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盆地分析-挤压盆地特征

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盆地 分析 挤压 特征
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沉积盆地分析,主讲人:伊海生 教授学 院:沉积地质研究院,第十五讲 挤压(挠曲)盆地构造分析 马杏垣等(1987)将那些受逆冲断层控制的盆地称为“压陷盆地”;并将它视“裂陷盆地”的对应物。这类盆地在形成过程中表现为地壳或岩石圈的缩短变形,因而也可以称之为“收缩型盆地”。从形成机制看,该类盆地是在挤压作用下断层上盘上升并引起下盘发生挠曲变形而形成的,因此,可称为“挤压型盆地”或“挠曲盆地”。,一、挤压(挠曲)盆地类型及其特征 (一)板块构造体制中的挤压(挠曲)盆地类型 该类盆地的形成与板块之间的相互聚敛运动和板内挤压的构造环境有关。常见的挤压型盆地类型如下:,(一)板块构造体制中的挤压(挠曲)盆地类型 1.与板块B型俯冲作用有关的挤压陷(挠曲)盆地 主要包括海沟、斜坡、弧前和弧后地区由挤压作用形成的盆地。,1.与板块B型俯冲作用有关的挤压陷(挠曲)盆地 (l)海沟:在两个板块发生B型俯冲作用的地带,堆积物包括来自岩浆弧上的碎屑和B型俯冲过程中刮落下来的大洋地壳及其表层的深海沉积物等。堆积在斜坡盆地和弧前盆地中的陆源碎屑可以通过水下峡谷带到海沟中沉积下来,常发育浊积岩、混杂岩、海底扇等。海沟附近地区充填的沉积层受B型俯冲的影响而发生强烈的褶皱并产生逆冲断层,构成与B型俯冲有关的增生楔(如巴基斯坦的莫克兰海沟,图4-6)。增生楔岩层表现出被构造混杂后的构造层序(图4-7)。现代主要在环太平洋的B型俯冲带上的海沟和印度洋北部边缘的海沟(如莫克兰海沟、爪哇海沟)上发育增生楔,而地质时期的增生楔则可能演变成为褶皱造山带的一部分。,1.与板块B型俯冲作用有关的挤压陷(挠曲)盆地 (2)斜坡盆地:位于岩浆弧与海沟的斜坡上,盆地基底由俯冲杂岩组成,本身也可能演化成为俯冲杂岩的一部分。比较低的位置可以向海沟过渡,形成海沟-斜坡盆地,斜坡中上部可以发育斜坡沉积裙和阶地沉积。与海沟的主要区别是,斜坡盆地的沉积物不应该包含从俯冲的洋壳表面刮落下来的深海沉积;与弧前盆地的主要区别是,斜坡盆地的基底是俯冲杂岩增生楔,而弧前盆地的基底主要是岩浆弧基底(图4-8)。,1.与板块B型俯冲作用有关的挤压陷(挠曲)盆地 (3)弧前盆地:位于岩浆弧轴部向海沟方向一侧的盆地,或弧-沟间隙区的盆地,靠俯冲带一侧则发有挤压褶皱和逆冲断层或逆冲走滑断层,靠岩浆弧一侧可以出现正断层。弧前盆地的基底可以是早期的残留洋壳(由于俯冲带并非严格地发生在洋壳和陆壳之间)或浆弧基底(图4-8)。,1.与板块B型俯冲作用有关的挤压陷(挠曲)盆地 (4)弧后前陆盆地:北美型大陆边缘的岩浆弧后面常发有逆冲断层带,在断层下盘发育挠曲盆地,常与相邻的岩浆弧平行延伸。这类盆地是挤压(挠曲)盆地的主要类型之一,如加拿大的阿尔伯达盆地、美国西部落基山东侧的山前盆地等。,2.与板块碰撞作用有关的挤压(挠曲)盆地 主要包括残留盆地、周绿前陆盆地和山间盆地等。,2.与板块碰撞作用有关的挤压(挠曲)盆地 (5)残留盆地:指碰撞造山带内部或边缘,以尚未俯冲消失的洋壳为底的盆地。碰撞作用发生后,沿碰撞带走向可能过渡到B型俯冲带,在碰撞陆缘及仍然在俯冲的弧-沟系间的挤压型盆地亦属于残留盆地。进一步的碰撞作用可能导致盆地抬升与消失或成为碰撞造山楔的一部分。沉积物主要来源于周围碰撞造山带,以发育浊流形成的复理石沉积和与碰撞造山带有关的海相磨拉石沉积为特点。残留盆地可以向周缘前陆盆地过渡。如孟加拉湾是现代的残留盆地的实例。,2.与板块碰撞作用有关的挤压(挠曲)盆地 (6)周缘前陆盆地:指造山带与克拉通之间的前陆地区发育的挠曲盆地,以瑞士的阿尔卑斯山前的磨拉石盆地最为典型,因此磨拉石盆地也成为这类盆地的代名词。“磨拉石”通常也泛指那些以陆相为主、巨厚的砾岩和砂岩占优势的沉积岩层,岩层的分选性差,层理不规则,相变急剧,是造山带山前地区的典型沉积类型。 (7)山间盆地:指周围被碰撞造山带包围或位于造山带内部的以陆壳(通常是克拉通或早间的褶皱带)为基底的挤压盆地,即以逆断层为盆地边界的压陷盆地。如我国天山褶皱带中的一些盆地。,3.与克拉通内部挤压环境有关的挤压(挠曲)盆地 克拉通板块内部受到挤压作用可以使原先的地缝合带或古俯冲带再次活动,或使统一的克拉通破裂,发生板内造山,这一构造过程中也能形成一些由大型逆冲断层带控制的挤压(挠曲)盆地。 在克拉通内部或远离造山带主体的山前地区,由逆断层A型俯冲可形成压陷(挠曲)盆地。它可以与前陆盆地相邻,且构造方向和发育历史可以与前陆盆地类比,显示出其亲缘关系。如美国西部落基山前的克拉通内部的风河盆地,与落基山前前陆盆地(绿河盆地)相邻。 板块内部受到挤压作用时地壳也可以产生大规模的褶皱变形,背斜核部相对隆升遭受剥蚀,向斜核部相对沉降形成沉积盆地,这种盆地也属于压陷(挠曲)盆地的一种,可称为褶陷盆地或构造盆地。,二、前陆盆地和板内挤压(挠曲)盆地的主要特征 前述各种类型的挤压(挠曲)盆地,有些是短命的,只存在于现代板块构造系统中。例如,海沟、斜坡和弧前盆地以及残留洋盆等,随着洋壳俯冲消减而成为碰撞造山带,这些盆地多数被卷入造山带中,或被俯冲作用带入地壳深处发生强烈的变形-变质作用。 在地壳表面被较好地保存下来的挤压(挠曲)盆地是那些以“稳定”克拉通为基底的前陆盆地,包括弧后前陆盆地、周缘前陆盆地以及克拉通内部的挤压(挠曲)盆地。,1.前陆盆地与板内挤压(挠曲)盆地 大陆板块碰撞后,周缘前陆盆地与弧后前陆盆地可以分别位于造山带(缝合带)的两侧(图4-10)。 要区分是周缘前陆盆地还是弧后前陆盆地有时是很困难的。 周缘前陆盆地可能更靠近缝合带,并且盆地早期沉积物的水深相对深一些,覆盖在裂陷的被动大陆边缘之上,而作为载荷的造山带则可能是先前与B型俯冲有关的增生杂岩和弧前盆地的沉积层。 弧后前陆盆地靠近陆缘岩浆(火山)弧,因而沉积物中可能有更多的火山碎屑,而作为载荷的逆冲褶皱带则主要是岩浆弧。,1.前陆盆地与板内挤压(挠曲)盆地 还有一些与造山带不相邻,但也是大陆地壳挤压-挠曲作用形成的盆地,陈发景(1992)称其为“挠曲类前陆盆地”或“类前陆盆地”,属于克拉通内部的挤压(挠曲)盆地。 陈发景(1992)认为类前陆盆地包括三种构造背景: (1)前陆地区的基底拆离(或基底滑移)作用以及伴生的基底卷入式逆冲断层系统的构造负荷作用,使下盘系统形成压陷(挠曲)盆地,例如落基山地区的风河盆地等(图4-11); (2)由于前陆盆地的前缘隆起进一步受挤压隆升造成的构造负荷作用,使前陆盆地前缘隆起外侧(向克拉通方向)凹陷成为一个相对独立的压陷(挠曲)盆地(图4-12),这种盆地也被称为“破裂前陆盆地”(brok foreland basin); (3)早期的克拉通边缘的夭折裂谷在大洋闭合和大陆碰撞造山过程中演化成为拗拉槽,由于拗拉槽层序的构造反转形成褶皱-冲断带造成的构造负荷作用,使拗拉槽肩部及外侧地带形成压陷(挠曲)盆地。,2.前陆盆地系统 P.G.DeCelles等(1996)提出了前陆盆地系统(foreland basin systems)的概念。涵义包括三方面内容(图4-13): ①前陆盆地系统是指在收缩造山带与毗邻的克拉通之间的大陆地壳之上的沉积物堆积的潜在地区,沉降主要是与俯冲作用及其导致的周缘或弧后褶皱逆冲带有关的地球动力学过程的响应; ②前陆盆地系统由四个分隔的构造沉积带组成,它们分别称为逆冲楔顶部带(wedge-top)、前渊带(foredeeP)、前隆带(fore bulge)和隆后凹陷带(back-bulge);,2.前陆盆地系统 ③前陆盆地系统的延伸长度大致与褶皱带的长度相等,不包括溢出到邻近的残留海盆地和碰撞大陆裂陷盆地中的沉积物。 但是,并非所有的前陆盆地系统的四个构造沉积带都发育完整。前陆盆地的形态可以是简单的也可能很复杂(图4-14),甚至包含一些发育在逆冲断层上盘的背驮式盆地,或前缘隆起被逆冲隆升使隆后凹陷带成为相对独立的类前陆盆地。,3.前陆盆地与板内压陷(挠曲)盆地的识别标志 挤压作用所产生的褶皱-冲断层带往往是直接的构造负荷,而挤压作用的动力来源则是与板块碰撞作用(陆-陆碰撞、岛弧-大陆碰撞或岛弧-岛弧碰撞)和俯冲作用有关。 因此,这些盆地具有一些共同特征: ①盆地具有不对称性,即靠近构造负荷部位往往是以逆冲断层(带)为边界,且沉降较深,沉积层较厚; ②盆地的演化与造山带(褶皱-逆冲带)的演化相关; ③沉积充填物质包括两部分,一部分来自造山带或冲断隆起上,一部分来自克拉通地区; ④随着盆地的演化,早期沉积层逐渐被卷入逆冲褶皱带中,并使盆地沉降、沉积中心向逆冲前锋方向(前缘隆起方向)迁移。 这些特征中最具鉴别意义的是逆冲褶皱作用对沉积作用的控制,即在挤压作用背景下发育有同沉积逆冲断层或同沉积纵弯褶皱的沉积盆地。,二、挤压(挠曲)盆地中的构造样式 挤压(挠曲)盆地是在挤压体制下形成的,因而盆地内部的构造变形亦是以逆冲-褶皱构造为主。 (一)逆冲-褶皱带的构造样式 1.前陆盆地边缘逆冲带的构造样式 前陆盆地边缘逆冲褶皱带的构造样式以向前陆方向逆冲的叠瓦状逆冲断层系为特点。靠近造山带部分的逆冲断层的倾斜相对较陡,向前陆方向逆冲断层的倾斜逐渐变缓,而这些逆冲断层向深部产状变得更缓,收敛于基底拆离断层之上,构成叠瓦扇构造。叠瓦扇向前陆方向的逆冲断层成为前陆盆地系统的“逆冲楔”的一部分。,1.前陆盆地边缘逆冲带的构造样式 前陆盆地边缘的逆冲断层可以是基底卷入型的逆冲断层,也可以是薄皮的逆冲断层。逆冲断层系的上盘系统可能包含有从地壳深部逆冲上来的岩石或经过强烈挤压变形的造山带物质。有些逆冲断层则是在褶皱变形基础上形成的,即岩层先挤压褶皱变形,进一步褶皱紧闭-倒转,在倒转翼发生逆冲断层(图4-15)。在前陆盆地边缘的逆冲褶皱带可有多次逆冲作用叠加的变形。如果造山楔有较大的逆冲位移,其底部也可发育双重构造。,2.前陆盆地内部的逆冲构造样式 前陆盆地内部以薄皮逆冲构造为特点。 1)铲式逆冲断层与蛇头构造、叠瓦扇构造 逆冲断层面表现为上陡下缓的式形态,称为铲式逆冲断层。铲式逆冲断层上盘向上逆冲并发生褶曲变形,其形状貌似蛇头,称为蛇头构造。两条或两条以上的同向铲式逆冲断层向深层收敛为一条低角度逆冲断层(或拆离断层),构成逆冲叠瓦扇构造。,2.前陆盆地内部的逆冲构造样式 2)坡坪式逆冲断层与断弯招皱 由于前陆盆地地层能干性的交替变化,在挤压作用下形成的逆冲断层产状随岩层能干性的变化而发生折射,断层在能干岩层中的切割角度较大,称为断坡,在非能干层中的角度很小,称为断坪,这种产状的逆冲断层称为坡坪式逆冲断层。坡坪式逆冲断层的上盘断坡逆冲到下盘断坪上后,上盘为了适应断层的几何形态会发生褶皱变形,称为断弯褶皱(图4-17)。,2.前陆盆地内部的逆冲构造样式 3)盲冲断层、断展褶皱与断滑褶皱 前陆盆地中的逆冲断层多数没有直接逆冲露出地表。如果逆冲断层在逆冲过程中其位移逐渐减小以致在地层中尖灭,则称为盲冲断层(图4-18a)。伴随着盲冲断层的位移减小,断层上盘及上覆地层会发生褶皱变形,这种褶皱称为断展褶皱。类似的,顺层的逆冲断层也可能在层间尖灭,并引起上覆地层发生褶皱,这种褶皱称为断滑褶皱(图4-18b)。,2.前陆盆地内部的逆冲构造样式 4)双重构造和楔状双重构造 一系列向前陆逆冲的坡坪式逆冲断层的断坪可以连接起来,构成双重构造(图419a、b)。双重构造是由一条顶板断层和一条底板断层夹持中间的逆冲断片(岩席)组成,夹持的中间逆冲断片又可以被若干分支断层切割。随着后方的逆冲断层的位移的增大,双重构造可以从“倾向后陆的双重构造”演化成为堆叠背形构造、“倾向前陆的双重构造”(图4-19c、d、e).,2.前陆盆地内部的逆冲构造样式 4)双重构造和楔状双重构造 双重构造的顶板断层也可以是一条“被动”的反向逆冲断层,底板断层的逆冲位移在断层前锋端部传递到顶部断层上,称为“楔状双重构造”或“被动顶板双重构造”(图4-20)。,2.前陆盆地内部的逆冲构造样式 5)冲起构造与逆冲三角带构造 前陆盆地中向后陆逆冲的断层称为反冲断层。两条或两组逆冲断层相向倾斜,并使中间的公共上盘断块向上逆冲,这种构造称为冲起构造。相背倾斜的两条逆冲断层,它们各自的上盘断块相对逆冲到其公共的下盘断块之上,这种样式的逆冲构造组合称为对冲构造。对冲的逆断层可能会有一条深层的拆离断层将它们联系在一起,构成逆冲三角带构造(图4-21)。,2.前陆盆地内部的逆冲构造样式 6)撕裂断层与逆冲调节带 逆冲断层系统中会发育一些横向或斜向的断层(图4-22),其形成与逆冲断层的位移过程有关,通常具有走滑性质,称为撕裂断层或捩断层(tear fault)。逆冲断层系统中一条断层的位移的减小可能与相邻的另一条逆冲断层位移的增加相伴生。而这种逆冲断层间的位移的彼此消长是通过某种变形来实现的,例如雁列逆冲断层之间断片的变形、分支阶层的“Z”字型连接等等。所有在逆冲带中具有调节主干逆冲断层之间的位移的作用的构造都属逆冲调节带或逆冲传递带构造,包括撕裂断层。,(二)从造山带到前陆盆地的逆冲构造系统 前陆盆地中的逆冲断层系统,自造山带向前陆地区大致可分为逆冲断层系统的根带、中带和前锋带三部分。 根带一般位于造山带轴部或靠山脉一侧的前陆盆地边缘,以强烈挤压作用为主,发育高角度逆冲断层甚至发育具轴面劈理的挤压褶皱,显示基底卷入的逆冲构造样式特点。 前陆地区的逆冲楔及背驮式盆地中的逆冲楔状体一般属于逆冲断层系统的中带,以薄皮逆冲构造样式为特点,发育各式双重构造、断弯褶皱和叠瓦状构造等,并显示出近水平的剪切作用。 前锋一般位于前渊凹陷或前缘隆起内侧斜坡上,以弱挤压作用为特点,大部分逆冲断层的位移量较小,以叠瓦状断层及断展褶皱、断滑褶皱为特点。,(二)从造山带到前陆盆地的逆冲构造系统 从造山带到前陆盆地,逆冲构造系统各部位的挤压强度逐渐减小,挤压收缩应变由大变小。如从阿尔卑斯山到侏罗山的横剖面(图4-23),由大规模逆冲推覆构造过渡到侏罗山的滑脱褶皱。 在逆冲断层系统的根带和中带浅层,也可能出现一些正断层,它们多是与逆冲剪切作用引起的逆冲楔顶部的重力滑动伸展有关。,横向和斜向的逆冲调节构造是由于前陆地区逆冲位移及逆冲构造样式沿走向的变化引起的,亦属于逆冲构造系统的组成部分。有些横向或斜向的撕裂断层还具有走滑正断层的一些特征,它们是前陆地区在逆冲收缩的同时受到横向引张的体现。,(二)从造山带到前陆盆地的逆冲构造系统 前陆逆冲构造系统中通常存在多个滑脱构造面,并使构造变形具有分层次的特点。较深层次岩层的挤压褶皱可以引起较浅层次岩层的逆冲变形(图4-24)。另一方面,渐进式或多次间歇式的逆冲作用可以造成逆冲构造的递进变形和构造叠加,形成复杂的构造样式。例如,在断弯背斜、双重构造基础上发育蛇头构造或叠瓦构造等等。,三、前陆盆地的演化 前陆盆地位于造山带和克拉通之间,其形成和演化过程与造山带构造演化密切相关。造山带的缩短、上升以及向前陆地区的逆冲位移都会影响到前陆盆地的沉降作用。另一方面,前陆盆地充填的沉积物主要是造山带被剥蚀的产物,盆地的沉积史与造山带的剥蚀史有密切联系。,三、前陆盆地的演化 (一)造山楔的演化与前渊的迁移 前陆盆地的宽度和深度与造山带构造负荷的大小和前陆地区岩石圈的挠曲刚度有关。但大陆地壳并非是弹性的板块,而与粘弹性模型更加接近。对于弹性模型,当载荷保持不变时,挠曲变形的形态也保持不变。而对于粘弹性模型,即使载荷的大小不变,随着时间的推移,挠曲变形的岩石圈板块也会持续变形,导致挠曲凹陷进一步加深,前缘隆起进一步抬升并向载荷方向迁移(图4-25)。,(一)造山楔的演化与前渊的迁移 渐进逆冲的造山楔相当于渐进增加的载荷力;并使载荷渐进地向前陆地区位移。造山楔顶部的剥蚀和前陆盆地的沉积是影响前陆盆地沉降中心迁移的另一个因素。造山楔的剥蚀使载荷质量减小,而盆地沉积物的增加又使盆地地壳上的负荷增加(图4-26)。当新的逆冲断片增加和每个新的逆冲断片向前移动时,都会引起前陆地壳的弹性挠曲响应,使前渊沉降带和前缘隆起向克拉通方向迁移,其后充填在前渊中的沉积物的负荷作用会引起进一步的挠曲变形,粘弹性地壳的应力松弛又会使前缘隆起向前渊滚动。这样,盆地的沉降中心不断调整,最为敏感的是前缘隆起部分的滚动并引起地层的超覆和剥蚀,而总体上则表现为前渊向克拉通方向迁移。,(一)造山楔的演化与前渊的迁移 前陆盆地的演化与造山带的演化有密切关系。造山带收缩作用增强,会使造山楔坡度和质量增大,从而使前陆挠度增大,前陆盆地则变得窄而深,使前缘隆起向造山带方向迁移。反之,造山带收缩作用减小而剥蚀作用使造山楔坡度和质量减小,则前陆盆地变得宽而浅,前缘隆起向前陆方向迁移。前陆盆地边缘的逆冲断层发育的总趋势是向前陆地区扩展,早期的前陆盆地基底可能随着A型俯冲的继续而发育成为逆冲楔状体,使早期相对简单的前陆盆地演化成为与背驮式盆地连在一起的结构复杂的前陆盆地,并使盆地中的前渊凹陷向前陆地区迁移。,(二)前陆盆地的演化与地层层序 由于前陆盆地前渊向克拉通迁移,且较早在前渊中堆积的沉积层可能被卷入到逆冲褶皱带中。因而从宏观上看,前陆盆地的地层层序在纵向上易发生变化。以瑞士的北亚宁前陆盆地为例,前陆盆地地层变化的总体特征,自下而上包括7个地层单元(图4-27): ⑦上部淡水磨拉石,最后充填消亡的粗陆相碎屑沉积; ⑥上部海相磨拉石,代表浅海和海湾、河口湾沉积体系; ⑤下部淡水磨拉石,第一期河流、湖泊沉积; ④下部海相磨拉石,从陆架搬运到滨岸的沉积; ③由活动造山带泻入的浊流沉积体系; ②货币虫灰岩和抱球虫灰泥岩地层代表的前陆盆地的水侵; ①前陆岩石圈抬升引起的基底不整合。,(二)前陆盆地的演化与地层层序 由于前陆盆地的前身是残留洋盆,更早的前身是被动大陆边缘和裂陷盆地。因此,前陆盆地及其下伏地层可能包含有板块构造运动旋回各个主要阶段的沉积记录。Baily(1989)构思了一幅前陆盆地的地层层序结构图(理想的前渊),表现了前陆盆地及其下伏地层,自结晶基底向上可以包括多个重要的不整台面(图4-28)。,(二)前陆盆地的演化与地层层序 不整合面a标志着裂谷作用的开始;破裂(或解体)不整合面b是板块破裂并扩张离散运动的标志,预示着被动大陆边缘漂移的开始。不整合面a和不整合面b之间是裂谷层序,不整合面b之上是被动大陆边缘层序,是前陆盆地的前身盆地演化的结果。前渊底部的不整合是一个复杂的不整合,是深水沉积物超覆在被动边缘上。陆架不整合面d是前陆盆地演化时期海平面下降引起的。结晶基底面以上的整个层序,记录了大陆岩石圈从形成大陆裂谷或裂陷盆地-被动大陆边缘盆地-前陆盆地的演化过程。,(二)前陆盆地的演化与地层层序 前陆盆地早期沉积物常常是细粒的深水含浊流沉积物,即“复理石”。晚期沉积物则是浅海或陆相沉积物,即“磨拉石”。这种早期深水阶段的沉积物与造山带还未生长至稳定状态有关。当时地形比较平缓,沉积物供给不足,一旦造山带生长至稳定状态,迅速侵蚀产生浅水沉积。 前缘隆起有连续的、规模小的迁移,例如阿巴拉契前陆盆地,也有突然的非连续迁移,例如安曼山北部前陆盆地。前一种性质的前缘隆起周期性地上升和下沉,克拉通拗陷与前陆盆地的耦合和分离反映了岩石圈初始弹性挠曲以及粘弹性挠曲应力松弛的特性。,(三)前陆盆地沉积充填与物源区的剥蚀 Dickinson等(1979)研究发现,在一般情况下碎屑物源区类型与盆地类型有关。根据构造背景把物源区分成三大类九种类型:Ⅰ.大陆块物源区:包括①克拉通内部、②过渡区、③基底隆起区; Ⅱ.岩浆弧物源区,包括④未切割的岩浆孤、⑤过渡区、③切割的岩浆弧; Ⅲ.再旋回造山带物源区,包括③俯冲杂岩体物源区、③碰撞造山带、⑤前陆隆起(弧后逆冲断层带)。 用几组不同的参数编制成三角图(图4-29)进行统计分析。,(三)前陆盆地沉积充填与物源区的剥蚀 经统计分析得出以下一些基本规律: (l)来源于克拉通地区的碎屑,石英含量非常高,岩屑非常少。它反映出物源来自结晶的前寒武纪地盾杂岩。这类碎屑常沉积在大陆内部成为地台型沉积序列,或沉积在被动大陆边缘和前陆盆地靠克拉通一侧。这种类型的沉积物成熟度很高,单晶石英含量有时可高达95%以上.大陆内裂谷两侧以断裂为边界的基底隆起遭受侵蚀后,提供的碎屑主要是含石英的长石砂,沉积在裂谷内和局部拉张盆地中。如果一个沉积序列的下部为长石砂岩,上都变为石英砂岩,则可能是古代被动大陆边缘的沉积演化的结果。,(三)前陆盆地沉积充填与物源区的剥蚀 (2)来源于岩浆弧的砂岩是典型的不成熟砂岩,砂岩中岩屑含量很高。未被切割的岩浆弧提供丰富的火山岩碎屑(Lv),并有丰富的斜长石。被切割的岩浆弧常出露深成岩浆岩核。来自酸性(花岗质)火成岩的钾长石含量比较高。岩浆弧所提供的碎屑主要沉积在弧间地区或弧前盆地中,有时在弧后前陆盆地靠近岩浆弧一侧也有沉积,其沉积剖面从下往上表现为含长石的火山碎屑砂岩-含火山岩屑的长石砂岩-长石砂岩的变化特征。这种趋势明显反映出岩浆弧被侵蚀的过程,是弧前盆地、弧间盆地和一些弧后前陆盆地的砂岩系列的特征。,(三)前陆盆地沉积充填与物源区的剥蚀 (3)再旋回(或旋回性)造山带供给的碎屑以丰富的石英和沉积岩-变质沉积火山岩-变质火山岩的岩屑碎块为特征。缝合带和前陆隆起区出露有大陆边缘沉积物的逆冲断层席和推覆体,以及变形的蛇绿岩和岩浆弧岩石,因此沉积岩和变质沉积岩碎块和火成岩碎屑比较丰富。如果单晶石(Qm)含量高,则沉积物可能主要来自变形的、成熟的地台沉积物。它们是典型的前陆盆地沉积物。如果多晶石英(Qp燧石)含量高,则意味着缝合带本身是主要的物源区。这些碎屑物主要沉积在残留盆地、前陆盆地中。由于从下往上由复理石层序变为磨拉石层序,在前陆盆地沉积剖面中,从下往上由石英砂岩-岩屑质砂岩的趋势常见。俯冲杂岩体主要由变质沉积物和蛇绿岩组成,因此它所提供的碎屑物质含有丰富的燧石、泥质岩和岩屑砂岩碎块,堆积在弧前地区的盆地和前陆盆地中。,(三)前陆盆地沉积充填与物源区的剥蚀 前陆盆地阶段的碎屑主要来源于再旋回造山带和碰撞造山带,前陆盆地下伏地层的物源是大陆克拉通地块。 图4-30中,点a、b、c是阿巴拉契前陆盆地下伏的寒武纪或前寒武纪地层中的石英矿物丰富、长石和岩屑含量较少的砂岩,它可能来源于克拉通物源区;点 l~10是奥陶纪-石炭纪宾夕法尼亚纪的砂岩,都分布在 Dickinson图解的再旋回造山带区域(ro)。,图中 l~5是晚古生代至早白垩世地层,基本都落在“大陆地块”中,点6~10是晚白至世至第三纪地层,基本都落在“再旋回造山带”和“碰撞造山带”中。西阿尔卑斯前陆盆地的晚白至世至上中新世沉积层序是典型的前陆盆地层序,点A—E是前陆盆地层序的砂岩图解,它们都是落在图中的“再旋回造山带”和“碰撞造山带”区。,(四)前陆盆地沉降史特征 前陆盆地主要是由于造山带构造负荷引起的岩石圈挠曲的响应,山脉上升,盆地下沉。 前陆盆地的沉降曲线的编制方法与裂陷型伸展盆地的沉降曲线基本相同。但由于前陆盆地的复杂性,造成与伸展盆地曲线有明显的差异,其沉降曲线形态受造山作用的幕次、规模大小、距离远近等控制。由于发育有复理石和磨拉石沉积建造,因此,具有较高的沉降速率。,(四)前陆盆地沉降史特征 1.基本特点 前陆盆地的典型沉降曲线总体呈上凸式,初始斜率平缓,沉降速率较慢,而后斜率陡然增大,沉降速率急剧增加。并且,距离造山带越远,下沉幅度越小,沉降中心和边缘尖灭体向克拉通方向迁移。,1.基本特点 前陆盆地沉降曲线主体为迅速下沉,比伸展盆地热冷却沉降的速率要高得多。一般,由于构造冲断作用的多次性,前陆盆地的构造沉降曲线总体是以斜率较大和相对较小的两段式交替出现,体现了冲断岩席加载作用和相对宁静的往复。盆地早期沉降缓慢标志着前陆盆地的初始起动,此时构造反差较小,构造载荷也距离造山带较远,发育以细粒沉积物组成的复理石建造。后期的加速沉降,反映造山作用的加剧,构造载荷的逐渐逼近和盆地迁移使其位置渐变为沉降中心,即造山带的构造加载量使构造载荷向克拉通方向迁移,加剧沉降速率,发育以碎片沉积物组成的磨拉石建造。,(四)前陆盆地沉降史特征 2.实例分析--北美西部落基山山前前陆盆地 北美的丹弗、绿河、阿尔伯达等盆地以及与美国西部的Sevier 褶皱冲断带有关的前陆盆地(如 aoback盆地)等的沉降曲线也具有上述特征(图 9-20)。 Sevier褶皱冲断带前的前陆盆地的开始期、高峰期和结束期的时间有所不同。沉降曲线所示的沉降速率加速(即曲线上凸点处)反映了逆冲断层载荷的增加。,(四)前陆盆地演化的实例分析 1.台湾西部晚第三纪前陆盆地 台湾西部晚第三纪前陆盆地位于台湾岛的西侧,是吕宋岛弧与亚洲大陆碰撞造山带俯冲板块上的一个周缘前陆盆地。台湾岛中央山脉是第三纪的碰撞造山带,造山带的发育使台湾西部克拉通边缘产生前陆盆地。,(四)前陆盆地演化的实例分析 1.台湾西部晚第三纪前陆盆地 台湾的弧-大陆碰撞是斜向发生的。造山作用从台湾北部开始,向台湾南部蔓延。同时造成地缝合带附近断层的左旋走滑位移。台湾北部的碰撞造山是在更新世开始的,使现在的前陆地区从被动大陆边缘沉积物变为前陆盆地沉积物。其标志有:①向东指向的古水流(被动边缘来自大陆的水流)变为向西指向的古水流(前陆盆地来自东部造山带的水流);②开始出现来自台湾造山带的板岩碎屑和再加工钙质超微体化石。台湾地区的板块聚敛速率大致为 70km/Ma,据此聚敛速率推算,横穿台湾的变形造成至少有 160 km的缩短量。,1.台湾西部晚第三纪前陆盆地 台湾西部前陆盆地地层从老到新大致有五种沉积环境,反映了从深海至河流的沉积环境的变迁。 (l)最深水环境。为岸外海相环境,沉积泥和粉砂。厚度最大达 4 000 m。沉积作用在风暴浪基面以下,可能深于 200 m。沉积物发生在斜坡环境中。 (2)浅海环境。泥粉砂和细砂,厚度从 100 m至 2 000 m。水深小于80 m。主要为潮汐作用,有风暴流沉积作用。 (3)滨海环境。包含三角洲和非三角洲沉积物,三角洲沉积物较厚,一般比非三角洲沉积物颗粒要粗,上面覆盖以厚的河道沉积物。 (4)和(5)为河流环境。沉积以砂为主的和以粗砾为主的河流体系,是巨厚的磨拉石建造。,1.台湾西部晚第三纪前陆盆地 当亚洲被动大陆边缘接近马尼拉海沟俯冲带时,俯冲的增生楔状体扩大.随着连续碰撞,增生楔状体最终上升到海平面以上,变成台湾的中央山脉。因为在造山带早期,造山带处于水下,构造负荷作用造成盆地下沉,但造山带尚未供给物源。这意味着原始下沉大于沉积物的堆积作用。故在盆地历史的早期,造成在浅水被动大陆边缘之上的深水前陆盆地沉积物的形成(图4-33a)。当造山带达到其最大高度时,造山带达到稳定状态,由于沉积物注入沉积盆地,使其横剖面进一步扩展(图4-33b、c),并因为沉积物负荷引起的下沉小于沉积速度而使得沉积物逐渐变浅。,1.台湾西部晚第三纪前陆盆地 据此,可将前陆盆地沉积物充填的演化概括为以下四个阶段: ①早期沉积作用阶段;②盆地充填作用阶段;③达到稳定阶段;④沉积相的重新分布阶段(图4-34)。一旦达到稳定状态,由于造山带向前移动,使沉积物上升和侵蚀,最终使早期的深水沉积物部分或全部被剥蚀。因此推测台湾前陆盆地北部东面的沉积物在稳定状态以前应与南部部分年青沉积物相似,系深水沉积物。目前不存在是由于后期上升和被侵蚀掉的缘故。,1.台湾西部晚第三纪前陆盆地 台湾西部前陆盆地的演化与碰撞造山作用由北向南蔓延相关,这也反映在变形方面(图4-35)。第三系形成一系列不对称褶皱和逆冲断层,发育大量低角度逆冲断层和滑脱逆断层,表现为薄皮逆冲构造样式。构造倒向前陆方向,表明由东或南东向西和北西存在挤压作用。从构造变形强度上看,北部明显比南部强烈。,2.落基山山前前陆盆地(阿尔伯达盆地) 从加拿大落基山到山前地区的构造变形是逐渐减弱自,西部前缘山脉的构造变形由发生强烈辟理化的褶皱逆冲构造过渡到由逆冲岩席构成的叠瓦状逆冲构造,卷入的地层主要包括古生代碳酸盐岩和前寒武纪碳酸盐岩、碎居岩;山前地区的逆冲叠瓦构造使中生代碎屑岩也卷入变形(图4-36)。构造变形以及地层岩性和厚度特征反映北美落基山及前陆地区的构造演化大致分为四个阶段。,2.落基山山前前陆盆地(阿尔伯达盆地) 1)被动大陆边缘阶段 从前寒武纪晚期到宾夕法尼亚纪,科迪勒拉造山带是北美地台西部的被动大陆边缘。发育以碳酸盐岩为主夹有碎屑岩的海相沉积,整体厚度从西向东变薄。真正的造山运动可能是从二叠纪开始的。 2)早期造山作用阶段 从二叠纪到中侏罗世,落基山地区受外来地体增生至被动边缘斜坡的影响发生造山作用,并有超镁铁质岩和花岗岩侵入。这期间发育了含有多个不整合面的二叠系-中侏罗统碎屑岩地层。地层厚度自西向东变薄。,3)前陆盆地的迁移阶段 从晚侏罗世到古新世,随着造山作用的加强,前陆盆地特征愈来愈显著。西部造山带的大量碎屑物堆积在前陆盆地中,渐进的逆冲作用使造山楔构造负荷向前陆地区移动,前陆盆地向克拉通方向迁移。晚侏罗世-白垩纪前陆盆地的沉积还表现出海侵和海退的旋回性;古新世是海退的高潮,是造山作用的“主变形期”,靠近前陆逆冲带的早期前陆盆地沉积层卷入到后续的逆冲变形中(图4-37)。,4)造山带地貌形成阶段 始新世的落基山可能是隆升到了最高程度。伴随着落基山的强烈隆升和铲式正断层上盘的下滑,形成同期的山间盆地。地形反差进一步加大。粗碎屑物质堆积在前陆盆地中。到渐新世,山脉与前陆盆地的差异升降运动减弱,地形起伏也因剥蚀作用而降低。至中新世晚期或上新世早期,已经剥蚀成中等起伏或轻微起伏的地形,前陆地区形成缓倾的或水平的平原带(晚第三纪准平原,图4-38)。,四、挤 压(挠曲)盆地形成的动力学机制 (一)挤压-挠曲作用 “挤压”和“挠曲”通常是挤压动力学过程中有密切联系的两种构造作用方式,也是挤压(挠曲)盆地形成的主要动力学机制。挠曲作用造成的地壳变形实际上是一种“横弯褶皱”变形,它只是引起地壳表面的垂直升降位移,并不引起地壳的大规模收缩应变。挤压作用不单是造成地壳的收缩应变,而且为挠曲作用提供了构造负荷。因此,应该说“挤压作用”是挤压体制下盆地形成的最根本的动力学机制,“挠曲”是盆地形成过程的具体体现。挠曲作用也可以发生在非挤压环境中,如被动大陆边缘形成陆堤的过程中,大量沉积物堆积在早期裂陷的大陆边缘地壳表面,并引起地壳的挠曲变形。 在板块构造运动过程中,由于板块俯冲、大陆碰撞或板块的构造作用、火山作用等都会造成岩石圈的某些部位受到挤压和垂直载荷作用,从而使岩石围发生向下弯曲的挠曲变形,这些构造作用过程都可以称为挤压-挠曲作用。,(二)岩石圈挠曲作用的弹性理论模型 岩石圈板块内部受垂直载荷作用力使岩石圈发生挠曲,理论上相当于无限长的“板”受垂直载荷力作用的挠曲,而板块(或地壳断块体)边界所受垂直载荷作用力相当于半无限延伸的“板”(或“悬臂梁”)在端部受垂直载荷力的挠曲。Turcotte等(1982)的理论建立的弹性固体板块的一般挠曲方程为:,(二)岩石圈挠曲作用的弹性理论模型 弹性模型的理论分析可以得出以下几点认识: (1)岩石圈的挠曲作用主要与两个因数有关,一是载荷力的大小及分布,一是岩石圈本身的挠曲刚度。 (2)在弹性模型中,板块的挠曲变形总体特征是一个挠曲凹陷和一个前缘隆起。当载荷力是一定时,挠曲盆地(或凹陷)的宽度(X0)主要与板块的挠曲参数(a)呈正比,后者与抗挠刚度(D)、密度差(Δρ)有关。 (3)在其他条件相同时,半无限延伸板块挠曲作用形成的挠曲凹陷宽度比无限延伸连续板块挠曲作用形成的挠曲凹陷的宽度更窄些,而半无限延伸板块挠曲作用形成的前隆比无限延伸连续板块挠曲作用形成的前隆的幅度更大一些。,用弹性挠曲模型可以很好地模拟洋壳的挠曲作用(图4-3),而对于结构复杂的大陆岩石圈的挠曲作用可能是不适合的。但是,上述由弹性模型得出的一些基本认识仍然是适用的。 大陆岩石圈可能更适合用粘弹性模型来分析其挠曲作用。与弹性模型比较,粘弹性模型的挠曲作用在载荷力不变的情况下板块会随时间而发生应力松弛,因而挠曲变形的形态和幅度都会随时间发生变形。,(三)造山楔动力学 在来自后方的水平推挤力作用下(这种力源可能与板块的聚敛运动有关),造山楔内部会发生逆冲-褶皱变形和重力滑动。造山楔对前陆挠曲变形的影响表现在三个方面: (1)对于前陆板块来说,造山楔是一种壳上负载,它的形态和构造影响前陆板块的挠曲作用,因此造山楔的形态和构造影响着前陆盆地的形态和构造。 (2)造山楔的缩短、增厚或伸展前移,都会导致挠曲板块的负载状态发生变化,从而影响前陆板块的挠曲变形。因此造山楔的发展演化影响着前陆盆地的发展演化。 (3)造山楔的构造抬升与侵蚀能够为沉积盆地提供碎屑来源,因此造山楔的剥蚀史与前陆盆地的沉降史有联系,造山楔的岩矿物质与盆地地层中的碎屑成分有联系。,(三)造山楔动力学 造山楔本身的构造变形主要与造山楔向前陆地区推进时其底部的剪切作用有关。造山楔的演化可分四个阶段(图4-4): ①在造山楔形成之初,造山楔以前缘加积为主,在楔状体前缘产生逆断层,以叠瓦状逆冲构造为主,也发育反冲断层,并引起楔状体内部缩短、增厚,楔状体下部也可能在剪切作用下形成双重构造; ②随着造山楔底部剪切作用的加强,底部的增厚变得更加明显,楔状体下部形成双重构造、盲冲构造和褶皱变形,并导致楔状体后缘出现伸展断裂,造山楔下部还可能发生高压变质作用; ③底部增厚持续进行,伸展作用使造山楔下部的高压岩层抬升,造山楔后缘的伸展作用使前缘发生某种程度的逆冲收缩变形; ④底部增厚和伸展作用使高压变质岩层抬升,造山楔顶部岩层遭受剥蚀,造山楔演化到成熟阶段。,谢谢!,
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