大地构造学-裂陷盆地

第六章裂陷盆地

裂陷盆地泛指那些由于盆地的形成和演化而导致岩石圈或地壳发生伸展构造变形的沉积盆地，也可称为伸展型盆地。地壳或岩石圈的伸展变形通称为伸展构造，裂陷盆地就是地壳伸展构造的一种表现形式。

裂陷作用：引张力作用于整个岩石圈并导致地壳或岩石圈发生大规模的开裂和裂陷的地质作用过程，或造就岩石圈“伸展构造”的既“裂”又“陷”的构造过程，它与英文的taphrogenesis和rifting的地质含义大致相当。伸展构造（extensionaltectonics）是指裂陷作用（或区域引张作用）下形成的一切使地壳或岩石圈沿水平方向发生伸长变形的构造总称。裂谷（riftvalley）是引张作用使整个岩石圈破裂而形成的狭长沉降带。地堑(graben)：地壳浅层次的规模相对小一些的构造。一、主动裂陷和被动裂陷

主动裂陷(activerifting)：指岩石圈底下的软流圈热作用下主动上涌，并引起整个岩石圈的水平引张，裂陷作用是对软流圈和地幔深部热物质主动上涌的反映。其发育过程是：热隆起－火山活动－裂陷盆地形成－热沉降。

被动裂陷(passiverifting)：板块构造演化过程中，产生的区域水平拉张力。其过程可表述为裂陷盆地形成－热隆起－火山活动－均衡沉降、热沉降。主动裂陷和被动裂陷不是彼此孤立的，而是相互转化和影响的。●软流圈物质主动上涌→水平扩张●裂陷过程是深部物质上涌的反映主动裂陷主动裂陷：裂陷过程是深部热物质主动上涌的反映

被动裂陷：●力源是区域水平引张力，与走滑有关。●裂陷作用导致热物质的被动动上涌。变质核杂岩的形成过程（Liser和Davis，1989）主动裂陷和被动裂陷的区别：裂陷盆地形成前是否出现区域上的热隆起，或者说，裂陷盆地的形成和发展是否是区域热隆起的后续构造事件。二、大陆伸展模式纯剪切与简单剪切大陆岩石圈纯剪切伸展和简单剪切伸展（Wernick,1981）在纯剪切几何模型中，上部为脆性层，下部为韧性层，伸展岩石圈的横剖面呈对称形状，在伸展过程中可以伴随岩浆侵入所产生的膨胀作用。简单剪切几何模型中，发育有贯穿整个岩石圈并一直延伸到软流圈内低角度滑脱断层，将岩石圈分为上下两部分，即上盘和下盘，下岩石圈的减薄沿滑脱面发生转移，因此表示岩石圈伸展作用的横剖面是极不对称的形状。上地壳破裂带张性异地岩体重要的上地壳扩展界限差异剪切带莫霍面枢纽带大陆简单剪切伸展模式图（Wernicke，1981）Βml-岩石圈地幔伸展系数，Βc-地壳伸展系数G.P.Eaton(1980)提出了大陆地壳分层伸展模式，其基本思想是：地壳（或岩石圈）伸展构造是分层次的，其二是不同层次的地壳或岩石圈的伸展变形方式不同。例如，浅层次可以是简单剪切，深层次可以是纯剪切。

大陆地壳分层伸展模式图（Eaton，1980）G.S.Lister等（1991）认为拆离断层可以是低角度正断层或坡坪式正断层，并且认为拆离正断层可以以低角度倾斜切穿整个岩石圈，也可以在地壳中的韧性层中滑脱。据此，提出了岩石圈拆离伸展的五种伸展模式。

大陆伸展模式（Lister等，1991）三、裂陷盆地板块构造环境分类裂陷盆地的板块构造环境分类1、与板内裂陷作用有关的裂陷盆地（1）伸展型拗陷盆地（2）陆内宽裂陷盆地（拆离断层上的伸展盆地）（3）陆内窄裂陷盆地（裂谷）2、与大陆裂开和板块离散运动有关的裂陷盆地（4）陆间裂谷（5）衰退裂谷（拗拉槽）（6）新生大洋盆地（大洋中脊）（7）被动大陆边缘（陆阶和陆隆或陆堤）3、与板块俯冲作用有关的盆地（8）弧内（裂陷）盆地（9）弧后（裂陷）盆地和弧间（裂陷）盆地4、与大陆板块碰撞作用有关的裂陷盆地（10）撞击裂谷1）与板内裂陷作用有关的盆地大陆板块内部的三种裂陷盆地的剖面结构大陆内初始裂谷大陆间裂谷2）与大陆裂开和板块离散运动有关的盆地三叉裂谷系示意图（Einsele，1992）3）与板块俯冲作用有关的裂陷盆地（1）（2）与B型俯冲有关的裂陷盆地4）与大陆碰撞有关的裂陷盆地岩石圈伸展与裂陷盆地演化示意图（Allen等，1990）与滑移线场有关的盆地正断层的几何学和运动学组合类型（据Wernickeetal.,1982）类型构造（断层和岩层）运动学断层面形态非旋转类岩层面和断层面均不旋转平面式旋转类岩层面（上盘）旋转而断层面不旋转铲式断层面和岩层面（上盘和下盘）均旋转平面式或铲式四、裂陷盆地构造特征裂陷盆地正断层形态及组合正断层剖面组合基本样式复杂样式非旋转平面式正断层控制的地堑—地垒系统多米诺式正断层控制的半地堑系铲式正断层控制的半地堑系统坡坪式正断层控制的复式半地堑系统裂陷盆地基本结构类型裂陷盆地中的变换构造：

变换构造是调节主干断层位移大小和极性的断层或构造带。变换带三种主要的变换带构造示意图传递断层裂陷盆地主干边界断层及断陷构造的平面展布的几种型式（a）线性和平行式；（b）侧列式；（c）雁列式；（d）锯齿状；（e）狗腿式；（f）分叉式Morley（1990）提出的变换带构造分类图1－伸展（正）断层及其末端；2－地层倾斜方向；3－传递带位置；4－传递断层裂陷盆地伸展断层位移传递方式与变换构造裂陷盆地的沉降曲线：成下凹型、两段式；早期曲线陡、直、延伸短、斜率大，沉降速率快，晚期曲线平缓、延伸长、斜率小，沉降速率成指数衰减。前期代表地幔上隆，称裂陷阶段沉降、裂谷阶段沉降或初始沉降；后段代表裂陷伸展后，地幔隆起的热收缩松弛引起的地壳缓慢下沉，称为后裂陷阶段沉降（后裂谷阶段沉降）或热沉降。1、大陆裂谷-陆间裂谷-新生大洋盆地埃塞俄比亚-红海-亚丁湾三叉裂谷系五、裂陷盆地演化红海裂谷亚丁裂谷埃塞俄比亚埃塞俄比亚裂谷：E1-2,穹隆；E3－N,裂陷。红海裂谷：E为隆起阶段，E晚期和N为裂陷。上新世晚期出现新洋壳（同位素年龄为3.5Ma），并一直扩张到现在，已与印度洋的carsberg中脊相连。东非裂谷带在东非－阿拉伯裂谷带系统中的位置。该裂谷带系统包括：东阿拉伯裂谷（1）；苏伊士裂谷（2）；红海裂谷（3）；亚丁裂谷（4）；埃塞阿比亚裂谷（5）；东非裂谷系（虚线框内），包括东西两条分支，分别从东、西两侧绕过维多利亚湖。东支包括肯尼亚裂谷（6）、埃塞俄比亚裂谷；西支包括坦噶尼喀裂谷（7）和鲁夸－尼亚萨裂谷（8）2、大陆裂谷-衰退裂谷-拗拉槽晚元古代－中寒武世晚寒武世－早泥盆世晚泥盆世－密西西比纪宾夕法尼亚纪－二叠纪阿克拉荷马拗拉槽构造过程3、大陆裂谷-被动大陆边缘巴西东部被动大陆边缘盆地演化可分为裂谷前克拉通阶段、陆内裂谷阶段、过渡阶段和被动大陆边缘阶段。克拉通盆地阶段（Pre-K）早白垩世尼欧可姆期为断陷盆地，5000余米碎屑岩沉积早白垩世阿普第期为过渡阶段，新生洋壳的扩张。发育蒸发岩层系。生储盖层发育。断陷过渡被动大陆边缘早白垩世晚期后为被动大陆边缘阶段，包括浅水台地型边缘海和开阔边缘海的演化。大西洋裂开和海底扩张的早期，巴西大陆边缘沉积砂、页岩，然后是台地碳酸盐岩沉积，后者构成良好的储集层。细粗粒砂岩以浊流方式沉积在深水中，由于区域性向东倾斜和下沉，大陆供给的大量沉积物产生前积作用，形成厚的碎屑物楔状体。深水粗-细砂岩和粉砂岩构成最好的储集层，而相邻的页岩是生油岩，石油地质配置良好4、大陆裂谷或裂陷盆地-大陆内坳陷盆地东欧地台上的中俄罗斯盆地、西西伯利亚盆地，北美地台上的密歇根盆地、北海盆地和我国的松辽、渤海湾盆地。

大陆内裂谷－坳陷（陆向斜）各个阶段的发育示意图Ⅰ－裂谷期；Ⅱ－早期台向斜期；Ⅲ－晚期台向斜期；Ⅳ－侵蚀回返期。1－陆相碎屑岩及火山岩；2－陆源碎屑岩－陆相沉积；3－陆源碎屑岩、碳酸盐岩、蒸发岩沉积；4－陆源碎屑岩；5－基底实例一：中俄罗斯盆地中俄罗斯盆地晚元古代早中、期（里菲期）为大陆内裂谷，晚元古代晚期（温德期）至泥盆-石炭纪为大陆内坳陷盆地，演化如下：⑴陆内裂谷阶段：陆相碎屑岩并有火山活动。⑵大陆内坳陷早期阶段：特征是强烈下凹，海进相地层广泛发育，并形成地台盖层，形成巨厚的陆源砂-粘土质岩石以及碳酸盐岩，包含主要的生油和储油层系⑶大陆内坳陷晚期阶段，其特征为上升作用超过下拗作用，有广泛的海退沉积，包括碳酸盐岩-蒸发岩集陆相碎屑岩-含煤层系。实例2：松辽盆地松辽盆地是一个在前古生代和古生代两套变质基底上发育的侏罗纪－早白垩世大陆内部裂陷盆地，晚白垩世成为大陆内部拗陷盆地。大致经历了四个演化阶段，即T-J2的热隆张裂阶段、J3-K1裂陷阶段，K2拗陷阶段、E-Q萎缩阶段。松辽盆地在拗陷阶段发育良好的生储盖组合。由于盆地沉降速率大于沉积速率，湖盆中部发育了很好的烃源岩。而向湖盆推进的三角洲砂体成为良好的储层。盆地构造反转（K晚期）形成大型构造圈闭，如大庆长垣。

松辽盆地构造演化过程渤海湾盆地区域构造轮廓简图实例三：渤海湾盆地渤海湾新生代盆地在剖面上可以分解为三个层次（1）由前第三系组成的盆地基底；（2）由古近系（下第三系）组成的下沉积盖层（裂陷阶段）；（3）由新近系（上第三系）和第四系组成的盆地上部沉积盖层（拗陷，碟状盆地）。

渤海湾盆地演化：古新世以前为基底形成阶段；古新世-渐新世早期为裂陷阶段；渐新世晚期为裂陷叠加右旋扭动。新近纪为拗陷阶段。渤海湾盆地新生代盆地地层层序及构造演化简表东濮盆地区域构造位置东濮凹陷连锁断层系统演化5、大陆裂陷盆地-伸展造山带

大陆裂陷盆地，特别是发育在拆离断层上盘的裂陷盆地发展到一定程度后，裂陷边缘的主干断层的大规模伸展位移可能使下盘在均衡作用下隆升，使地壳深部由于伸展作用形成的“变质核杂岩”露出地表，成为伸展造山带，其隆升与卸载和地壳深部花岗岩侵入导致的地壳均衡有关。美国西部科迪勒拉“盆岭区”就是裂陷盆地演化成为伸展造山带的实例。

变质核杂岩的形成过程（Lister和Davis,1989）6、与俯冲作用有关的弧间-弧后裂陷盆地及演化

弧后裂谷形成过程（Karig,1971）弧后裂陷盆地形成机制的各种解释模式（Tamaki和Honza,1991）六、影响裂陷盆地演化的因素Morley(1989)认为，大陆岩石圈发生裂陷作用后朝着什么方向发展与大陆岩石圈内部是否发育大规模拆离断层有关。(1)大陆裂谷－陆间裂谷－新生洋壳途径演化，其中新生大洋盆地边缘部分也是按照大陆裂谷－被动大陆边缘演化；(2)裂陷盆地－伸展造山带。

大陆裂陷盆地演化方向示意图（Morley，1989）Kusznir等（1987）认为，大陆地壳或岩石圈持续伸展情况下，裂陷盆地向何方向演化与其伸展应变速率及地壳组成有很大关系。在高应变速率下，可能导致裂陷作用在窄的范围内进行，并使大陆裂陷盆地向陆间裂谷－大洋裂谷方向演化；低应变速率伸展则可能导致在更广阔的地壳范围内发生裂陷，并出现低角度或近水平的拆离断层，使大陆裂陷作用继续在大陆地壳内演化，形成一系列的拆离断层上盘的裂陷盆地或演化成为伸展造山带。

高应变速率大陆裂陷盆地演化与伸展速率关系示意图（Kusznir等，1987）Buck（1991）根据已知的不同大陆裂陷盆地的地壳热结构和热流等特征，提出了三种大陆裂陷伸展模式并进行了数值模拟。当地壳厚度较大（约60km）、热流密度较高（约100mW/m2）时，岩石圈伸展速率较慢（约1－2cm/a），上地壳的伸展集中在较窄的范围内，下地壳和上地幔部分的伸展范围比上地壳更宽广，出现“核杂岩模式”的裂陷。