上統一的地質體。整體分析的涵義包括從整個沉積盆地范圍和整個充填演化序列來進行分析。事實上,如果不重建整個沉積盆地的輪廓,確定原始沉積邊界,弄清盆地完整充填序列和整體古地理環境,局部的環境研究有時會得出片面的乃至錯誤的結論。整體分析則便于客觀地掌握盆地發生和發展過程中各系統的相互聯系和規律性,其實際的目的是更有效地確定沉積礦產及能源資源在盆地中的分布規律。鑒于目前盆地這一術語通常指現今保存下來的實體,即經過后期形變與剝蝕保留下來的部分,與原來的沉積范圍相比較,有時二者相近,有時則相差甚遠,因此,整體分析應指整個同沉積盆地的重建。
背景分析
沉積盆地的形成演化脫離不開形成背景。背景分析就是從大區域的地質背景范圍研究和分析盆地發育演化,使單個盆地研究與更高級別的控制因素聯系起來。沉積盆地的背景分析包括:①大地構造背景;②古氣候;③全球性地平線變化;④盆地在大的古地理格局中的部位;⑤盆地周圍源區的巖性、地球化學特征;⑥其他全球事件,如缺氧事件。上述六個方面顯然對沉積盆地充填、構造和成礦有重要影響,而這些問題的研究都超出盆地自身的范圍,屬于盆地演化的宏觀背景。
大地構造是背景分析的首要內容,盆地類型和特征主要取決于盆地形成的大地構造條件,它決定成盆基底地殼的類型和性質、與板塊邊界關系、動力學背景和成盆期發生的深部過程。我國絕大部分含油氣盆地和含煤盆地發育于陸殼基底,因此,如果不對大陸構造進行深入劃分和研究,將不能闡明多種類型盆地的成因。在不同部位發育的盆地,如我國晚古生代和中、新生代許多盆地在性質上有較大差異。大型盆地基底常有古老的地塊和微地塊為依托,如四川、鄂爾多斯市和準噶爾盆地。基底地殼的性質特別是先存斷裂網絡的分布對盆地形成演化有顯著的控制作用,如裂谷和坳拉槽盆地幾乎都是沿先存斷裂網絡發育的。盆地與板塊邊界的距離和板塊邊界的性質決定著盆地演化的地球動力學背景,即離散的、聚合的或走滑的背景。
古氣候變化在盆地充填物中有明顯反映,并對成礦條件有重要的控制作用,這種變化既可能起因于全球氣候改變,也可能起因于板塊的漂移改變了盆地與氣候帶的關系。因此,古地磁場的系統研究也在許多盆地中進行。
地平線變化對盆地中沉積體系域的面貌有重要的控制作用。這種變化可能是區域性構造運動的影響,也可能是全球性海平面周期性變化的結果。
盆地周圍物源區特征包括巖石類型的研究和地球化學特征的研究。許多金屬礦成礦與源區有用元素的豐度有關,可間接地根據基底巖石類型進行礦床預測,如沉積金礦與源區角閃巖和綠片巖帶分布密切相關。煤中有用元素的富集,如陸相煤盆地中高硫煤的出現亦都取決于源區巖性。在含油氣盆地分析中,石油地質工作者注意到儲層物性與源區巖性存在密切關系。
盆地在大的古地理格局中的位置,特別是與海岸線的距離和成盆區的古海拔標高,決定著盆地屬于內陸、近海或海陸交替的總體充填面貌。一些中小型盆地中的充填面貌還取決于與古水系的關系,完全相同的斷陷盆地有大的水系注入者形成了補償條件,并形成以洪水沉積物為主;反之則由于缺少充分的碎屑輸入而形成欠補償盆地,發育了深水湖盆,這兩種情況在云南省東部新生代斷陷湖盆群中都可見到。
盆地中的一些特殊的沉積環境有時與全球性事件有關,如許多研究者所注意的全球性缺氧事件與黑色頁巖的關系。
演化分析
沉積盆地的形成、發展到消亡是一個歷史的過程,演化分析就是對整個盆地的發展歷史的研究,包括沉積史、構造史、熱演化史和成礦演化史等。對盆地的深入研究,特別是根據能源勘探所獲取的豐富資料,使人們認識到沉積盆地的復雜性。盆地從其初始下沉到結束充填的漫長過程中其各項參數都在發展變化,這種變化可以劃分出一系列階段,因此需要以演化、發展的觀點研究盆地的歷史,或者說需要按照發展階段分期、分層次地對盆地進行研究。
聯系分析
聯系分析一方面強調沉積和構造研究的緊密結合。沉積和構造研究是盆地分析的兩項基本內容,盆地分析中強調學科的綜合分析外,最重要的是古環境和古構造的結合分析。盆地分析從其發展的早期就是以重現整個盆地的古地理面貌為目標的,環境分析和相模式的研究是沉積學近代發展中取得重大成就的領域之一,這些成就為盆地整體古地理面貌的重建和沉積作用過程的恢復提供了較為成熟的理論和方法。沉積盆地形成演化的全部階段中,構造因素是一個起主導作用的因素,事實上,沉積盆地的全部充填過程都離不開基底的沉降運動和沉積物源區的上升運動。同沉積構造運動的類型、方向、幅度和速度等諸方面特征決定著盆地充填的面貌。因此在沉積盆地分析中,人們對同生構造的研究日益關注和重視。在許多沉積盆地中還發現基底先成的構造網絡在上覆地層堆積過程中再活動,從而控制了盆地充填的演化。有些在盆地形成發展中新生的構造也常常追蹤和利用基底古構造的成分。因此,研究沉積建造與基底古構造和同生構造的關系成為盆地分析的重要內容,而構造地質學領域的成就也將更多地用于盆地分析。大量的實踐表明,沉積盆地成礦特征不是單一因素控制的,只有把沉積環境研究和古構造研究結合起來才能有效地進行成礦規律預測。
聯系分析另一方面強調物源區剝蝕過程與沉積區沉積作用的緊密結合,也就是源-匯系統分析的思路。物源區熱構造事件及隆升剝蝕過程與沉積區沉積充填過程兩者之間并非孤立的事件,它們之間通過沉積物路徑系統建立起必然的耦合關系。如青藏高原快速隆升和高剝蝕速率與南海快速沉積速率就存在很好的耦合關系(Clift,2006)。
內容
沉積盆地分析的內容就是分析盆地形成及演化過程中的規律性,由此再造盆地的發展史,對其中的各種沉積礦產資源做出合理的預測和評價,其最終的目的是為能源資源及其他沉積和層控礦產的勘探和開發服務。近年來人們對礦產資源的需求量增大和礦床勘查的難度增大,促進了盆地分析中多學科和多種手段的結合,沉積學、大地構造學、地球物理學、地球化學和礦床學等許多學科的進展及其與盆地分析互相滲透,使得盆地分析領域得到突飛猛進的發展。正是源于多學科聯合研究和新技術的使用,促使盆地分析領域逐漸拓寬,當今盆地分析進入盆地動力學研究階段。沉積盆地動力學可以理解為盆地內充填物(包括沉積充填和地層流體)形成過程、演化機制及其控制因素分析,既包括盆地沉積充填、盆地流體形成演化及其控制機制分析,也包括直接控制和明顯影響盆地沉積充填和盆地流體的地球內、外動力地質作用及其動力學機制分析。盆地動力學研究內容包括3部分,即以沉積學分析為主的盆地沉積充填動力學、以構造作用分析為主的盆地形成演化動力學和多學科交叉的盆地流體動力學研究。
盆地沉積充填動力學
盆地沉積充填分析就是研究盆地內充填沉積物的內部構成、空間展布及其演變規律。一般而言,盆地充填物分析包括兩方面內容:一方面是充填物的成因及其沉積作用過程分析,也就是沉積體系分析的主要內容;另一方面充填物的地層屬性分析,強調充填物序列、地層格架及沉積體的空間配置,也就是層序地層分析的主要內容。近年來,層序地層學及精確定年技術提出了建立等時地層格架、確定盆地中沉積體系三維配置的理論與方法,大大推動了沉積充填動力學的研究。構造-地層學、事件地層學、層序地層學和地震沉積學等相關分支學科的密切結合,更好地揭示了各類構造背景下發育的盆地構造格架和層序地層格架,更好地揭示了構造、海平面變化和沉積物補給等各種動力學因素的影響,也為資源勘查和有利儲層及礦層預測提供堅實的基礎。
盆地形成演化動力學
沉積盆地形成演化分析就是研究沉積盆地形成演化同期和后期變形、反轉的動力學機制及其演變過程,包括盆地與板塊構造格架和地幔深部過程的動力學關系,盆地發展演化各個階段的動力學背景、控制因素及其對盆地沉積沉降、能量場等多個方面的影響,盆地后期變形與反轉的構造樣式及其表現形式。許多沉積盆地的形成演化都是多重機制的聯合,在盆地的不同演化階段其主要控制作用各異,不同的區域地球動力學背景及復雜的板塊活動重組事件往往形成復雜的盆地構造樣式。
盆地流體動力學
盆地流體是指盆地內任何占據沉積物孔隙、裂隙和在其中流動的流體。沉積盆地作為一個動力學演化的整體,隨著盆地形成及不斷演化,地層流體形成并隨之發生相應的流動,從而構成盆地演化過程中重要的組成部分。盆地流體分析就是試圖揭示盆地流體活動以及相關的物理化學作用過程。盆地流體動力學研究可以理解為在沉積盆地范圍內,通過對溫度場、壓力場和化學場等各種物理化學場的綜合研究,在流體輸導網絡的格架下,再現盆地內流體運動過程及其活動規律的多學科綜合的研究(解習農等,2006)。地質歷史時期沉積盆地的形成和演化經歷了一個相當復雜的過程,同樣,盆地內流體運動也經歷了一個復雜的過程。盆地流體活動是控制盆地中物質演變和能量再分配的主導因素,對各類礦藏的形成、聚集具有關鍵的控制作用。大型層控金屬礦床形成過程中金屬元素的活化、遷移和富集與盆地及深部的流體作用有關,油氣生成、運移和成藏過程與盆地流體作用等有密切關系,因此,盆地流體分析成為油氣勘探和某些層控金屬礦床勘探研究的重要手段之一。
沉降作用
沉積盆地是地球表面的長期沉降區,大多數盆地的充填體厚度小于20km,它的沉降機制主要與地球內部相對剛性、具有冷的熱學邊界層的巖石圈活動有關。造成盆地沉降的主要機制包括:
①拉張等作用造成的地殼減薄;
②巖石圈的冷卻作用;
③沉積和火山等負載作用;
④地殼和巖石圈的構造負載作用;
⑤板片俯沖引起的地幔動力流動作用;
⑥板內應力;
⑦地殼深部變質作用等。
在利用地球動力學方法進行盆地構造-熱演化模擬之前需要對盆地進行構造沉降史分析,獲得盆地構造沉降數據,為盆地構造-熱演化模擬提供目標函數。盆地的基底深度是盆地的總沉降量,其中包括沉積作用造成的沉降及其他動力因素造成的構造沉降。盆地的沉降分析就是要獲得基底的構造沉降特征,即把沉積負載的影響從基底總沉降中通過校正消除掉,從而得到構造沉降量。
分布
世界分布
沉積盆地在地球表面分布范圍廣,以面積大于1000km2以上、沉積巖厚度大于1000m統計,全球約有974個沉積盆地,其中陸上盆地523個,海上盆地451個,這些沉積盆地大約90%屬中、新生代形成。世界各大洲沉積盆地分布狀況如下圖所示。
中國分布
中國沉積盆地分布廣泛,總面積約為345×104????2,占國土面積的1/3以上。與世界沉積盆地相比,中國沉積盆地數量極多,大大小小的沉積盆地總計有236個,盆地數量占世界沉積盆地的1/3以上,這在世界上是絕無僅有的。中國沉積盆地的規模總體比較小,沒有一個面積超過100×104????2的超巨型盆地,而世界上面積超過100×104????2的超巨型盆地有很多,如西西伯利亞盆地(230×104????2)、波斯灣盆地(256.5×104????2)、墨西哥灣盆地(153.9×104????2)等。中國面積超過50×104????2,屬于巨型盆地的只有塔里木盆地,面積為56×104????2。面積超過10×104????2的大型盆地有10個,分別是松遼盆地、渤海灣盆地、蘇北-南黃海盆地、二連盆地、準噶爾盆地、柴達木盆地、鄂爾多斯盆地、四川盆地、東海陸架盆地、珠江口盆地。其他面積超過1×104????2的有30個,其余的沉積盆地面積皆不足。
礦產資源
沉積盆地是大自然提供給人類能源和礦產資源的最重要的地質體,盆地內部蘊藏著十分豐富的礦產資源。據統計,鐵礦的90%(包括沉積變質鐵礦床)、鉛鋅礦的40%~50%、銅礦的25%~30%,錳礦石和鋁礦絕大部分為沉積礦產形成于沉積盆地中(曹成潤等,2005)。煤炭、石油、天然氣能源99%以上在沉積盆地生成,而且地球本身蘊含的地熱能、原子能也主要分布在沉積盆地中。中國的石油資源主要集中分布在渤海灣、松遼、塔里木、鄂爾多斯市、準噶爾汗國、珠江口、柴達木盆地和東海陸架八大盆地,可采資源量172×10?t,占中國的81.13%;天然氣資源集中分布在塔里木、四川、鄂爾多斯、東海陸架、柴達木、松遼、鶯歌海鎮、瓊東南和渤海灣九大盆地,可采資源量18.4×1012??3,占中國的83.64%。
參考資料 >
世界地球日|四川盆地從何而來?“盆”里的水去了哪里?.封面新聞.2025-04-24