多旋回叠合盆地的形成与演化

多旋回叠合盆地的形成与演化

中国许多沉积物盆地的地球动力学进化历史悠久。中国古代地质学对其形成、发育和地质结构类型进行了长期有效的探索。关于盆地结构类型的研究[1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12和13]。随着中国中西部地区及南方海相沉积区大规模油气勘探的深化,对中国盆地发育的地球动力学环境、形成演化过程及其对油气地质条件的制约作用的研究正在日益深入。近年来,“叠合盆地”一词在国内有关盆地的学术会议与大量文献中频繁出现,但不同学者对其概念的理解差异较大,给学术交流、盆地研究与勘探实践带来诸多不便。鉴于此,本文着重讨论“叠合盆地”概念的由来、内涵与外延及与其相似概念的区别。1“叠加盆地”概念的背景1.1盆地历史演变与盆地结构的构造古地理控制地质学家早已熟知,地壳运动是多阶段的。李四光(1941)认为“构造体系经历了复杂的发展过程,并且有明显的阶段性”;黄汲清(1945)提出了地壳运动的多旋回构造说;陈国达(1959)认为“地槽、地台、地台活化区(地洼)是大地构造的三大单元,地壳动‘定’转化递进”,表现出地壳发展的多阶段性;张文佑(1958)认为“断块边界一般都是多旋回活动,断块固结后还可以再活化、开裂或拼合”;张伯声(1959)认为“波浪状镶嵌构造在地史中永远是变化发展的,地壳波浪运动时速时缓,因而地壳运动呈现阶段性”。刘鸿允编的《中国古地理图》(1950)和王鸿祯编的《中国古地理图集》(1985)再现了中国地壳从中元古代至第四纪的构造发展与地理演变,核心观点是“全球构造活动论与构造发展的阶段论”。沉积盆地是地壳的基本构造单元之一,在应用“地壳运动的多阶段性”观点研究沉积盆地时,必然意识到“盆地呈多阶段发展”。朱夏等老一辈石油地质学家曾提出研究盆地的“活动论构造历史观”[1,21,22,23,24,25],认为中国古生代盆地与中、新生代盆地分属两个地质历史阶段,是与两种全球热-构造运动体制(古生代的槽-台体制,中、新生代的板块体制)相联系的两套沉积盆地。这些古生代与中、新生代盆地原型在大部分地区彼此“叠加”,这种叠加不是一般沉积上的“复合”,而是通过构造格局重大变化而复杂联系的。朱夏提出的“盆地运动体制”概念奠定了“多旋回盆地”或“叠合盆地”概念的立论基础。地壳的运动体制随着地质历史的发展而改变,而每一个历史阶段的运动体制“决定于愈来愈深的地球内部物质的运动”,即盆地的热体制与构造体制。热-构造体制变化将导致盆地的形成环境、沉降机制、沉积充填、变形样式等发生一系列变化,出现的新的沉积盆地实体可能继承前期盆地的某些特点,但更多的可能是新生成分。因此,运动体制的演变及变革是出现新的盆地类型及产生盆地相互叠加现象的根源。1.2环太平洋构造域中国大陆地处西伯利亚(以及后来的劳亚)与冈瓦纳大陆之间的转换构造域,由包容在几个巨型造山带之间的华北、扬子、华南、塔里木等小陆块及众多的微陆块拼合而成,由早到晚依次受阿帕拉契亚—古亚洲洋(劳亚洋)、特提斯—古太平洋、印度洋—太平洋三大动力体系的控制。中国北部属古亚洲洋构造域,南部为特提斯构造域,东部为环太平洋构造域。由于三大动力体系在时间、空间上的叠加、复合或干涉,在华北、东北地区,环太平洋构造域叠加在古亚洲洋构造域之上;在天山—贝加尔带及昆仑—祁连—北秦岭带等地,特提斯构造域叠加在古亚洲洋构造域之上;在华南、南海地区,特提斯构造域叠加在环太平洋构造域之上。中国的沉积盆地发育在上述陆块内部及其边缘,在不同的动力体系作用时期,不同地区相叠置盆地的发育阶段或范围存在明显变化,多旋回演化的结果是产生了复杂多变的“多旋回叠合盆地”。任纪舜等从全球动力学及控制沉积盆地形成的大地构造环境的角度,指出中国大陆在海西造山旋回之后发育了4个阶段(P2—T2、T3—J、J3—K1与K2—Q)的沉积盆地,由于上述三大动力体系的叠加与复合,这些盆地在地质结构上相叠置,例如准噶尔、吐哈、塔里木、柴达木、鄂尔多斯、四川、苏北-南黄海等盆地就具有典型的叠加地质结构。2“叠加盆地”的定义2.1复合构造运动学cortrate在现代汉语中,“叠”是一层摞在另一层上的意思,即重叠,“合”是几个单元拼在一起的意思,即组合、集合,“叠合”就是“不同单元在空间上的组合或拼合”。在英文中,congruence(适合,一致,合并,叠合)、folding(折叠,叠合)与superposition(重叠,重合,叠合)都有“叠合”的意思,其中superposition意为“theestablishment,originallyonacoverofrocksnowremovedbyerosion,ofastreamordrainagesystemonexistingunderlyingrocksindependentlyoftheirstructures”,更接近“叠合”的本意。与“叠合”意义相近的另一个词是“复合”(composite)或“复合作用”(compositeaction),但后者更多地强调“合成”、“综合”,是“由两个以上不同个体组成的结合的作法”。在这个意义上,“叠合”的“合”具有“复合”的涵义。地质学中的“叠合”(superimposition)是一个沉积学的概念,原意是指一条河流或河流体系在正受侵蚀的岩石表面上形成,它发育在下伏岩石之上,但与下伏岩石的构造无关。早在1877年Gilbert就识别出3种叠合作用:在沉积物不整合面上的,在冲积层表面上的,在夷平面上的。现今的“叠合”概念不仅指沉积物或沉积体系的叠置,也有构造地质学中“运动”叠加的涵义。“叠加构造或构造叠加”(superpositionofstructure)指“晚期构造叠加在早期构造之上的复杂构造”。“构造复合”(compoundingofstructures)和“构造联合”(conjunctionofstructures)是来自地质力学的概念,前者指“同一个地区中,不同的构造体系的各种构造成分或同一构造体系中的不同构造成分互相干扰或联合的现象;构造复合的构造体系可以是同期的,也可以是不同期的”,后者指两种不同方向的构造力联合作用所形成的构造现象。复合现象常见的有归并、交接、包容与重叠等。2.2盆地叠加和重叠盆地的含义2.2.1不同类型盆地的组合根据前面的讨论,相应于盆地发展的某一个阶段(相当于一个构造层的形成时间),有相对稳定的大地构造环境(如构造背景与深部热体制),有某种占主导地位的沉降机制,有一套沉积充填组合,有一个确定的盆地边界(虽然此边界常常难以恢复),这样的盆地实体可以称作该阶段的“盆地原型”(prototype)或“原型盆地”。由于地域广大或地球动力学边界条件发生了变化,在“同一阶段”可能会发生原型盆地的“复合”,在复合接合部位,不同类型的原型盆地相互迁就,彼此调整,往往形成更为有利的油气运聚条件。例如同一类型原型盆地的组合,渤海湾地区古近纪出现独立断陷盆地的组合或半地堑盆地的组合;西北地区新近纪一些山间盆地为不同方向的前陆挠曲盆地的组合。再如不同类型原型盆地的组合,古生代的克拉通地区可以出现克拉通内坳陷与克拉通边缘坳陷盆地的组合;在不同的动力边界条件下,当挤压逆冲断层、拉张正断层或走滑断层同时成为大盆地的边界时,盆地一侧为挤压性质的盆地(如前陆盆地),另一侧为伸展性质的盆地(如断陷或坳陷盆地),它们在平面上共生组合,既对立又统一,受控于地球动力学环境的联合作用;此外,走滑盆地(如拉分盆地)也常和伸展盆地与挤压盆地相复合。由同一世代两个或两个以上的原型盆地“复合”构成的统一沉降实体,有学者称其为盆地原型的“并列”。2.2.2盆地叠合界面一个阶段的原型盆地是一个结构单元,盆地整体就是这些结构单元通过某种(些)动力学方式的空间组合。前一阶段的原型盆地构成后一阶段盆地发展的基础,在新的构造动力体制下,它部分被继承,也在新生;但更为明显的是前一阶段的原型盆地(包括原型盆地的复合体)被后一阶段新的原型盆地所取代,不但发生了沉积实体的上叠,也发生了运动的叠加,出现“沧桑巨变”。本文把“不同阶段之间的盆地在纵向上的组合关系”称之为“盆地的叠合”,它的发生完全是由于盆地的热-构造体制发生了根本性变化。盆地的叠合界面常是区域性不整合面,代表着大区域范围内的伸展体制与挤压体制或剪切体制之间的转换。该界面所代表的地质时期(例如剥蚀时期)往往发生盆-山格局的变化,其前后的盆地结构类型、深部动力学过程、热体制和盆地边界截然不同,可将这一时期称为关键构造变革期。中国的克拉通地块面积小,又处在三大动力体系作用范围内,各地块遭受的伸展和挤压(或剪切)事件频繁,多次发生开-合转换,故常出现多个叠加界面。例如,塔里木盆地在震旦系底部、志留系底部、石炭系底部、三叠系底部、侏罗系底部、第三系底部发育6期重要的区域不整合面,贾承造等据此将塔里木盆地的演化划分为前震旦纪基底形成阶段、震旦纪—奥陶纪克拉通边缘坳拉槽阶段、志留纪—石炭纪克拉通内坳陷阶段、二叠纪克拉通内裂谷盆地阶段、侏罗纪—古近纪陆内坳陷阶段与新近纪—第四纪复合前陆盆地阶段等7个阶段;童晓光认为塔里木盆地“由不同性质的原型盆地拼合而成,到新第三纪才逐步统一”。构造运动性质显著的阶段性和平面上巨大的差异性,造就了塔里木盆地地质结构的分层性和分区性。2.2.3盆地群的演变及其对盆地演化的控制不同学者根据自己所研究的盆地特征和对“叠合”概念的理解,给出了不同的“叠合盆地”定义[4,5,7,34,35,36,37,38]。根据前面对原型盆地复合与叠合现象的讨论,本文对叠合盆地的定义是:经历了多阶段运动体制(包括构造体制与热体制)的变革,不同阶段的原型盆地发生叠合而形成的具有叠加地质结构的盆地。其涵义是:①经历了多个不同动力学性质的阶段,不同阶段的热-构造体制发生了根本性变化。②同一阶段的原型盆地可以是一个,也可以是多个性质相同或性质不同的原型盆地的复合体。③不同阶段的原型盆地相叠置,既有对前期原型盆地的继承,又有新的原型盆地的新生,它们的盆地类型、地质结构、边界等都有很大不同。④由于地壳的地球动力学演化具有旋回性,例如出现伸展-聚敛或开-合旋回,盆地的动力学发展也因此呈现旋回性,表现为螺旋式上升过程。在某一伸展时期形成断陷或被动大陆边缘盆地,而在随后的聚敛时期形成沟-弧-盆体系或前陆盆地体系;当演化进入新的伸展-聚敛旋回时,虽然可能再次形成相似的盆地类型,但盆地的基底、范围、沉积充填、沉降机制等已发生明显变化。⑤因动力学条件的变更,原型盆地之间的叠合在叠加的方位、范围、动力方式、几何学样式等方面都有多种变化。不同阶段之间、不同盆地之间并没有一致的叠合模式,既可能出现埋藏、继承等建设性事件,也可能出现褶皱、断裂、隆升剥蚀等破坏性事件。⑥一个盆地若只经历了两个阶段的成盆演化,其叠加地质结构通常比较清楚,可称为简单的“叠合盆地”;若经历了两个以上阶段的动力学叠加作用,其结构往往较复杂,可称为复杂的“叠合盆地”。但经历了多阶段演化的盆地也可能始终处于相对稳定的构造环境,地质结构仍较简单。如张福礼认为鄂尔多斯盆地是经历多次构造变动由多个原型盆地复合而成的叠合盆地,与长期以来认为该盆地是“克拉通边缘陆内复合盆地,具多旋回成油组合”的观点较为一致。⑦叠合盆地并非是原型盆地的简单累加,在新的运动体制下,不但出现新的原型盆地,也有对前期盆地的继承与改造,从而出现既不同于下伏盆地也不同于上覆盆地的崭新的地质结构。从油气地质条件来看,不但在叠合界面之上多形成了一套储盖组合,而且将出现单个“原型盆地”中不可能出现的多种成藏模式,如古生新储、新生古储、下生上储,等等。与叠合盆地相似的一个概念是Kingston的“多期演化盆地”或“多期历史盆地”(poly-historybasin),也有学者译作“多旋回盆地”。Kingston的初始分类是针对一个“(盆地)旋回”的,每一旋回相当于一个构造层,在时间上与“一个盆地阶段”相当,盆地整体由“盆地旋回”组合而成。他考虑的要素包括沉积旋回或层序、形成盆地旋回的构造(基底、板块运动类型和方式、板内和板缘位置)和改造盆地的构造。国内研究者分析“某一阶段的原型盆地”时大多采用“每一旋回的盆地鉴别方法”。限于当时的研究程度,Kingston(1983)对“不同旋回的盆地”组合或“叠合”成“统一的盆地”的动力学方式或过程讨论不多。Shannon和Naylor(1989)提出了类似的概念,他们先根据盆地的构造位置与成因划分出7种基本类型盆地,再将它们进一步组合成多期的(poly-history)或复合(composite)的盆地。Kleinsphehn(1988)提出了“叠覆盆地”(superposedbasin)或“拼接盆地”(collegebasin)的概念,指的是“英属哥伦比亚拼接碰撞缝合带内发育的盆地”,此概念应用不广。3重叠风格和重叠盆地类型3.1盆地叠合演化中的断陷-提出了“叠合”不同学者对“叠合样式”的理解存在的较大差异源于对“叠合盆地”概念理解的差异。笔者对“叠合盆地”强调的是“经历了多个阶段的构造演化”,不同阶段之间以“关键构造变革期”为界,每一阶段形成的“构造层”之间为区域性不整合面。同一阶段或同一世代之间的盆地发生转换,例如伸展体制下的断陷盆地向热冷却沉降机制下的坳陷盆地演化,其间不存在构造体制的变革,呈现的“断陷-坳陷”叠加并非真正意义上的“叠合”(除非它们发育在不同阶段,构造体制发生了变化)。张渝昌将(间隔不长的)不同阶段之间盆地类型或性质变化并不十分截然的原型盆地称为“变格原型盆地”。“叠合样式”包括不同运动体制盆地的大尺度世代叠加(运动体制变革层次)和变格原型盆地的小尺度叠加(不同阶段沉降体制变化层次)的几何学与运动学样式。限于对叠合盆地的研究程度,目前总结叠合样式还为时过早。已显现出的叠合样式有:①前陆盆地与被动大陆边缘的叠合,例如塔西南地区、鄂尔多斯西缘、川西地区;②前陆盆地与克拉通内坳陷的叠合,如塔里木盆地东部地区;③前陆盆地与坳陷盆地的叠合,如准噶尔盆地;④前陆盆地与拉分盆地的叠合,如河西走廊带;⑤断陷(负反转构造),如民和、西宁—双吉盆地;⑥断陷与走滑盆地的叠合,如中国东部新生代断陷盆地与中生代走滑盆地的组合。3.2叠合盆地的基本类型目前对叠合盆地动力学类型还缺乏深入研究。黄怀曾等认为叠合盆地类型主要有前陆盆地-克拉通盆地、陆缘裂谷盆地-弧后裂谷盆地、裂谷盆地-走滑盆地、前陆盆地-走滑盆地等。赵文智等依据盆地性质、结构和叠合方式,将中国叠合盆地分为6种基本类型:①前寒武纪克拉通之上的叠合盆地,包括古生代海相—海陆过渡相克拉通盆地与中、新生代陆相前陆—陆内坳陷盆地的继承—延变型叠合盆地(如塔里木、鄂尔多斯、四川盆地)和古生代克拉通盆地与中、新生代裂谷盆地的改造型叠合盆地(如渤海湾、苏北-南黄海、江汉盆地);②海西—印支期褶皱基底之上的叠合盆地,包括前陆(陆内坳陷)继承型叠合盆地(如准噶尔、吐哈盆地)和早期拉分(断陷)与后期再生前陆盆地的延变型叠合盆地(如柴达木、酒泉盆地);③大陆边缘的裂谷—被动陆缘延变型叠合盆地(如东海、珠江口、北部湾、莺-琼盆地)。总体看来,中国的叠合盆地有3种基本类型:前陆-克拉通、断陷-坳陷与克拉通内坳陷。3.2.1多斯西缘等部位①前陆-克拉通被动边缘型叠合盆地(见图1a1)指T3以来的前陆盆地叠加在早期(Pz1或C)被动大陆边缘之上的类型,发育在川西龙门山前、鄂尔多斯西缘等部位。②前陆-克拉通边缘断陷叠合型盆地(见图1a2),主要发育在中、西部山前地区。由于中西部地区侏罗纪处于弱伸展构造环境,古生代造山带与盆地结合部位耦合程度差,受拉张作用易形成断陷,这些断陷在山前呈带状展布,前陆盆地直接叠加在这类断陷之上。③前陆层序-克拉通内坳陷叠合盆地(见图1a3)叠置发育在克拉通内坳陷盆地之上,受控于前陆盆地系统的层序(如隆后坳陷的层序),如塔里木新生代盆地、鄂尔多斯晚三叠世盆地。3.2.2晚中古生代构造格局①断陷-克拉通内坳陷叠合盆地(见图1b1)指新生代断陷叠加在晚古生代(或早古生代)克拉通内坳陷之上。例如西自鄂尔多斯、东至渤海湾地区的华北克拉通,新生代在石炭纪克拉通内坳陷层序之上发育断陷盆地(如渤海湾盆地)。②坳陷-(多期)断陷叠合盆地(见图1b2)为白垩纪—新生代坳陷盆地叠加在侏罗纪火山岩断陷盆地之上,如松辽盆地。③断陷-前陆坳陷叠合盆地(见图1b3),前陆坳陷受先期构造形迹控制,白垩纪断陷则受区域横张作用的影响。例如在河西走廊带,早白垩世断陷(以北东向为主)叠加在(北西向)石炭纪前陆坳陷之上。3.2.3内提出内提出盆地类型的地理位置克拉通坳陷叠合盆地(见图1c)指克拉通内坳陷基本继承发育的盆地类型。不同克拉通层序的坳陷空间范围大体一致,坳陷中心可能出现一定迁移,但盆地成因机制不同。4讨论4.1构造运动的深断裂演化自新元古代Rodinia大陆解体至三叠纪或晚二叠世前Pangaea泛大陆形成,再由Pangaea泛大陆解体直至形成现今的全球构造格局,全球经历了两个由裂解到聚敛的构造巨旋回。第一巨旋回形成了克拉通盆地及以其为基础的叠合盆地,第二巨旋回形成了以前陆盆地与伸展盆地为主要上叠类型的叠合盆地,二者之间的地质时期是全球运动体制的急剧变革期。中国大陆具有古生代构造南北分异和中、新生代构造东西分异的特点。中国东部古生界巨厚岩石圈的减薄始于侏罗纪。郭占谦根据中国地壳的特殊性和地球动力学环境(规模相对较小,四周受挤、构造活跃),认为“中国沉积盆地在侏罗纪前后经历了一个转折,成为两个世代的盆地,并出现了三种变革。前侏罗纪世代的沉积盆地为大洋张开的产物,形成了海相沉积和东西向的构造格局;而侏罗纪以来世代的沉积盆地为大陆裂解的产物,形成了陆相为主的沉积,西部东西向构造格局被加强,东部出现北北东向的构造格局”。以由狼山、六盘山、龙门山及小江断裂构成的中国中部南北向深断裂为界,中国的盆地分为西部新构造运动强烈改造盆地群带与东部盆地群带。前者以昆仑—秦岭一线为界,分为西南侧的特提斯碰撞—走滑区与西北侧的强烈挤压盆地区。后者自西向东被北北东向的嫩江—长治、宜昌—都匀断裂带和依兰—伊通、郯庐断裂带分为中部叠合盆地群带、东部裂谷盆地群带与东部残留盆地群带。中部叠合盆地群带以古生代海相沉积为主,叠合中、新生代陆相沉积,四川盆地即为其南侧的多旋回叠合含油气盆地,介于东、西两大构造单元的接合部位,在晚三叠世地壳运动发生变革的转折时期形成了川西前陆盆地。以三叠纪全球运动体制转换期为界,两大全球构造巨旋回内还发育次一级的开-合旋回,由伸展体制向聚敛体制转变的关键构造变革时期成为沉积盆地发生叠合的主要时期。古亚洲洋、特提斯—古太平洋的张开与关闭以及晚期印度洋—太平洋的作用控制、影响了中国大陆的开-合旋回,这是我国大多数沉积盆地多期叠合的根本原因。4.1.1南沿边缘海区的漂流新元古代晚期Rodinia古陆解体,使华北、扬子、华南、塔里木等小陆块从其上裂解出来。早古生代初期,它们处于南半球中、低纬度区,随后向北长距离漂移。克拉通块体内部发育稳定的浅坳陷或台地相碳酸盐岩沉积,块体边缘发育陆架及斜坡相碳酸盐岩、碎屑岩沉积。古亚洲洋在晚二叠世之前消减殆尽,华北、准噶尔—吐哈、塔里木等小陆块拼合在西伯利亚块体的南缘,形成古亚洲大陆。在拼合后的调整期,形成了华北、准噶尔—吐哈、塔里木等P-T2的盆地。4.1.2中、太平洋动力学对比Pangaea大陆解体,处于劳亚大陆与冈瓦纳大陆之间的向东开口的特提斯洋的演化制约了(C-)T-K的盆地发育。晚三叠世—侏罗纪初,北特提斯印支造山带(如昆仑—秦岭、三江带)形成之后,新疆、华北地区(古亚洲构造域)和四川—滇中、青藏地区(特提斯构造域)以及东南沿海(环太平洋构造域)等广大范围形成了一系列T3—J陆相或海相盆地。中侏罗世晚期(巴柔期),特提斯洋—古太平洋再次向古亚洲大陆消减,早燕山运动期整个中国大陆处于挤压、收缩状态,形成大范围可对比的上侏罗统红层。晚侏罗世末期的中燕山运动非常强烈,中国大陆西侧的班公湖—怒江洋消失,导致拉萨地块与古亚洲大陆碰撞,东侧的西太平洋古陆与古亚洲大陆碰撞。这一事件促使中国东部从印支期开始的构造动力体制的大转换和构造格局的大改组在燕山期完成,包括鄂尔多斯、四川盆地以东的中国东部地区在古亚洲和特提斯构造域之上叠加了北东走向的巨型构造带,其后在大范围内发育了J3—K1的以陆相为主的沉积盆地。4.1.3属性—印度洋—太平洋阶段早白垩世之后,中国东部的构造体制转换为以拉张-伸展为主,晚白垩世—古近纪形成了北北东向的裂陷盆地系统,新近纪—第四纪过渡为坳陷盆地。始新世末期特提斯洋最终封闭,印度大陆与欧亚大陆碰撞,导致中国中西部地区强烈的挤压造山作用及相关盆地系统的形成,发育了一系列新生代前陆盆地或与走滑有关的压扭性盆地,它们对前期盆地产生了多种样式的叠加或改造。4.2新生代渤海海域构造格局转换吕福亮等认为,华北地区在中、新元古代经历了坳拉槽—克拉通边缘阶段,寒武纪—早三叠世为克拉通—被动大陆边缘阶段,中三叠世—白垩纪为裂谷阶段,古近纪为拉张断陷阶段,新近纪—第四纪为坳陷阶段。中、新生代的渤海湾盆地是裂谷盆地,古近纪强烈拉张断裂活动形成了断陷群,新近纪—第四纪转为坳陷盆地,沉降中心向渤海海域方向迁移。由于并不存在构造体制的变革,因此新生代的渤海湾盆地并非叠合盆地,只有考虑下伏古生界盆地才可能是叠合盆地。梁生正等认为渤海湾盆地是中、新生代裂谷盆地与石炭-二叠系残留含煤盆地的复合叠合盆地,冀中东北部、冀南、黄骅、东濮、济阳和开平等6个中、新生代裂陷沉积之下有石炭-二叠系煤系残留盆地区。侯贵廷等认为渤海湾盆地是一个中、新生代的叠合盆地,根据上侏