裂谷型盆地形成的动力学机制和构造格架样式.docx

1、裂谷型盆地形成的动力学机制和构造格架样式裂谷型盆地形成的动力学机制和构造格架样式第一章 绪论一、盆地的概念和分类1、盆地的概念油气赋存于沉积盆地之中。油气的生成、运移、聚集和保存与沉积盆地的形成、演化和改造紧密相关。因此，盆地作为石油天然气勘探开发的对象，一直受到人们的高度重视。尤其是近年来随着能源和资源形势的日趋紧张，许多学者都投入了大量的精力，深入到盆地的研究中。对此，不同的学者，对于盆地下过各式各样的定义：朱夏(1965)曾将盆地定义为“地壳的一定地段在大地构造发展一定阶段的一种洼陷构造”或理解为“在地质发展历史一定阶段的一定运动体制下形成发展的统一的沉降大地构造单元”。A.G.Fish

2、er(1975)曾指出对于地貌学家或地理学家来说，地球上的盆地为岩石圈表面在三度空间上的凹地，其中充满了水或空气。对于地质学家来说，地球上的盆地还具有第四度空间即时间的概念，并包括有地表形成的成层岩石，也就是包含有厚达数千米的沉积物及火成岩。这些盆地的形状和深度并不是受陆地表面或海底限制，而是受较深的深成岩系或变质岩系基底的限制，填充在盆地内的沉积物及火山岩记载着盆地的发育历史。根据盆地内填充沉积的情况，组成从补偿盆地到不补偿盆地的一系列盆地。叶连俊(1980)认为“持续地接受沉积的地区称为沉积盆地”。从沉积的角度看，盆地可以被定义为沉积物聚集的地区或沉积物聚集而形成的沉陷区。针对我国300多

3、个沉积盆地的地质特征以及盆地的发展与构造活动之间的关系，特别是我国东部中新生代含油气盆地的石油地质特征，这里将盆地定义为在一定地质历史阶段中，受构造运动控制所形成的统一沉积区。从构造意义上来说，沉积盆地就是指岩石圈表面相对沉降的区域，其中可以充填深达万米的沉积物以及火山活动形成的物质，而此岩石圈表面沉降区四周为相对隆起区，它不断地遭受风化剥蚀，为沉降区提供了不同类型的丰富物源，从而构成了物源区与沉积区的平衡统一体。在漫长的地质历史过程中，沉积盆地的形成受到各种各样的要素的影响，受构造运动影响，不同的盆地具有不同的发展演化历史，从而使得盆地的沉积物充填厚度、盆地的沉降历史、盆地的规模和形态、沉积

4、盆地中的沉积矿产富集程度等方面可以相差很大。事实上，在一定的地质历史时期内，含油气盆地是接受富含有机质的沉积物沉降并使其埋藏至一定深度生成石油和天然气，受构造运动影响所生成的油气发生运移和聚集形成油气田的基本地质单元。正如许多地质学家所指出的，没有盆地便没有油气。朱夏先生曾指出：“寻找油气的工作要从盆地整体着眼，率先考虑全貌，然后再从沉积，构造等条件来选择有利地区。”实践表明，为了在盆地中找到更多的沉积矿床，必须将沉积盆地作为一个基本单元进行整体解剖和综合分析，以盆地演化史为线索，分层段系统研究盆地埋藏史、构造发展史、沉积充填史和油气演化史。只有这样，才能更快、更好地寻找到更多的沉积矿产资源，

5、更有效地为国民经济发展服务。2、盆地的分类沉积盆地是地球表面发生构造沉降、形成沉积充填的地区。它与造山带是大陆及其边缘最重要的构成单元。来自不同学科的学者在研究盆地分类时常强调某一种或某一些特征、属性和参数，提出了众多的盆地分类方案。比较典型的有以下几种：（1）、Dickinson的盆地分类(1974) Dickinson(1974)提出的较有影响的盆地分类是依据盆地位置与岩石圈基底类型，即板块构造环境来进行划分的。Dickinson划分出五大类沉积盆地： (1)大洋盆地，指具有洋壳的海洋盆地。 (2)裂谷性大陆边缘盆地。 (3)发育于岛弧海沟体系的盆地。 (4)蓬合带盆地 (5)内陆盆地，以

6、克拉通盆地为主，稳定的板内环境。表1-1 Dickinson的盆地分类这一分类显然忽略了发育于走滑环境的沉积盆地，但它奠定了当代盆地分类的基础。随后Bdy和Sndson的分类(1980)、Ingos011的盆地分类(1988)以及Mid(1990)等的沉积盆地分类都是以盆地发育的板块构造背景为主要依据的。（2）、Picha的盆地分类 Picha(1989)将世界上243个沉积区分为五大类，即克拉通内盆地、离散边缘、洋盆、聚敛边缘、前陆。图1-1 Picha的盆地分类（1989）（3）、Mial 盆地分类A.D.Mial依据板块边缘和板块内部结构将盆地分为五类(表)，并将前四类进一步分出不同的次

7、级类型，第五类克拉通盆地未作进一步划分。表1-2 A.D.Mial的盆地分类1离散边缘盆地裂谷盆地: A张裂拱形盆地; B环形盆地大洋边缘盆地: A红海型（“年轻的“）; B大西洋型（“成熟的“）2会聚边缘盆地海沟和消减杂岩弧前盆地弧间和弧后盆地后弧（前陆）盆地3转换断层和横推断层盆地盆地位置A板块边界转换断层盆地类型A在网养断裂系中的盆地B离散边缘转换断层B断裂末端盆地C会聚边缘横推断层C在雁列养断裂体系中的拉裂盆地D缝合带横推断层4在大陆碰撞和缝合过程中发育的盆地前陆盆地周缘（前渊）盆地缝合带内内凹盆地（残留洋盆）伴生的横推断层盆地5克拉通盆地加利福尼亚型盆地（4）、朱夏的盆地分类朱夏(1

8、965，l 982，1993)以“两个世代、两种体制”的思想对古生代与中新生代盆地作了“双重分类”。将古生代盆地分为六种原型，将中新生代盆地分为七种原型。古生代盆地原型包括：坳拉槽和台向斜、克拉通周缘沉降盆地及其后期发育的前渊、塌陷盆地、克拉通凹陷、拉张地堑、由于地壳粘性流动而产生的大陆边缘盆地。中新生代盆地原型分为以下七类：A型俯冲、基底拆离、大陆碰撞、源于壳幔关系的差异沉降、拉张断陷、断层走向滑移及其引起的拉张与断陷、重力滑移的改造作用。（5）、刘和甫的盆地分类刘和甫(1987)按地球动力学特征、将沉积盆地划分为三大序列、12种类型、并将张、压、剪二元作为盆地地球动力学分类的三个单元，而将

9、克拉通内盆地视为可能是叠置在早期古裂谷盆地之上的缓慢热沉降盆地。图1-2 沉积盆地三元分类图解（刘和甫）（a）正断层与裂陷盆地 （b）冲断层系与压陷盆地 （c）走滑断层与走滑盆地图1-3 沉积盆地的形成与三个主应力系方位(刘和甫，1986)二、裂谷盆地的基本特点根据盆地的动力学特点，可以简单的将盆地划分为三种基本类型，即（1）由岩石圈伸展作用形成的伸展型盆地；（2）由岩石圈弯曲作用产生的挠曲类盆地；（3）与走向滑动或巨型剪切带有关的走滑带盆地。伸展型盆地是一类非常重要的盆地类型。伸展型盆地是在引张作用下与地壳和岩石圈产生伸展、减薄作用有关的一类裂陷盆地。由陆内裂谷到被动大陆边缘这一盆地演化序列

10、所组成。 裂谷是最常见的一种伸展盆地，是“由于整个岩石圈遭受伸展破裂而引起的，并且常常是一侧为正断层限制的断陷盆地”。 “裂谷”词是Gregory(1896)研究地堑时提出的，现在的东非裂谷系Kenyan部分就是以他的名字命名的。对裂谷盆地的地质研究在欧洲始于莱茵地堑，早于Gregory在非洲的工作，本世纪初之前人们对裂谷盆地近地表的断层几何学和相分布认识比较好，尽管在板块构造理论之前就对裂谷的发生、发展进行过不断的研讨。本世纪人们直致力于对裂谷进行精确的描述，并试图找出裂谷起源的可能机制。在世纪之交裂谷盆地内烃类的发现为人们了解这些盆地注入了新的活力。Klemme(1980)指出，裂谷作为一

11、个独特的地层单元，只占世界盆地面积的5，然而，这个地理上的微小单元却被重点研究，原因是其在全球构造中具有广泛的涵义。 除了裂谷外，坳陷、坳拉槽和被动大陆边缘也属于伸展盆地。裂谷与只经过区域性沉降但缺乏大型伸展断层的坳陷、坳拉槽和被动大陆边缘的主要差别可以简要地解释如下(图)。在真正的裂谷中，由于岩石圈上隆、减薄或区域应力场产生的张性偏应力足以克服岩石强度，从而形成断层。如果张性偏应力不足以造成脆性破裂，那未隆起或沉降作用就会在无断裂的情况下进行。如果热源供应中断并不再有新的热源，那么岩石圈就会发生热收缩作用并引起热沉降。当裂谷继续伸展，在扩张中心形成新的洋壳时，就开始了裂谷系向被动大陆边缘的演

12、化阶段，即裂谷漂移阶段。被动大陆边缘楔状体沉积物记载了岩石圈对其持续不断的冷却作用及大量沉积物本身负载的响应。图1-4 坳陷、裂谷、坳拉槽与被动大陆边缘之间的关系（据Allen等，1990） 裂谷的形成与伸展作用有关。在威尔逊旋回的各个阶段和各种不同的板块构造环境中均可以见到裂谷的形成。它们是：(1)与大陆裂开和漂移作用有关的裂谷；(2)与俯冲作用有关的裂谷；(3)与大陆碰撞作用有关的裂谷。 与大陆裂开和漂移作用有关的裂谷可分成大洋的、大陆间的和大陆内部的裂谷二种类型。图1-5：裂谷盆地模型 现代大洋裂谷是沿大洋中脊延伸并受正断层限制的裂谷。谷底和谷肩均为洋壳。大洋中脊及其裂谷为转换断层所横切

13、。其它特征主要是：(1)浅震；(2)活动的火山作用；(3)呈对称状正、负交替的磁异常；(4)高热流值。实例是大西洋、印度洋中脊上发育的裂谷。 大洋裂谷带和大洋中脊一样，随着时间改变其位置和分叉。常常是一个分支丧失其活动性后，即成为巨大补偿凹陷的中心。可以举大西洋北部的形成作为实例。大西洋中脊裂谷体系在中生代分布在加拿大和拉布拉多海中格陵兰岛之间。到新生代，裂谷系开始在现在的大西洋北部地方发育，而在巴芬湾一拉布拉多海，裂谷阶段为宽的坳陷阶段所代替，裂谷本身迅速地为坳陷沉积物所覆盖。 现代大陆间裂谷是裂谷的下面为洋壳，谷肩是陆壳，它们是大陆裂谷演化为大洋裂谷的过渡产物。例如，在印度洋附近的亚丁湾和

14、红海南部。 现代大陆内裂谷的下面为陆壳，谷肩也为陆壳。但裂谷下面陆壳厚度要比周围薄一些。现代大陆内裂谷作用的特征是：(I)负布格重力异常；(2)高热流(90至115mWW，也即是大于2H.F.U)和(3)火山活动。东非裂谷是典型的大陆裂谷系，其特征是在两个大的隆起区发育，即北部的埃塞俄比亚隆起和东南的东非隆起，在北非还发现其它弯窿隆起，例如像在Tibesti和Hoggar区的隆起。这些隆起常常与广泛分布的火山活动相伴生，但缺乏裂谷。其它裂谷系是美国西部的Rio Grande裂谷，欧洲的莱茵地堑和中亚的贝加尔裂谷。第二章 裂谷型盆地形成的动力学机制一、控制裂谷形成的主要因素由于裂谷是在不同条件下

15、形成的。因而裂谷的形成机制是复杂的，影响裂谷型盆地沉降的主要因素也很多，主要包括以下几个方面：裂谷盆地沉降的主要影响因素沉降 热柱上隆拱张裂陷 岩石圈拉伸变薄、裂陷 岩石圈冷却 充填沉积物重力负载 海平面上升隆升 软流圈隆升加热 岩石圈底的熔融作用 构造挤压反转 沉积层的侵蚀均衡上升 海平面下降裂陷盆地的沉降过程受到多种因素的控制。从盆地规模的意义上，主要与下列作用有关： 1）、岩石圈的拉伸变薄裂谷或裂陷盆地是在岩石圈受到拉伸发生变薄时形成的（Ziegler，1992）。 裂陷盆地沉降量的大小与岩石圈的变薄程度密切相关。大量的研究已表明，岩石圈变薄所产生的空间大小主要取决于：（1）岩石圈的变薄程度，一般可用水平拉伸量或垂向的变薄量来度量。（2）岩石圈结构，即拉伸前的初始状态或条件，包括原始厚度、热结构、密度等。2）、岩石圈冷却沉降在裂谷盆地形成时，伴随岩石圈变薄的软流圈上隆导致高的热异常，引起隆升（热隆）,导致了裂谷盆地具有高的热流背景。一般来说，裂谷盆地的地温梯度是高的。岩石圈的冷却使密度增大，在重力均衡作用下发生回沉，裂后的热衰减被认为是裂后盆地发生拗陷沉降的主要驱动机制二