峨眉山地幔柱主要研究进展及四川盆地二叠纪成盆动力学机制中国石化石油勘探开发研究院
作者简介：孙自明，博士，高级工程师，矿产普查与勘探专业，主要从事油气勘探研究工作。
峨眉山地幔柱的活动不仅促进了地核、地幔、地壳各圈层之间的物质与能量交换，还为板内构造岩浆活动及成矿作用提供了一种重要的动力学机制，从而形成了丰富的矿产资源，如攀枝花钒钛磁铁矿等。因此，峨眉山大火成岩省的活动范围备受关注。近年来，在远离峨眉山地幔柱中心的四川盆地东北部，油气钻井中不断发现二叠纪火成岩，并在这套火成岩地层中获得工业气流，显示出良好的天然气勘探前景。目前关于峨眉山地幔柱在四川盆地的作用范围和二叠纪成盆动力学机制等方面存在不同见解。本文通过大量文献调研，采用深部地幔活动控制表层系统演变的研究思路，系统梳理和归纳峨眉山大火成岩省特征及其地幔柱成因的主要研究进展，并探讨分析了峨眉山地幔柱在四川盆地的作用范围和二叠纪成盆动力学机制。研究认为，地幔柱是诱发峨眉山玄武岩大规模喷发并形成大火成岩省的主导因素，主喷发期为259～258Ma，持续时间小于1Ma。地幔柱仅对四川盆地部分地区具有直接影响，具体表现为地幔柱上涌引起地壳隆升并导致中二叠统茅口组顶部出现地层差异剥蚀和对盆地中南部二叠纪沉积的控制作用，而盆地中北部中晚二叠世—早三叠世拉张槽群和“凹凸相间”沉积-构造格局的形成则主要受控于南秦岭洋岩石圈板块的拉张。本文研究成果提高了峨眉山大火成岩省地幔柱动力学机制的认识，为四川盆地古生界油气勘探远景评价及其他相关矿产资源的潜力评价提供了理论依据。基金项目：中国科学院战略性先导科技专项(A类)“深层油气勘探目标评价与优选”(XDA14010406)；中国石化科技攻关项目(P21042-2)。
0 引言
1 峨眉山地幔柱主要研究进展
1.1 峨眉山大火成岩省平面分带特征
1.1.1 平面展布
1.1.2 横向分带
1.2 峨眉山大火成岩省与地幔柱上涌
1.2.1 大规模火山作用前的地壳隆升
1.2.2 放射状基性岩墙群
1.2.3 短时限、大规模的火山喷发作用
1.2.4 地幔柱产出岩浆的地球化学特征
1.3 峨眉山地幔柱展布范围模拟预测
2 四川盆地二叠纪成盆动力学机制探讨
2.1 峨眉山地幔柱在四川盆地的作用范围
2.2 四川盆地二叠纪成盆动力学机制探讨
2.2.1 二叠纪沉积-构造格局及演化
2.2.2 二叠纪成盆动力学机制
3 结论
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地幔柱假说与板块构造学说的提出时间相近，但前者发展较慢，且是否真实存在尚存争议。后者强调岩石圈板块的水平运动，可较好地解释板块边界处大规模的构造作用和岩浆起源等问题；而前者则强调物质和能量的垂向运动，可较好地诠释后者难以解释的稳定克拉通内部大规模的岩浆事件等科学问题。地幔柱垂向上沟通了地核、地幔与地壳之间的物质与能量交换。地幔柱上涌主要表现为大规模的物质和能量由地球深部向表层迁移，不仅可以造成区域性的地壳隆升和大规模的岩浆喷发，形成大火成岩省以及与之相关的一系列地质事件，如大规模的岩浆成矿作用、地壳浅层地层差异剥蚀和相关不整合的形成等，而且还可以导致全球性的气候剧变和生物大灭绝等次生灾害事件。20世纪90年代以来，大火成岩省概念得到国内学者广泛重视并进行了相关研究。其典型实例是位于我国西南川滇黔交界地区、现已被国际地学界广泛认可、以中—晚二叠世喷发的峨眉山玄武岩为主体形成的峨眉山大火成岩省(Emeishan Large Igneous Province，ELIP；图1)，普遍认为其成因与地幔柱作用有关。另外，前人针对大陆增生、大陆裂解、岩浆成矿作用以及岩浆喷发后的地表地貌改变、环境与气候变化和生物灭绝事件等进行了专题研究。图1 峨眉山大火成岩省与四川盆地分布![]()
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图2 峨眉山大火成岩省岩石圈内部主要界面和地质解释
UI.下地壳底侵层顶界面；CD.康拉德不连续面；CB.结晶基底顶界面；Moho.莫霍面；MLD.岩石圈地幔内部间断面；LAB.岩石圈底界；岩石圈内部主要界面形态均来自接收函数偏移成像结果，古地形由重力均衡估算得到
图3 四川盆地中二叠世茅口组沉积晚期沉积-构造格局及相带展布茅口组沉积末期，扬子地区快速海退，茅口组顶部遭到不同程度的剥蚀，致使中、上二叠统之间呈不整合接触，平面上出现规律性分布的差异剥蚀分带现象，形成峨眉山大火成岩省的内带、中带和外带等构造单元，同时也控制其东南侧冲积扇粗粒碎屑岩沉积和其西侧的碳酸盐岩重力流沉积。地层对比研究发现，在广元—巴中拉张槽的槽内及槽缘地区，茅口组顶部的剥蚀程度也有差异，槽内茅口组遭剥蚀程度弱，主要由深水相炭质页岩、硅质页岩和硅质灰岩等组成的茅四段大多得到保存，而环拉张槽的槽缘地区则遭剥蚀程度较为严重，局部地区的茅三段已被剥蚀殆尽。晚二叠世，四川盆地中南部进一步隆升，而盆地中北部则出现强烈的沉积-构造分异，自北向南分别形成了城口—鄂西、开江—梁平和德阳—武胜拉张槽，也称为海槽、海盆、台凹和拗拉槽等(图4)，其间为浅水台地分隔，它们平面上构成“凹凸相间”的沉积-构造格局。图4 四川盆地及邻区晚二叠世长兴期沉积-构造格局及相带展布城口—鄂西拉张槽是在龙潭组沉积早期碳酸盐台地沉积基础上形成的，至长兴组沉积早期拉张槽西侧开始出现台缘巨厚层生物礁滩相沉积，而其东北侧的斜坡-盆地区则发育滑塌角砾岩和深水炭硅质泥页岩沉积。长兴组沉积晚期到早三叠世，拉张槽内以钙质泥岩和泥质灰岩等浅水沉积为主，早三叠世晚期则全部转变为浅水台地碳酸盐岩沉积，拉张槽封闭。开江—梁平拉张槽向北西方向开口与广海相连，向南东方向收敛于梁平一带。该拉张槽在茅口组沉积晚期已出现雏形，长兴组沉积期进一步发展，并在拉张槽南北两侧均出现台缘生物礁滩沉积，其间为斜坡-盆地沉积。这样的沉积-构造格局一直持续到早三叠世，早三叠世晚期拉张槽消亡。德阳—武胜拉张槽，或称蓬溪—武胜台凹和盐亭—潼南海槽等，是发育于四川盆地中部、位于开江—梁平拉张槽南侧的一个水体相对较深的台内洼地，平面上呈北西—南东向展布；拉张槽南北两侧主要为斜坡相沉积，仅东侧局部地区发育礁滩沉积。峨眉山地幔柱自中泥盆世至晚二叠世持续活动，在峨眉山玄武岩喷发之前，由地幔柱上涌产生的地壳隆升在石炭纪已初见端倪，导致在康滇地轴核部产生了一系列小型超基性岩体及基性层状侵入体，如攀枝花和红格等岩体。随着地幔柱持续上涌，由其诱导产生的地壳隆起在一定程度上控制了四川盆地及邻区二叠纪的沉积-构造格局及演变，但关于中晚二叠世—早三叠世四川盆地尤其是盆地中—北部拉张槽形成的动力学机制目前尚缺乏统一的认识，其中主要有2种认识。一是认为峨眉山地幔柱作用是形成四川盆地中—北部中晚二叠世—早三叠世拉张槽的主要原因。峨眉山地幔柱上涌引起地壳隆起，位于隆起带外缘的四川盆地中北部地区总体处于伸展构造环境，加之盆内隐伏基底断裂的复活，造成盆地沉积-构造格局出现分异，从而控制了中晚二叠世—早三叠世拉张槽群的形成和发育。二是综合考虑板块构造演化和峨眉山地幔柱作用，结合东吴运动或峨眉地裂运动等的分析，探讨四川盆地中晚二叠世—早三叠世拉张槽群形成的深部动力学背景，认为峨眉山地幔柱上涌与古特提斯洋东延部分在晚二叠世—早三叠世的俯冲消减时间存在高度时空耦合，两者在演化过程中相互作用，其中地幔柱上涌使远离地幔柱中心的外缘区域处于伸展状态，是形成四川盆地中北部拉张槽群和“凹凸相间”沉积-构造格局的主要原因。显然上述两种认识均难以圆满解释四川盆地中晚二叠世—早三叠世拉张槽群形成的深部动力学机制。例如，如果峨眉山地幔柱上涌控制了四川盆地中北部地区同时期“凹凸相间”沉积-构造格局的形成，那么开江—梁平和德阳—武胜拉张槽及其所夹持的台内凸起在平面上均应该表现出以峨眉山大火成岩省内带为中心的弧形或近于弧形的形态，而非NW—SE向或近EW向延伸；盆地中东部华蓥山地区二叠纪玄武岩主要沿NE—SW向的华蓥山断裂分布，而盆地东北部开江—梁平地区的二叠纪玄武岩则主要受控于NW—SE向基底断裂，反映两者尽管形成时间相同或相近，岩石地球化学特征也类似，但其成因机制可能存在一定的差异。从中晚二叠世四川盆地沉积-构造发育特征看，峨眉山地幔柱在栖霞期已有明显上涌，控制了缓坡型碳酸盐台地沉积相带自盆地西南部向东北方向有序分布，其间缺少较陡的斜坡或坡折带，显示出地幔柱上涌初始阶段使地壳表层产生宽缓隆起的基本特征。中二叠世茅口组沉积中晚期的伸展活动在中扬子地区较为强烈，形成城口—鄂西拉张槽。茅口组沉积晚期广元—巴中拉张槽的出现，则指示南秦岭洋岩石圈板块的伸展开始在上扬子地区的四川盆地北部占据主导地位，控制了同时期的沉积-构造分异活动。晚二叠世—早三叠世，南秦岭洋岩石圈板块伸展作用的进一步增强，导致四川盆地中北部继续发生强烈的沉积-构造分异，并最终形成城口—鄂西、开江—梁平和德阳—武胜拉张槽群以及“凹凸相间”的沉积-构造格局。相较于城口—鄂西和开江—梁平拉张槽，德阳—武胜拉张槽两侧缺少生物礁滩相带及相应的沉积微相类型，显示其发育演化程度较低，形成时限也可能更短。但拉张槽的区域展布及内部沉积充填特征，反映其仍然主要受南秦岭洋岩石圈板块伸展的控制，推测可能是由于南秦岭洋岩石圈板块的伸展作用自板块边缘向板内逐渐扩展和强度依次减弱所致。综合分析认为，南秦岭洋岩石圈板块的伸展动力学机制是控制四川盆地中北部中晚二叠世—早三叠世沉积-构造分异的主导因素，盆地内部部分NW—SE向及NE—SW向大型先存基底断裂复活或部分段落选择性差异复活，导致区内出现明显的差异升降运动，是形成拉张槽群和“凹凸相间”沉积-构造格局的主要原因，而盆地中南部地区则主要受峨眉山地幔柱作用的控制。(1)峨眉山地幔柱是诱发峨眉山玄武岩大规模喷发并形成峨眉山大火成岩省的主导因素，峨眉山玄武岩喷发是大规模、短时限、板内型的构造-岩浆事件，喷发之前地壳表层曾发生过千米级的构造隆升，导致茅口组地层遭到差异剥蚀并围绕地幔柱中心在平面上出现明显的分带性特征。(2)峨眉山大火成岩省不同区带壳幔结构和深部地球动力学机制存在一定差异，峨眉山地幔柱在四川盆地的作用范围向盆地北东方向最远可达到华蓥山地区。(3)四川盆地二叠纪—早三叠世的沉积-构造演化受峨眉山地幔柱活动和南秦岭洋岩石圈的伸展作用共同控制，盆地中南部二叠纪沉积主要受控于峨眉山地幔柱作用，而盆地中北部中晚二叠世—早三叠世拉张槽群和“凹凸相间”沉积-构造格局的形成则主要受控于南秦岭洋岩石圈的伸展。原文来源：孙自明,卞昌蓉,刘光祥.峨眉山地幔柱主要研究进展及四川盆地二叠纪成盆动力学机制[J].现代地质,2023,37(5):1089-1099.DOI:10.19657/j.geoscience.1000-8527.2023.043.
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