[科普中国]-转换-伸展盆地

基本特征盆地结构的不对称性

拉分盆地两侧的长边为走滑断层，两侧的短边为与走滑断层斜交的正断层，它是走滑作用的派生构造。该盆地发育于走滑断层的弯曲释压部位或雁行式走滑断层的叠接部位，在垂直正断层方向发生拉伸。无论是横向上还是纵向上，这种类型的盆地均表现出一种对称的结构型式。1与此相反，对于转换一伸展型盆地而言，盆地结构上的不对称性是其典型的特征。右图是沿死海走滑平移断裂带发育的走滑带内盆地的地震反射剖面图。图B是埃拉特湾的盆地地震反射剖面图，在死海的北部盆地中，其不对称性表现为盆地的东侧为走滑断层，而西侧边界为正断层．盆地内部的充填由西部向东部增厚。在死海南部的盆地中，其不对称方向与北部盆地正好相反，即盆地西部边界断层为走滑断层，而东部边界为倾角较缓的正断层。盆地内部充填由东向西增厚。所以，沿死海盆地的不对称方向从一个盆地到相邻盆地交替变化。

右图是沿郯庐断裂发育的伊通地堑的地震反射剖面图，其不对称性表现为西侧为陡倾的走滑平移断裂，东侧为同方向延伸较缓倾斜的正断层，盆地的基底向北西方向倾斜。

除了以上横向上的不对称性之外，在纵向上即平行盆地长轴方向上转换一伸展型盆地也具有明显区别于拉分盆地的不对称结构特征。在拉分盆地中,盆地短边限制在盆地两侧的走滑断层之间,在断层性质上则为走滑作用派生的正断层,而在转换—伸展型盆地中,盆地的横断层往往伴有一定的走滑运动,断层的延伸常常超过盆地范围而切入到盆地相邻的基底地区。

盆地沉积充填的不对称性一般在主要走滑断裂一侧堆积巨厚的沉积物,湖相沉积主要集中在靠近主走滑断裂的盆地轴部。从沉积体系的发育看,在走滑断层一侧往往发育陡坡扇三角洲体系,并常常有小型碎屑流占优势的冲积扇、湖底扇等形式的粗粒沉积角砾岩。该相带一般呈窄长状,其向盆地轴部延伸的距离很小,陆上的碎屑流沉积,横向上可追索进入水下碎屑流沉积。总体上看,走滑断层一侧的沉积物在总充填物中所占比例较小。在正断层构成的缓坡边缘沉积规模更大,是以河流为主的冲积扇辫状河、曲流河缓坡型三角洲和三角洲沉积,这些以河流为主的砂体具有较好的分选、磨圆,粒度一般也较细,它们在总充填物中所占的比例相当大,盆地内的多数沉积物都是从这一侧进入盆地的。盆地的基底从正断层一侧向走滑断层一侧倾斜,因此,盆地的长轴及沉积中心都与该边缘平行,并朝该边缘迁移。

盆地沉降中心有明显的迁移性转换—伸展型盆地与一般裂谷盆地不同,它虽然以伸展作用为主,同时也显示出走滑平移活动的影响,表现为盆地的沉降中心随时间发生迁移和沉降中心轴向的改变。右图显示我国莺歌海盆地不同演化阶段沉积中心位置的迁移,从图中可见,在继承红河剪切断裂带基底上,从北端开始裂陷,始新世沉降中心位于盆地最北端,呈北北西向展布,渐新世沉降中心向南迁移,轴线方向转换为近南北向,并平行于盆地西缘的南北向断裂。晚第三纪沉降中心的轴为北西向,与现今盆地延伸方向一致。死海裂谷沉降中心也同样显示出明显的迁移性,在中新世时,盆地沉降中心位于死海南部的阿拉瓦谷,在上新世—更新世时位于死海中部的塞多母盆地,而现今沉降中心在死海,新第三纪以来,沉降中心向北迁移了100km多。

快速沉降和幕式演化相对于许多裂谷盆地和前陆盆地而言,转换—伸展型盆地以极其快速的沉降速度为特征,在有丰富沉积物供给的地区,与盆地的横向规模相比,地层剖面的厚度相当大。例如,在莺歌海盆地中,新生代沉积物的厚度可达17km。盆地的沉降过程是幕式的,表现为盆地的沉降速率的明显变化。右图是莺歌海盆地的沉降速率图,从图中可以看出,盆地的最大沉降速率达到550mMa,盆地从65Ma至今发生了3次沉降速率由快到慢的变化过程,这种沉降速率的变化反映了盆地演化过程中的多幕性。2

形成机制转换伸展型盆地的形成机制复杂,是各种动力学过程复合的结果。下面通过死海盆地和莺歌海盆地形成机制的分析,概括这种类型盆地形成的动力学特点。

Ben2Avraham和Zoback在1992年研究死海盆地的过程中认为,经典的断层发育理论(安德森模式)难以解释转换—伸展型盆地的不对称结构型式。因为,一侧为陡立的走滑断层,另一侧为与之平行或近平行的缓倾斜正断层结构意味着盆地区最大的主应力方向与走滑断层平行。为了解释这种应力状态的特征,Ben2Avraham等在1992年考虑了Zoback等。在圣安德列斯断层带应力状态研究基础上提出了走滑断层带强度对应力作用方向的控制机制。

著名的圣安德列斯断层是北美大陆西部边缘发育的一条规模巨大的走滑断裂带,Zoback等在1987年研究这条断裂带附近的构造变形时发现,在这条断裂带附近(加利福尼亚中部地区)广泛发育一系列与之平行或近于平行的褶皱和断裂带,这表明沿圣安德列斯断裂走滑作用的同时其两盘附近受到了垂直走滑断层的挤压作用,震源机制解和圣安德列斯断层附近井壁崩落应力计算均表明断裂附近最大主压应力方向与断裂垂直。根据对圣安德列斯断层带的热流资料和科学钻井资料的详细研究表明,沿该断裂带岩石的强度非常低,而周围地壳的岩石强度则比较高,由此,他们提出了一个高强度岩石圈包裹一软弱走滑断层带的应力方位模型。在这一模型中地壳强度以经典的断层力学模型为基础确定。他们的计算结果表明,断层附近最大主应力的方位是区域应力方位和断层带岩石强度的函数。右图是这一模式的进一步引伸,可以解释转换—伸展型盆地的发育机制。该图表示走滑断层的摩擦强度(Σf)和相邻地壳最大剪应力(Σc)比值不同的情况下,强度较小的走滑断层带附近最大主应力方位的变化。从图中可以看出,除了区域应力与断层夹角为45°的情况外,走滑断层附近的应力方位均会发生明显的变化,以便尽力减少平行软弱走滑断层带的剪切应力。当区域应力(Β)与走滑断层夹角大于45°时,走滑带附近的应力场方位(Α)为近于垂直走滑带的挤压作用,而当区域应力与走滑断层夹角小于45°时,走滑带附近产生近于垂直走滑断层的拉伸作用,由此可导致平行走滑断层的正断层形成。

上述研究对垂直或近垂直于走滑带的拉伸作用的解释仍然基于平面应力场的分析。我国学者的研究除了考虑平面应力场之外,更强调岩石圈深部过程的影响,这方面莺歌海盆地的研究比较突出。该盆地发育于古红河断裂带之上,呈北西向延伸,快速沉降、高地温、大规模的异常压力体系及泥—热流体底辟是盆地最突出的特征。从整个南海来看,盆地的裂后期一般开始于约23Ma(T6),但莺歌海盆地的充填一直到T5(约16Ma)仍然受到断裂的控制,这表明该盆地的演化一方面受控于整个南海的大背景,另一方面又直接受控于走滑伸展作用,图3显示的沉降中心的长距离迁移是这一作用的重要佐证。莺歌海盆地的另一个重要特点是具有巨厚的裂后期沉积,其晚第三纪充填达到8～10km,远大于裂陷期的充填,这与一般裂谷盆地裂后期沉积和沉降均小于裂陷期形成鲜明的对比。结合整个盆地演化历史中频繁的热事件和盆地定量动力学模拟可看出莺歌海盆地的形成和演化受控于深部软流圈的高抬升引起的岩石圈伸展和右旋走滑式扭动派生的拉分效应。岩石圈深部软流圈的抬升及区域岩石圈的减薄导致的伸展(图3中的e2)是盆地演化的主控因素,后者(图3中的e1)则导致了盆地沉降中心的迁移。2