[科普中国]-盆地演化

简介

盆地的形成演化和消亡是一个动态过程。由于古构造、古地理及古气候条件的综合影响，盆地的沉积充填结构和构造格架在这个动态构成中一直发生着时间、空间演变，造成了复杂的盆地内部三维结构。盆地发育的不同阶段，其沉积-构造面貌不同。即使盆地盆地消亡了，那后期改造也对其有一定程度的影响。只有分期、分层对盆地充填进行研究，追索盆地的沉积-构造演化史，才能有比较正确的认识。1

物源和沉降盆地充填的沉积构成一般取决于三个重要因素及其相互关系：

1、沉积物供应速率;

2、盆地基底沉降速率;

3、水面(尤其是海平面)变化。

盆地充的相变、厚度分布、超覆关系和沉积间断等往往展示了沉积物供应和盆地沉降关系之间的复杂性。

沉积速率和沉降速率沉积速率是指单位时间内沉积物的层厚增量。不同类型沉积盆地的沉积速率差异很大，例如发育于稳定克拉通内的拗陷盆地的沉积速率一般为10～20m/Ma，而陆内裂谷盆地沉积速率可达200～300m/Ma；盆地内部不同沉积环境单元的沉积速率亦有很大差别，有充足陆源碎屑供应的扇体或三角洲是沉积速率最高的沉积环境单元，其沉积速率可达400m/Ma以上。沉降速率是指盆地基底构造沉降的速率，通常由沉积速率来推算。在盆地演化过程中，基底沉降速率可能发生周期性或趋势性变化，一般是盆地形成、演化、衰亡的主导控制因素。

沉积速率和沉降速率之间的关系是决定盆地沉积构成和环境配置的重要因素。一般来说：

1、沉降速率大于沉积速率时，沉积物以垂向叠积作用为主，剖面层序完整，冲刷间断不发育，通常构成水进型充填序列，显示对称沉积旋回，沉积相带较窄;

2、沉降速率小于沉积速率时，沉积物以侧向进积作用为主，剖面不完整，冲蚀间断面和再造层发育，构成水退型沉积序列，水退部分沉积物保存不完整，显示不对称沉积旋回曲线，沉积物被广泛分散，沉积相带较宽。

沉积中心和沉降中心沉积中心是指沉积物堆积的最大厚度中心，是由沉积物供应和盆地沉积速率决定的。盆地充填是一系列沉积体的复合，每一沉积体分别具有其沉积边界和沉积中心，伴随盆地的充填过程，常发生沉积中心的侧向迁移。

沉降中心是指盆地基底沉降幅度最大的部位，在沉积物供应充分时，盆地的沉积中心即代表沉降中心，在沉积物供应不充分时，二者不一致，沉降中心可能被深水体所占据。沉积物供应和盆地沉降之间的不同状况可以形成不同补偿类型的盆地。

一般认为含煤沉积盆地为补偿盆地，沉积物厚度基本上反映了盆地的沉降幅度，所以常常利用沉积层系的厚度圈定同沉积构造。值得注意，虽流水注入的粗碎屑岩楔是盆地沉积构成的骨架，各层段厚度的变化主要是由于粗碎屑岩层厚度的变化而引起，因此盆地充填物的厚度与盆地的几何形态、古坡度、物质供应、流水体系、填积速率等多种因素有关；同时还受到差异压实效应的影响。

含煤沉积盆地在演化过程中可能经历了不同补偿类型的转换，这种现象尤以断陷型盆地为典型。盆地形成的早期基底裂陷作用显著，沉陷速率高，虽有大量碎屑物质供应，但主要叠积于盆缘地带，不能完全补偿盆地沉陷所提供的空间，伴随盆地范围扩大和陆源区夷平，逐渐演化为深水湖盆，深水湖泊相沉积是裂谷盆地的标志。盆地演化后期的基底断陷活动减弱，代之以较大范围的缓慢沉降，湖盆被大量碎屑充填淤浅，最终导致盆地的过补偿和衰亡。 2

周期性基底沉降的沉积标志裂谷盆地、拉分盆地和前陆盆地通常具有不对称横剖面几何形态，这种不对称性是由于沿活动性盆缘的构造活动、快速沉降和堆积作用造成的。这类盆地的充填通常由细粒沉积层和粗碎屑沉积层构成大型叠置的旋回，细粒沉积层主要为海相、湖相和顺向河流沉积；而粗碎屑沉积则为冲积扇或侧向辫状河流沉积。这种旋回结构可能与气候和海面变化有关，但其较大的时空规模和沿活动性盆缘分布的特征，显示其形成与脉状构造沉降活动密切相关，可称沉积—构造旋回。

一般认为，粗碎屑层系是构造活动期的产物，与盆地外围剥蚀区的构造抬升活动相对应，由于其强烈抬升和河流下切，便有大量粗碎屑物质注入盆地，这种认识源于陆地剥蚀旋回理论(Davis，1899)，广泛应用于盆地充填的成因解释。但实际情况可能恰恰相反，沉积-构造旋回的细粒沉积层系是构造活动期的沉积标志(Blair，1988)，活动边缘附近大型沉积-构造旋回的发育，说明海、湖和顺向河沉积环境与冲积扇或横向辫状河沉积环境存在较长周期的更替。如果按照传统观点，即粗碎屑代表构造活动期，而细碎屑段代表构造稳定期，那么在一个旋回内，前者被后者所代替，则必须假设盆地沉积作用或湖、海水面的长期抬升，以便在盆地的冲击扇或辫状河流平原构成的沉积高地上堆积数百米厚的细粒沉积层，这从地貌学来看难以解释的，因为湖、海和低坡度河流环境总是长期盘据盆地的最低部位。如果用盆缘沉降来解释上述沉积层系的转换，即由于构造活动增强，盆缘带沉降加快，冲积扇或辫状河平原转化为地形洼地的一部分，细粒沉积便覆于粗碎屑沉积层之上。

许多现代断陷盆地，海、湖或低坡度河流环境直抵盆地的活动断裂边缘，与较快的构造沉降相对应，这是水文条件对沉积作用的控制所造成的。冲积扇是一种偶发性洪水事件，往往需要较长的时间间隔才发生，而湖泊或顺向河对盆地沉降反应快，因为河流注入的沉积物来自整个流域，远远大于冲积扇堆积，湖泊的沉积作用则有顺向河或盆缘侧向流水的持续物质供应。此外据Schumm(1963)的统计，现代构造带的抬升平均速率远远大于剥蚀速率，在构造活动期活动盆缘带强烈沉陷，冲积扇粗碎屑堆积则局限于盆缘内侧沉陷带，只有在沉降缓慢或相对构造稳定期，物源区剥蚀速率超过盆地沉降速率，才可能产生广泛分布的进积租碎屑岩楔。

断陷煤盆地充填序列往往呈现典型的双层结构，以中部的深湖相泥为基准可区分为水进、水退沉积序列和下、上两个含煤段。早期以裂陷作用为主，为非补偿盆地，晚期以拗陷作用为主，过渡为补偿盆地。断陷盆地形成过程中奇袭的先期水系网在盆地水均衡中起着重要作用，由于盆地边缘后倾斜高地的阻隔，便出现双向河流体系，只有近源河流形成的内流水系注入断陷盆地，而区域水流则构成外流水系流离沉着盆地。随着盆地的强烈沉陷，有限的内流水系和物源区不能补偿盆地基底沉陷，便出现饥饿型深水湖盆环境，形成厚层广布的深水湖泊相泥岩。盆缘断裂间歇性活动态势是控制盆地内部沉积环境面貌、岩相和厚度分布、聚煤作用的主导因素。盆缘断裂前缘冲积扇粗碎屑岩楔相互叠覆构成盆缘冲积扇带，断陷活动期盆缘带沉陷加剧，冲积扇粗碎屑沉积物被限制填积在盆缘带，而盆地内部则广泛发育湖泊、河流、沼泽相沉积。盆缘断陷活动趋于稳定时，冲积扇粗碎屑岩舌则越过盆缘带，以致延伸覆盖整个盆地，聚煤作用则暂时中止。随着盆缘断裂活动的衰亡，整个盆地则被冲积扇-河流粗碎屑沉积物充填。2

盆地的沉积-构造层次结构随着区域构造和盆地构造的演化，盆地内部充填的沉积盖层也卷入了地壳的总体形变过程，形成具有不同特征的沉积-构造层次，或称壳层(carapace)，不同的沉积-构造层次组成整个盆地的层次结构，记录了盆地的沉积、构造演化史。

盆地的时、空演化体现在盆地所具有的沉积-构造层次结构。有的盆地的演化过程比较简单，层次结构不明显，有的盆地经历了复杂的演化过程，一系列沉积-构造事件可形成盆地的多层次结构。大型断陷煤盆地一般具有明显的层次结构，分别代表了盆地的不同演化阶段。盆地发育的早期表现出显著的基底断陷性质，下落断块组成一系列半地堑、地堑亚盆地系，各个亚盆相互分隔，各自具有盆缘断裂及其内侧的冲积扇带，构成底部沉积-构造层次；随着裂陷作用的加强，各个亚盆地相互连通，形成一个统一的大型沉积盆地，下伏基底断块的差异性沉陷引起上覆盖层岩性岩相和厚度的变化，一些主干基底断裂延伸至上覆沉积层，也可能产生重力滑脱断层系，构成比较复杂多样的过渡沉积-构造层次；盆地发育的后期，发生了沉积-构造样式的转化，以热沉降或荷载调整性沉降作用为主，沉积范围扩大，各种沉积环境单元有序配置，演化为比较均衡开阔的沉积盆地。

我国松辽盆地，晚侏罗-早白垩世含煤碎屑岩系填积在北东向基底断裂限制的半地堑盆地内，构成底部亚盆地系。早白垩世沉积范围扩大，不整合超覆于石炭二叠系变质岩系或海西期花岗岩基底之上，岩相和厚度明显地受到基底断块差异沉陷的影响和同沉积断裂的切割。早白垩世晚期开始，盆地基底主要表现为拗陷性质，沉积层由盆地中部向两翼逐渐减薄，但在盆缘地带仍然受到新生基底断裂活动的影响。第三系分布范围明显缩小，退缩于盆地西缘，即盆控主干断裂一侧。

发育在缓倾角基底断裂之上的沉积盆地，伴随主滑脱断层的伸展过程沉积盖层中的同沉积断裂也逐步生长发育，形成一个沉积-构造层次序列。较早形成的沉积岩楔沿断层面旋转滑落，逐步远离后期形成的沉积岩楔，以致盆地内各层次的沉积中心相互偏离叠置，构成不同的沉积-构造层次。剖面图中的星号和菱形符号，表示两个早期沉积阶段的轴向沉积中心，一些断陷盆地复杂的砂体分布样式，很可能受到这种“壳层”发育过程的控制(Gibbs，1984)。

盆地古构造应力场和动力作用方式的转化是盆地沉积-构造层次演变的重要制导因素。例如拉伸盆地受到与伸张作用方向相反的挤压作用，沿近于直立的基底断裂便产生走向滑动，并在上覆沉积层中诱发花状构造或重力滑脱构造，在一定层序内表现为同沉积褶皱和断裂系。动力作用方式的改变，也可导致不同层序内出现不同方向和排列方式的断层系。如我国华北裂谷系中的一个半地堑盆地，以盆缘断层为主干发育一系列掀斜断块，不同层次和不同尺度的铲式断层分别属于两个裂陷幕，具有相反的方向，表明随时间的发展而改变了掀斜方向。

大型复杂沉积盆地的主要沉积-构造层次往往代表一次区域或盆地范围的沉积-构造事件。因此可根据盆地的层次结构、构造-剥蚀界面、沉积速率变化、动力作用方式和方向的转化等，将盆地的形成演化过程分解为不同的沉积-构造期(幕)，不同沉积-构造期充填物质、相和沉机体系配置、含煤性特征各不相同。

盆地类型转化大型沉积盆地发育过程中可能发生盆地类型的转化，形成复合盆地。不同盆地类型层次代表了盆地发展阶段的特定动力背景和力学机制，可形成特征的沉积体系、体系域。我国四川晚三叠世含煤沉积盆地是发育在稳定的扬子陆块上的一复合盆地，中三叠世末的早期印支运动使上扬子陆块抬起，在广阔的范围内形成印支期构造-剥蚀界面，海域范围退缩于龙门山区，并与古地中海域相连，是一种大陆边缘含煤沉积盆地，晚三叠世早期滨海碎屑含煤沉积(跨洪洞组)与下伏中三叠统雷口坡组呈整合或假整合接触，其沉积范围向东可抵龙泉山断裂附近。晚三叠世中期-中晚期，盆地西侧的甘孜-阿坝海槽褶皱隆起，由西向东推覆挤压，形成龙门山冲断带及其前缘拗陷带，拗陷槽地内堆积了巨厚的类复理石一复屑砂、砾岩组合。盆地范围向东超覆扩展，淡化泻湖-河流含煤沉积(小圹子组、须家河组下段)上超于中三叠统构造-剥蚀面上，与下伏地层呈微角度不整合，整个盆地基本上为一不对称前陆盆些，西侧沉积厚度达2500m以上，东部缺失早期沉积，总厚减薄至数百米直至尖灭。晚三叠世晚期，龙门山区逐渐准平原化，盆地范围进一步向龙门山区和川东隆起区扩展，同时沉积中心东移，逐步演化为克拉通内拗陷湖盆地。盆地充填主要为河流-湖泊含煤沉积(须家河上段或雾中山组)，为主要含煤层段。来自盆地东部的古河流沿古华蓥山断裂一线分流，向西注入湖盆，形成达县、永荣两个滨湖三角洲平原，是盆地内主要富煤地段。2

超覆分化侧移盆地的超覆扩张和退覆分化是盆地演化的一般程式，地表侵蚀、沉积物充填、海面升降和盆地基底差异沉降等因素都可以引起盆地范围的扩张和收缩。退覆分化期的沉积序列容易遭受剥蚀，而超覆沉积序列则保存较为完整。

构造-侵蚀型盆地是在流水等外营力作用下形成的侵蚀、溶蚀洼地的基盘上发育起来的，早期的堆积作用主要是填平补齐，盆地充填层序的垂向加积和盆地范围的超覆扩张则以缓慢的的区域构造沉降为背景。

云南小龙潭第三纪褐煤盆地的基底为可溶性碳酸盐岩，填积作用首先发生于溶蚀洼地内。含煤岩系剖面三分明显：下段以冲击扇砂砾岩为主，填平补齐于小型洼地内，随着盆地基底沉降，沉积范围超覆扩张，孤立的洼地连成一体，并演变为泥炭沼泽环境，形成巨厚煤层，煤体呈透镜状，以盆地中部最厚，约200m，向周边变薄尖灭；上段以湖泊相泥灰岩为主，含淡水动物化石，盆地范围进一步扩大，岩相和厚度比较稳定，由盆缘向中心逐渐增厚，由于后期剥蚀，本段保存不完整；小龙潭煤盆地充填序列在纵向上和侧向上都呈现明显的超覆现象，岩性地层单位大体相当于时间地层单位。

断陷型含煤沉积盆地的超覆扩张和退覆分化是伴随基底裂陷作用和拗陷作用而发生。盆地形成的早期以块状裂陷作用为主，形成相互分隔的小型断陷亚盆地，以含煤粗碎屑充填为主，其上覆为厚层湖泊相泥，并演变为统一的深水盆地。可在盆地范围内进行对比，盆地发育的晚期阶段，以比较均衡的拗陷作用为主，盆地范围进一步扩张，含煤碎屑岩系(上部含煤段)可直接超覆于基底岩系之上，这一阶段的充填层序往往保存不全。在不对称的半地堑盆地内，盆地两侧的超覆沉积序列显示不同特征：盆缘断裂一侧是伴随断裂的伸展成生过程而形成，表现为冲积扇带的叠置侧移，超覆关系不显著；盆地的另一侧为缓倾单斜基底，主要表现为不同岩性岩相带的上超，超覆关系明显。

大型拗陷型含煤沉积盆地的基底界面往往是经受长期风化剥蚀界面，伴随着盆地基底的缓慢沉降，由初始沉降中心向外侧超覆扩张，并表现“大跨度”超覆特征，只有在大范围内进行时间地层单位划分和对比才能识别。伴随盆地的超覆扩张，岩相带发生迁移，形成水进型充填层序，如果海域或湖盆的扩张与岩相带的迁移同步，则岩性地层单位是一个穿时地层单元，不能清楚地反映盆地充填层序的超覆关系。如果海域或盆的扩张与岩相带的迁移不一致，即发生了岩相带的更替，则形成的岩性地层单位能够映超覆现象，因此在研究盆地空间演化时，应当进行详细的地层单位划分，尽可能建立时间地层单位和招覆沉积序列。

盆地的退覆分化是由于盆地基底沉降减缓、分异或沉积物充填所引起的，—般表现为退覆沉积序列。盆地演化的后期，由于构造分异增强，一个大型含煤沉积盆地可能分为一系列小型盆地，并伴随局部或盆地范围的剥蚀。美国西部中新生代含煤沉积盆地蕴涵丰富的煤炭资源。晚白恶世含煤岩系形成于近南北向延展的大型前陆盆地，总体呈现陆表海古地理景观，泥炭沼泽发育于盆地西侧的山前滨海平原环境，煤层赋存于一系列海进-海退沉积旋回内。晚白垩世开始的造山运动(拉拉米运动)使白垩纪大型沉积盆地解体，分化为一系列位于隆升区的山间盆地，第三系含煤岩系以河流-湖泊沉积体系系为主，泛滥盆地和滨湖三角洲是主要成煤环境，原始沉积盆地的轮廓与现代构造盆地大体一致。2

影响因素控制盆地沉降的最主要因素是构造运动，因此地质家研究盆地的成因和演化总是与大地构造背景紧密结合。板块学说产生以来，人们重新从板块相互作用的机理上考虑盆地的成因、演化和构造类型的划分，此种探讨在 20世纪 80年代达到了高潮。从不同板块构造背景上研究盆地的沉降、沉积作用、构造演化和油气聚集的特征，此种认识对油气资源的战略评价曾发生了重要作用。90年代，在大西洋两侧中新生代被动边缘盆地中一系列与深水斜坡扇及盆底扇有关的大油田的发现更清楚地显示了以板块学说为基础的盆地研究在油气战略预测中的意义(Klemme和 Ulmishek，1994)。

根据板块构造格架通常分为五种成盆背景：①陆内或克拉通内;②被动边缘;③活动边缘;④碰撞边缘和⑤转换边缘。许多盆地的构造分类大体都以此框架为基础。

1.陆内或克拉通内盆地

克拉通(陆台)是大陆上相对稳定的地区，其形成时代 古老，基底是前元古或元古代岩石，在克拉通基底上形成了许多规模巨大、构造较为稳定的坳陷型盆地，如北美克拉通区的伊利诺，密执安和哈德逊湾盆地以及南美的巴拉纳(Parana)盆地。在我国中朝陆台上面积广阔的古生代坳陷即属于此种类型。“陆内”的范畴则大于克拉通，现今所知的大陆块多数是复合的，即包括了陆台、微地块或地体以及其间的造山带，许多具复合基底的盆地用“陆内”更为贴切。

克拉通上发育的裂谷及奥拉槽盆地则是受巨大规模断裂系统控制的活动构造带，这些构造可跨越陆台和较老的造山带。对于受断裂控制的较小和较浅的断陷，则按其构造样式称为地堑或半地堑，而不称之为裂谷。较小的断陷可成群或成带出现，如北美的盆 -岭式盆地系和晚中生代东北断陷盆地系(李思田等，1988)，它们同样代表着大规模裂陷作用的结果。

2.被动大陆边缘盆地

此类盆地起源于超级大陆的裂解，此种过程从初始的裂谷开始，在深部的超级地幔柱和地幔流的驱动下形成洋壳，并逐渐扩张。在此过程中于离散的大陆边缘普遍形成了拉伸背景下的盆地。最典型的代表是大西洋两侧中新生代盆地。这些盆地下部为断陷结构上部为不对称坳陷，其基底跨越陆壳和过渡壳。有的地质家将大西洋边缘的尼日尔三角洲奥拉槽盆地归属于被动大陆边缘类型。

3.与俯冲带有关的盆地(亦称活动大陆边缘盆地)

西太平洋边缘是最为典型的代表，那里发育了全球超巨型俯冲带和海沟 -岛弧 -盆地体系。右图表现了板块俯冲产生的深海沟、弧前盆地、弧间盆地和弧后盆地。

跨过我国东海陆架至菲律宾的大剖面显示了菲律宾海板块向西俯冲，依次出现了深海沟及加积体、弧前盆地、琉球岛弧、冲绳海槽盆地、钓鱼岛岩浆弧和东海陆架大陆边缘裂陷。后者是我国海域有重要油气潜力的大型盆地。

4.与碰撞有关的盆地

从板块会聚到大陆碰撞，这一过程中形成了一系列相关的盆地，包括残余海盆、前陆盆地和山间盆地等，其中前陆盆地对油气聚集最为重要。前陆盆地发育于大型克拉通或较小的地块边缘并紧邻的造山带，其形成演化体现了沉积与造山的耦合过程。造山带的挤压和山体的推覆在克拉通边缘上产生的负载效应引起了前陆盆地的不对称沉降。Dickinson(1974)识别出了两种类型的前陆，并分别命名为周缘前陆盆地(peripheralforelandbasin)和弧后前陆盆地(retroarcforelandbasin)，后者也 曾被 译为 “后 退弧 前 陆盆 地”。与 弧后 盆 地(back-arcbasin)不同，弧后前陆盆地是挤压背景下形成并发育于陆壳之上，而弧后盆地是在伸展背景下形成，其下常有过渡壳和洋壳。周缘前陆盆地发育于大陆碰撞期俯冲板块之上，通常以海相地层占优势，充填序列相对较薄。弧后前陆盆地发育于挤压性的岛弧或造山带之后，盆地发育时间长，充填序列在前渊(foredeep)部位巨厚，此类盆地油气潜力巨大。

5.与转换带有关的盆地

转换带通常都是大型走滑带。板块学说的早期转换断层(tranformfaults)指横切洋中脊有特定运动形式的断层。以后这一术语使用范畴较广泛，也包括划分构造单元边界的大型走滑带。在转换带处可形成拉分盆地和压扭性盆地，圣安德列斯断裂带旁侧的 Ridge盆地常被作为此种类型的典型代表。1