中国中部盆山耦合的构造背景与形成机制

中国中部盆山耦合的构造背景与形成机制

“盆地”和“山脉”的耦合效应是中国地质学者在理论和实践中首次提出的含油气盆地研究的新理论。它是对地球形成和发展的一个窗口，也是油气勘探的一个前沿热点。贾承造等已对中西部前陆盆地的特征进行了总结。中国内地中西部地区在空间上受控于北部古亚洲构造域、西部特提斯洋构造域和东部太平洋构造域的共同作用,与典型前陆盆地相比,中西部的陆内前陆盆地基底结构十分复杂,具有多阶段演化、多成因类型的特点。中西部前陆盆地的发育常与下伏大陆边缘岩石圈的时代和厚度有关,形成典型的冲断造山带与前陆盆地耦合的实例,如塔里木盆地、准噶尔盆地与南、北天山造山带的耦合,四川盆地与龙门山造山带的耦合等。与西部前陆盆地不同的是,中部前陆盆地受到的构造变形时间较持久,喜马拉雅期挤压强度较弱,属于改造型前陆盆地,造成逆冲构造分带性较差和构造变形复杂等特点。本文从盆山耦合的角度深入分析中部重点前陆盆地的形成演化机制,为我国中部地区的油气勘探提供理论依据。1盆地基底及构造背景中部地区前陆盆地主要指川西前陆盆地和鄂尔多斯盆地西缘前陆盆地。川西前陆盆地是指侏罗纪以来的四川盆地的西部地区,相当于四川盆地构造分区中的西部断褶带,处于扬子地块西北缘、龙门山造山带以东(图1)。四川盆地的基底由前震旦系深变质岩系及侵入岩体组成。岩性为绿泥石片岩、石英绿片岩及变质砂岩,其原岩为一套火山岩、火山碎屑岩、碎屑岩及碳酸盐岩。该区经历了晚三叠世龙门山前陆盆地与侏罗纪至今的陆内沉积盆地两大构造演化发展阶段,沉积地层厚度巨大,现今最厚处达6000m以上。鄂尔多斯盆地西缘地区,系指贺兰山、六盘山以东,天环拗陷以西,北起桌子山,南达平凉的狭长地区,主体呈南北向展布。鄂尔多斯盆地具有双层结构,基底由太古界及早元古界的变质岩构成,在盆地西部地区为浅变质岩,时代为早元古代,南部为深—中度变质岩,时代为太古代至中元古代。盆地西缘邻区的构造结构较为复杂,为一系列小型盆地和不同类型的山系所环绕(图2)。2吕内前陆盆地分析中国中部前陆盆地具有多期叠加演化的特征,一般由3个阶段的盆地叠置而成。2.1晚三叠纪—早期前陆拗陷盆地中部前陆盆地发育的早期阶段,主要在晚三叠世,扬子陆块和华北陆块碰撞、拼合,华北和扬子被动陆缘多被破坏,前陆盆地最下层发育断陷或早期前陆拗陷盆地。早震旦世四川盆地为一套巨厚的以陆相喷发为特征的火山岩、火山碎屑岩和陆相冲积扇岩石组合,主要产出于裂陷槽中,为断裂所控制。晚震旦世始,该区进入一个相当长的稳定发展阶段,总体上为一个持续沉降的台地碳酸盐岩、碎屑岩沉积组合,构造格局以隆拗为特征。从石炭—二叠纪开始,扬子地块泛大陆裂解,在扬子地块西缘发育一系列伸展断层,并出现深海-半深海放射虫硅质岩及复理石沉积。晚二叠世开始至三叠纪,第一阶段开启的金沙江及理塘洋盆相继闭合,形成残留的蛇绿混杂岩,大洋岩石圈向西俯冲到羌塘-昌都陆块之下,同时形成江达火山弧。随着羌塘地块同扬子地块的碰撞,在川西形成残留盆地和弧前盆地,并相继出现早期前陆盆地,沉积了巨厚的康西群复理石沉积楔,具有海底浊积扇性质。中元古代,华北克拉通裂谷活动非常普遍,鄂尔多斯盆地处于秦祁贺三叉裂谷早期阶段。秦祁大洋裂谷边缘六盘山一带,该时期为一被动大陆边缘,地层厚度向西南增加。北部的贺兰拗拉槽是此三叉裂谷的夭折谷。晚古生代,研究区属于华北克拉通盆地西缘,虽属于同一盆地但它更多受祁连海槽和秦岭海槽影响,在石炭纪就沉积了厚度达3000余米的沉积物。此时为潮坪—障壁岛沉积体系,海湾—泻湖沉积体系和磨拉石沉积建造。它反映了该区在晚古生代也处于构造活动带上。直到二叠纪早期,华北克拉通盆地受秦岭海槽的影响,二叠纪海水逐渐从该西缘地区退出。随着海西构造旋回的结束,整个鄂尔多斯盆地结束了南北对挤应力场的历史,进入印支构造旋回发展阶段。二叠纪—三叠纪转化为陆相沉积。中晚三叠世的印支运动使晚古生代—中生代地层普遍发生褶皱和断裂。2.2晚三叠世盆地沉积期e前陆盆地演化与冲断—褶皱带的形成呈现为幕式造山作用与造盆作用的连续过程。川西前陆盆地的形成和演化与西侧的龙门山冲断—褶皱带息息相关。从晚三叠世初的印支期构造活动开始,随着龙门山褶皱冲断带的形成,结束了海相沉积的历史,开始陆相磨拉石盆地发育阶段。伴随着构造活动期与平静期的周期发展,在山前形成了一套粗细交替的碎屑沉积,川西进入前陆盆地演化阶段。印支运动使四川盆地西部出现了一个明显的北东向拗陷区,其剥蚀程度最小,这是川西前陆盆地的雏形。从T1331至T2332,川西地区由残留洋盆转化为前陆复理石盆地。从T3333至K1,晚三叠世须家河中晚期,龙门山冲断带隆升,前陆磨拉石盆地开始形成,充填4000~6000m滨浅湖—三角洲—河流相沉积,其中湖泽相的煤系源岩为川西前陆盆地气藏的主力源岩。中生代的印支运动造成鄂尔多斯盆地东抬西降,盆地东部地层隆起并遭受剥蚀,由西缘向东部剥蚀幅度增大,古地貌也由西向东倾斜,造成侏罗系与三叠系间的不整合接触。晚侏罗世中期的燕山运动在本区活动强烈,主要表现为西缘逆冲推覆构造的形成,形成了晚侏罗世西北部及西部地区广泛发育粗碎屑的河流冲积扇沉积,中东部地区缺失芬芳河组沉积及前期地层遭受剥蚀的古地理格局(图3(a))。沉降中心也向东移到桌子山至马家滩断裂的东侧,成为逆冲带的前渊堆积,造成大部分地区的侏罗系与白垩系之间高角度不整合接触,形成“古脊”,该古脊梁使六盘山盆地和鄂尔多斯盆地分开,白垩纪晚期,鄂尔多斯盆地西缘构造格局基本定型,陆内前陆盆地形成。从该时期的构造演化过程认为,随着逆冲带向前陆方向发展,前缘拗陷随之东移,并且晚期的冲断构造卷入了前期的沉积地层。从前积层获得的古流向为从西向东,沉积物粒度从西向东由粗变细,厚度由大变小。2.3后陆盆地周缘断陷盆地构造格局的改变及演化趋势中部前陆盆地的演化过程十分复杂,一般受到多期构造运动的影响,尤其是喜马拉雅运动晚期,对前陆盆地的形成和改造都有重要的作用。喜马拉雅晚期运动强烈,使造山带“复活”,出现再生前陆盆地,山前拗陷堆积巨厚的磨拉石沉积,使前陆盆地深埋。早第三纪末是川西前陆盆地的改造期,始新世中期构造运动强烈,前陆盆地全面隆升而遭受大幅剥蚀,原印支期、燕山期的构造行迹被强烈改造而不明显。整个前陆盆地周缘造山带进一步隆升,龙门山链中基底杂岩体大规模推覆上隆,构造格局基本形成,四川盆地最终定型。燕山期由于冈瓦纳地块群与扬子地块群的碰撞和叠置,进一步形成由西向东和由北向南的滑脱现象,前者主要形成龙门山前陆飞来峰群,后者主要形成盐源飞来峰群,同时使磨拉石盆地产生轻微变形,形成平缓的断滑褶皱,并出现滞后正断层。因此,前陆盆地是后陷盆地演化序列中的一幕。新生代以来,鄂尔多斯西缘地区主要受青藏地块向ENE方向的强烈挤压作用,盆地的构造应力场发生变化,受印度板块与欧亚板块的碰撞挤压,鄂尔多斯盆地周缘断陷盆地均为剪切拉张带。逆冲推覆作用继续发展,在六盘山盆地和沙井子—平凉一带逆冲断层持续发育;在西缘北部,发育右旋剪切拉张性质的银川地堑,其内新生界厚达2000m。由于西缘处于区域挤压应力场中,以造山带持续隆升为主,但构造作用明显减弱。第三纪,西缘普遍发生较大幅度的角度不整合。晚第三纪六盘山地区隆起,促使其东缘中生代东隆西拗背景下发育的西部拗陷带进一步沉降,并与中部具前陆盆地结构的地区(马家滩地区)相连。直至此时,鄂尔多斯盆地西缘才出现了南北向展布,延伸较长,相对较为完整,但内部仍为分割明显的前陆盆地结构。3区域构造背景盆山耦合作用中,山脉的构造演化对盆地的沉降与沉积充填有强烈的控制作用,盆地本身的发展也对山脉的隆升与侵蚀施加影响。相对西部前陆盆地分别受到特提斯洋域和古亚洲洋域的影响,中部前陆盆地属特提斯洋域,因此造山作用明显不同,只经过一次明显的前陆盆地的演化阶段。从挤压造山带类型和前陆盆地类型组合分析,中国中部前陆盆地应属大陆碰撞造山带和周缘前陆盆地类型。3.1龙门山前陆薄皮构造演化造山带构造楔推进作用构成前陆盆地沉降、沉积和褶皱—冲断带发育的动力,造山带的推覆构造与滑覆构造则构成耦合机制的枢纽带。造山带的推覆构造可以分为两类:(1)厚皮构造,为韧性变形产生的褶皱推覆体,进一步发育冲断作用和推覆构造(图4);(2)薄皮构造,主要在造山带前缘,由于脆性冲断作用,在冲断层断坡带或前锋带产生相关褶皱。滑覆构造则由于造山带隆升和重力扩展所引起,常发育后展式冲断带和后缘的伸展断层,因此造山带的发育控制前陆盆地中盆地结构、沉积层序与构造样式等。随着大陆地壳的进一步收缩,在被动大陆边缘枢纽线附近形成龙门山叠瓦冲断带,上地壳大量缩短产生了区域性滑脱面,同时碳酸盐岩和陆源碎屑沉积盖层冲断叠置,形成龙门山前陆薄皮构造及前陆磨拉石盆地。龙门山褶皱冲断带主要由一系列逆冲岩片和推覆体组成。这些逆冲岩片和推覆体的主导运动方向表现为自北西向南东逆冲推覆于扬子克拉通之上。冲断—褶皱带活动所产生的构造负荷,3.2晚三叠世至晚侏罗世从晚三叠世到早白垩世,在特提斯板块与欧亚板块的碰撞挤压下,四川盆地和鄂尔多斯盆地西部开始发生逆冲推覆,形成了三期逆冲造山作用和盆山耦合的磨拉石盆地。华北板块与扬子板块经过陆—弧碰撞以及陆—弧—陆碰撞最终拼合,同时促使龙门山裂陷槽与贺兰山拗拉槽反转成山,在印支晚期形成秦岭造山带与南北两侧川西前陆盆地与鄂尔多斯前陆盆地的耦合格局。中部前陆盆地的岩相变化为深海—浅海—陆相,沉积呈现为硅质页岩—复理石—磨拉石三段式。中生代晚三叠世时在甘孜-松潘盆地为浅海-深海复理石相,在四川盆地西部和鄂尔多斯盆地西南和西北部都为磨拉石相[23,33,34,35,36,37],平均沉积厚度为2000~3500m。侏罗纪开始,由于川西龙门山造山带的隆升,构造冲断抬升和构造楔形加积所产生的重荷造成基底弯曲,在山前发育了典型的磨拉石沉积,盆内广泛分布,厚达3500~4900m。鄂尔多斯盆地早—中侏罗世由于盆地整体抬升达到准平原化,没有明显的沉积和沉降中心,此时,水体变浅,以河流、湖泊和沼泽相为主,是盆地的主要成煤期。晚侏罗世的燕山运动Ⅱ幕在本区活动强烈,盆地西拗东翘,西缘逆冲推覆构造发育,造山带快速隆升,西缘广泛发育磨拉石建造(图3(a))。第三期盆山耦合格局出现在白垩纪,由于燕山Ⅲ幕的影响,龙门山冲断层的活动强烈,川西前陆地区沉积了一套红色磨拉石的冲积扇—辫状河流相的砾岩、砂砾岩、砂岩及泥岩沉积,冲积扇的发育与造山带的迁移有着密切的关系。盆地在横剖面上表现为靠近冲断带一侧沉降幅度大、沉积厚度大,而向台地方向均变小(图6),横向上由冲积扇相变为河湖相。早白垩世鄂尔多斯盆地整体沉降,西缘发育盆地边缘相沉积(图3(b)),厚度最大可达1400m的,向东部、南部逐渐变薄。沉降中心呈南北向,与其沉积中心位置吻