盆地分析-伸展盆地特征.

沉积盆地分析主讲人：伊海生教授学院：沉积地质研究院第九讲伸展盆地构造分析（一）－－特征与演化一、伸展盆地的一般概念伸展盆地是在引张作用下与地壳和岩石圈产生伸展、减薄作用有关的一类裂陷盆地。裂谷是最常见的一种伸展盆地。裂谷（rift）是1921年Gregory描述东非裂谷时第一个采用的术语。他给裂谷下了一个定义，即裂谷是在平行的正断层之间的一种狭长的凹陷。后来K.Burke（1980）对该定义作了较大的修改,即裂谷是由于整个岩石圈遭受伸展破裂而引起的狭长凹陷。伸展盆地的一般概念Burke对其定义作了如下解释:第一、裂谷定义中未提到平行断裂，这是因为许多为大家熟知的裂谷边界不是两条平行断层，而仅仅是在一边具有大型断层。第二、所提到的整个岩石圈遭受破裂，是强调裂谷作为一种大尺度构造，把中小型构造（如浅层由于挤压作用在轴部发育的张性地堑系，盐丘构造上部产生的小型地堑系）排除在外。第三、所提到的伸展破裂是将裂谷与其他贯穿岩石圈的大型断裂（如转换断层和聚敛性断层）区别开来。Burke对Gregory裂谷定义所作的补充和修改是十分重要的，因此，裂谷比较完整的定义应当是“由于整个岩石圈遭受伸展破裂而引起的,并且常常是为正断层限制的断陷盆地”。除了裂谷外，坳陷（sag）、坳拉槽（aulacogen）和被动大陆边缘也属于伸展盆地。裂谷与只经过区域性沉降但缺乏大型伸展断层的坳陷、坳拉槽和被动大陆边缘的主要差别可以简要地解释如下（图2-1）。在真正的裂谷中，由于岩石圈上隆、减薄或区域应力场产生的张性偏应力足以克服岩石强度，从而形成断层。如果张性偏应力不足以造成脆性破裂，那未隆起或沉降作用就会在无断裂的情况下进行。如果热源供应中断并不再有新的热源，那么岩石圈就会发生热收缩作用并引起热沉降。当裂谷继续伸展，在扩张中心形成新的洋壳时，就开始了裂谷系向被动大陆边缘的演化阶段，即裂谷－漂移阶段。二、裂谷的一般特征和类型裂谷的形成与伸展作用有关。在威尔逊旋回的各个阶段和各种不同的板块构造环境中均可以见到裂谷的形成。它们是：(1)与大陆裂开和漂移作用有关的裂谷；(2)与俯冲作用有关的裂谷；(3)与大陆碰撞作用有关的裂谷。裂谷的一般特征和类型与大陆裂开和漂移作用有关的裂谷可分成大洋的、大陆间的和大陆内部的裂谷三种类型。现代大洋裂谷是沿大洋中脊延伸并受正断层限制的裂谷。谷底和谷肩均为洋壳。大洋中脊及其裂谷为转换断层所横切。其它特征主要是：(1)浅震;(2)活动的火山作用;(3)呈对称状正、负交替的磁异常和(4)高热流值。实例是大西洋、印度洋中脊上发育的裂谷。裂谷的一般特征和类型现代大陆间裂谷是裂谷的下面为洋壳，谷肩是陆壳，它们是大陆裂谷演化为大洋裂谷的过渡产物。例如，在印度洋附近的亚丁湾和红海南部。现代大陆内裂谷的下面为陆壳，谷肩也为陆壳。但裂谷下面陆壳厚度要比周围薄一些。现代大陆内裂谷作用的特征是：(1)负布格重力异常；(2)高热流（90至115mWm-2，也即是大于2H.F.U）和(3)火山活动。东非裂谷是典型的大陆裂谷系，其特征是在两个大的隆起区发育，即北部的埃塞俄比亚隆起和东南的东非隆起（图2-2）。这些隆起常常与广泛分布的火山活动相伴生，但缺乏裂谷。其它裂谷系是美国西部的RioGrande裂谷，欧洲的莱茵地堑和中亚的贝加尔裂谷。裂谷的一般特征和类型一般将裂谷作用归为两类，即主动裂谷和被动裂谷作用。在主动裂谷作用中，地表变形与热柱或热席对岩石圈底部的撞击作用（impingement）相伴生。来自地幔柱的传导加热作用，来源于岩浆生成的热传递作用或者是来源于对流加热作用均可以使岩石圈变薄。如果来自于软流圈的热流很大，大到可使大陆岩石圈较迅速地减薄，这将引起均衡隆起。为隆起产生的张应力于是引起裂开作用。主动裂谷的实例是东非裂谷。裂谷的一般特征和类型在被动的裂谷作用中首先是大陆岩石圈的张应力引起它破裂，其次才是热的地幔岩贯入岩石圈。地壳穹隆作用和火山活动仅是次要过程（Turcotte和Oxbugh,1973）。如果被动裂谷作用发生，首先产生裂谷作用，随之发生穹隆作用，因此裂谷作用是区域应力场的被动响应。RioGrande裂谷可能是由于这种被动裂谷作用产生的。Segnor和Burke（1978）讨论了裂开作用和热穹窿火山活动的相对时间，并根据它推测主动或被动裂谷。但实际上难以确定裂谷究竟属于主动裂谷还是属于被动裂谷，因为对于小的地幔热流来说，隆起量可能是很小的。裂谷的一般特征和类型主动裂谷与热点有关的现象是地壳大面积呈穹隆上升和呈三联（tripleJunction）破裂，红海－苏伊士－亚喀巴湾裂谷系、红海－亚丁湾－埃塞俄比亚裂谷系（图2-3）均属于这种三联裂谷系的实例。三联裂谷中每支裂谷发育不平衡，如红海－亚丁湾－埃塞俄比亚裂谷系，其中红海南部和亚丁湾两臂已发育为陆间裂谷，而另一臂埃塞俄比亚裂谷仍处于大陆内裂谷状态，发育不足（图2-3）。大西洋被动大陆边缘附近的尼日尔盆地也是这样一种三联裂谷系中发育不足的一臂演化结果。原为三联裂谷，演化中其它两臂发育为大洋，另一臂由大陆内裂谷发展为与海岸线近乎垂交的坳拉槽（图2-4）。大的河流沿坳拉槽搬运碎屑物质进入大洋，形成前积的三角洲和海底扇沉积体系。裂谷的一般特征和类型Segnor,Burke和Dewey（1978）还划分出一种在形态上与坳拉槽相似的碰撞谷（Impactogen）。这种裂谷的发育与大陆碰撞有关。两个大陆在其碰撞时除了产生平移断层外，还在与碰撞带垂直相交的方向形成拉张应力，产生碰撞谷。P.Tapponier和P.Molnar（1975）在讨论碰撞作用形成走向滑移断层的同时，曾指出贝加尔地堑系和山西地堑系是由于喜山运动时印度板块与亚洲大陆碰撞时所产生的拉张应力场引起的。裂谷的一般特征和类型莱茵地堑系也是这种类型裂谷的实例。由于在平面上这种碰撞裂谷与造山带近乎垂交，很象前述的坳拉槽。Burke认为可以根据其地质发展历史区别它们。其方法是确定和重塑裂谷的形成时间和历史。如果它是与大洋张开期同时期开始的，那么它应为坳拉槽。如果裂谷仅仅是从大洋封闭为褶皱带的时间，那么即为碰撞谷。例如莱茵地堑和波兰凹陷都与阿尔卑斯褶皱带垂直相交。莱茵地堑地质历史的开始是与中始新世阿尔卑斯运动碰撞事件同时发生的，而波兰坳陷的地质历史是在三叠纪开始的，与阿尔卑斯洋张开期同时。因此可以认为莱茵地堑是碰撞谷，而波兰坳陷是坳拉槽。裂谷的一般特征和类型弧后裂谷和弧后边缘海盆地与俯冲作用有关，虽然也属伸展盆地，但与聚敛型板块活动有关。主要为两种类型:一种类型,常是早期弧后裂开，晚期演化为弧后边缘海，为小洋盆，具洋壳。与西太平洋主动大陆边缘有关的边缘海属此类型。另一种类型，弧后盆地与安第斯型主动大陆边缘有关，分布于“山弧”后方，在大陆壳上发育。它们的形成机制可能为俯冲诱发热对流作用。三、伸展盆地的演化与大陆裂开和漂移作用有关的裂谷演化呈下列四条路线：1.大陆内裂谷→大陆间裂谷→大洋（大洋裂谷）；2.大陆内裂谷→坳拉槽；3.大陆内裂谷→被动大陆边缘；4.大陆内裂谷→大陆内坳陷。现结合实例讨论如下：1.大陆内裂谷→大陆间裂谷例如埃塞俄比亚—红海—亚丁湾三联裂谷系。其中埃塞俄比亚为大陆内裂谷、红海南端和亚丁湾为大陆间裂谷，红海北部（占红海1/3）比南部处于更早的演化阶段，红海南部（占红海2/3）比亚丁湾演化过程又差一些。除了地壳性质和厚度反映裂谷的演化特征外，下列其它特征也反映裂谷的演化程度，例如裂谷的沉积充填物、火山岩成分以及热流值。大陆内裂谷→大陆间裂谷例如埃塞俄比亚裂谷前为穹窿，早第三纪晚期和晚第三纪为初始大陆内裂谷，堆积陆相粗碎屑岩，主要是冲积扇和湖相沉积物，基性火山岩为碱性。红海裂谷的演化历史是渐新世发育区域隆起，在隆起顶部开始破裂，形成原始大陆内裂谷，有火山活动和河、湖相沉积夹玄武岩。玄武岩具碱性性质。裂陷发育阶段发生于早中新世和中中新世，它的特征是发育地堑（半地堑）、地垒（半地垒）构造，并且裂陷。开始是一层海侵式底砂岩，后来是厚层蒸发岩堆集，覆盖在渐新世碎屑岩之上。沉积物厚2-5公里。推测中新世，红海仍处于大陆内裂谷阶段，但大陆岩石圈厚度减薄。晚上新世，中央海槽的岩石圈已经减得很薄，使得大洋型玄武岩得以侵入，新的洋壳由拉斑玄武岩，辉长岩和辉绿岩组成。此后，海底扩张一直延续到现在。2.大陆内裂谷→坳拉槽贝努埃裂谷系南段和尼日尔盆地是这样的实例。贝努埃裂谷的西北为上几内亚隆起，东南为刚果克拉通西北的喀麦隆隆起，均为前寒武系的变质岩系。裂谷从乍得盆地南端经贝努埃凹槽至尼日尔三角洲，在早白垩世末至始新世产生。贝努埃裂谷系北、中、南三段的演化程度有很大不同。(1)贝努埃凹槽中段，是一个宽125-145公里、北东—西南向的大陆内裂谷，在白垩纪形成。其中,早白垩世晚期（中阿尔必期）、晚白垩世早期（晚赛诺曼期）和晚白垩世中期（中森诺期）沉积了厚4000米的地层；晚白垩世中期末，上述地层受侧向挤压,盆地回返。大陆内裂谷→坳拉槽(2)贝努埃凹槽北段，白垩纪时为大陆内裂谷，其中充填有海相地层；第三纪转化为大陆内坳陷，即乍得盆地，充填有陆相沉积物。下白垩统含油，油田有卡内娜萨迪奇和米安多那。(3)尼日尔盆地是在贝努埃凹槽南段基础上发育的第三纪坳拉槽。古新世开始海进,晚始新世开始到中新世为典型的三角洲层系。三角洲层系发育正断层和滚动背斜，形成很多小而肥的油田（图2-7）。3.大陆内裂谷→被动大陆边缘巴西东部雷康卡沃、坎波斯、塞尔希培－阿拉戈斯和圣埃斯皮里托等盆地，非洲西部加蓬、宽扎和下刚果等盆地都是大陆内裂谷→被动大陆边缘的实例（Campos等,1980）。巴西东部被动大陆边缘盆地：演化阶段可划分为裂谷前克拉通阶段，大陆内裂谷阶段和大规模拉开为被动大陆边缘阶段。(A)裂谷前克拉通阶段（早白垩世前）（图2-8）构造长时间稳定，未发现有意义的断层。克拉通内部层系的沉积特点是下部为河、湖相红色岩系，主要是页岩和细－中粒砂，底部为蒸发岩和灰岩（二迭纪？）。上部为浅灰色具交错层的细至粗粒砂岩。该层系推测其大部分岩层属晚侏罗世。据Ponte等解释，晚侏罗世南非、巴西为统一大陆。图2－8大陆内裂谷→被动大陆边缘(B)裂谷阶段（早白垩世尼欧克姆期）主要为碎屑岩层系，为细—粗粒砂岩，灰至黑色粉砂岩和页岩夹薄的灰岩层逐渐过渡和交互。在南边坎波斯和圣埃斯皮里托盆地，分布侵入脉岩和喷出火山岩，它被解释为是南大西洋形成前裂谷作用的结果。本层系厚约5,000米，属早白垩世尼欧克姆期。图2-9表示这些裂谷盆地。构造特征总的是发育高角度正断层和向西翘倾的半地堑型凹陷和半地垒型凸起，断层作用强度大，密度也很大，可以看到落差大于4,000米的断层。沉积环境为河流—湖相，在断陷期，在比较靠近主断层处发育河流粗碎屑沉积，纵向上往上广泛发育湖相沉积，最后以冲积作用而告结束。图2－9大陆内裂谷→被动大陆边缘(C)过渡阶段（或蒸发岩阶段阶段，早白垩世阿普第期）为蒸发岩层系，由底砾岩、细—粗粒砂岩、暗灰色页岩、灰岩和蒸发岩（硬石膏、岩盐、钾镁盐）组成。该层段的厚度在阿拉戈斯盆地中达到200米，在塞尔希培盆地达到500米。根据介形虫和孢粉资料，该层系属于早白垩世阿普第期。古地理分布表明在此阶段为一大的海湾。图2－10大陆内裂谷→被动大陆边缘(D)拉开阶段—浅水台地型边缘海阶段（早白垩世晚期阿尔必期—晚白垩世桑托期）这个阶段主要是下沉作用。沉积物特征开始为砂、页岩，接着主要是台地碳酸盐岩相（图2-11D-D‘）。最大厚度约2,500米。据有孔、菊石和孢粉资料，该层系属早白垩世晚期阿尔必期至晚白垩世桑托期。图2－11大陆内裂谷→被动大陆边缘(E)大规模拉开—开阔边缘海阶段（晚白垩世坎佩期至上新世）在此阶段，大陆进一步大规模拉开分离，并发生强烈向东倾斜的下沉，导致整个盆地形成向东的区域斜坡，岸外地区更加明显的下沉，形成开阔边缘海沉积。这类沉积物大致相当于大陆坡深水海底和台地沉积体系（图2-12）。图2－124.大陆内裂谷→大陆内坳陷北海大陆内裂谷→坳陷型盆地北海盆地维京