全球盆地构造

学术   2024-11-28 17:00   贵州  

一、概述


全球至少划分出上千个不同历史时期的沉积盆地,具有不同规模和保存状态,许多盆地还经历了多期构造演化和叠合改造,难于简单地进行分类。如何从全球构造视角探讨这些盆地的分类、结构和构造演化,已成为重要的理论问题(Woodcock, 2004;Ingersoll & Busby, 1995; Heine et al.,  2008)。尽管已有许多的盆地分类方案(Ingersoll, 1988;Armitage, Allen, 2010;Allen et al., 2005; Mann et al., 2003),但缺乏全球尺度上不同盆地材料的综合分析和数据支持,难于判断这些方案的合理和实现其可行性。

受油气勘探目标制约,盆地构造研究更多瞄准重要区块的解剖,缺乏宏观尺度上,特别是洲际和全球规模的盆地结构和构造演化对比研究,由此制约了对全球盆地构造演化的系统认识。为此,开展全球盆地超长剖面的编图,将是上述探讨问题的重要基础。本文在编制全球沉积盆地多条超长剖面(上万公里长度)的基础上,探讨全球盆地的结构特征、构造演化。

全球超长剖面在盆地类型分布图上的位置
(李江海等,2016)

黑线代表实际剖面,虚线代表缺乏资料部分,红线代表剖面间重合部分。A-A':印度-西伯利亚-北美-南美经向超长剖面;B-B':北美-北非-中东-中亚-东亚纬向超长剖面;C-C' 非洲东海岸-地中海-欧洲-北冰洋沿岸-西伯利亚-澳大利亚超长剖面;D1-D':南美-非洲纬向长剖面 

北美-北非-中东-中亚-东亚纬向超长剖面

(李江海等,2016) 


二、全球的纬向超长剖面


1.北美-北非-中东-中亚-东亚纬向超长剖面

剖面起点为太平洋东岸,依次穿过北美大陆、非洲大陆北部、中东、中亚、东亚到西太平洋,剖面全长约19000km,共分为3段,包括北美纬向剖面、北非大陆沉积盆地纬向剖面和阿拉伯半岛-亚洲大陆沉积盆地纬向剖面。  

北美纬向剖面:自西向东穿过洛杉矶盆地、落基山盆地群、威林斯顿盆地、伊利诺斯盆地、阿帕拉契亚盆地和东海岸盆地,剖面实长约2000km。剖面东侧受东太平洋向北美板块俯冲的影响,发育中新生代的前陆和逆冲推覆,剖面中部显生宙以来为稳定的克拉通沉积,剖面西部阿帕拉契亚盆地为加里东期早古生代末的前陆盆地,发育一系列向东推覆的逆冲断层。中生代末由于北大西洋的打开,发育中、新生代的被动陆缘。北美板块上的古生代盆地构造稳定,有利于巨型盆地长期稳定发育,它们保留于北美板块腹地。阿尔伯塔盆地和威利斯顿盆地之间具有成因联系。

北非大陆沉积盆纬向剖面:穿越非洲板块北部,由西北的大西洋被动陆缘到东地中海南部。由西向东,依次穿越塞内加尔被动陆缘盆地、陶丹尼克拉通盆地、雷甘克拉通盆地、韦德迈克拉通盆地、锡尔特裂谷盆地、上埃及裂谷盆地、红海裂谷盆地。不同克拉通盆地之间以中生代出现的拱起分隔。北非古生代克拉通盆地经历震旦系裂谷系和古生代克拉通盆地两个阶段,在北非与北美碰撞的海西运动后成为构造盆地(Galeazzi,2010)。北非古生代叠合盆地发育,与板块边界运动性质变化有关 (如海西期造山作用),挤压作用造成沉降中心改变。中生代以来,非洲大陆沉积盆地并不很发育,以隆升剥蚀为主,成为周边被动盆地提供物源。

中东-中亚-东亚大陆沉积盆地纬向剖面:穿越主要构造单元包括: 红海裂谷、阿拉伯板块、扎格罗斯造山带、伊朗陆块、卡拉库姆陆块、帕米尔造山带、塔里木陆块、柴达木陆块、祁连造山带、华北陆块、苏北造山带、扬子陆块、琉球海沟等。经过的盆地包括:红海裂谷盆地、波斯湾叠合盆地、南里海残余洋盆、卡拉库姆盆地、塔里木盆地、柴达木盆地、走廊盆地群(包括酒西盆地、花海盆地、酒东盆地、潮水盆地、巴彦浩特盆地), 鄂尔多斯盆地、太原盆地、沁水盆地、渤海湾盆地、北黄海盆地、南黄海盆地、东海盆地、冲绳海槽等。这一剖面几乎涵盖叠合盆地、克拉通盆地、裂谷盆地、前陆盆地和弧后盆地等多种盆地类型。波斯湾盆地、南里海盆地、滨里海盆地、西西伯利亚盆地,共同构成全球油气最富集地区


2. 南美-南大西洋-非洲沉积盆纬向剖面图

剖面实长约7500km,自西向东穿过东太平洋板块俯冲带-南美板块-大西洋-非洲板块。剖面自西向东穿过查科-巴拉纳盆地、桑托斯盆地、刚果扇盆地、刚果盆地、东非裂谷、拉穆盆地和Majunga盆地(B1-B4剖面)

本剖面展示了冈瓦纳大陆中生代裂解以来的盆地构造特点,地处非洲和南美巨型板块上,以古生代克拉通盆地和中新生代伸展盆地为主。大西洋两岸被动大陆边缘盆地结构(沉积地层厚度和盆地宽度)明显不对称,非洲西缘较宽阔, 而巴西陆缘较狭窄并且基底强烈上拱,记录晚期太平洋挤压变形向大西洋区的传递。南大西洋的形成是冈瓦纳大陆J3 to K1裂谷作用的产物,由南向北逐渐裂解,非洲和南美洲之间开始漂移和分离(Seranne et al.,  2005)。大西洋盆地张开时间上对应太平洋板块俯冲,岩石圈强烈的伸展作用被太平洋俯冲消减所平衡。

南美剖面由西向东依次展示海沟、弧前盆地、岛弧、弧后前陆盆地、裂谷盆地、克拉通盆地、被动陆缘盆地、被动大陆边缘盆地的有序并列和系列变化,是全球盆地分类的典型参照区(Franca et al., 1995)。前陆盆地位于安第斯山系的向陆一侧,介于造山带与相邻克拉通之间。查科巴拉纳盆地、巴拉纳古生代克拉通盆地、桑托斯被动陆缘盆地之间出现陆拱分隔。陆拱以低幅度、长期发育为特征,陆拱边缘上被邻近盆地沉积地层持续超覆,并伴随正断层发育。陆拱成为克拉通盆地与同期的前陆盆地、被动陆缘盆地空间分隔或着海侵贯通的纽带。

桑托斯盆地是南美洲油气富集,盆地内沉积了厚层的蒸发岩和其他裂后沉积物。经历早白垩世欧特里期—早阿普第期同裂谷演化阶段、阿普第期过渡演化阶段和阿尔比—全新世裂后被动大陆边缘演化阶段演化(Meisling et al.,  2001)。


3.纬向剖面的构造特征及其演化历史

对比全球纬向超长剖面的构造演化,发育在陆块和稳定大陆上盆地演化历史悠久,造山带和微陆块上的盆地(中亚)演化历史较短。前寒武纪以前的构造运动除南美陆块上的帕内巴和圣弗朗西斯盆地发育断陷外,主要形成了各稳定板块和陆块上盆地的基底。早古生代各稳定板块和陆块上盆地表现为断陷(北美和非洲盆地群)和克拉通内坳陷(塔里木、华北盆地群等)的特征。

早古生代末的加里东运动,使北美板块上的威林斯顿盆地表现为抬升剥蚀。北美板块边缘的阿帕拉契亚盆地,由于这一时间的造山运动,进入前陆盆地的发展阶段。中伊朗陆块、华北陆块上的盆地也表现为抬升剥蚀的特征。晚古生代早期的海西运动,表现为亚洲西伯利亚板块、塔里木陆块和华北陆块前陆到抬升剥蚀的发展阶段。

晚古生代末,古特提斯洋闭合过程中形成了中亚盆地群的基底。印支期是中国大陆的东北、华北、华南与蒙古等诸多微陆块碰撞的主要时期,塔里木盆地和华北陆块上的鄂尔多斯沁水等盆地具有前陆或抬升剥蚀的特征。在印支运动期间,鄂霍斯克洋最终关闭,中国-蒙古拼合大陆增生拼贴于西伯利亚大陆。

随着新特提斯洋最终闭合,阿尔卑斯-喜马拉雅巨型大陆碰撞造山带的发育,使中亚的盆地群和中东的盆地发育前陆的特征。在欧亚大陆形成过程中,太平洋周边一直发育俯冲,西太平板块的俯冲使华北陆块上的盆地发育弧后断陷和坳陷的特征;东太平洋板块向美洲大陆的俯冲,使北美西部的落基山盆地群和南美的查克-巴拉那盆地发育前陆的特征。同时在泛大陆解体过程,大西洋的张开使北美东部和非洲西部的盆地发育被动陆缘的特征。

南美-南大西洋-非洲纬向长剖面  

(李江海等,2016)


三、全球的经向超长剖面

全球超长剖面在盆地类型分布图上的位置

(李江海等,2016)

黑线代表实际剖面,虚线代表缺乏资料部分;A-A':印度-西伯利亚-北美-南美经向超长剖面;B-B': 非洲东海岸-地中海-欧洲-北冰洋沿岸-西伯利亚-澳大利亚超长剖面


1.印度-西伯利亚-北美-南美经向超长剖面

起点为印度板块西北部的被动陆缘,依次穿过印度板块、特提斯缝合带、中亚、西伯利亚、北冰洋、北美板块、南美板块,剖面全长约27500km,分为3段进行详细讨论,即印度-西伯利亚经向剖面、北美-南美经向剖面:

印度-西伯利亚经向剖面:剖面全长约8000 km,剖面上不同沉积盆地群的盖层厚度介于6—14 km。剖面由南向北穿越印度板块、拉萨地块、羌塘地块、塔里木陆块、西伯利亚板块,以及特提斯和中亚两大构造域(Windley et al., 2007;Golonka, 2007;Rino et al., 2008; Ali et al., 2008;Metelkin et al., 2010),南北两侧分别为印度洋盆和北冰洋盆。 

沿着剖面由南向北,依次为孟买盆地、德干白垩纪玄武岩省、恒河盆地、喜马拉雅造山带、青藏高原(包括措勤盆地、羌塘盆地)、昆仑造山带、塔里木盆地、天山造山带、吐哈盆地、准噶尔盆地、阿勒泰-蒙古造山带、西伯利亚盆地、拉普捷夫海盆地等。

多数盆地沉积中心靠近造山带一侧,与后期前陆盆地发育有关。其中,准噶尔盆地古生界地层厚度近14 km,为剖面上沉积最厚区段。塔里木盆地和西伯利亚盆地内显示明显的克拉通基底隆起,它们分别经历了长达700Ma和1600Ma左右的长期(多期)沉降期。

剖面上,发育多种类型的沉积盆地,包括裂谷盆地(拉普捷夫海盆地、三塘湖盆地)、被动陆缘盆地(孟买盆地、羌塘盆地、东西伯利亚海盆地)、前陆盆地(恒河盆地)、克拉通盆地(西伯利亚盆地)、叠合盆地(塔里木盆地、准噶尔盆地)等多种盆地类型。剖面上叠合盆地发育(Carroll et al.,2010),且尤以塔里木盆地叠合期次最多,处于中亚与特提斯两大构造域作用的构造背景下,是塔里木板块多期叠合盆地的重要原因(何登发等, 2005)。

北美-南美经向剖面: 剖面全长约19500km,剖面由北向南穿越的构造单元包括:加拿大盆地、阿拉斯加造山带、北美板块、阿巴拉契亚-沃希托造山带、加勒比板块、加勒比周缘造山带、南美板块、大西洋被动陆缘等。

主要的盆地包括:加拿大被动陆缘盆地、马更歇三角洲盆地、阿尔伯塔前陆盆地、阿科马克拉通盆地、墨西哥湾被动陆缘盆地、古巴弧前盆地、东委内瑞拉前陆盆地、亚马逊克拉通盆地、巴拉纳克拉通盆地、大西洋被动陆缘盆地(佩罗塔斯盆地)等。

北美板块处于三个扩张边界与一个俯冲边界之间,造山带见于南、北巨型板块周缘。志留纪欧洲波罗地板块与北美板块的碰撞形成加里东期的北阿巴拉契亚造山带。二叠纪冈瓦纳大陆(南美洲和非洲板块)与北美碰撞完成南阿巴拉契亚造山带(海西期造山运动)(Blakey,  2008)。中生代随着泛大陆的裂解,大西洋打开,J太平洋板块俯冲,多个地体拼贴到北美西部并形成冲断带,在北美西部发育前陆盆地。南大西洋于130Ma开启后,沿着南美东部海岸发育一系列早白垩世裂谷,然后为晚白垩世—新近纪被动陆缘盆地。巴西南部的佩洛塔斯盆地为裂谷盆地演化而成的被动陆缘盆地。白垩纪末(70 Ma)加勒比海板块开始由西向东楔入到北美和南美大陆之间(Pindell et al., 2006)。

印度-西伯利亚-北美-南美经向超长剖面

(李江海等,2016)

非洲东海岸-地中海-欧洲-北冰洋沿岸-西伯利亚-澳大利亚经向超长剖面

(李江海等,2016)


2.非洲东海岸-地中海-欧洲-北冰洋沿岸-西伯利亚-澳大利亚经向超长剖面

剖面由南向北穿过非洲东海岸-地中海-欧洲,经过北冰洋,向南穿过西伯利亚-澳大利亚,全长约20000km,主要包括非洲-欧洲经向剖面、西伯利亚-中国-东南亚-澳洲经向剖面。

非洲-欧洲经向剖面:由南向北穿过非洲板块、阿尔卑斯造山带、华力西造山带、东欧板块、乌拉尔造山带、喀拉陆块、泰梅尔造山带。涉及东非被动陆缘盆地、非洲迈鲁特走滑盆地、穆格来格裂谷盆地、库夫拉克拉通盆地、东地中海残余洋盆、潘诺山间盆地、喀尔巴阡前陆盆地、第聂伯顿聂涅茨克拉通盆地、莫斯科克拉通盆地、蒂曼伯朝拉前陆盆地、东巴伦支克拉通盆地、南喀拉海克拉通盆地等。  

西伯利亚-中国-东南亚-澳洲经向剖面:剖面穿越了冈瓦纳大陆、特提斯构造域、中亚洲构造域和劳亚大陆,这也是地球表面晚古生代以来,全球最重要的板块碰撞聚合区。

由南向北经过的主要构造单元包括:印度澳洲板块、苏门答腊俯冲带、巽它陆块、东南亚造山带、南中国海陆块、东南造山带、扬子陆块、秦岭造山带、华北陆块、中亚造山带(兴蒙造山带)、西伯利亚板块等。由南向北穿过Bass盆地、埃若曼冈(Eromanga)克拉通盆地、Anderus断陷盆地、坎宁克拉通盆地、澳洲盆地、爪哇盆地、南中国海盆地、四川盆地、鄂尔多斯盆地、海拉尔盆地、西伯利亚盆地等。

剖面上,现今构造主要表现为克拉通、被动大陆边缘与褶皱带、岛弧、小洋盆共存的构造格局。造山带、俯冲边界、克拉通盆地及伸展盆地(洋盆)相间出现。造山带构成盆地基底或者构造边界。中、新生代造山带常构成盆地分界,古生代造山带成为小型断陷盆地的基底。

亚洲或澳洲稳定陆块内部的盆地构造上相对稳定、变形微弱,如华北的鄂尔多斯盆地、澳洲的坎宁盆地和埃若曼冈盆地等。克拉通盆地受板块边缘构造活动影响,发生抬升剥蚀或者构造缩短。克拉通盆地边缘坳陷发育,为伸展或挠曲作用产物。为此,克拉通内部垂向运动出现横向上的分异,受板块边界作用。兴蒙造山带上海拉尔-塔穆察格断陷盆地规模较小。


3.经向剖面的构造特征及其演化历史

大板块在地史演化中较为稳定,特别是其中心附近几乎没有较大构造影响,如东西伯利亚盆地,位于稳定板块上的盆地演化历史悠久,而位于造山带和微陆块上的盆地演化历史较短。

前寒武纪以前的构造运动除南美陆块上的帕内巴和圣弗朗西斯盆地发育断陷外,主要形成了各稳定板块和陆块上盆地的基底。早古生代,各稳定板块和陆块上盆地表现为断陷和克拉通内坳陷的特征。

早古生代末的加里东运动,使北美板块上的威林斯顿盆地表现为抬升剥蚀的特征。北美板块边缘的阿帕拉契亚盆地,由于这一时间的造山运动,进入前陆盆地的发展阶段。中伊朗陆块、华北陆块上的盆地表现为抬升剥蚀的特征。

晚古生代早期的海西运动,表现为亚洲西伯利亚板块、塔里木陆块和华北陆块前陆到抬升剥蚀的发展阶段。晚古生代末,古特提斯洋闭合过程中形成了中亚造山带间盆地的基底。

古生代晚期古特提斯洋关闭后,全球进入泛大陆阶段,远离泛大洋的盆地主要发育前陆及克拉通盆地,该时期是地史上被动陆缘最不以育的时代。

印支期是中国大陆的东北、华北、华南与蒙古等诸多微陆块碰撞的主要时期,塔里木盆地和华北陆块上的鄂尔多斯沁水等盆地具有前陆或抬升剥蚀的特征。在印支运动期间,鄂霍斯克洋最终关闭,中国-蒙古拼合大陆增生拼贴于西伯利亚大陆,同时西伯利亚大陆与其东侧的北美大陆拼合。

进入白垩纪后,北大西洋裂开导致北冰洋初始张开,对应西伯利亚板块上东西伯利亚海盆及北美板块的加拿大海盆、马些更盆地沉积环境的变化,先后进入被动陆缘阶段;随后南大西洋张裂,南美东侧与非洲西侧随之成为被动陆缘或三角洲。

随着新特提斯洋最终闭合,阿尔卑斯-喜马拉雅巨型大陆碰撞造山带的发育,使中亚的盆地群发育前陆盆地的特征。同时,欧亚大陆最终形成。在欧亚大陆形成过程中太平洋周边一直发育俯冲,西太平板块的俯冲使华北陆块上的盆地发育弧后断陷和坳陷的特征;东太平洋板块向美洲大陆的俯冲,使北美西部的落基山盆地群和南美的查克-巴拉那盆地发育前陆的特征。同时在泛大陆解体过程,大西洋的张开使北美东部和非洲西部的盆地发育被动陆缘的特征。


四、全球沉积盆地的构造特征及其演化历史


1)陆拱(Arch)是板块内部与盆地并列的构造单元,也是大陆持续隆升的产物,并对前期盆地改造。它以沉积盖层减薄、或出露基底岩石为特征,广泛出现于北美、南美、非洲、澳洲、欧洲等局限板块内部。陆拱在边界上被沉积地层超覆、或主要以断层与邻近盆地为界。通过陆拱恢复,可以识别出多个地史上克拉通盆地与被动陆缘盆地组成的超级盆地。前陆盆地走向上常渐变为被动陆缘盆地、走滑盆地等。

2)全球油气最富集的巨型盆地主要出现于板块内部、远离挤压板块边界的背景下,具有累计沉积厚度巨大,盆地原型保存完整、盆地内部断裂活动微弱、盆地持续沉降-沉积,构造稳定、破坏较弱等特点。实例有西西伯利亚盆地、东西伯利亚盆地、北非盆地群、波斯湾盆地、墨西哥湾盆地、滨里海盆地等

3) 不同大陆的沉积盆地类型有序并列。从板块边缘出发,一般为大洋盆地、海沟、弧前盆地、弧后前陆盆地、克拉通盆地、克拉通盆地、裂谷盆地、被动陆缘盆地。不同类型盆地的主要构造演化阶段及其时空对应关系,受控于板块构造演化。 沉积盆地的发育主要受控于板块边界作用以及基底沉降作用,原形盆地形成之后常经历不同程度的构造改造作用和抬升作用,受控于区域构造背景。

克拉通盆地形成于远离板块边界的位置上,与被动陆缘盆地成因上关系密切。克拉通盆地常经历多期的构造叠合作用。前陆盆地和被动陆缘盆地普遍具有构造分段性。

4)单个板块两侧边界运动性质常相反的,一侧为扩张边界,另一侧则常是聚敛边界,这是板块运动的常态,是全球构造背景下构造传递作用的结果,单个板块上不同的盆地群之间具有密切的构造-沉积联系和构造事件响应。

5)欧亚北部构造单元尺度与构造事件的影响具有对应性:构造域对应超大陆的形成与裂解,造山带的形成源于并记录了板块的碰撞,陆块对应于构造带-拱起和凹陷影响盆地的形成和发育。不同构造事件的空间上具有响应上的关联性,这种关联性常在盆地尺度的研究上被忽略。例如,加里东造山作用对应于东欧乌拉尔被动陆缘扩张发育,乌拉尔碰撞造山作用对应维尔霍扬斯克被动陆缘扩张发育,西太平洋俯冲对应北大西洋扩张。

6) 两条经向剖面垂直阿尔卑斯-喜马拉雅造山带,其中,位于欧亚板块的各个盆地均受到阿尔卑斯造山运动(喜马拉雅运动)影响,西段地中海盆的缩小与南欧盆地的推覆,与非洲板块与欧洲板块的中生代以来俯冲-碰撞相关。而亚洲盆地群中生代以来的演化,则与特提斯洋俯冲闭合、印度板块与欧亚大陆的碰撞相关。

7) 亚洲大陆是世界上最复杂类型的盆地分布区,盆地发育具有多变而复杂的构造背景,盆地构造上强烈不稳定,规模普遍很小,盆地原型保存较差。盆地的发育及其后期改造受古亚洲、特提斯和西太平洋构造域控制,不同时代和类型的盆地在时空上的叠合、复合,或者盆地地层被破坏抬升。二叠纪末期的地幔柱、西西伯利亚裂谷系和维尔霍扬斯克与西伯利亚之间的伸展环境,是泛大陆从汇聚到逐渐崩溃、陆续解体发展演变的产物。  


本文据(李江海,2024,世界地质学讲义)修改补充,限于篇幅,参考文献略。本文仅供学术研究交流和教学参考,图件版权所有,请勿转载,请勿商业使用


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