含油气盆地演化对板块运动的远程响应 ——以渤海湾盆地、柴达木盆地、琼东南盆地中的构造沉积现象为例

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中国所在的东亚大陆及其相邻海域,被欧亚板块、太平洋板块和印度板块所环抱,在大陆板块与大洋板块、板缘与板内构造复杂交织的区域背景下,频繁遭受挤压、拉伸和剪切作用影响,拥有十分复杂的地貌特征、活跃的地壳变形活动、以及频繁的地震和火山活动。板块运动对我国大陆边缘含油气盆地如渤海湾、柴达木和琼东南盆地等的形成和演化具有重要影响。本文充分利用地震、测井、岩心和地球化学等资料,从盆地动力学角度,围绕中国大陆边缘含油气盆地新生代沉积和构造演化对板块运动的远程响应这一科学问题,以三个盆地作为三个切入点分别揭示了渤海湾盆地南堡凹陷渐新世东营组“双强作用”与太平洋板块西向俯冲运动、柴达木盆地冷湖地区渐新世上干柴沟组物源突变与印度—欧亚板块碰撞运动、琼东南盆地北部晚中新世以来陆架边缘不对称沉积与太平洋板块—印度板块运动叠加作用等之间的内在联系与响应关系。解释上述特征性构造沉积现象的深部动力成因机制,继而分析我国大陆周缘板块运动所产生的伸展、挤压和走滑等不同深部动力背景下,渤海湾盆地、柴达木盆地和琼东南盆地相应的构造和沉积充填演化、油气分布的差异性特征;进而阐明新生代我国大陆边缘含油气盆地的形成演化对大陆周缘板块运动的远程响应。位于中国东部渤海湾盆地西北部的南堡凹陷,近几年有可观的油气发现。在前人研究基础上,对南堡凹陷渐新世东营组时期(Ed,28.5-23.8Ma)强烈断陷和强烈拗陷引起的强烈沉降作用进行刻画。采集南堡凹陷地区钻井岩心,通过地球化学方法对新生代玄武岩样品主、微量元素进行分析。结果显示玄武岩母岩岩浆经历了可以忽略不计的地壳混染、轻度分离结晶过程,并且以强烈的U、Pb、Sr和Ti元素正异常,低Rb/Ba和Rb/Sr比值为特征。南堡凹陷东营组玄武岩还具有以下特征:亚碱性、E-MORB型(enriched mid-ocean ridge basalts)稀土配分模式,母岩岩浆来自部分熔融较高(30%-50%)的石榴二辉橄榄岩带和部分熔融程度较低(3%-15%)的石榴石+尖晶石二辉橄榄岩过渡带的混源岩浆房。而南堡凹陷沙河街组和馆陶组时期的岩浆或中国东部其它地区东营组时期的岩浆特征有所不同:碱性、轻稀土元素富集,配分模式呈OIB型(oceanic island basalts),它们的岩浆来自于熔融程度低于5%的石榴石+尖晶石二辉橄榄岩过渡带岩浆房。结合前人对东北亚深部地幔转换带(mantle transition zone,MTZ)之上的形成于30Ma左右的地幔楔(mantle wedge)的研究,认为新生代太平洋滞留板片引起了软流圈扰动和上涌,并提高了幔源岩浆房部分熔融程度;而在此背景下,华北克拉通的薄弱区,如南堡凹陷所在的郯庐断裂带将会重新活跃并容易被改造破坏;所以,南堡凹陷东营组强烈拗陷和强烈断陷所造成的“双强作用”,以及活跃的火山作用都是对深部新生代太平洋滞留板片的复杂响应。此外,在印度—欧亚板块碰撞产生的挤压作用影响下,黄骅坳陷东营组时期的沉降中心转移至南堡凹陷,东西向断裂受南北拉张作用而活动强烈,也是“双强作用”的成因之一。位于青藏高原北端的柴达木盆地清晰记录了新生代印度—欧亚板块碰撞历史。本次研究报道了始新世末—渐新世初期柴达木盆地北缘冷湖构造带沉积和构造记录中的右旋现象,该现象被解释为阿尔金断裂左行走滑的结果,证据如下:首先,物源方面,重矿物组合特征指示方向从西南转向西,顺时针旋转约45°;其次,倾角测井和地震反射特征指示古水流方向,顺时针旋转了约25°;再次,冷湖构造带内东—西走向断层活动性减弱,北西—南东走向断层活动性显著增强。砂岩百分含量显示,冷湖构造带沉积物供给强度从始新世的持续减弱到渐新世突然增强,与断层活动性的变化同步。本次研究结果认为,青藏高原北部对印度—欧亚板块的碰撞,包括初始碰撞和完全碰撞都有着同步响应。渐新世末期,印度—欧亚板块完全碰撞引起的远程效应,使阿尔金断裂重新活化,开始左行走滑并在柴达木盆地产生北东向挤压应力分量,在祁连山前的冷湖地区发生顺时针旋转,控制构造应力场及物源发生相应右旋现象。位于中国南海西北部的琼东南盆地北部陆架边缘,晚中新世以来堆积了不对称陆架—陆坡斜坡体。本次研究通过二维地震资料对琼东南盆地北部陆架—陆坡斜坡体形成所需的古沉积物通量进行了计算,其结果与临近的海南岛所能提供的古沉积物通量相比,前者约为后者的3至17倍。这一巨大的差别指示琼东南盆地陆架边缘上的沉积物不仅仅来自于海南岛,反而更像是来自于一个更大的物源体系。琼东南盆地北部陆架边缘西段与东段相比,有着更为强烈(数十千米)的西南向迁移特征,东段则仅有1到2千米,指示一个集中于西段的强大物源体系的注入造成了琼东南陆架斜坡体高度不对称生长。结合琼东南陆架之上尤其是中新世末期以来沉积物的细粒岩性特征,推测其主要来自红河物源并以沿岸流的形式由北部湾陆架向东南搬运。本研究建立了一个富泥质环境下陆架—陆坡不对称斜坡体的堆积模式,即高水位时期绝大部分斜坡沉积体在同沉积下降的陆架上以浮泥形式斜向扩散。这一长期的(约107年)横向不对称堆积机制与世界其它地区源—汇沉积体系中的沉积物斜向搬运方式有所差别。本研究是目前世界范围内,对受新生代及现代海平面升降影响的富泥质陆架环境中沉积物斜向搬运和扩散现象的首次报道。此外,琼东南盆地北部陆架不对称斜坡体的堆积,与印度—欧亚板块碰撞和太平洋板块俯冲活动的叠加作用有关。约10.5Ma红河断裂带开始右行走滑并在5.5Ma左右进入高潮,导致红河物源沉积物供给增大,同时产生的构造应力叠加在琼东南盆地西北部已有的东西向断裂之上发育走滑拉分活动,引起西部基底加速沉降产生巨大可容纳空间,沉积了巨厚黄流组、莺歌海组和乐东组地层。总体上,印度—欧亚板块陆—陆碰撞过程的持续进行,造成青藏高原的隆升及其周围块体向四周挤出,该过程产生侧向推挤作用迫使中国大陆整体向东运动。自此中国大陆形成了一个以青藏高原隆升运动为动力源头,沿构造应力场呈扇状向东缘发散的统一体。中国西部、中部和东部地块具有连续的地壳运动特征。该整体过程产生的挤压应力作用和太平洋等板块的运动作用产生复合效应,在早期拉张、挤压和走滑应力场上叠加,控制已形成的渤海湾、柴达木和琼东南盆地的演化,在各自盆地构造变形和沉积充填过程中形成特征性构造沉积现象作为响应。
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