海底与沉积盆地构造分析：第八章 压陷盆地与压缩构造样式

1、第八章 压陷盆地与压缩构造样式 板块或块体的聚合形成造山带，在造山带一侧或造山带内形成一系列压陷盆地，这些地区以挤压应力作用为主，地壳缩短加厚，形成各种收缩构造。 板块构造理论认为板块或块体的聚敛可以形成碰撞造山带和俯冲造山带。前者是由于洋盆收缩、封闭，使大陆-大陆、岛弧-大陆、岛弧-岛弧、外来地块(地体)-大陆(岛弧)间聚敛碰撞焊接形成的造山带。俯冲造山带是大洋岩石圈向另一板块之下俯冲，导致仰冲板块前缘形成山脉或岛链。在这些造山带一侧或造山带内部常形成一系列挤压挠曲盆地，这些地区在水平挤压应力作用下，形成各种样式的收缩构造。 收缩构造(Contractional tectonics)是在水平

2、挤压应力作用下，造成岩层、地壳或岩石圈缩短的构造。其主要形式有：叠瓦冲断层、双重构造、复合型冲断构造、三角带构造、多层次滑脱褶皱构造等类型。 第一节 造山带及前陆盆地 盆地构造与造山带是同一大陆动力学体制和背景下形成的负向和正向两种构造形式，是岩石圈和大陆动力学研究的两个前沿领域和重点对象。它们存在着密切关系，在时间上相互承接，在空间上相互依存和相互作用。将造盆作用与造山作用置于统一的地球动力学背景下整体研究，会有利于深刻认识盆地形成、演化、分布规律性和能源潜力，是当前固体地球科学研究的一个热点。一、造山带的基本概念 造山作用又称造山运动，是19世纪中叶就使用的术语，原指造成山脉构造变形和山脉

3、的作用。造山带系指造山作用中经受强烈变形的地壳的狭长形山带。 板块构造学说认为造山作用发生于板块聚敛边界，它是板块俯冲、碰撞作用引起的。造山带实际上就是俯冲带和碰撞带，它们是地球岩石圈结构和构造最复杂的地带。 还有些盆岭区和裂谷旁侧山系和全球性大洋海岭系统都是岩石圈伸展作用所致，夏威夷群岛是由海底扩张、洋底火山活动所形成的山脉。因此，不仅挤压收缩成山，而且扩张伸展也可成山。不过，就大陆造山带而言，主要还是岩石圈或地壳收缩增厚、构造变形所造成。 中国是造山带最多、类型最全的国家，深入研究造山带，围绕盆地构造演化研究造山带与盆地的关系将会丰富大陆动力学的理论。二、造山带形成的地球动力学背景 一些学

4、者用板块聚敛性质、方式及造山作用动力来进行造山带分类。Dewey和Bird(1970)将造山带分为俯冲型和碰撞型两大类。在板块构造理论运用于大陆地质过程中，新技术、新资料不断涌现，使人们逐渐认识到板块作用与造山带的模式过于简化了。先后提出了“地体”说、“内硅铝造山作用”、“滑移线场理论”、“碎裂流”说等多种造山说。Mattauer提出的造山带分为四类：即俯冲型、仰冲型、碰撞型和陆内型。Sengor(1990)提出的造山带分类包括四大类：即扭压造山、俯冲造山、仰冲造山、碰撞造山。 三、造山带的类型四、前陆盆地前陆盆地是指位于造山带前缘与相邻克拉通之间的盆地(Dickinson，1974)。 前陆

5、盆地发育在陆壳上，为沿着造山带的大陆侧翼分布的沉积盆地。由于造山带褶皱冲断作用，导致岩层的构造重叠，产生构造负载，造成岩石圈的挠曲下沉。它是一种典型的挤压挠曲盆地，是在挤压的地球动力学背景下形成的。 (一）前陆盆地的基本类型1周缘前陆盆地 形成于大陆壳表面向下拖曳与碰撞造山缝合线(带)相接之处，与陆陆碰撞(A型俯冲)有关。相邻造山带倒向盆地，蛇绿岩缝合线(带)比岩基岩浆带和火山岩带更靠近盆地。如北阿尔卑斯山山前磨拉石盆地和波斯湾第三纪盆地等。 周缘前陆盆地(据Dickinson，1976，Bally，1980) 弧后前陆盆地(据Dickinson，1976，Bally，1980) 2弧后前陆盆

6、地 形成于大陆壳表面向岛弧造山带的后侧方向向下拖曳，与大洋岩石圈的俯冲(B型俯冲)有关。相邻造山带倒向这类前陆盆地，蛇绿岩消减杂岩体比岩基岩浆带和火山岩带更远离这类盆地。如北美中生代岩浆弧以东落基山山前的海相白垩系，加拿大阿尔伯达盆地和安第斯山东面的新生代盆地。 扎格罗斯前陆盆地构造横剖面3.陆内俯冲型造山带与陆内前陆盆地 亚洲陆内造山带，主要发育在亚洲中部及中国西部，是盆地刚性基底俯冲产生造山带的隆升，或称为C型俯冲。 （二）前陆盆地的基本特征 1盆地的组成及剖面形态特征 盆地具明显的不对称性，表现在近造山带一侧较陡、近克拉通一侧宽缓。由造山带向克拉通方向，前陆盆地可划分为三部分： (1)褶

7、皱-冲断带(常为薄皮构造)构成的活动翼(Thrust belt)或造山楔形体； (2)紧邻活动翼或位于冲断带下盘的深拗(凹)陷； (3)连接深拗陷进一步向克拉通方向延伸的稳定前陆斜坡(Stable foreland slope)及前缘隆起(Forebulge)。 a简单型(如北阿尔卑斯磨拉石盆地)；b复杂型基底冲断作用与沉积作用同时发生(如意大利北部潘丹(Padan)和亚得里亚(Adriatic)盆地)；c复杂型基底冲断将前陆盆地分成若干个小盆地(可以等大，也可以大小相差悬殊)，出现披盖式沉积；d背驮盆地(Piggyback basin)和前渊组合型(如北亚平宁Ligurian冲断席顶部的卫星

8、盆地、瑞士阿尔卑斯前陆盆地、北海微复理石盆地)；e沉积后变形型，导致前陆盆地层序的剥蚀(据Ricci Lucchi，1986)。 2地球物理特征 前陆盆地的地球物理场出现明显的梯度带变化：如重力异常在冲断带一侧为正异常、等值线密集，向克拉通方向逐渐变为负异常、等值线稀疏；磁异常等值线图也出现类似变化；大地电流测深法中也出现类似变化。3变形特征 盆地一侧为褶皱一冲断带，有褶皱推覆体、叠瓦推覆体等类型，下部常见双重构造。前缘隆起部位常发生挠曲应力产生的张性或扭张断裂，在后期可能出现反转，盆内构造样式以台阶状逆断层及断弯褶皱、断展褶皱等为特征，冲断方向自造山带指向克拉通。由于盆地发育在被动大陆边缘之

9、上，被动大陆边缘层序中的正断层等在前陆盆地发育期可能反转，向上穿切前陆盆地层序。盆内可发育同构造渐近不整合。前陆隆起的迁移极性与盆地发育时间及板块性质有关。 4沉降特征 前陆盆地的沉降幅度向克拉通方向逐渐减少，同时沉积中心也逐渐向克拉通方向迁移，这是总的趋势。但在连续粘弹性岩石圈情况下，前陆盆地的前缘隆起(forebulge)则不断向构造负荷方向迁移，从而在造山带附近产生较深和较狭的沉降中心。沉降中心迁移常与冲断作用有关，如在阿尔卑斯山北缘前陆盆地中“复理石”阶段，迁移速率为79mma，而在磨拉石阶段迁移速率下降到2mma左右，沉降速率则为0.060.1mma。 5岩浆活动特征 前陆盆地位于陆

10、壳上，一般缺乏岩浆作用事件，但下伏被动大陆边缘层序中可能出现岩浆活动，成对大陆边缘(Paired continental margin)中一被动陆缘也可能出现岩浆岩。 6矿物成分特征 前陆盆地的岩石学特征在下部层序以灰、灰绿色石英砂岩组合为主，上部以红、杂色岩屑砂岩为主。矿物成分成熟度由下而上明显降低。反映早期物源以克拉通为主，而后期物源来自造山带。 7沉积特征 大陆壳相撞形成缝合带时不是各点同时碰在一起，常呈剪刀式闭合。在未完全碰撞之处老洋盆继续存在，这种在板块消减作用下形成的收缩洋盆被称作残留洋盆。 当碰撞造山带发育时，形成前陆盆地山麓磨拉石相。沿着纵向追踪，在未碰撞残留洋盆中形成大型三角

11、洲体系，向海盆发育海底扇浊积岩和远洋沉积。这种浊积岩的性质就是前造山期的复理石。由此出现构造和沉积环境的侧向变化和穿时相的发育。 随着俯冲、碰撞继续发育，残留洋盆逐渐缩小、最终封闭、前陆盆地不断扩大，磨拉石依次覆于复理石及三角洲体系之上。 前陆盆地与下伏被动边缘层序间、前陆盆地不同阶段发育层序间常为不整合面。 （三）前陆盆地的形成及演化 前陆盆地是在挤压条件的动力学背景下形成的，与板块俯冲、碰撞有成生关系。其形成可用横梁侧向挤压变形模式来解释。由于巨大的侧向压力，横梁产生纵向弯曲上拱，在上拱弯曲核部产生引张形成断裂，随着挤压进行沿断裂发生逆冲作用。由于逆冲岩片的负荷作用，产生前陆挠曲盆地。 纵

12、观前陆盆地的形成、发展，其演化可分为两大阶段，即早期的复理石建造阶段和晚期的磨拉石建造阶段。 在前陆盆地发育的早期(即同造山期)以形成典型的陆源复理石建造为特征。在前陆盆地形成早期，由于板块碰撞造山作用导致被动大陆边缘地区处于强烈的挤压状态，使得岩石圈及被动大陆边缘上的沉积建造体发生弯曲和部分上隆，形成微突起和下凹地形的雏形，并伴随一系列不整合的出现，形成一组对称或不对称的海峡山链带，形成前陆海槽，发育陆源复理石建造。且由于海平面相对变化、构造山链和海槽沉降周期性的变动，形成多旋回复理石沉积韵律。 复理石 是由海相沉积所构成的韵律系，是一种浊流沉积，但不是浊积岩的同义语。其韵律厚度由数厘米至数

13、十厘米，但层系厚度极大，且罕见化石。主要由泥灰质和细砂岩组成，周期性的出现砾岩、粗砂岩和硬砂岩的夹层。复理石一词的使用常与构造相联系，它代表在造山以前的各个不同的槽部所沉积的一套沉积建造。前陆盆地形成的早期阶段，盆地较深，多为海相沉积。 磨拉石 磨拉石一词出自瑞士，用来描述发育在阿尔卑斯造山带前渊中一种特征的碎屑沉积。在现代板块构造理论中，磨拉石被定义为造山带的一个构造相即磨拉石是造山带的一个特定的组成部分，特指那些发育在造山带前陆和山间盆地的沉积。随着仰冲作用的持续，盆地逐渐向俯冲大陆一侧迁移，盆地变浅，沉积演化为浅海滨岸相和山前冲洪积或湖相。仰冲作用还使得靠近造山带前缘早磨拉石沉积发生变形

14、、变质作用，并推覆到晚期磨拉石沉积沉积之上。由于同沉积构造作用，因此在磨拉石沉积中可发育有多个不整合。该盆地的基底为俯冲的被动大陆板块边缘，两者之间多为不整合。 磨拉石是一个构造相，是碰撞造山带的重要组成部分；磨拉石沉积可以是海相，也可以是陆相或海陆交互相；如果以大陆板块发生碰撞这一时刻作为标志将一个连续的造山作用过程划分为洋-陆俯冲造山和陆-陆碰撞造山两个造山作用阶段的话，磨拉石则是陆-陆碰撞造山阶段的沉积，它记录着该阶段造山作用与盆地的形成、演化以及构造改造的全部过程；前陆磨拉石沉积的出现标志着陆-陆碰撞造山作用的开始，因此其底部的不整合可作为推测陆-陆碰撞事件发生的时代上限的依据之一，其

15、内部的不整合则是同沉积的构造作用的记录，不应作为造山期或造山幕的划分标志。 Flysch Vs Molasse复理石 Vs. 磨拉石 在前陆盆地发育晚期，随着挤压和造山作用的不断进行，导致褶皱-冲断带向前陆方向推覆，陆源碎屑物近源快速堆积于盆地中，形成典型的磨拉石建造。前陆盆地磨拉石建造的物源主要是活动边缘造山带的风化产物经山系水系网的搬运而进入前陆盆地的，这些物质都是造山前期复理石建造改造而来的，因此其物源为造山再旋回类型。另外还有少量从克拉通来的物质，这部分物源由高成熟度的石英颗粒组成，空间上主要分布在前陆盆地平坦的浅海区和平原区。这套磨拉石沉积包括从陆相到海相的一系列沉积体系，如冲积扇砾

16、岩相、辫状河流相、泥石流相、蛇曲河流相、三角洲相、潮坪相、渴湖相、生物礁相等。 前陆盆地磨拉石建造在其形成过程中具有多旋回结构，如北阿尔卑斯磨拉石建造由四个旋回组成，自下而上依次为：早中新世的下部海相磨拉石组合旋回，晚渐新世早中新世下部陆相磨拉石组合旋回，中新世的上部海相磨拉石组合旋回和晚中新世一早上新世上部陆相磨拉石组合旋回。且每一个磨拉石组合都由若干个相似的从浅海相至陆相沉积系列组成 。最后盆地因挤压而发生强烈褶皱，前陆盆地发育结束。 图27 由碰撞山链复活形成的前陆盆地结构模式A 鄂尔多斯盆地；b 四川盆地Orogenic Wedge FrontThrust Front鄂尔多斯、四川、塔

17、里木盆地结构剖面图 受多期构造运动差异性影响，四川、塔里木盆地从震旦世到古近纪连续沉积，地层发育完整，而鄂尔多斯盆地不发育晚古生代海相沉积。四川盆地、鄂尔多斯盆地海相以气为主，塔里木油气兼有。1 造山带形成直接影响到盆地沉积形成和分布规律2 造山带隆升形成了适宜油气富集的区域3 盆地间有紧密联系，有着类似的沉积特征前陆盆地油气分布具有有序性的特点J依奇克里克克拉2库车坳陷油气的有序分布第二节 中国中新生代沉积盆地构造模型裂陷型盆地裂陷-裂陷型裂陷-坳陷型压陷盆地裂陷-单冲压陷型裂陷-对冲压陷型裂陷-对冲压陷-坳陷第三节 收缩构造 收缩构造主要分布在造山带前缘的挠曲盆地或压陷盆地中，造山带前缘常

18、常成排成带出现冲断褶皱构造。 收缩构造的各种构造样式是由逆冲断层(Thrust)组合而成。Thrust原译为冲断层，意指高角度逆断层；Overthrust译成逆掩断层，意指低角度逆断层。但这个术语一直有争议，因为角度的限定是不合理的，一条逆冲断层的倾角常常是变化的。 实际上，许多逆冲断层的断层面并不是一规整的面，而是呈阶梯状，由一系列断坡和断坪构成，即软弱岩层中沿层理面缓倾的逆冲断层和穿切强硬岩层陡倾的逆冲断层组成一种阶梯状几何形态。 图34是美国怀俄明州爱达荷的一条地震剖面，图中的猪背冲断层即为一典型的阶梯状逆冲断层，古生界碳酸盐岩、纳吉特砂岩中断层倾角较陡，而希里阿德页岩中断层基本上与基准

19、面一致，显示了阶梯状结构。 逆冲断层一般具有阶梯状结构，由断坪(Ramps)、断坡(Flata)组成。 阶梯形断层面 逆冲断层沿断层面滑动时会使断层上盘的地层缩短，当缩短量达到一定量时，逆冲断层常要切断强硬层向上扩展，遇到新的软弱层再沿其滑动，结果形成阶梯状的断层面。逆冲断层根据形成的深度和产状可分为两大类：厚皮构造：深层高角度并进入基底的逆冲断层。产状受最大 有效力矩准则控制，倾角一般高于45，一般出现在造 山带的内部。薄皮构造：浅层低角度只涉及盖层而不影响基底的逆冲断， 产状受摩尔-库伦准则控制，产状一般低于45.一般 出现在造山带的前沿，称为前陆褶皱冲断带。逆冲断层上盘，即冲断面之上的构

20、造单元称之为(逆)冲断席(T-hrust shect)。这个单元沿着主要的近水平逆冲断层滑动，其滑移距离可大可小，规模大者称之为推覆体，或称之为纳布构造(Nappe)。收缩构造的滑移活动多是沿冲断层断面进行的，但大多数逆冲断层多发育在塑性较强的地层中，如煤系地层、膏盐层、页岩层等。祁连山北麓的酒泉盆地，上石炭统太原组是一套煤系地层，含煤层达十余层，煤层与黄绿色砂、页岩间互，为良好的滑脱层。 收缩构造的样式 在水平挤压应力作用下，地层发生冲断、褶皱，形成样式繁多的收缩构造。据目前从地震资料所揭示的样式来看，主要可分如下类型。 一、叠瓦冲断构造组合 叠瓦冲断系是指冲断作用依次发育，形成的叠瓦状冲断

21、层组合。这些冲断层一般是上陡下缓、断面下凹的犁式逆冲断层，剖面上相邻的几条断层向下汇合于顺层滑脱带中。滑脱带实际上是主干逆冲断层，犁式冲断层是分支断层。据其分支逆冲断层发育的顺序，可分为前展式叠瓦冲断系和后展式叠瓦冲断系。 1前展式叠瓦冲断组合 前展式叠瓦冲断系研究最早的是酒泉盆地老君庙背斜带。老君庙背斜是一个基底卷入型叠瓦冲断系，由庙北I号、庙北号冲断层组成。滑脱层为上石炭统太原组煤系，其上为外来系统，其下为原地系统。在冲断层上盘断坡部位由于断层扩展作用形成了老君庙背斜构造和庙北背斜构造，称之为断展背斜。 吐鲁番盆地东部红台地区，博格达山南缘向盆地内发育一系列叠瓦冲断系。北部靠近博格达山石炭

22、系变质岩已经出露地表，逆冲断层构成了与吐鲁番盆地的分界线，向南依次出现二叠系逆掩在三叠系、侏罗系之上，其次是侏罗系内部逆冲断层。整个叠瓦冲断系均在侏罗系煤系地层中滑脱位移，煤系构成了本区重要的滑脱面(图311)。 克拉玛依冲断带是一个隐伏的冲断构造组合。它形成时间较早，可能形成于海西末期。但经过长期剥蚀，上侏罗统、白垩系超覆其上。克拉玛依冲断系逆冲断层上部断面倾角7080，下部变缓，约40，底部变平。石炭系逆冲在二叠系、三叠系之上。冲断带后缘发育有和什托洛盖侏罗系断陷(图312)。 2后展式叠瓦冲断组合 后展式叠瓦冲断系是由盆地内向造山带方向依次发育形成的冲断组合，虽然这种类型并不多见，但在某

23、些特定的条件下也能发现。 这说明榆木山南侧的逆冲断层是由盆地内向南侧的祁连山方向演化的，是后展式叠瓦冲断组合的实例 。二、复合冲断构造组合 复合冲断组合是指两种或多种冲断构造样式的复合体。就目前中国发现的构造样式而言，主要是下部为楔状的双重构造与上部呈叠瓦冲断系的构造复合体。 双重构造由顶板冲断层和底板冲断层所围限的叠瓦冲断夹块组合而成。它多分布于造山带前缘，形似楔状，楔入沉积层中使其上覆地层被动变形，或因重力滑动进而发育为叠瓦冲断系或冲断一褶皱系。这两种构造类型重叠，组成复合冲断构造组合。 通过上述三条剖面显示，霍吐玛构造下部为统一的楔形体及双重构造，顶底均被滑脱面所限，而它通过天山隆升的侧

24、压力传递给博尔通沟楔形体再使双重构造楔人地层之中，其上地层被动褶皱，形成薄皮的叠瓦冲断系，组合而成复合冲断构造组合。 在塔里木盆地北缘，天山南麓的库车挠曲盆地北缘也发现了类似的复合冲断构造组合。 这是塔里木盆地库车山前的构造横剖面下部为一楔形双重构造，而上部第三系为被动褶皱形成叠瓦冲断系，因此它是个复合冲断构造组合。据夏义平等(1995)研究，B83-D4测线中生界缩短率为19，下第三系一中新统缩短率为13，上新统一第四系缩短率为4。 下部双重构造顶、底滑脱断层所限的冲断系由中生界组成，其上部第三系发育较厚的石膏、盐岩，是良好的滑脱层。在楔状双重构造的楔人下，上覆地层沿滑脱面向南滑动，形成冲断

25、层及相关的褶皱。 三、多层次滑脱构造组合 滑脱构造又称拆离构造、脱顶构造。这类构造在相当大的范围内存在一个大的近水平的底部滑脱面，滑脱面上部地层受到挤压力作用时，便顺着滑脱面发生独立的变形运动，形成一些不对称的褶皱和一系列小型逆冲断层。这些断层的倾角随着深度的增大而变缓，形成犁状形态，最后消失在较软弱层(如页岩、泥岩、石膏、盐岩、煤系等)中。由于上述断层不延续到滑脱面以下，因而造成上、下岩块或地层间截然脱节现象，故称滑脱构造。欧洲侏罗山的滑脱构造就是一典型实例。 四、三角带构造组合 三角带(Triangle zones)是发育在逆冲断裂带前缘的一种构造样式，即由双重构造与反冲断层组合而成。底部

26、为一向造山带方向缓倾的逆冲断层，其上为一系列倾向造山带的叠瓦冲断系，顶部为向盆地倾斜的反冲断层，构造剖面形态恰似三角形。 反冲断层（Back-thrust）与冲起构造（突发构造pop up ） 海拔(m)30000-3000-6000-9000-12000N五、对冲断裂带组合 靠近造山带的挠曲盆地边缘，由于造山带向盆地内方向推挤形成了山前的逆冲褶皱系、薄皮构造及厚皮构造等。在盆地的另一侧则处于被动边缘，于是产生了对冲断裂系。这类断层的断面与山前冲断带断面倾向相反；同时也常常能控制部分沉积，断层上盘沉积较薄，下盘沉积较厚，具逆生长断层的性质。最典型的例子是酒泉盆地西部的北部单斜带的白杨河南断层(简称白南断层)，它形成于喜马拉雅期，白杨河油田就发育在断层下盘，断层对油气起着封堵和运移通道的作用(图332)。 背冲型与逆断层有关的褶皱一、断弯褶皱tg= sin2/(2+cos2) 逆冲席体沿阶梯状断层面运动时在断层的弯曲部位被迫发生的弯曲。弯曲的形态被动反映其下断层形态，褶皱翼部位于上、下盘断坡之上，转折端位于断坪之上，常形成平顶的背斜或箱状褶皱，称为褶隆。二、断层扩展褶皱 正在形成的逆冲断坡端线部位形成的褶皱。端线以下部