第五章盆地沉积学的研究方法
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构造动力学机制与中国沉积盆地形成一.背景及意义中国有大小不同的沉积盆地485个,进行过油气勘探的盆地有107个,发现有大-中型油田的盆地16个,占勘探盆地数的15%。
对于这些盆地的分布规律和动力学成因机制有不同的认识,胡见义等(1991)从现有盆地反应最终格局出发,认为西部具挤压、东部为张性、中间过渡性盆地的观点;也有的从地貌结合盆地动力学性质,以大兴安岭---太行山---雪峰山为界,把中国分为东西两部,以西为挤压型盆地,以东为拉张型盆地;这条NNE向的山脉分布带,恰好是中国东部重力梯度带。
近年来朱介寿等(2002)【1】根据欧亚大陆及西太平洋地区58个数字地震台站约12000个长周期波形记录,挑出4100条面波大圆传播路径,采用面波频散及波形拟合反演方法,对东亚及西太平洋边缘海地区的地壳和地幔进行了高分辨率三维S波速成像,结果发现以东经110 为界,东西两部分岩石圈、软流圈的结构与深部动力学过程有巨大的差异。
此界限与大兴安岭—太行山---雪峰山连接基本对应,界线以西主要是印度板块与欧亚板块碰撞引起的岩石圈汇聚增厚区,界线以东主要是由于软流圈上涌引起的岩石圈减薄区。
中国大陆晚中、新生代以来,东西构造差异和盆地的不同类型成因,我们将由表及里和由浅入深到演示区青年和软流圈内更深层次上考查西部陆内俯冲、陆内造山和前陆盆地形成等问题,考查东部裂谷盆地的形成和演化,这非常有利于今后油气勘探工作[2]。
二.沉积盆地的动力学机制[3]地球历史演化的动力是来自地核和地幔, 通过地幔的热对流把地核产生的热量传递到地表, 并通过不断变化的热对流和物质对流来达到地球内部的平衡。
核-幔边界过剩的热通过地幔羽的形式或软流圈的区域性隆升形式传递到岩石圈上部, 并使岩石圈隆起、遭受剥蚀, 当热散失后在地表形成盆地。
地幔热对流具体体现在软流圈上涌的高度或莫霍面位置,或以火山喷发作用将热直接传导到大气圈。
软流圈和莫霍面的位置对中、新生代盆地的形成和演化具有明显的制约作用。
沉积学与盆地分析的新理论与方法沉积学是地质科学的基础学科之一,是研究沉积物的物质成分、结构构造、分类及其形成作用,以及沉积环境和分布规律的一门科学。
研究对象是沉积物和沉积作用,包括研究未曾石化和已经石化的天然沉积物及自然环境中沉积作用的过程和机理。
沉积学作为地质科学的一个分支,它与流体力学和地层古生物学密切相关,与物理学、化学、海洋学、气象学、水文学、土壤学、建筑学也有重要联系。
沉积学作为地质学中的一门分支学科在过去三十年,特别是近十几年来已取得了长足的进展,并且在科研和生产中发挥着越来越大的作用。
这是因为沉积学研究不仅涉及像地球岩石圈演化这样的基本理论问题,而且也关系到如石油、天然气、煤等能源和铁、锰铝铅锌铜等矿产资源的开发和利用,海港建设、河道疏浚、谁看防淤及环境保护等一系列实际问题的解决。
1沉积环境及其演化1.1碳酸盐和陆源碎屑混合沉积体系近年来,混合沉积机制研究的突破主要体现在以下两个方面:(1)海平面变化对混合沉积体系的影响及其环境效应。
在潮坪、潮缘和浅海滨岸带,海平面变化对混合沉积环境影响最大,可以形成广泛的混合沉积;在平坦的碳酸盐台地,海平面上升可使沉积速率增大,造成混合沉积发育,而海平面下降则导致台地浅水区缩小和台地顶部暴露,减少了混合沉积体系的机率出现;在碳酸盐缓坡,无论海平面上升还是下降,缓坡中均可见到数量不等的混合沉积。
(2)构造升降通过控制盆地类型、物源区、沉积区的分布形态以及物源供给量来控制混合沉积,对活动大陆边缘混合沉积体系的影响尤其明显。
此外,风暴流、浊流及等深流等突发事件作用,通过对原有沉积物的改造和实现跨环境搬运、再沉积而形成浅海-盆地相混合沉积;气候通过冰期-间冰期的变化影响海平面的变化和物源的供给控制混合沉积体系。
1.2事件沉积学事件沉积学是从“灾变论”复活、发展而形成的边缘学科。
风暴、不整合、季纹泥沉积、洪泛面以及大洋缺氧等事件是一系列区域性甚至洲际性事件,而磁极倒转、气候突变、构造巨变、星球撞击(陨击)、凝灰/火山灰沉降、海平面上升、冰川作用、生物绝灭等事件具全球性。
沉积盆地热演化史研究方法盆地热演化史研究方法很多,主要有地球动力学模型法及古温标法两类。
一、地球动力学模型法地球动力学模型法是通过对盆地形成和发展过程中岩石圈构造(伸展、减薄、均衡调整、挠曲形变等)及相应热效应的模拟(盆地定量模型),获得岩石圈热演化史(温度和热流的时空变化)。
不同类型的盆地,具有不同的热史模型,根据已知或假定的初始边界条件,通过调整模型参数,使得模型计算结果与实际观测的盆地构造沉降史相拟合,从而确定盆地底部热流史;进而结合盆地埋藏史,恢复盆地内地层的热演化历史。
不同类型的盆地由于其形成的地球动力学背景和成因机制的差异,导致盆地演化过程的不同。
因而描述其构造热演化过程的数学模型也是不同的,P.A.Allen和J.R.Allen(1990)在其论著中对岩石圈伸展作用形成的盆地、挠曲盆地及与走滑变形有关的盆地的热史模型都作过详细地论述。
(一)伸展盆地伸展盆地是目前研究较广泛、研究程度较高的盆地类型,裂谷、拗陷、拗拉槽和被动大陆边缘是其基本样式。
在地壳和岩石圈伸展、减薄作用下形成,其主要的构造热作用过程包括:岩石圈的伸展减薄、地幔侵位、与热膨胀和冷却收缩以及沉积负载相关的均衡调整。
裂谷是地壳中的拉张区,现代裂谷具有负的重力异常、高热流值和火山活动等特征,表明在深部存在某种热异常。
裂谷分主动裂谷与被动裂谷两种类型。
1978年McKenzie研究了被动裂谷或机械伸展模型的定量结论后,提出了瞬时均匀伸展模型。
该模型假定地壳和岩石圈的伸展量是相同的(即均匀伸展);伸展作用是对称的,不发生固体岩块的旋转作用。
因此,这是纯剪切状态。
构造沉降主要取决于伸展量、伸展系数(β)以及初期地壳与岩石圈的厚度比值。
该模型可概括如下:①拉张盆地的总沉降量由两部分组成:其一是由初始断层控制的沉降,称为初始沉降,它取决于地壳的初始厚度及伸展系数β;其二是岩石圈等温面向着拉张前的位置松驰,从而引起的热沉降,热沉降只取决于伸展量的大小;②模拟结果表明,断层控制的沉降是瞬时性的,而热沉降的速率随时间呈指数减小,这是由于热流随时间减小的结果。
盆地地层格架的建立一、地层的沉积作用沉积作用分为物理的、化学的、生物的,按形成方式,可分为垂向加积作用和侧向加积作用两种。
1、古隆起区和古凹陷区分析沉积物在介质中自上而下的堆积过程,它是以沉积物“雨”降落方式堆积沉积物的,沉积层是垂向上加积的。
大洋环境、大型湖盆、封闭海盆、泻湖和爆发型火山沉积、浊积岩、风暴岩、洪泛岩、宇宙尘堆积、风成黄土等是垂向加积的。
垂向加积作用形成的地层具有以下特征:(1) 未发生倒转的地层,总是上新下老。
(2) 连续延伸的相同属性的岩层界面必然是等时面。
(3) 地层的相变不服从瓦尔特相律。
2. 侧向加积作用沉积物沿搬运方向的堆积,它所形成的原始沉积层是斜的,即等时面是倾斜的,如曲流河道迁移过程中边滩向凸岸方向加积、三角洲前缘向海方向的加积、沙坝向海推进。
滨岸沉积在海平面上升时形成的向岸方向的侧向加积;生物建隆在它的筑积速度和海平面上升幅度均衡时为垂向加积;而当海平面上升幅度小于筑积速度时就会出现侧向加积。
侧向加积作用形成的地层具有如下特征:(1)未经构造变动和未发生例转的地层序列,其沉积层是原始倾斜的,即其等时面是原始倾斜的,因此这种斜列的沉积层不符合地层叠覆律。
(2)在大范围内连续延伸的相同属性岩层或岩性界面,其穿时性是绝对的,等时性是相对的。
(3)地层的相变符合瓦尔特相律。
3.海进、海退与地层的形成海进、海退是地层形成的主要动力过程。
不同地史时期,不同环境形成了不同的地层记录,其重要特征是:若地层层序连续,相序必然连续,相的时空结构服从瓦尔特相律,如果相同属性的岩相界面在斜交和垂直海岸线方向上必定是穿时的,如美国西南部寒武系和华北南部河南、河北一带早古生代的三山子组白云岩均是著名的穿时岩石地层单位。
二、地层对比与地层格架的建立地层对比是确定不同地点的不同剖面的地层特征和地层位置相当。
按地层的不同的属性建立了不同的地层单位,故有不同地层单位的对比,如生物、岩性、年代、磁性、地震反射特征等。