板块运动对中国近海新生代盆地沉降及充填的控制作用_李运振

缘集中了全球约四分之三的边缘海盆地。有关边缘海盆地成因的研究以Karig的弧后扩张说为开端,大多是在板块构造的理论框架内进行的,如弧后扩张模式、大西洋型扩张模式、捕获模式、热区模式、陆缘扩张模式等等[1-6]。这些模式的得出无一例外脱离不了对板块构造体系的深入研究,说明板块之间的相互运动是沉积盆地的形成决定因素。因此,沉积盆地的形成机理、盆地结构的组成及沉积体系的演化特征等方面的研究,都需要从宏观上对板块运动进行分析。本文通过研究中国近海相关板块之间的相互运动来解释盆地的沉降机制和内部结构,区分中国近海不同盆地沉积体系展布的差异性,总结板块运动对盆地结构及沉积体系的控制作用。1中国近海沉积盆地沉降类型中国近海夹峙于欧亚板块、太平洋板块和印图126种盆地的沉降机制(据Ingersoll等[8])Fig11Twentysixkindsofbasinsubsidencemechanisms(afterIngersolletal[8])A1拉伸作用、剥蚀或岩浆侵位造成的地壳减薄作用;B1下地壳和上地幔的冷却作用;C1地壳和岩石圈的沉积负载和火山负载作用;D1地壳和岩石圈的构造负载作用;E1岩石圈俯冲造成壳下负载;F1下倾岩石圈进入软流圈的动力流动;G1高压相变造成的地壳密度增大度板块之间,它的形成演化受到这3大板块的发展运动和相互作用的制约。板块运动实际上是内部力源和外部力源共同作用的结构,使板块运动的外部力源有银河系对太阳系地球的作用力、地球自转对板块产生的作用力、太阳和月亮对地球的固体潮力等[7]。使板块运动的内部力源一般认为是地幔的对流,它和外部力源共同为盆地的沉降提供相应的构造环境。例如Ingersoll和Busby(1995)根据地质观测和模拟研究确定了产生和维持盆地沉降的7种机制和5种板块构造环境有关的26种盆地类型(图1)[8-9],其中5种板块构造环境包括离散、板内、会聚、转换和复合,引起盆地基底沉降的因素有岩石圈拉伸变薄、岩石圈冷却收缩作用、地壳和岩石圈的沉积负载和火山负载作用、地壳和岩石圈的构造负载作用、岩石圈俯冲造成壳下负载、下倾岩石圈进入软流圈的动力流动及高压相变造成的地壳密度增大等。中720现代地质2010年国近海沉积盆地类型多样,但其形成有两种基本的动力来源,一是地壳的拉伸,一是地幔的对流,这两种沉降类型分别为被动热沉降型和主动热沉降型。中国近海沉积盆地由于经常是不同时期两种力源的变更或相互叠加,沉降类型通常具有组合的特征(表1)。111被动热沉降型在板块运动上,这种沉降特征一般表现为板块内部主动拉伸,板块下部地幔被动上升。我国近海沉积盆地在形态上基本表现为断陷和坳陷的有序组合。不同盆地所经历的断陷和坳陷的时间、沉降幅度迥异。断陷的成因可归结为一条或数条滑脱断层的控制。断陷盆地裂后期热沉降的速率、幅度和热流特征可用均匀拉伸模型描述和表征[10]。这种盆地的形成过程可分为两个阶段,即初始沉降裂陷阶段和热沉降裂后阶段。在初始沉降裂陷阶段,地壳拉伸,通过断裂方式减薄,为达到质量均衡地幔被动上升补偿;而到了热沉降裂后阶段,地壳拉伸停止,地幔冷却收缩,形成破裂不整合及其后的热沉降。我国近海北部湾盆地、南黄海盆地、北黄海盆地、渤海湾盆地(除渤中凹陷、歧口凹陷)都属被动热沉降型盆地。此类盆地具有双层结构,下部断陷,上部坳陷,中间具破裂不整合面[11];热沉降速率大约在200Ma间水载沉降幅度约小于1000m,例如北部湾盆地早期断陷期沉降速率呈单峰,最大可达800m/Ma,峰值在40Ma左右,晚期坳陷期降到80m/Ma,呈指数衰减,在沉降721第4期李运振等:板块运动对中国近海新生代盆地沉降及充填的控制作用速率直方图上为单峰左偏态(表1)[12]。112主动热沉降型主动热沉降型盆地的成因是地幔对流引起地壳温度升高,下部地壳发生相变密度增加,上部地壳薄化,最终可导致洋壳出露、海底扩张,为达到质量均衡地壳下沉形成碟形盆地。它可分为热沉降-扩张-冷沉降3个发育阶段。在热沉降阶段,由于地幔对流引起地壳减薄造成地表沉降;到了扩张阶段,地壳开始薄化,洋壳出露海底面,地幔继续对流,并发生海底扩张;最后的冷沉降阶段,地幔对流结束,海底扩张结束,洋壳变冷收缩海底继续沉降。在板块运动上,这种沉降特征一般表现为由于下部地幔主动上升,板块内部或板块边缘呈现被动拉伸的特征。中国近海莺歌海盆地、台西南盆地等都属主动热沉降型盆地。此类盆地呈碟形而不是半地堑式的断陷,坳陷的成因与滑脱断层没有关系,不能归结为岩石圈的脆性形变[13]。其沉降速率、幅度和热流特征远远超出现有模型所允许的范围,地壳薄化系数远大于断裂所能计算出的拉张系数,具有莫霍面高、局里面高、热流值高的三高特点。盆地的沉降速率远大于被动热沉降型盆地热沉降速率所允许的范围,例如莺歌海盆地为持续快速沉降,在29Ma和14Ma左右为高峰,可达700m/Ma以上(表1)。113组合热沉降型中国近海以单一沉降机制形成的沉积盆地较少,大部分都经历了多次不同类型的沉降。以单一沉降机制形成的盆地基本上靠近大陆一侧,而组合型的盆地基本上远离大陆一侧。组合热沉降型一般是在早期被动热沉降的基础上后期又叠加了主动热沉降,可分为2种类型,一种是在原盆地上进行叠加,另一种是在原盆地外侧进行叠加。在板块运动上,这种沉降特征一般表现为板块内部及板块边缘深部力源的不断变迁而使盆地产生叠加的特征。第一种类型主要见到的是在原盆地基础上的叠加,例如琼东南盆地的中央凹陷、渤海湾盆地的渤中凹陷、东海盆地的浙东凹陷。这种盆地具有双层结构,形态上很像被动热沉降形成的裂谷盆地,但热沉降阶段的沉降速率远远大于被动热沉降所允许的范围,其莫霍面、局里面、热流值都较单一被动热沉降阶段形成的裂谷盆地高,并见到局里面高于莫霍面的现象,后期叠加的主动热沉降反映在沉降速率上可以看到快速-高速-快速的发育特点。例如珠江口盆地珠一和珠三坳陷,早期断陷期沉降速率也呈单峰,在42~40Ma时达到最大值400m/Ma;晚期坳陷期又出现一个峰值,在29~23Ma区间达到最大值400m/Ma左右。因此在沉降速率直方图上表现为双峰的左偏态(表1)。第二种类型一般见于中国近海大陆边缘盆地中,它的形成机制是在早期热沉降阶段后形成盆地旁侧,后期发生新的主动热沉降,使早期盆地发育中断并受控于旁侧热沉降。这种现象在琼东南盆地、东海盆地都可以见到,盆地的形态特点是两次热沉降间的不整合面上下沉降中心位置不一致,并且不整合面上下沉降速率也有明显的变化,例如琼东南盆地早期断陷期的沉积速率峰值出现在29~23Ma,可达400m/Ma;晚期坳陷期沉积速率则呈断续增加,呈单峰右偏,峰值出现在5Ma以内,其值可为1000m/Ma以上(表1)。2中国近海板块运动与盆地结构对于中国近海沉积盆地的形成,环太平洋构造沟弧理论体系是目前代表大多数学者观点的理论。孙肇才(2004)从环西太平洋盆地形成的地球动力学背景看,认为西太平洋是一个自北而南的沟-弧-盆(陆缘海)系统;大体以台湾海峡为界,东海盆地是一个由转换或被动边缘演化而来的聚敛边缘,南海属于由活动或聚敛边缘转化而来的被动边缘,而位于东海北部、朝鲜西部的板内盆地则是在3大板块相互作用下形成的陆内裂谷(图2)[14]。因此,中国近海相关板块的相对运动实际上可以将近海盆地分成北部、中部及南部3个方向的盆地群。北部板内裂谷型沉积盆地位置处在大陆板块内部,包括渤海湾盆地、北黄海盆地和南黄海盆地;中部板缘沉积盆地位置处在大陆板块东部边缘,主要是指东海陆架盆地;南部板缘沉积盆地位置处在大陆板块南部边缘,主要是指珠江口盆地和莺琼盆地。北部湾盆地较为特殊,前人一般将它划为板内裂谷盆地,但其沉降特征与相邻的裂谷盆地具有相似性,因此也将它划为南部板缘沉积盆地。211北部板内沉积盆地中国大陆板块内部地块的相互运动对中国近海沉积盆地尤其是靠近大陆一侧的盆地产生重要影响。中国东部陆地主要构造单元为华北地块和华南地块,其中华南地块又可分为扬子地块和华夏地块(图2)。华北地块在中元古代至古生代的漫长时期,是中国唯一且世界上少见的以/稳定0722现代地质2010年第24卷第4期2010年8月现代地质GEOSCIENCEVol124No14Aug12010板块运动对中国近海新生代盆地沉降及充填的控制作用李运振1,2,邓运华3,徐强1,于兴河2(11中海石油研究中心,北京100027;21中国地质大学能源学院,北京100083;31中国海洋石油总公司,北京100010)收稿日期:20100206;改回日期:20100325;责任编辑:潘令枝。基金项目:中国海洋石油总公司大型油气田及煤层气开发科技重大专项项目(2008ZX05023)。作者简介:李运振,男,博士后,1977年出生,石油地质专业,主要从事盆地分析、沉积学及石油地质综合研究工作。Emai:lliyunzhen@sohu1com。摘要:太平洋板块、印度板块和欧亚板块的演化对中国近海沉积盆地的沉降及充填具有控制作用。根据地幔对流及地壳拉伸特征可将中国近海沉积盆地沉降类型划分为被动、主动和组合热沉降型3种。不同沉降类型分别具有不同的盆地结构,其中被动热沉降型以断陷为主,主动热沉降型以坳陷为主,组合热沉降型则是两种盆地结构的叠加或侧加。中国近海北部板内沉积盆地沉降类型以被动热沉降为主,远离海洋,受海侵影响较小,以陆相沉积体系为主;中部板缘沉积盆地沉降类型为被动侧加主动热沉降,水体整体较浅,坡折及三角洲发育规模小;南部板缘沉积盆地沉降类型也为被动侧加主动热沉降,水体整体较深,坡折及三角洲发育规模大。关键词:中国近海盆地;板块运动;沉降类型;盆地类型;沉积体系中图分类号:TE12111文献标志码:A文章编号:1000-8527(2010)04-0719-08ControlsofPlateMotionsonSubsidenceandFilledCharacteristicsoftheCenozoicinChineseOffshoreBasinsLIYun-zhen1,2,DENYun-hua3,XUQiang1,YUXing-he2(11ResearchCenter,CNOOC,Beijing100027,China;21SchoolofEnergyResources,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China;31ChinaNationalOffshoreOilCorporation,Beijing100010,China)Abstract:TheevolutionsofthePacificPlate,theIndianOceanPlateandtheEurasianPlatehavethecontro-llingeffecttothesubsidenceandfilledcharacteristicsoftheCenozoicinChineseoffshorebasins.Accordingtothecharacteristicsofmantleconvectionandcrustalstretching,thesubsidencetypesofChineseoffshorebasinscanbedividedintopassive,initiativeandcombinationthermalsubsidences.Thedifferentsubsidencetypesofsedimentationbasinshavedifferentbasinstructures.Riftisthemaintypeinthepassivethermalsubsidence.Depressionisthemaintypeintheinitiativethermalsubsidence.Verticalorlateraloverlappingisthemaintypeinthecombinationthermalsubsidence.Thepassivethermalsubsiden