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1-沉积盆地分析-总论

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沉积 盆地 分析 总论
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沉积盆地分析,第一部分:绪论 第一章 盆地分析的内容与方法 第二章 板块构造与沉积盆地分类第二部分:沉积盆地的构造分析 第三章 拉张(裂陷)盆地的构造分析 第四章 收缩(压陷)盆地的构造分析 第五章 走滑盆地的构造分析 第六章 克拉通盆地的构造分析第三部分:沉积盆地的地层分析 第七章 古生物地层学研究 第八章 层序地层学研究第四部分:沉积盆地的沉积学分析 第九章 沉积相与沉积环境研究 第十章 沉积体系分析 第十一章 盆地类型与构造岩相分布第五部分:火成岩分析 第十二章 侵入岩分析 第十三章 火山岩分析第六部分:沉积盆地的演化分析 第十四章 盆地沉降充填史分析 第十五章 盆地热演化史分析 第十六章 盆地改造史分析第七部分:沉积盆地的三维模拟及模型 第十七章 盆地三维模拟的数理基础 第十八章 盆地的三维动态模拟 第十九章 盆地的矿产地质条件分析与评价,,第一部分:绪论,,,,沉积盆地学科的发展历史及现状 在20世纪40年代,F.J.Pettijohn从沉积学角度出发提出了“沉积盆地分析”的概念,将盆地作为一个整体对其中充填的沉积物进行全面的研究。此后,P. E. Potter 和F. J. Pettijohn (1963)又在他们出版的《古流向与盆地分析》一书中进一步强化了将沉积盆地进行整体分析的思想,强调通过古水流体系的恢复来建立盆地的原型,研究盆地的沉积演化。 从20世纪70年代初到90年代,随着板块构造学说的兴起和深部构造研究的深入,人们将研究的注意力集中于板块构造与沉积盆地类型及其形成之间的内在联系。这一时期是国际上沉积盆地分析研究的热点时期。随后出版的许多有关盆地分析的专著和教材就是这一时期的研究成果:其中国外出版的有代表性的论著包括:《沉积盆地分析原理》(A. D. Mialll,1984)、 《盆地分析—原理和应用》(P. A. Allen等,1990)、 《盆地分析的定定量方法》(I. Lerche,1990)、 《沉积盆地》(G. Einsele, 1992)、 《沉积盆地的构造学》(Busby和Ingersoll主编,1995)等。这一时期的成果主要反映了沉积作用与板块构造之间的关系,建立了不同类型的盆地模式,将盆地分析工作推到了一个理论上系统化、应用上广泛化的新阶段。 近十年来,随着盆地分析的一些基础学科取得的进展,如地层学和沉积学、地震地层学的发展,突出的成果是层序地层学的建立;大地构造学对造山带的研究、岩石圈动力学体系的建成立、盆—山藕合的研究等等,使盆地形成的动力学及其与造山带之间的关系已成为整个地质学前缘的热点研究课题。结合了这些研究成果的一系列专著和教材也相继问世: 《盆地分析—原理和应用》(P. A. Allen等,2001)、 《沉积盆地分析原理》(A. D. Mialll,2000)、 《含油气盆地分析》(陆克政等主编,2003)等。使沉积盆地的综合研究成为地质理论研究的一个重要方面。,第一章 盆地分析的内容与方法,,第一节 盆地和含油气盆地的概念一、盆地 不同的学者曾对盆地下过各式各样的定义,下面仅列举一部分学者的意见,来讨论盆地的概念: 朱夏(1965)曾将盆地定义为“地壳的一定地段在大地构造发展一定阶段的一种洼陷构造”或理解为“在地质发展历史一定阶段的一定运动体制下形成发展的统一的沉降大地构造单元’,。 A. W. Bally(1975)指出盆地的定义是指包含有超过1 km厚沉积物的沉降体制,它现今仍或多或少保存有原来的形状。这个定义不包括有厚的和常有复杂变形的沉积物的摺皱带,虽然它们有时也会产出一定数量的油气。 M. T. Halbouty(1979)所给的定义是“盆地是一定的地质时期,在独立的地理区域,相对统一的构造环境中,由来自一处或多处沉积物源的沉积物所组成的沉积岩体”。 K. F. Dallmus(1955)则指出了盆地的两重概念,他把所有卷人地壳变形的或不是纯地形的所有盆地均作为动力盆地。 W. R. Dickinson (1974)也提出了盆地的两重含义,一种含义是盆地仅仅是一个等深的或地形上的洼陷,另一种更重要的含义在于盆地是形成一厚层沉积层序的岩石棱柱体。,第一章 盆地分析的内容与方法,,A. G. Fischer(1975)曾指出对于地貌学家或地理学家来说,地球上的盆地为岩石圈表面在三度空间上的凹地,其中充满了水或空气。对于地质学家来说,地球上的盆地还具有第四度空间即时间的概念,并包括有地表形成的成层岩石,也就是包含有厚达数千米的沉积物及火成岩。这些盆地的形状和深度并不是受陆地表面或海底限制,而是受较深的深成岩系或变质岩系基底的限制,填充在盆地内的沉积物及火山岩记载着盆地的发育历史。根据盆地内填充沉积的情况,划分成从补偿盆地到不补偿盆地的一系列盆地。 R. C. Selley (1976-1985)按三重概念将盆地分为三种,即地貌盆地、沉积盆地和构造盆地。所谓“地貌盆地”是指被天然高地围绕的一块低地。大陆地貌盆地可以是较小的山间平原,也可以是横贯大陆的河谷;水下的地貌盆地可以从小型的冰碛湖到大型的大洋盆地。所谓“沉积盆地于是指一个平缓褶曲的沉积层向中心倾斜的地区。其中岩相带的走向、古水流方向与盆地的形状、构造一致,沉积层的厚度愈向盆地边缘愈薄,说明沉积与盆地的下沉是同时的,故亦称为同生沉积盆地。“构造盆地”亦称沉积后盆地。在这种盆地中,岩相带的走向与古水流的方向、盆地的现存构造无关,说明形成盆地的沉降运动发生在变形岩层沉积之后。,第一章 盆地分析的内容与方法,,叶连俊(1980)认为“持续地接受沉积的地区称为沉积盆地地。他根据盆地的沉积作用与盆地形成作用的时间配合关系将盆地分为先成盆地、同生盆地和次生盆地等三类,与赛利的概念相似,但使用的名词不同。 张文佑(1984)也强调区别前构造期盆地、同构造期盆地和后构造期盆地的意义,并指出许多现存的含油气盆地都是被改造的后构造期盆地,要寻找最有利的生油地区,必须打破后构造期残余盆地的界限,进行更大范围的构造岩相带的划分和对比,进行古气候、古生态和沉积环境等对比研究,恢复前构造期盆地的面貌。 因此,就“盆地”而言,具有三重涵义,即地貌盆地、沉积盆地和构造盆地。而通常所说的“盆地分析”主要指的是沉积盆地分析。关于“沉积盆地”概念的理解,至少应该包含有三个要素:第一是物质,即沉积盆地是由沉积地层组成的;第二是地质时代,即沉积盆地发生在一定的地质时代;第三是空间,即沉积盆地是具有盆状形态的地壳构造单元。其中物质是第一位的,它包含着时空的信息。在一定的地质时期中,在盆状的空间中堆积的沉积物(一般认为厚度超过1000m)即是沉积盆地。,第一章 盆地分析的内容与方法,,二、含油气盆地 顾名思义,含油气盆地是含有油气的盆地,即指已经发现有油气的盆地。确切地说,含油气盆地是具备成烃要素、有过成烃过程并已发现有商业价值的油气聚集的沉积盆地。 含油气盆地是油气生成、运移、聚集、保存的基本单位。世界上99%以上的油气资源是在沉积岩中,那些在非沉积岩中储存的油气也与附近的沉积岩有密切的关系。为了评价、预测油气远景和找寻油气资源,必须研究沉积盆地。 并非所有的沉积盆地都是含油气盆地。按照含油气性可将含油气盆地分为三级,即具大油气田的盆地、只含中小油气田的盆地和仅见油气流的盆地(甘克文,1992)。大油气田是指可采储量接近8000*104t<或5X108桶)或天然气850 * 108m3。在全球已划定的517个盆地中,具有大油气田的盆地有73个,只含中小油气田的有138个,仅见油气流的有47个,至今无重要油气发现的盆地有259个。据1989年的统计结果,全球已发现大油田311个、大气田127个,其总储量占世界已发现证实储量的80%以上。大油气田的形成是由盆地各种地质条件所决定的,各种成烃、成藏要素必须具备,缺一不可,这就使得在进行含油气盆地分析时,必须进行全面系统和精细的研究。 沉积盆地包括含油气盆地在内,是岩石圈的负向构造单元,而造山带是一种正向构造单元。盆与岭在空间上相依并存,相互影响,并可相互转化。它们的形成和发展受到深部岩石圈结构、构造及其演化的控制。全球地球动力学系统控制着大陆的裂解和拼合。,第一章 盆地分析的内容与方法,,第二节含油气盆地分析的内容和程序一、盆地分析的内涵 在20世纪40年代Pettijohn从沉积学出发提出“沉积盆地分析”的概念,将盆地作为一个整体,对其中充填的沉积物进行全面的研究。 A. D. Miall(1984)在《沉积盆地分析原理》一书中仍然认为以探查资源为目的的盆地分析是对盆地中的沉积岩层进行研究,其最重要的结果只是揭示一个沉积盆地的古地理演化。但同时也指出这项工作涉及许多内容,其中最重要的是地层学、构造学和沉积学。 P. A. Allen和J. R. Allen(1990)在《盆地分析—原理与应用》一书中指出,盆地分析就是将沉积盆地作为实体进行地球动力学综合研究。 近年来,由于新理论、新概念、新技术、新方法引入盆地分析中,使其研究工作不断取得新的进展,其内容日趋丰富和完善,一个新的体系正在逐渐形成。 陆克政认为盆地分析的主题应是研究盆地的地质、地球物理、地球化学特征,盆地的类型、盆地演化史及盆地的成因,并在此基础上结合成矿条件(成油要素)综合研究,以揭示盆地的含矿性(含油气性)及矿产(油气)的形成、演化、分布规律,为勘探资源提供可靠的依据。 盆地提供了丰富的地学信息,可从遥感、地面、钻井直至地球深部不同层次的资料中提取各类信息,分析盆地的地质、地球物理和地球化学特征。在地质方面主要包括地层、岩石、沉积、构造和石油地质等特征;在地球物理方面,包括重力、磁力、电法、地震、地温、古地磁等特征;在地球化学方面包括有机地球化学和无机地球化学特征。,第一章 盆地分析的内容与方法,,盆地的演化史是盆地定量分析的重点和关键,包括多方面内容,如沉降史分析(或称地史分析)、沉积充填史分析、构造变形史分析、热史分析、埋藏史分析以及盆地演化与成烃史和成藏的关系研究等。最近,在沉降史分析中,也加强了对剥蚀量和剥蚀史的研究。 盆地的成因分析主要是从地球动力学角度研究各类盆地的形成机理,包括板块构造背景、动力来源、类型、方式,深部岩石圈结构和深部构造作用过程,盆岭关系等,从而建立各类盆地的成因模式及其相应的地层、沉积、构造模式。 盆地石油地质条件的综合分析和评价是盆地分析的中心内容。一个盆地成烃、成藏的状况取决于油源、储集、封盖、运移、圈闭和保存诸条件的存在及其合理的配置关系,缺乏任一条件都不会有好的含油气远景。而这些条件受控于盆地的形成、演化与改造,受控于盆地的各种地质作用。以盆地为基本单元,研究盆地的含油气性、油气分布规律、盆地演化与成烃、成藏关系是盆地分析特有的内容。 因此,盆地分析是多学科的综合研究,需要利用不同专业的知识和成果,需要相关学科的专家合作。这种围绕盆地分析进行学科交叉的综合研究已取得可喜的成果,并将在新世纪地球科学发展中发挥更大的作用。,第一章 盆地分析的内容与方法,,二、盆地分析的原理 60年代板块构造问世以来,岩石圈构造及其动力学理论不断更新,新观点、新观念、新模式不断涌现。继板块构造理论后又出现了地体理论。岩石圈深部研究计划、地学大剖面研究表明岩石圈是层圈式的,各层圈界面常是活动性构造滑脱界面,各层次的构造具有不协调性,出现了岩石圈分层剥离假说。新构造观的核心是活动论。构造变形具有多种成因、多种尺度、多期次和多重性质。伸展构造、挤压构造和走滑构造是组成岩石圈构造变动的基本类型。岩石圈的构造演化过程既有渐进发展,又有突变性事件;既有不可逆性,又有旋回式、阶段性发展;既有块断活动,又有波浪运动。发展是不平衡的、不均一的,至少自显生宙以来板块构造运动对岩石圈及盆地演化即具有控制作用。岩石圈块体的开合具有多尺度和多样性,既有大开大合的威尔逊旋回,也有手风琴式的开合。不同规模的地体的离合概念描绘了陆壳生长的各构造单位的自然集合。环太平洋域和特提斯域地体增生样式具有不同特点。洋壳不总是俯冲于陆壳之下,有时也能仰冲于大陆基底之上。岩石圈动力来源具有复杂性和多元性(巨型地慢喷流柱、地慢热对流、重力、流体、陨石撞击、地球自转等)。这些都是盆地分析的基础理论。,第一章 盆地分析的内容与方法,,沉积盆地是地表长期沉降的地区,其形成和演化受控于地壳和上地慢的结构和构造作用。地壳和上地慢具有层圈结构。岩石圈是地球外部的刚性外壳,岩石圈之下是软流圈。在大陆地壳内也有低速的韧性层发育。这些流变带在沉积盆地形成中起着重要的作用。 沉积盆地是垂向沉降地区,它与岩石圈板块或地体的水平运动有密切的关系。板块相互作用的水平活动可以派生出垂向沉降,形成各式各样的沉积盆地。在板块离散过程中形成陆内裂谷、陆间裂谷、洋内裂谷和被动陆缘盆地等。在板块聚敛过程中,俯冲作用形成弧一沟系,在海沟、弧前、弧内、弧间和弧后地区都可形成盆地。在碰撞作用下,则可形成残留洋盆及前陆盆地。在转换边界的走滑活动中,具有扭张和扭压分量时也可形成走滑盆地。近年来,对板块边界活动下的陆内造山作用给予了重视,认为伴随陆内造山作用可以在克拉通内产生新生的、活化的盆地。 在不同规模块体的开合过程中,包括威尔逊旋回和非威尔逊旋回都有一系列盆地形成,由于板块环境和地动力条件的改变,形成了多期异类盆地的叠置。地动力条件的变化决定了盆地的演化系列。 盆地不是一个永久的形态,盆地可以发生隆升,盆岭可以发生转化,盆岭藕合发展,关系密切。盆地反转的主要原因是深部热源、重力均衡和应力因素。,第一章 盆地分析的内容与方法,,盆地岩石圈动力学有时是相当复杂的。首先,它表现在一种动力可以诱发出另一种动力,例如在板块聚敛环境,主要应力应该是挤压,但在弧后地区可发生大面积的扩张,形成弧后盆地和弧间盆地。其次,在俯冲边界,由于不是到处都正交聚敛,会出现混合型动力,在许多弧内、弧后地区产生大型走滑断层。再有,有些盆地处于不同板块边界之间,其演化受到多重影响,盆地成因可能是多因叠加的结果。因此,板块边界作用力性质与形成盆地的岩石圈地动力条件不一定都是同样方向和同样性质的,尽管它们之间可能存在着密切关系,甚至是因果关系。一个盆地的岩石圈动力学主要取决于该盆地及其邻近地区具体的地动力条件和引起沉降的机制(如热、应力、重力、深部层圈相互作用等)。无疑,将板块边界活动及其相互作用的分析与盆地岩石圈地动力条件的分析结合起来最为可取。在不同尺度分析中既要看到联系,也要重视差别。 板块的构造活动,盆地的形成、演化、改造都对盆地的油气生成、储集、封盖、运移、圈闭、保存诸条件具有控制作用。盆地的远景取决于上述基本条件的良好发育及合理配置,缺一不可。盆地内油气形成和富集的基本条件的归纳是石油地质学理论的重要进展,具有重要的理论和实用意义。,第一章 盆地分析的内容与方法,,三、盆地研究的内容和程序 1.含油气盆地分析的基本思路 朱夏(1981)曾将含油气盆地研究的主要内容归纳为四个M、四个S和三个T。四个M指的是研究油气生成、聚集的条件和指标,包括①物质基础(Material),指生油物质的性质和数量;②成熟度(Maturation),指有机物转化为石油的成熟程度;③运移(Migration),包括运移、圈闭和聚集;④保持(Maintenance),指盖层及后期改造的热力和水动力条件。 四个S指的是研究盆地的地质因素,包括:①沉积作用(Sedimentation),指沉积环境、补偿情况、沉积组合和生储盖组合的纵横分布;②沉降作用(Subsidence),指断陷和拗陷、沉降速率的不均衡性、沉降的原因;③应力场和应力条件(Stress field and Stress condition),指沉降与沉积的不同应力环境、应力场的演化;④构造型式或形态(Structural style),指构造形态,张、压、扭应力体系下的构造型式。 三个T指的是研究盆地的时空展布和控制性因素,包括:①构造背景或处境(Tectonic settings),指板内和板缘、板缘类型;②时代或时间(Time),指盆地的发展历史和不同阶段的构造演化、盆地各方面的复杂关系;③热史、热体制或温度条件(Thermal history, regime or condition),指热条件和热史对油气形成、演化所起的作用。,第一章 盆地分析的内容与方法,,含油气盆地分析就是在以上各方面研究的基础上,将影响油气形成的上述各方面因素相互联系起来综合分析,最终对一个地区的油气远景作出评价。 含油气盆地分析的目的是要搞清地质因素,查明石油地质条件,即成油和成藏的诸要素,包括生、储、盖、运、圈、保以及它们的有效配置。在此基础上,才能对盆地、区带、圈闭等不同级别勘探领域的油气资源进行正确合理的计划、评价和预测。 赵重远(1993)强调含油气盆地地质学研究中的三项原则:①整体原则,视盆地为一整体;②动态原则,不仅研究现状,还要历史地分析盆地和油气的形成和演化;③综合原则,研究各种地质作用从而揭示油气分布规律。并将含油气盆地研究分为五个子系统:①成盆作用与过程;②成烃作用与过程;③成藏作用与过程;④成藏组合与分析;⑤后期改造与油气再分布。这五个子系统包括了盆地及其中油气从生成至油气藏形成,直至破坏、再分布的全过程。,第一章 盆地分析的内容与方法,,2.不同尺度的盆地分析 陆克政强调不同尺度的盆地分析应该有不同的内容和研究思路。盆地分析通常分成三种尺度,即盆地群或盆际、盆地整体和盆内局部构造或单位。 1)盆地群或盆际研究 超盆地分析主要研究盆地形成演化的区域环境、深部背景、变化规律及其基本属性,包括以下几方面: ①构造位置、盆一山关系、盆间关系研究; ②古气候、古纬度、古地理环境研究; ③盆地的地质时代及古原型盆地研究; ④盆地和超盆的地球动力学、盆地类型研究; ⑤盆地深部结构、不同层次构造关系和不同期次盆地叠置关系研究。,第一章 盆地分析的内容与方法,,2)盆地整体研究 将盆地作为一个独立系统,研究该系统内所发生的地质过程或作用(processes)及其各种地质响应(responses)。包括下列方面: ①盆地的层序、旋回、幕或地质事件分析,盆地形成演化的阶段或期次性研究; ②盆地构造变形体系、样式、类型、叠加、构造演化和不同时期应力场分析,以及不同层次构造变形关系研究; ③盆地沉降史分析、沉降量及沉降速率特征的比较,以及沉降量与变形量相关性研究; ④盆地构造一沉积充填模式分析、构造一岩相带划分、构造一岩石组合及其序列研究; ⑤盆地的构造一岩浆活动、热活动、热史分析。,第一章 盆地分析的内容与方法,,3)盆地内部含油气区带研究 通常是指二级构造带或局部构造的解析,研究油气区带的基本要素、某些控制二级构造带的主干断层或断裂带、盆地构造内部二级构造带中各构造要素之间的关系,以及构造演化和形成机理。“油藏描述”也应该属于盆地内部含油气区带研究的范畴,它已经发展成为含油气盆地分析学科中一种相对独立的技术。 对于石油与天然气勘探来说,盆地分析是以盆地为研究对象,以盆地石油地质调查开始到优选出有利含油气区带的综合勘探评价的系统工程,即以现代石油地质理论为指导,以现代计算机技术为主要手段,综合应用地面地质调查、物化探、钻井、录井、测井、测试和分析化验等多种资料和信息,详细地描述盆地的地层、构造、沉积、生储盖层等各种地质特征,动态地再现各种地质特征及烃类的演化和相互关系,并在此基础上估算出盆地的油气资源量及其三维空间分布,优选出有利的含油气区带。,第一章 盆地分析的内容与方法,,3.不同勘探阶段的盆地分析 在不同盆地油气勘探阶段,盆地分析的研究内容是不同的,因此盆地分析工作可以分三个阶段进行。 第一阶段是盆地勘探程度较低,尚未取得工业性油气发现的阶段。盆地分析要初步搞清盆地基底结构、盆地构造格局、地层层序、沉积岩分布,初步确定主要烃源岩层系及主要烃源岩区,估算远景资源量,评价盆地勘探前景,并通过对多个盆地的比较,进行分类排队,优选出具有含油气远景的盆地。 第二阶段是盆地获得工业性油气发现,并具有联网地震测线以后的阶段。以探井为骨干,地震测线为基础,结合其他资料,建立盆地地质模型,重现地史、热史、生烃史、排烃史。查明地层、岩性横向变化,构造形态和断层分布;搞清油源关系、有效烃源岩体和储集岩体的分布;通过计算出盆地的生烃量、排烃量及其分布,以及预测油气资源数量及其分布,优选出有利的含油气区带。 第三阶段是含油气盆地达到较高勘探程度的阶段。对各种地质特征和石油地质规律有了进一步认识,特别是通过对已发现的各类油气藏的分析研究,对油气运移聚集规律有了较深人的认识。需进一步充实盆地地质模型,更加准确地再现盆地地史、热史、生烃史、排烃史,还需再现盆地油气运移聚集史,定量地预测油气资源数量及其三维空间分布,确定各类有利含油气区带及其潜力,特别是要进行对圈闭含油性的评价及地层岩性油气藏和隐蔽油气藏的预测。,第一章 盆地分析的内容与方法,,上述三个阶段既有区别,又相互衔接。随着勘探程度的提高和资料的积累,盆地分析要滚动进行,不断提高精度。在同一盆地内,不同勘探程度的地区要按不同阶段的要求开展盆地分析。有的盆地(或地区),阶段之间无明显差别,可合并进行。,第一章 盆地分析的内容与方法,,四、含油气盆地分析的方法 含油气盆地分析是一项庞大的系统工程,涉及面广,需要开展多学科综合分析研究工作。但作为一项系统工程没有骨架是建立不起来的,这个骨架和主线应当是地球动力学和构造一沉积一油气演化。在含油气盆地分析中,构造、层序、沉积、油气水四者必须相互联系,不可分割。 含油气盆地分析要求有一套先进的科学研究技术,将定性与定量研究结合;要引入各学科的新成就、新技术,充分利用计算机技术、新实验技术、模拟技术来提高研究水平。 充分利用不同方面和不同层次的信息是高水平研究的保证,应吸收包括地面、钻井、测井、地震、非地震地球物理测量、大地电磁测深、遥感技术、古地磁测量、同位素地质、地球化学等方面的新进展,也包括实验室取得的数据和资料。 对于盆地地质条件和石油地质条件的类比是一种常用的有效方法。油气保存、聚集要求的条件很严格,各种成油要素缺一不可,这就要求进行具体的、逐项的精细对比。 概括起来,含油气盆地分析的方法包括不同的层次和不同学科的研究方法,如图1-1所示。,第一章 盆地分析的内容与方法,,盆地分析,盆地构造分析,区域构造解析—盆地形成的区域构造背景,岩石圈动力学——盆地岩石圈结构和构造作用过程,,,,,,,,,盆地地层学分析,盆地沉积学分析,盆地改造分析,盆地成矿潜力分析,,盆地对比分析,,,原型盆地分析,盆地演化分析,,建立盆地模型,,,盆地成矿成藏分析,,盆地矿产评价,,,盆地边缘造山过程分析,,盆-山耦合分析,第二章 板块构造与沉积盆地分类,,第一节 岩石圈及其板块构造环境一、地球的构造Over time the Earth cools and separates into several different layers. The matter with the highest density (mostly iron) sinks to form Earth’s solid inner core. This inner core becomes enveloped by a less dense mixture of nickel and iron - the outer core. Surrounding the inner and outer core is the mantle (itself divided into several distinct layers), and over the mantle is the Earth’s crust, a thin veneer of rocky material that covers the planet like thecracked, twisted, lumpy crust of an apple pie.,二、岩石圈 固体地球具有层圈结构,自地表向地球中心的一级层圈单位包括地壳、地慢和地核。这些一级层圈还包含次级的层圈结构。现代固体地球科学认为地球表壳的构造运动主要与地壳和上地慢所构成的岩石圈的构造作用有关。沉积盆地是地壳表面在一定地质时期内的沉降区,它的形成和演化也是受控于地壳及上地慢的构造作用。 1.关于岩石圈的概念 “岩石圈”的概念早在19世纪末、20世纪初就提出来了,开始是指由岩石物质组成的地球的石质外壳(Dana,1896),以区别于大气圈和水圈。Clarke (1908)在计算各种化学元素的丰度时也使用了岩石圈的概念,认为岩石圈代表已知物质的各种化学元素的相对丰度深达海平面以下10mi(1mi=l.0693 km,下同。)的岩石圈的外部。尔后,Kemp1911)将地球外部的石质壳称为岩石圈,Barrell (1914 )将“地壳”划分为“刚性的”的上层并称为岩石圈和“弱性的”的下层并称为软流圈。20世纪50年代,岩石圈的定义包括地球化学和地球物理学两方面,地球化学方面将岩石圈定义为地球的硅酸盐壳,地球物理学方面将古登堡不连续面(gutenberg discontinuity,深2900 km)定义为岩石圈的下界。,第二章 板块构造与沉积盆地分类,,第二章 板块构造与沉积盆地分类,,现代岩石圈的概念是与板块构造相联系的。美国地球动力学委员会于1982年在得克萨斯大学举行了一次关于岩石圈及岩石圈动力学的研讨会,所提出的关于岩石圈的定义和鉴别准则有所不同,其要点是,地球外部的刚性壳由能够独立地相互运动的不连续的板块组成,而这种板块的组合就构成了地球的岩石圈。 有关岩石圈的含意至少有四种: 弹性或挠曲的岩石圈,从地表载荷或卸载调整计算得出,通常为20~30 km.。 热岩石圈,即支撑一个传导热梯度的地球的冷的外层,计算得出的厚度约为100 km。 地震波的岩石圈,即位于覆盖范围广泛但不一定是在全球规模的地震波低速带之上的地球外壳。这个岩石圈的深度在年青大洋下不到45km,在大陆下约为150 km。一般将这个岩石圈底下的地震波低速带称为软流圈。 化学一矿物学的岩石圈,如果地慢的顶部是层状的或大体上是不均匀的话,就可推断出岩石圈与软流圈的化学或矿物学的边界。,第二章 板块构造与沉积盆地分类,,2、岩石圈的组成 在实际应用中,多数学者接受“地震波的岩石圈”的概念,并按照地震波速讨论岩石圈的分层结构。岩石圈具有分层性,宏观上包括被moho面(mohorovicic discontinuity,上部P波速度显著增大,其下是一低速层)分隔的地壳和上地慢(或称岩石圈地慢)两大部分。地壳和上地慢也可以依据地震波波速进一步分层。岩石圈也有明显的横向不均一性,大陆与大洋岩石圈在物质组成和地震波波速上有明显的差异。不同地区的大陆岩石圈也存在差异,大洋岩石圈的差异相对小一些。不同地区大陆地壳的差异又比它们的上地慢的差异更大一些。 大陆地壳一般可以分为四个层次:①沉积岩层:vp为2.0~5.8 km/s;②上地壳层,也称花岗质岩层: vp为5.9~6.3 km/s;③中地壳层,也称花岗闪长质岩层, vp为6.4~6.7 km/s;④下地壳层,也称玄武质岩一变质玄武质岩层:vp为6.8~7.6 km/s。 大洋地壳一般可以分为三个层次:①海洋沉积层: vp约为2.2 km/s;②洋壳上层,也称玄武岩层,主要由玄武质枕状熔岩组成:vp约为5.2 km/s;③洋壳下层,也称大洋层,是由辉长岩、辉绿岩组成的席状岩墙杂岩体:vp为6.7±0.25 km/s。 大洋地壳与大陆地壳之间呈过渡状态,称为过渡型地壳,它们具有横向变化大、结构复杂的特点。有些过渡型地壳具有很多的大陆地壳特征,称为陆壳型过渡地壳;另一些则具有更多的大洋地壳特征,称为洋壳型过渡地壳。,第二章 板块构造与沉积盆地分类,,地壳与上地慢之间的moho面是地震速度明显跳跃的薄层,速度跳跃幅度为1.0~1.5km/s,vp为8.0~8.2 km/s。关于moho面的解释至少有两种:①化学相变界面,即辉长质下地壳变为榴辉岩质上地慢的界面;②构造界面,由纹层状构造引起地震波波速的不连续带(Hele&Thompson,1982),或是在超高静压载荷下的张裂隙发育带,或是由高速与低速薄互层组成的地质过渡带。 moho面之下的岩石圈地慢的地震速度vp;在稳定大陆区为8.1~8.5 km/s,大洋盆地区为7.9~8.5 km/s。关于岩石圈地慢的物质组成的认识也有不同的看法。一种解释称为“习惯型模型”,认为物质成分自地壳浅层向岩石圈深部由硅铝质逐渐变为铁镁质,岩石圈地慢由纯橄榄岩、橄榄岩组成;另一种解释称为“反转模型”,认为玄武质岩下地壳向下变为花岗质、安山质岩石,岩石圈地慢是由榴辉质岩石组成的,而地壳是榴辉质岩石演化的产物。 岩石圈之下是软流圈,一般认为是由部分熔融到全部熔融的岩浆组成。软流圈上部为一低速带, vp约为7.7 km/s,vp约为4.2 km/s。软流圈在大洋区一般发育在50~400 km深度上,厚度约为350 km;在大陆区一般发育在100~220 km深度上,厚度约为100~150 km.。,第二章 板块构造与沉积盆地分类,,3.岩石圈的流变学特征 从力学和流变学角度看,岩石圈有足够的刚度构成比较连续的板块,而软流圈是具有流变学特征的地球内部层圈。但是,岩石圈本身的强度在垂向上和横向上也是有变化的。大洋岩石圈和大陆岩石圈的流变学特征的差异十分明显(图2-1)。不同的大陆岩石圈的流变学特征也有差异。一些地区(如华北地区)的大陆地壳内部具有明显的低速层,甚至多个低速层。造成低速的原因可能有多种因素,如:①含水层;②破碎的变质岩层(含矿水溶液);③水塑化的花岗岩层内的蠕变变形带或韧性剪切带(糜棱岩带);④滑脱(面)带等。无论何种解释都说明这些壳内低速层在岩石圈强度上是相对的韧性层,它们在岩石圈构造变形以及地壳表层沉积盆地的形成过程中具有很重要的意义。,第二章 板块构造与沉积盆地分类,,第二章 板块构造与沉积盆地分类,,三、全球板块构造系统 板块构造学说是20世纪60年代在“海底扩张”学说基础上发展起来的一门“新全球构造学说”。它的关键点是认为地球外壳的岩石圈包括六大板块以及一些小板块,这些岩石圈板块受地慢对流的驱动而发生大规模的相对水平运动(图2-1)。1.板块运动与板块边界 板块的相对水平运动包括三种端元方式,即离散运动、汇聚运动和走滑运动。而多数情况下,板块的相对水平运动是斜向的位移矢量,包含有与板块边界垂直的倾向位移(离散或汇聚运动)分量和与板块边界平行的走向位移分量。根据相邻板块的相对运动状态,板块的边界类型也可以分为三类,即离散边界(divergent plate boundary)或增生边界(accreting plate boundary);聚敛边界(convergent plate boundary,包括俯冲边界和碰撞边界)和转换边界(transform plate boundary)或稳定边界(包括不同类型的转换边界)。岩石圈板块以不同类型的边界相连,并在不停地运动着,构成了全球板块构造系统(图2-2)。 当两个板块相对离散运动时,岩石圈深部和软流圈的熔融物质上涌并形成新大洋岩石圈。这种情况下的相邻板块的边界称为离散型边界或增生边界。典型的离散型边界是大洋盆地扩张中心的洋中脊。新生的大洋岩石圈在洋中脊形成时将较早形成的大洋岩石圈推向两侧。因此,在这里可以根据洋中脊两侧岩石圈的年龄来推算板块相对离散运动的速率。,第二章 板块构造与沉积盆地分类,,Powered by forces originating in Earth’s radioactive, solid iron inner core, these tectonic plates move ponderously about at varying speeds and in different directions atop a layer of much hotter, softer, more malleable rock called the athenosphere. Because of the high temperatures and immense pressures found here, the uppermost part of the athenosphere is deformed and flows almost plastically just beneath the Earth’s surface. This characteristic of the athenosphere to flow allows the plates to inch along on their endless journeys around the surface of the earth, moving no faster than human fingernails grow. One idea that might explain the ability of the athenosphere to flow is the idea of convection currents. When mantle rocks near the radioactive core are heated, they become less dense than the cooler, upper mantle rocks. These warmer rocks rise while the cooler rocks sink, creating slow, vertical currents within the mantle (these convection currents move mantle rocks only a few centimeters a year). This movement of warmer and cooler mantle rocks, in turn, creates pockets of circulation within the mantle called convection cells. The circulation of these convection cells could very well be the driving force behind the movement of tectonic plates over the athenosphere.,
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