软碰撞、塌陷盆地及其成因的探讨

发布网友 发布时间：2022-05-17 05:34

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热心网友 时间：2023-10-09 11:22

陈发景¹　蔡忠贤²　汪新文¹

（1.中国地质大学，北京　100083；2.石油大学盆地与油藏研究中心，北京　102200）

朱夏先生离开我们已经整整10年了。先生的精神是永存的。今天，他的学术思想仍然在放出光辉，继续对我国油气地质事业产生深刻的影响。本文遵照朱夏先生的观点，以准噶尔盆地为例讨论了塌陷盆地中的下列3个问题：①伸展断陷盆地的特征；②软碰撞构造背景；和③塌陷盆地的成因。

准噶尔及西北地区的早二叠世盆地是我国油气勘探的后备战场。长期以来，人们对该盆地的原型争议很大。一些学者主张为前陆盆地，另一些学者则认为是伸展断陷盆地。关于准噶尔盆地的性质，朱夏先生曾多次加以阐述，认为是褶皱带（主要为海西期）基础上的塌陷盆地。在逝世前病重期间作的一次报告中，他根据一些最新资料，再次指出该盆地是一种塌陷盆地（collapse basin）^[1]。为了讨论塌陷盆地形成的区域构造背景，他提出准噶尔地区的碰撞方式为软碰撞，与秦岭造山带强烈变形的窄挤（硬碰撞）不同，软碰撞后岩浆活动和热作用导致塌陷盆地的形成。这种创造性的见解不仅为研究准噶尔盆地原型，而且也为进一步研究造山过程、盆地关系以及造山后伸展塌陷盆地的形成机制指明了方向。

1　塌陷盆地的特征

盆地构造几何学、热史、沉降史和岩浆活动均证明准噶尔早二叠世盆地不属于前陆盆地，而是一种“塌陷盆地”，一种在海西造山带基础上发育的伸展断陷盆地。

（1）尽管大多数地震剖面显示这种伸展断陷盆地被逆冲断层改造，但在一些地震剖面中仍可看到这种早二叠世伸展断陷为边界正断层控制的遗迹（图1）。它们大多为呈南断北超分隔性较强的不对称箕状断陷，在东部为北断南超的不对称箕状断陷。至晚二叠世早期，在北部乌伦古断陷呈北断南超，但在陆梁以南已演化为统一的坳陷。至晚二叠世晚期一直到新第三纪早期，整个盆地进入*内坳陷阶段。只是到新第三纪晚期，才进入陆内前陆盆地阶段。

（2）根据准噶尔盆地单井模拟的古地温梯度结果（据邱楠生，引自王捷等，1998），早二叠世等地温梯度为37.4～46.8℃/km（表1），晚二叠世为35.7～45.2℃/km，三叠纪为34.6～42.7℃/km，比早二叠世略有降低。至侏罗纪末为29.7～32.7℃/km，白垩纪末为19.9～26.4℃/km，呈明显的降低趋势。

图1　准噶尔盆地反射剖面图　（据SN7地震测线）

表1　准噶尔盆地单井模拟的古地温梯度结果（单位：℃/km）　（据邱楠生）

估算的准噶尔盆地热流值变化和上述古地温梯度变化大体一致，C₁-P₁为2.5HFU,P₂-T₁为2.5～1.5HFU,J-R为1.5～1.0HFU。这种变化可能反映了从早二叠世伸展断陷热盆，经过晚二叠世、三叠纪坳陷热冷却向侏罗纪-新第三纪早期克拉通内坳陷冷盆地和最后向新第三纪晚期前陆盆地冷盆的演化趋势。

（3）准噶尔盆地二叠纪伸展断陷-断坳的沉降速率高，为167～329m/Ma，至三叠纪克拉通内坳陷沉降速率急剧降低，为8.4～47.8m/Ma（表2）。侏罗纪地层沉降速率与三叠纪相比稍增大，为28～73.7m/Ma，估计是晚侏罗世挤压挠曲作用使沉降幅度加大的缘故。白垩纪地层沉降速率继续变缓，为5.8～28.5m/Ma，一直到新第三纪晚期，准噶尔盆地南缘发育冲断山前坳陷，沉降速率可达到近506m/Ma。

表2　准噶尔盆地不同构造单位地层沉积速率表　（单位：m/Ma）

注：据地震剖面时深转换厚度计算（未经剥蚀、压实校正）。

从准噶尔盆地二叠纪裂陷-老第三纪克拉通内坳陷沉降速率曲线（图2）可以看出，它们呈典型的*内裂谷-坳陷两段式曲线，与俄罗斯地台的普锐普里阿特-德聂泊尔-顿涅茨*内裂谷-克拉通内盆地的沉降曲线基本上相似（图3）。

图2　准噶尔盆地总的沉降和构造沉降曲线

图3　俄罗斯地台普锐普里阿特-德聂泊尔-顿涅茨*内裂谷-克拉通内盆地总的沉降和构造沉降曲线　（据Lobkovsky,1996）^[2]

（4）准噶尔盆地早二叠世南部、东部伸展断陷的沉积物和北部有一些不同。南部断陷以一套滨海-浅海相陆源碎屑-碳酸盐岩沉积为主，东部断陷为一套滨海和河流沉积，至北部断陷已完全变为陆相冲积和湖泊沉积。晚二叠世晚期演化为统一的湖盆，盆地内充填层序主体为滨湖-半深湖相沉积。这种状况一直持续到新第三纪早期，充填干旱和潮湿交替的陆相（河流、湖沼相）沉积。只是到了新第三纪晚期，才在南缘发育内陆前陆盆地，充填冲积扇和冲积平原相组成的磨拉石沉积。内陆前陆盆地范围缩小，呈典型楔状体。综上所述，尽管我们从早二叠世盆地充填物本身难以确定它们属那一种类型，但根据其演化和缺乏磨拉石沉积，可以推测它们不属于前陆盆地。

（5）准噶尔盆地发育具有大型铕异常的A型非造山花岗岩和双模式火山岩，显然这也是早二叠世伸展断陷盆地的有力证明（图4）。

2　软碰撞——塌陷盆地形成的构造背景

准噶尔早二叠世伸展断陷盆地的分布如图5所示，其基底受分布有蛇绿岩带的克拉美丽达、拉布特、依连哈比尔缝合带和博格达深断裂带的控制，呈三角状块体与周围东西准噶尔、伊连哈比尔海西期增生褶皱带和博格达-哈尔里克褶皱带分开。对此三角准块体的基底性质，地质学家的意见不一。一种主要意见是洋壳，证据主要是西准噶尔达拉布特、乌伦古河中石炭世A型花岗岩初始铅同位素比值N（²⁰⁷Pb）/N（²⁰⁴Pb）低于μ＝9.774和ε（Nd,t）值在＋2.2～＋6.7之间，前者指示接近地幔演化线，后者指示花岗岩源于ε（Nd,t）亏损的类似于洋壳的源区。所以推测这些碰撞后中酸性深成岩源自地幔、地幔—大洋沉积层或洋盆火山岩，而非来源于前寒武纪基底或古老陆壳^[3～5]。另一种主要意见是基底为双层结构，下部为前寒武系结晶基底，上部为古生界变质岩及火山岩层。理由主要是盆地航磁特征为宽缓的升高正异常，与四周由海西褶皱基底引起的异常截然不同，前者显示宽缓的升高正异常，后者显示剧烈变化的线状异常。此外，不同上延高度的△T图显示，盆地基底与相邻山区出露的海西期褶皱基底磁异常的垂向梯度衰减特征是不同的。准噶尔盆地具有与塔里木盆地相似的基岩磁异常衰减梯度，其梯度值范围在3.3～4.5nT/km之间，而相邻山区海西期基底磁异常的衰减梯度值均大于20nT/km。

图4　富蕴县恰库尔特地区碱性花岗岩的球粒陨石标准化稀土元素分配曲线　（据周立发，1999）

根据上述资料，结合西北地区显生宙构造历史演化分析，笔者推测准噶尔地块基底性质与塔里木克拉通既有相似点也有很大不同的地方。相似点是从形状上分析，它们在早古生代时可能为刚性结晶地块；不同点是两地块大小不一和晚古生代时改造程度不同。塔里木面积较大，受周围海西期造山带影响小，属于继承性占老克拉通，一直保持稳定状态到新第三纪晚期；而准噶尔地块体小，夹在由众多火山弧、弧前、弧后盆地沉积和蛇绿混杂堆积组成的海西期造山带内，受到邻近有限洋盆多期俯冲和软碰撞作用的影响，估计地块大部分已不复存在。由于软碰撞后地幔岩石圈减薄作用的影响，大量新生的造山后花岗岩侵入和地幔物质加入地壳，开始地壳的增生和固结。当地幔岩石圈和地壳减薄到相当程度，开始产生早二叠世“塌陷盆地”。只是从二叠纪开始才又与塔里木克拉通相似进入稳定状态并一直保持到老第三纪晚期。

图5　准噶尔早二叠世盆地分布图

1.后生逆断层；2.同生正断层；3.下二叠统超覆线；4.下二叠统下部超覆线；5.下二叠统等厚线

为此我们认为海西期准噶尔地区基本上保持了造山褶皱带性质。但这种造山带与阿尔卑斯和喜马拉雅经典造山带有很大不同，具有其独自的特点：

（1）碰撞方式为软碰撞，缺少大规模的逆冲断层和推覆构造；

（2）缺少前陆盆地和磨拉石堆集，代之以残留海盆沉积；

（3）在软碰撞后有大量造山后花岗岩广泛分布，不受断裂*^[6]，它们大部分来自地幔^[7]。

对于这种“软碰撞”产生的原因也有不同的解释：

（1）一种看法认为由于块体之间是斜交的，在碰撞过程中不配合^[1,3]

（2）另一种看法是任纪舜^[8]等提出的，他们把巨型陆块间的强烈碰撞称之为硬碰撞，把微陆块间的微弱碰撞称之为软碰撞。硬碰撞的块体大，碰撞动能十分巨大，因而单旋回造山作用十分强烈，海水退出，山脉大幅度隆升，形成巨厚的磨拉石堆集和前陆盆地。而软碰撞的块体小，碰撞动能小，多旋回造山作用不剧烈，碰撞后海水不一定退出，山脉并不大幅度隆起，缺乏重要的磨拉石沉积和前陆盆地；

（3）当然，也不排除有这样的可能，即回返的程度与洋盆大小相关。

综合上述，可以初步认为准噶尔地区早二叠世盆地性质不属于前陆盆地，而属于“塌陷盆地”的主要原因与被Sengor称作的阿尔泰型造山带的软碰撞和碰撞后岩浆活动的热作用及地幔岩石圈的减薄作用有关。

3　塌陷盆地成因的探讨

国内外造山带的实例表明，塌陷盆地的形成与陆—陆硬碰撞有关。一般认为在硬碰撞造山带中，塌陷盆地的形成与造山带岩石圈和地壳增厚后，挤压作用力松弛或停止，地幔岩石圈与软流圈密度差引起的重力不稳定所造成的地幔拆沉作用有关^[9]。地幔拆沉作用不仅引起地幔岩石圈迅速减薄，而且热作用也加速了自重力作用下地壳的伸展垮塌作用^[10]。但软碰撞对塌陷盆地形成的影响，人们知之甚少。为此，我们将经典的阿尔卑斯和喜马拉雅造山带的塌陷盆地^[9,11,12]与阿尔泰型准噶尔造山带进行了比较，发现它们之间可能有以下差别。

（1）在喜马拉雅造山带前缘发育大规模逆冲断层带和前陆盆地，而在青藏高原腹地发生伸展作用。在阿尔卑斯造山带，也可见上新世在Tuscany的伸展作用和阿平宁Umbria的挤压作用并存。在Calabrian弧，伸展作用和挤压作用并置。而在准噶尔地区D₂末、C₁末和C₂末软碰撞时，未见有硬碰撞时产生的大规模逆冲断层和前陆盆地，在西准噶尔，规模比较大的逆冲断层是在印支运动期产生的。

（2）在硬碰撞陆内俯冲和水平挤压时形成成对的白云母和二云母花岗岩和钾玄岩系列，到造山后伸展阶段形成碱性系列。而在软碰撞除了造山晚期花岗岩外，出现壮观的造山后A型花岗岩分布和组成穹隆状隆起的火山岩大规模喷出。

（3）最重要的差别是从硬碰撞期到形成伸展塌陷盆地的时间非常迅速，估计只有儿百万年，而从软碰撞期到形成伸展塌陷盆地的时间则比较长，估计大约需要40Ma。

根据上述比较可推断，硬碰撞后产生伸展塌陷盆地可能主要靠地幔岩石圈厚度增加很大，地幔岩石圈与软流圈密度差引起的重力上不稳定，从而导致地幔拆沉作用使地幔岩石圈厚度迅速减薄。而软碰撞后产生伸展塌陷盆地则可能主要靠地幔热对流作用使地幔岩石圈减薄，因而从碰撞到产生伸展塌陷盆地所需要的时间比较长，有一个过渡阶段。或者是正如Tumer^[13]所指出的，从地幔岩石圈和地壳增厚到它们减薄可能沿两条途径演化：一条途径是*增生和隆起，水平浮力使造山挤压作用停止和出现造山后A型花岗岩；另一条途径是向伸展断陷盆地演化，出现非造山或伸展A型花岗岩（图6）。这样连同造山晚期钙碱性系列花岗岩，就会出现造山晚期花岗岩、造山后花岗岩和非造山（或伸展）3类花岗岩^[14]，它们具有不同的地球化学特征。晚造山期花岗岩与造山后花岗岩比较容易区别，后者具有较原始的Sr同位素比值[N（⁸⁷Sr）/N（⁸⁶Sr）＜0.705]，前者为N（⁸⁷Sr）/N（⁸⁶Sr）＞0.705^[13]。造山后花岗岩和非造山（伸展）花岗岩的区别是后者具有高的总REE值，富集HREE和在所有样品中出现大型的负Eu异常。

图6　遭受挤压作用力的造山带演化图　（据Turner修改，1992）

（a）在地幔岩石圈对流减薄以前，造山挤压作用力为Fdc；（b）随着岩石圈减薄，造山后花岗岩侵入，水平浮力（Fg）与造山挤压作用力保持平衡；（c）水平浮力超过挤压作用力，温度高，产生伸展塌陷盆地，出现非造山（或伸展）花岗岩

结合准噶尔及其邻近地区的构造演化历史分析，可推断C₂期A型花岗岩可能为沿第一条途径产生的造山后花岗岩；P₁-

3期A型花岗岩，具高REE、富集HREE和具大型负铕异常（图4），可能为沿第二条途径产生的非造山（或伸展）花岗岩。与此相对应的在第一条途径中分布与隆起相伴生的C_2-3期造山后火山岩台地，可能不受伸展断陷控制，基、中、酸性火山岩均有发育。第二条途径中产生的P₁期火山岩具有以基性和酸性为主的双模式特征，为非造山（或伸展）火山岩，受伸展断陷控制。这种火山岩特征与松辽盆地（J₃-k₁）十分相似。J₃期造山后热穹隆火山岩，不受伸展断陷控制，基、中、酸性成分均有，以中性为主，它们系地幔和地壳融溶物质混合作用的结果，并非俯冲作用所致。k₁期为伸展断陷期，发育非造山（伸展）火山岩，基、中、酸性成分均有，以酸性成分为主（张晓东等，见地学前缘2000年第3期）。

最后应当指出的是，将准噶尔早二叠世*内伸展断陷型的塌陷盆地与北山、南天山、吐鲁番-吐密以及伊犁等地区塌陷盆地进行比较，可以看出在西北地区这种塌陷盆地状况有很大不同。在北山和南天山分别为小洋盆和断陷海槽，而在准噶尔吐-哈和伊犁地区为*内伸展断陷。这种不同可能反映了初始地幔岩石圈的减薄程度。推测在北山和南天山洋地幔岩石圈已完全或接近消失，而在准噶尔、吐-哈和伊犁等地区，地幔岩石圈减薄的程度达到能够产生伸展断陷的增高古地温临界值和伸展作用力足以克服岩石圈抗张强度（陈发景等，地学前缘2000年第3期）。至于塔里木早二叠世盆地，虽然出现碱性系列火山岩和A型花岗岩，但由于位于克拉通，地幔岩石圈减薄程度低，古地温低，达不到产生伸展断陷盆地的临界值，因而仍保持克拉通内坳陷的面貌。

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