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盆地分析复习提纲

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盆地 分析 复习 提纲
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沉积盆地分析基础,,林畅松 中国地质大学能源系,-------当前国际固体地球科学的发展的前沿领域,主要参考材料1、沉积盆地分析课笔记2、沉积盆地分析复印材料3、李思田等,《沉积盆地分析基础与应用》4、《含油气盆地分析》5、林畅松等,叠合盆地层序地层与构造古地理,沉积盆地的一般特征,1、原生沉积盆地和后生盆地,沉积盆地是地球表面长期沉降和接受沉积或发生沉积作用的地区,是各种沉积矿产形成和保存的场所。被剥蚀提供沉积物的地区为隆起区或山脉。 广义的“盆地”又可分为: 原生沉积盆地:原生盆地的边缘是沉积边缘; 后生盆地:由于后期构造运动产生的、 具有盆地形态的一种向斜构造,与沉积作用无关,其边缘是构造抬升引起剥蚀形成的边缘。 盆地分析的重点是研究原生的沉积盆地。,2、盆地成因 (1)构造成因:沉积盆地的形成主要与岩石圈的构造活动有关。盆地的沉降常常是岩石圈拉伸变薄、挤压挠曲、重力均衡及热冷却沉降等构造作用的结果。 (2)非构造成因:这些盆地规模小,如剥蚀盆地、死火山口形成的盆地等。但其沉积物最后得以保存也必须有构造沉降。 因此,地球表面主要的沉积盆地都是构造活动引起沉降的结果。,3、沉积盆地的形态 沉积盆地的形态是多样化的,有长条形的、圆形或不规则圆形的,与盆地的成因有关。 断陷或裂谷盆地多为长条形或线形的; 而稳定的克拉通上的拗陷盆地则呈混圆状或不规则圆形。,4、叠(复)合盆地和原盆地、盆地群 沉积盆地自太古代至新生代的整个地质历史长河中经历了形成、消亡、再形成的多旋回的演化。在地层记录中有多个盆地的叠复。 单一的盆地又称原(单)型盆地,多个盆地的叠置形成叠(复)合盆地(朱夏,1980) 。它们为重要的地层间断和构造变革事件所分隔。不同的原型盆地形成和演化与其同期的构造作用等有关。 盆地群,形成于同一构造体制或构造域沉积盆地群,具有相同的或成因上有联系的盆地性质。如今的东非裂谷系、我国东部的东北亚盆地群、北美的“盆岭省”(断裂陷盆地群)等。,沉积盆地分类及其发育背景,1、盆地分类的原则 沉积盆地分类是多年来人们关注的问题,也存在多种的争议。首先我们需要涉及的是沉积盆地的分类原则。一般来说,盆地的分类需要考虑下列因素: (1)盆地发育的大地构造环境; (2)盆地的基底性质、地壳类型; (3)盆地形成的动力学过程; (4)盆地的沉积充填史、构造古地理。,1.离散环境(边界) 离散边界是指板块发生背离运动,导致大陆破裂、离散漂移至海底扩张的构造环境。,2、聚敛环境(边界) 聚敛环境是指两个板块发生相对聚合运动的地带,导致岩石圈板块消失于另一板块之下。聚敛环境有三种边界类型,3、转换(走滑)环境(边界) 转换环境出现于相邻板块作平行剪切运动的地带,以发育转换或走滑断屁为特征。典型的转换边界见于大洋中脊两侧洋壳走滑运动导致的转换断层。著名的圣得安列大断裂就是北美板块相对太平洋板块相对运动而产生的转换边界。,盆地形成的动力学过程,压性盆地,拉张盆地,走滑盆地,陆相盆地,过渡相盆地,海相盆地,盆地的沉积充填史、构造古地理,2、以板块构造为背景分类的盆地类型1)、与拉伸作用有关的盆地:与岩石圈拉伸有关的盆地,主要形成于离散构造环境:(1)断陷或内陆裂谷盆地或盆地群;(2)陆间裂谷(3)大洋盆地;(4)被动大陆边缘盆地;(5)拗拉槽(6)碰撞谷;(7)弧后盆地。2)、与挤压挠曲作用有关的盆地 :与岩石圈挤压挠曲作用有关的盆地,发育于聚合、碰撞或挤压环境:(1) 深海沟和前弧带;(2) 周缘前陆盆地;(3)弧后前陆盆地;(4)破裂前陆盆地 (5) 陆内挤压挠曲盆地等。3)、与走滑作用有关的盆地:在走滑带发育的盆地。 (1)走滑产生的拉伸作用形成的盆地,如拉分(裂)盆地; 断裂终止或末端的拉裂盆地;雁行断裂走滑拉张盆地;楔形逃逸盆地等。(2)走滑挤压盆地或走滑型前陆盆地。(3)走滑旋转盆地 4)、克拉通盆地: 这类盆地发育于长期稳定的结晶基底之上,形成于稳定的板内环境。典型的盆地有(1)碳酸盐岩台地;(2)陆表海盆地和(3)大型内陆拗陷盆地。,沉积盆地的地层和构造格架,,(一) 沉积盆地的地层格架 沉积盆地的地层格架(Stratigraphic framework)是指沉积盆地的外部和内部地层单元的几何形态、组合样式及其堆积性质(Conybeare,1979)。,1.外部形态 盆地充填的三维的外部形态,反映盆地的构造格架的控制和盆地的成因。沉积盆地的外部形态可以从剖面上或平面上加以描述。 (1)平面形态 沉积物的堆积和分布范围。拗陷盆地一般是混圆形或不规则圆形,其宽深比一般较大;而裂陷或裂谷盆地则呈长条形,宽深比小。 (2)剖面形态 最大厚度带,沉积中心的分布:对称、不对称;宽、深比。 不同成因的盆地的深度与宽度比的大小有明显的差异如断陷盆地宽、深比小,拗陷盆地较大。,现今保存的盆地一般受到不同程度的变形。因此,必须恢复盆地的原始沉积边界才能正确描述盆地的形态。原始沉积边缘的确定主要依据如下标志: (1)地层厚度变化,向盆地边缘地层变薄或尖灭; (2)沉积相分析,如边缘相的发育。边缘沉积相一般以发育山麓堆积、冲积扇等积碎屑沉积为特征。 (3)沉积物粒度、成份变化、古流方向 (4)区域地质背景等。 沉积盆地的沉积边界在盆地整个演化过程中可发生明显的变化 。沉积边界的变化与构造、沉积基准面的变化等有密切关系。如上超、下超等;在受到断裂控制时,盆地边界可保持不变或随着断阶的向外发展而呈现阶梯式扩展。,原始沉积边界,2、 内部形态 沉积盆地的内部几何形态是指构成盆地的地层单元的形态、性质及其组合关系。 (1)地层单元的界面 在盆地内不同级别的界面分隔着不同级别的地层单元,这些界面有着不同的性质和成因,呈现为角度不整合或平行不整合关系或无沉积、低速沉积作用面,其形成受到各种因素的控制,与盆地构造演化、海平面或沉积基准面变化等有关。 地层单元的年龄、划分和对比是一项艰巨的任务,要结合生物地层学、放射性地层学、磁性地质学、沉积学和层序地层学等方法进行综合分析。近年来发展起来的层序地层学为此提供了重要的理论和分析方法。,不整合(unconformity) 角度不整合 微角度和平行不整合(disconformity) 不连续或间断面 (discontinuity) 区域性冲刷面、同沉积侵蚀面 (erosional nuconformity),不整合面形成的主要原因(1)海、湖平面变化(2)沉积基准面变化(3)构造作用,无沉积作用面 暴露面、风化壳、古土壤层 水下无沉积作用面,如前三角洲底超面海或湖泛(进)面 浅、深海(湖)暗色、黑色泥质沉积 湖相泥岩 煤层,标志沉积层或事件沉积(灾变、缺氧) 火山灰层 黑色页岩,沉积盆地中地层单元在地震剖面上的反射结构特征,(2)地层单元的几何形态 地层单元的几何形态是决定地层格架内部构成样式的主要因素。不同地层单元的沉积中心的分布往往是不同的,并呈有规律的迁移,反映了构造、物源供给方向以及沉积基准面变化等对沉降中心的影响。 盆地的沉降中心与沉积中心在沉积补偿时是一致的,非补偿时则不一致,这需要结合沉积时的古水深变化加以分析。 (3)地层单元的性质 地层单元的性质主要指其岩相组成和成因,与沉积环境密切关系。地层单元内的岩相组合和沉积体或体系域的分布是很复杂的,取决于多种因素的综合作用。在沉积充填分析一章将作详细分析。,3、地层格架样式 不同的沉积盆地具有特定的地层格架样式。(1)盆地地层格架的建立是以相对宏观的地层单元(三级层序)及沉积体系域(Vail等,1977;Van Wegona,1992)为基本的地层单元。 (2)高精度的层序地层格架:以四级或准层序组、准层序为单元,建立的重点区的地层格架,它是以测井、露头、岩芯等高精度的资料分析为基础的,高分辨的三维地震资料是在地下进行高精度层序格架和储层预溯的重要技术支持。 (3)以精细的沉积相单元为单元可建立反映沉积体系内部构成特征的相构成样式(Midl,1990)。,盆地的地层格架可以是对称的或非对称的,并常常呈现为早期上超、晚期退覆的格架样式。 沉积边缘的上超可以是逐渐上超或断阶上超。 内部的地层单元的构成样式可以是前积式的(沉积中心向前迁移)、加积式的(沉积中心维持不动)或退积式的(沉积中心向物源方向后退),或由上述各种形式复合叠置的。 不同的地层格架样式反映了构造沉降、物源供给及海平面变化等的控制。,沉积盆地的构造格架,沉积盆地的构造格架是指沉积盆地的构造性质和基底构造以各种同沉积构造的配置(Conybeare,1979,修改) 。 盆地的构造格架是随盆地的演化而不断变化的。盆地构造格架样式反映了区域构造、盆地构造应力场以及先存基底构造的等控制。,1). 盆地基底构造及其性质 决定盆地构造格架特征的基本要素。 (1)基底构造 基底构造包括在盆地发育过程中活动的基底断裂、盆缘断裂、次级隆起、拗陷或地堑、地垒等。 这些构造有些是伴随盆地形成而发育的,有些则是古老的或先存构造再活动的结果。 有些构造在盆地形成演化过程中一直是活动的,有些是在盆地发育的某一阶段活动。 它们对盆地的沉积充填具有控制作用,因此,又可称为同沉积构造。,2)盆内的同沉积构造 又称同生构造,包括同沉积断裂同沉积褶皱等。同沉积褶皱还可划分为同沉积向斜和同沉积背斜。同沉积构造可通过沉积厚度变化、沉积相分布、沉积旋回、古流、沉积体几何形态等分析加以识别。A、同沉积断裂 在断陷或裂谷盆地中,同沉积断裂极为发育。同沉积断裂的下降盘沉厚度常突然变厚,沉积旋回增多,并控制着特定沉积相带的展布。 盆缘沉积断裂往往控制着巨厚的冲积扇或扇三角洲相带的发育。深切盆地基底的规模较大的同沉积断裂常常形成重力、磁力突变带。这些断裂具有长的活动性,往往是继承古老断裂带再活动。追踪盆外先存断裂带有助于内同沉积断裂的识别。,沉积盆地的地层和构造格架,生长系数 盆内同沉积断裂的同沉积强度可用生长系数来度量。生长系数指同沉积断裂的下降盘与上升盘同期沉积厚度之比。许多断盆地的同沉积断裂的生长系数分布在1.2-2.5之间。显然,生长系数不用于描述分隔凸起与凹陷之间的盆缘同沉积断裂。,,,,,,,,,T,D,Gr = T / D,,,,沉积盆地的地层和构造格架,B、重力生长构造 在快速沉降和堆积的盆地中,常常发育由于重力作用导致的重力生长构造(断裂) 。 著名的例子来自贝努断槽内发育的尼日尔河三角洲沉积区。三角洲缘带的快速堆积和差异压实导致了重力滑脱、断裂或泥底劈作用,形成鳞状的、密集分布的生长断裂系和滚动背斜构造。 这些断裂的断裂面一上陡下缓,并尖灭于主要的滑脱层内。伴生次级断层发育,常组成各种杂的样式。 这些断裂多发育于盆地的沉降或沉积中心,而盆地沉降中心往受控于基底断裂。同时,它们的分布排列还受到盆地古构造应力场的制。这些构造对油气勘探极为重要,它们常常是重要的油气圈闭构造。,沉积盆地的地层和构造格架,同沉积构造的识别方法a. 沉积厚度的突变,上下盘两侧同期沉积厚度的差异b. 沉积旋回和砂层、岩层数的差异c. 沉积相的分布--巨厚的冲积扇相带、古河系位置的长期发育,相带的特殊分布等;古流系分析,古流的转弯、现代河流的转湾位置都与断裂有关,可以类比;煤体形态的变化、沉积层序的组成和几何样式分析等。d. 有机质、成岩、压实差异等e. 盆外古老断裂的分布f. 重力、磁场的突变带,沉积盆地的地层和构造格架,反转构造 反转构造是指先存构造发生构造应力转化而形成性质相反的构造。由伸长构造受到挤压而发生反向运动所产生的构造称为正反转构造;反之为负反转构造(Milliams等,1989)。我们一般指的是正反转构造。 反转构造可划分为简单断展型、穿透断展型、简单断弯型、缩截断弯型及简单皱型等。,反转率为反转前同期沉积层总厚度与反转点以上的反转的同期沉积层厚度之比。,,层序界面剥蚀量研究方法,,,地震剖面法 钻井地质分层对比法 镜质体反射率方法 声波时差法 裂变径迹法 地震层速度法 宇宙核素法包裹体法,地震剖面法计算剥蚀量示意图,Athy(1931)最早提出的泥页岩孔隙度—深度之间的简单指数模型 :Φ=Φ0exp(-bx) (1) Magara K. (1976)提出正常压实情况下可以用指数函数形式来表达声波时差与深度的关系: tt=tt0exp(-bx) (2) Henry(1996)认为孔隙度—深度之间的函数关系应为: tt=tt0exp(-bx)+c (3) 改进模型: tt=(tt0-c)exp(-bx)+c (4) 在大深度处,如x→∞,tt=c,即深度无穷大时,岩石认为不可再压实,孔隙度为0,声波在这种岩石中的传播时间相当于声波在岩石基质中的传播时间;在地表x=0处,tt=tt0,即声波在地表的传播时间基本上为一常数,相当于在水中的传播时间。因而,这一改进的指数模型在浅部和深部都能较好地反映地质真实,提高了压实趋势的预测能力。,应用声波测井资料计算剥蚀量的方法改进,沉积盆地的地层和构造格架,6)构造格架样式 盆地的构造格架样式是指盆地各种构造要素的组合配置。不同的配置样式反映出盆地形成演化的动力学机制。 断陷盆地(1)半地堑式;(2)地堑式 中央隆起 反映了岩石圈拉伸或走滑拉伸的动力学机制; 裂谷盆地:下断上拗 早期拉伸裂陷、裂后热冷却回沉拗陷; 前陆盆地:发育前渊和前隆的构造格架,与岩石圈受到挤压挠曲下沉的动力学过程有关等。,,拉伸盆地的构造-地层格架样式,(1)断裂面形态A、犁形断裂面 重力(垂向)剪切构造模式,,,,,,,,,半地堑反向断裂组合,犁形断裂,,,多米诺(骨牌)Donimo 模式,沉积盆地的地层和构造格架,盆地的构造格架是区域构造格局的一个组成部分,受到区域板块构造环境的控制。 盆地的构造格架在整个盆地演化过程是不断变化的,这种演化一般具有阶段性或分期次进行的。区域构造应力场的变化或转换,无疑会反映在盆地构造格架的性质和配置特征上。 盆地的构造格架控制着盆地的地层格架和充填样式。如不对称的半地堑构造导致了地层厚度和沉积体域发育分布的不对称性。盆内沉积中心的迁移、主要物源体系的分布和变化都可能是盆地构造作用和构造格架演化的结果。 盆地的构造和地层格架样式对油气聚集带的分布具有决定性的控制作用,地壳可分为上地壳和下地壳。上地壳为花岗质的(密度为2.7-2.5),而下地壳为玄武质的(密度为2.8-3.1) 。上、下地壳是一流变带(20-25km),震源带。 地壳(平均密度为2.9)与上地幔(密度为3.4-3.35)之间Moho面分隔(由Moho 于1909年发现)。 软流圈(密度为3.3)的顶面为等温面(1330C),重力均衡面。岩石圈是一相对刚性的连续的板块,“漂浮”在软流圈上。 以上特性决定着岩石圈的力学机制。,岩石圈变形特点地壳:上地壳(20-25km):脆性断裂,弹塑性变形,弹性变形。断裂、褶皱。流变带、地震震源、断裂终止带;下地壳(25-31.2km),韧性变形带。上地幔:塑性韧性,蠕动变形,一般不断裂,有些深断裂可能达到50km。软流圈:125km, 流动,3. 重力均衡作用 岩石圈可看作是浮于软流圈之上的板块刚体,其底面可看作为重力均衡面。(1)Pratt 的均衡作用 地壳的密度发生变化,上地幔不变。(2)Airy均衡作用 当在岩石圈上加载或减载时,则发生重力均衡升降。假定均衡面(软流圈顶面)之上的岩石圈是由一系列的上浮柱体所构成,在这些柱体上加载所造成的均衡过程称为局部均衡或Airy均衡。,,沉积物重力负载的均衡沉降,岩石圈可看作是浮于软流圈之上的板块刚体,其底面可看作重力均衡面。假定均衡面(软流圈顶面)之上的岩石圈是由一系列的上浮柱体所构成,当盆地水体被沉积物充填时,则发生Airy均衡沉降。 设盆地原有的(构造)沉降为 Y(水载盆地)盆地被沉积物充填时,按浮力原理可得:,,,,,,,Es,Es,总沉降(S)与盆地的构造沉降的关系,Y,,S,,,引起均衡作用的地质因素:a. 岩石圈厚度加大或变薄;b. 水、沉积物、地质体等的加载或去载;c. 岩石圈内各层圈的密度发生变化(热、相变等),盆地的沉降机制,盆地的形成研究首先要涉及盆地的沉降机制。沉降是盆地形成的前提,盆地的构造沉降量的大小直接与岩石圈的厚度变化、热衰减、重力均衡等作用有关。因此,盆地沉降过程及其控制因素的研究,构成了盆地动力学分析的基本内容。,热衰减,岩石圈变薄,岩石圈变厚,一、构造应力作用,岩石圈厚度的变化一、变薄作用,属于拉张作用动力学体制,一般与裂陷作用所对应。拉张作用所产生的机械伸展引起地壳张性断裂控制的沉降,使地壳变薄。二、挤压作用动力学体制,由于岩石圈板块的俯冲、碰撞等会聚作用引起岩石圈向下牵引弯曲和地壳岩石圈的挠曲沉降,常见于俯冲带或造山带。,二、热沉降机制,由于先前受热的岩石圈的冷却及伴随的密度增大而产生的均衡沉降。岩石圈和地壳加热造成隆起,随之地表侵蚀使地壳变薄,然后又变冷导致这种衰减地壳的沉降。热沉降机制是被动大陆边缘、大洋盆地和大陆裂谷裂后坳陷的重要的沉降机制之一。在大洋中脊的顶部,热的岩石圈地幔突然置于冷的海底地壳之下,然后随着海底地壳背离扩张中心,地幔岩石圈不断地将热量散失到冷的海水中。,三、负载(重力)作用,岩石圈加载造成的挠曲或弯曲变形作用。加载方式可以是链式火山或海山小规模载荷,也可以是山脉体大规模加载,形成大型前陆盆地。盆地内水和沉积物产生的沉积载荷也是驱动盆地沉降的基本机制。特别是大型三角洲发育的海湾地区,接受了大量的沉积,其负荷作用可以导致均衡下沉,使岩石圈变形弯曲成为一个宽阔的区域下坳带。,,一、裂谷盆地形成的动力学机制,前面已指出,从内陆裂谷到被动大陆边缘存在一列与拉伸作用有关的盆地类型,如现代的东非裂谷、莱茵地堑、大西洋被动大陆边缘等,它们具有一些共同的特征:(1)处于大陆离散、裂解或拉伸的地壳或岩石圈变薄带(2)高的热流值(80-115mW2m)(3) 基性、中基性火山岩、岩浆活动(4)负布格重力异常(5)伴生过区域隆起,,,(1)岩石圈的纯剪变薄量是用单位长度的拉伸倍数,即b值来定量描述(Mckenzie, 1978)。,,a,a,,,a.b,b=a/b,b=a/b,,拉伸量,,,,,(2)发生脆性断裂的地壳上部的拉伸程度一般以水平的拉伸量或拉伸距离来定量(Barr,1987)。,a,,,,,,,,E,,,E,,拉伸量,,热衰减沉降,其中,ρc和ρm 分别表示地壳和上地幔O℃时的密度,α为热膨胀系数。Tcr和Tma分别为地壳和上地幔的平均温度。,岩石圈的密度与温度的关系:,地壳,上地幔,1.主动裂谷盆地成因,裂谷盆地的形成主要是由于深部热地幔上升导致岩石圈表面的变形和裂陷而形成的。东非裂谷被看作是主动裂谷的典型例子,有广泛的隆起,裂谷系,火山作用明显。 热柱、热地幔羽(thermalplume)在岩石圈的底部上拱、快速的加热减小岩石圈的密度,导致区域性的均衡上隆,上隆作用派生的拉张应力造成裂谷作用。 来自地幔羽的传导热、岩浆侵入热或对流热可引起岩石圈受到拉伸的变薄。,(Ziggler, 1992),主动裂谷和被动的裂谷盆地成因学说,裂谷盆地的沉降机制,被动裂谷盆地成因,裂谷盆地的形成和演化模式的定性模式最早是由Scelveson (1978)提出的,概括了裂谷盆地整个发育过程中的主要作用及形成的主要盆地类型。1)莫合面之上的大陆地壳在拉张时主要发生脆性断裂,地壳发生断裂形成断陷盆地(拉伸量<50km),而岩石圈地幔在受到拉伸时则表现为塑性的流动。2)随着拉伸的进行,岩石圈不断变薄,软流圈不断隆升,,进一步拉伸形成裂谷(拉伸量达50-100 km)。3)进一步拉伸盆地中部开始出现洋壳,形成陆间裂谷。两侧边缘地块热隆升遭到剥蚀, 4)大陆边缘进入热衰减阶段,形成大陆边缘沉积楔,上覆于早期裂陷之一,发育被动大陆边缘盆地。,1)Selveson的裂谷模式,最早(1978)的定量描述了岩石圈受到拉伸时的基本响应,奠定了裂谷盆地定量理论基础,开辟了一个新的研究领域。 把盆地的总沉降分为裂陷期和裂后期沉降; 提出了拉伸量β的概念; 确定了拉伸量与同裂陷沉降和热衰减沉降的定量关系.,McKenzie裂谷动力学模型,McKenzie--剑桥大学地球科学研究中心教授,均匀对称拉伸模型 岩石圈整体是均匀变薄的,拉伸量一致。 纯剪切拉伸模型预测的莫合面和软流圈的隆起与盆地的最大沉降中心相一致,具有对称的剖面结构。,裂谷盆地深部热流量与拉伸量和时间的关系,与上述的纯剪模式相反,Wernicke(1985)根据对美国“盆岭省”的断陷盆地系的研究,提出盆岭省的形成是与岩石圈整体的简单剪切的拉伸作用有关。 Wernicke认为, 岩石圈的拉伸破裂通过低角度的折离面从地壳一直延伸到岩石圈的底界。,2) 简单剪切拉伸裂谷盆地动力学模型,1)、低角度拆离; 2)、不称变形3)、热隆、热衰减沉降与裂陷部位不一致,2) 简单剪切拉伸裂谷盆地动力学模型,第一带:是上地壳的简单剪切变薄,在低角度拆离面上发育一系列高角度断层控制的断块; 第二带:的下地壳和上地幔都明显变薄,而上地壳变薄小,是从沉降带向隆起带过渡的部位; 第三带:拆离面切穿岩石圈,上地幔明显变薄,软流圈上升,出现同裂陷期隆起。,近年来裂谷盆地研究的一个进展是认识到裂谷过程的多幕性。裂谷盆地的形成往往不是一次快速拉伸的结果,也不是慢速的长时间伸长,也是经历多次的快带或瞬时拉伸,具有幕式进行的特点。 多幕拉伸过程的重要证据之一是沉降速率的幕式变化(林畅松等,1997)。南海及我国东部中新生代盆地许多裂谷盆地的拉伸过程都显示出多幕拉伸的特点。如南海的莺歌海盆地、琼东南盆地、珠江口盆地和渤海湾等盆地都经历过多幕拉伸。回剥沉降史和正演模拟都证实了这种过程。,多幕拉伸过程,1、从变形机制的角度,纯剪切和简单剪切代表了裂谷盆地模式的两个端元,纯剪切拉伸模型预测的莫合面和软流圈的隆起与盆地的最大沉降中心相一致,具有对称的剖面结构;2、简单剪切模型预测的莫合面和软流圈的隆起则远离盆地沉降带,具有不对称的剖面结构。因此,纯剪切模型的裂谷盆地应具有高的深部热异常;而简单剪切裂谷盆地的热异常则相对较小。 从我国东部中新生代裂陷盆地的实际看,盆地沉降中心、地壳明显变薄带、地幔隆升及高热异常是大体一致的,并具有较对称的剖面结构,纯剪切模型更为接近。,总结,3、裂谷作用的多幕性具有普通意义,在建立盆地动力学模型中要给予重视。4、同时考虑地壳或上地壳的脆性简单剪切变形和下地幔的纯剪切,是较为常见的盆地动力学机制,是当前广泛认同的裂谷盆地模式。,纯剪切-简单剪切裂谷盆地模式。,前陆盆地是由岩石圈挤压挠曲沉降作用而形成的沉积盆地,发育于聚合、碰撞或挤压环境。 前陆盆地一般具有如下特点: (1)发育于造山带与克拉通之间的山前拗陷; (2)具有与挤压有关的、从造山带-前渊-前隆的不对称的构造-地层格架 (3)低的热流背景,缺少盆地发育期的基性火山活动。 重要的含煤油气资源盆地类型。,前陆盆地的成因机制和动力学模型一直是盆地分析领域的热点课题。多年来的研究表明,逆冲变形、地幔补偿和地面侵蚀及沉积过程是形成盆地地层格架的主要因素。 控制前陆盆地形成的主要因素有三个: (1) 逆冲带的构造负荷; (2) 盆地沉积物负荷; (3) 在造山过程中形成的地壳内部水平挤压力。 这三种应力同时作用于地壳,从而导致地壳在克服地幔均衡反力作用的同时发生挠曲沉降.因此,前陆盆地的沉降主要取决于地壳的变形性质。,依据地壳变形性质的不同,可把前陆盆地的形成机制划分为: 弹性挠曲模型 粘弹性挠曲模型,前陆盆地的动力学机制,1、弹性挠曲模型 以Wett,Jordan、 Flemings,和Sinclair等为代表,主要采用弹性挠曲模型解释前陆盆地的形成机制。 把地壳或岩石圈看作是覆盖于粘滞性流体之上的连续性弹性薄板。在水平应力和重力负载作用下发生弹性挠曲变形。 弹性变形模型认为岩石圈的挠曲刚度为一常量,它取决于岩石圈的有效弹性厚度; 如Jordan(1981)采用弹性挠曲模型,很好地解释了美国西部落基山前陆盆地的沉降史。,,2、粘弹性挠曲模型 以Beaumont和Quinlan等为代表,主要采用粘弹性挠曲模型,认为地壳对负荷的初始响应为弹性,随着时间的推移,负荷不变,岩石圈发生粘弹性变形。 Beaumont(1984)应用粘弹性挠曲模型,解释了加拿大阿尔伯达盆地的地层和沉降问题。,1、逆冲负载--挠曲变形 前隆为低凸起2、松弛阶段-粘弹性响应 前隆隆起,并向前 渊方向迁移。3、再逆冲负载-挠曲变形 前隆相对沉降为低 凸起。,前隆 前渊 逆冲带,(1)均匀粘弹性流变模型 在均匀粘弹性模型中,认为岩石圈的挠曲刚度随时间变化。整个地壳(或岩石圈)具有初始的挠曲刚度(等同于弹性模型),但随着时间的推移,挠曲刚度减少至零,最终达到Airy均衡状态。 但已有资料研究表明,一些古老前陆盆地区,经过长期的均衡调整,岩石圈仍具有一定的挠曲刚度。,认为粘弹性流变最初发生于热的、低粘度的下部岩石圈,然后逐渐向上扩展到冷的、具较高粘度的岩石圈,而上部岩石圈温度低、粘度大,在整个地球发展时期都不会发生流动,保持非静力弯曲状态,因此,地壳的弹性厚度随着时间逐步变小,最后达到一个稳定值,从而保证了岩石圈长期具有一定的挠曲刚度。 关于盆地形成期的岩石圈粘弹性松弛量仍存在不同的意见。因此,岩石圈流变挠曲是一个极其复杂的问题。,(2)非均匀粘弹性流变模型,3、简单剪切/纯剪切模型(Kuznier, 2000),地壳(岩石圈)上部脆性带断裂逆冲,叠置加厚,挠曲。下部韧性带呈纯剪切变形,岩石圈加厚,软流圈顶面下降。,2)、前陆盆地的沉降特征,粘弹性挠曲模型逆冲初期小,早-中期最大,晚期减小至隆起,弹性挠曲模型早期迅速增大,中期至晚期减弱至隆起,,,,时间,,沉降曲线,,时间,,沉降曲线,盆地沉降史恢复是盆地分析的一项重要内容。 回剥技术是通过现今地层恢复沉降过程的方法,已发展成为一门比较成熟的定量分析手段。沉积盆地的总沉降量主要与构造作用、沉积物压实、重力均衡、海(湖)平面变化或古水深变化等因素有关。 盆地沉降史恢复的主要内容包括: 沉积层随盆地沉降的压实过程 盆地古水深变化过程 海(湖)平面升降过程 构造沉降过程,回剥技术进行的盆地沉降史分析,构造演化沉积物埋藏史生排烃史沉积充填演化,,,沉积物压实 沉积物堆积后随着盆地的沉降被不断压实,孔隙减小,厚度变小。要恢复盆地的沉降史必须对沉积物的压实过程进行校正。这是进行盆地各种过程的正、反演模拟的基础。 沉积物的压实过程受到岩性、超压、成岩作用等因素影响,岩性往往起主导作用。在这里主要是考虑沉积层在上覆沉积物的重力作用下发育孔隙度减小的过程。 在正常的压实情况下,孔隙度和深度关系可认为服从指数分布(athy, 1930;hedbery,1936;ruby和Hubbert,1960):,,其中,φ是深度为y时的孔隙度,φ。为表面孔隙度,c为压实系数。c主要与岩性有关。一般含泥质较高时,上述公式与实际的情况比较一致。,若沉积物负载服从Sin函数分布,局部均衡(W∞)与挠曲均衡(W)的比值为:,,上式中 称为波数,λ=2倍的盆地宽度。若盆地很宽或有效弹性厚度很小时,即c趋近于1,为局部均衡。 若已知岩石圈的有限弹性厚度,沉积物挠曲均衡沉积可由 下列的简单算式得出: W= C W∞,,,,因此,挠曲均衡的构造沉降量为:,一、基本概念,沉积环境是指物理上、化学上及生物学上均有别于相邻地区的一块地球表面的地理景观单元。沉积相则是在一定沉积环境的沉积物质表现。沉积相包括物质组成及其对应的沉积环境。沉积体系----成因相联的沉积相在三维空间上的有机组合。沉积体系的基本单元是沉积相 。,1、沉积环境与沉积体系,沉积体系研究 沉积体系----成因相联的沉积相在三维空间上的有机组合 1 空间上的组合和分布特点 2 特定的沉积作用、过程研究 侧向加积--曲流河 前积--三角洲、间湾充填、海岸体系 垂向加积--冲积扇等 三角洲的压实下沉、河流的冲裂作用、决口作用等 沉积体系域----盆地内特定时期的沉积体系的组合,,,,受水盆地,,沉积物搬运方向,前积,,,,向上变浅、变粗,三角洲、滨岸砂坝、障壁岛等,基本的沉积充填过程,侧向加积,,,,,,,,,,向上变细,曲流河、潮道等,冲刷底界,,,,,,,,,,,垂向加积,互层,冲积扇、越岸泛滥等,三、沉积体系的划分,沉积环境或沉积体系的划分方案很多一般可将沉积体系划为三大组合:(1)大陆沉积体系包括:残积沉积体系、河流沉积体系、湖泊沉积体系、风成沉积体系积冰川沉积体。 (2)海陆过渡沉积体系:陆源碎屑海岸沉积体系和碳酸盐岩体系。陆源碎屑海岸沉积体系一般可分为碎屑海岸和三角洲两大类。(3)海洋体系:浅海沉积体系 、陆坡、陆隆体系 及深海沉积体系 。,筛积,泥石流堆积,水携沉积,冲积扇体系,,,,漫流或片流,辫状河水道充填,,,岩相组合:近端扇(扇根)、扇中和远端扇(扇尾)沉积,,干旱扇、湿地扇,,,1、冲积扇体系 冲积扇是由山洪或山间河流从山口进入山前时形成的粗碎屑堆积体。,近端扇:由块状的、分选差的泥石流砾岩和粗粒的辫状河沉积所组成。扇中沉积:厚层的辫状河砾质砂岩、越岸漫流的砂、泥互层沉积等。远端扇:由簿层状的漫流、浅的辫状河水道及浅湖沉积所组成。,冲积扇体系,2.河流体系,,河漫滩、河床(道)充填1、曲流河:侧向加积点坝、泛滥盆地、天然堤、决口扇2、辫状河:河心滩坝、越岸沉积3、网结河:稳定的河道,辫状河与曲流河垂直层序对比,滞流沉积,点砂坝侧向加积,天然堤沉积,越岸泛滥、决口扇、牛轭湖等细粒沉积,泛滥盆地垂向沉积,水道,心滩,,3 三角洲体系 河流三角洲体系是由河流携带足够的沉积物进入水盆地沿岸形成的锥形沉积体,由三角洲平原、三角洲前缘及前三角洲等组成 海洋三角洲、湖泊三角洲 三角洲沉积的垂向层序(Gillbert,Colmem)三角洲平原(顶积层):分流河道、分流间湾、 决口充填(上、下三角洲平原)三角洲前缘(前积层):席状砂坝、指状河口坝、潮汐砂脊 水下分流河道或潮汐前三角洲(底积层):泥质沉积、薄层浊积、滑塌,河口作用(Balts, 1953) 低密度平面射流; 高密度平面射流; 等密度混和作用。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,海洋三角洲的三种成因类型(Glloway,1975) 河流作用为主;潮汐作用为主;波浪作用为主。,,,,,,,河流作用,潮汐作用,波浪作用,,破坏性,建设性,Fisher,,,4 潮坪或河口湾体系 潮上坪(泥坪)、潮间坪(砂泥互层)、潮下坪(潮汐水道)涨、退潮作用产生的向上变细层序,多种特殊的沉积构造5 海滩--障壁岛体系 泻湖、冲越扇、入潮口; 障壁岛、后滨、前滨、临滨、远滨,,波浪作用,潮汐作用,风暴作用,海滩障壁岛体系,潮坪河口湾体系,海岸侵蚀风暴浪沉积,(Reading,1998),,,,海滩旋回,堆积-----向岸流为主、向岸搬运,晴天,风暴,侵蚀-----离岸流为主、离岸搬运---远岸堆积,,风暴浪和风暴流沉积,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,潮上,潮间,潮下,潮上滞流悬浮作用为主---泥坪 潮间过渡环境涨-退潮流交替-----砂泥坪 潮下潮汐流(退潮流)为主----潮道砂,潮坪体系,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,潮上,潮间,潮下,潮坪体系,滞流悬浮与水携沉积交替、双向水流形成的沉积构造为标志:潮汐束状体、双粘土层、青鱼骨刺交错层理、压扁层理、透镜状层理等 向上变细的、水体变浅的垂向层序:潮下水道砂---潮坪砂泥互层---潮上坭坪,深海沉积体系,①与大陆边缘有关的细粒远源浊流、等深流沉积,主要构成盆地扇和盆地平原浊积岩沉积;②半远洋悬浮降落沉积物,包括陆源细粒碎屑和生物源物质;③远洋物质(包括钙质微体生物、硅质微体生物)的、大气外层空间的、火山成因的沉积④自生物质,即与远洋沉积物密切共生的各种深海结核,如锰结核和沸石等常见的组分。,海底扇体系 滑塌水下泥石流、泥沙流、浊流 斜坡峡谷--近端扇 --扇中--远端扇点源--线源--纵向体系变形、块状、递变层理、鲍马序列、交错或波状层理,盆地沉积学研究,,湖盆体系:冲积扇、扇三角洲、湖泊三角洲、湖岸、湖湾、湖底扇等,盆地沉积学研究,,9 湖盆体系:冲积扇、扇三角洲、湖泊三角洲、湖岸、湖湾、湖底扇等,建立盆地充填样式反映的主要内容,划分的沉积相和沉积相带 重塑不同盆地演化阶段的古环境或古地理 等时的地层格架中建立盆地沉积相或沉积 相带的三维配置样式 揭示盆地构造格架对盆地充填样式的控制 揭示海、湖平面变化、气候条件、物源供 给等对盆地充填样式的影响,,断陷和内陆裂谷盆地的充填样式,半地堑湖盆: 不对称的构造-地层格架和沉积体系配置,陡坡带:冲积扇扇三角洲、水下扇,洼陷带:浅湖-深湖、湖底扇轴向河流、三角洲,缓坡带:滨浅湖、湖湾、湖滩坝沉积河流-三角洲,1、初始裂期充填:早期冲积盆地,冲积扇、河流、浅湖2、裂陷早期充填:开始形成浅湖盆,扇三角洲(浅水)、浅湖、半深湖、湖滩、河流、河流三角洲3、强烈裂陷期充填:快速沉降,深水湖盆,扇三角洲(深水)、 深湖-半深湖、湖底扇、辫状河、河流三角洲4、裂陷晚期充填:大面积变浅,冲积扇、浅水扇三角洲、河流、河流三角洲5、结束期:小型冲积扇、河流,充填演化阶段性,断陷盆地构造坡折带,,,,四种代表性的盆地充填样式,陆表海碎屑盆地沉积模式,陆相-浅海相三角洲,,远端薄层状的浊积沉积,陆架斜坡,
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