Question

造山带隆升与前陆盆地构造演化

Answer 1

现在大多数造山带的重力异常为负异常，反映岩石密度亏损，即在造山带之下存在或聚集有低密度硅铝物质（沉积岩和花岗岩）。在异常厚的沉积物堆积带中，重力异常值相当明显，达-300毫伽，这种异常值表明存在地壳基底坳陷。大陆碰撞带中的造山带地球物理资料表明，碰撞导致地壳极大地加厚，从而引起负布格重力异常，而且就是剥蚀比较严重的造山带，如阿帕拉楔亚山，也有类似的负重力异常。横穿碰撞造山带的重力观测，也表明异常一般表现为轻微不对称，布格异常的最小值一般与地貌高点不吻合，稍偏向于造山带腹地，即板片向下的方向。相反，结晶推覆体和沉积推覆体是推向前陆，这种布格异常的不对称是不对称地壳结构的地球物理反应。在阿尔卑斯山进行的地震反射折射研究也证实了这一点（Austrheim，1991），阿尔卑斯山壳幔边界的深度可达50 km（Mueller，1989），也有资料表明深度可达57 km。地球物理资料证实莫霍面向大陆碰撞带变深，在喜马拉雅山藏北碰撞带的莫霍面深达60～70 km（Holt、Wallance，1990），最深75 km（Guo，1993）。Labscher（1990）也给出阿尔卑斯山北部存在50～55 km深、厚度5～10 km一个层存在异常低的P波速，这个根带为紧密的向斜，可能在底部破碎，由于很深的岩石圈俯冲，上地壳被拆离推进堆迭，结果产生阿尔卑斯山复杂的推覆构造。

七十年来许多国家开展的大陆深部地层反射研究（COCORP，ECORPS，BIRPS，SWAT，EGT，DECOORP，GGT）结果表明，尽管许多显生宙造山带具有不同地质历史以及复杂的地表地质特征，但它们的反射剖面却具有地壳规模上的相似性，可以归纳出克拉通—显生宙造山带一般反射剖面，从克拉通到造山带可依次划及为四个带（Allmendiger等，1987）：A带（大陆弱变形克拉通带），线状薄层状反射对应于弱变形沉积盖层，上部1/2～1/3的地壳反射弱，中下地壳为倾向多变的反射面、绕射面，莫霍面附近的反射、绕射显著减弱，缺少横向连续的高幅反射；B带是以薄皮状冲断性质为主的造山带前陆，地壳浅部反射强，反映变形沉积，深部少见反射；C带为克拉通外缘，出现向造山带内部倾斜的反射面，并延伸到地壳深处，代表地壳规模的断坡带；D带为造山带腹地中下地壳发育许多水平或倾斜的反射面，反射性下地壳顶界的深度为0～20 km，莫霍面附近还出现横向上连续高幅反射带，反射莫霍面多出现显著的层纹状、其厚度1～6 km，此带常伴随着较高温度梯度、岩浆活动以及伸展作用。

但在许多挤压带中，如阿尔卑斯山、华力西、落基山风河逆冲带，深部地震主要为鄂鱼状（seismic crocodiles）的反射体，类似于板片构造（flake tectonics）（Oxburgh，1972）和楔状构造（Price，1986）。有的学者认为这种反射形态是不同地体组成的（Meissner、Sadowiak，1992）。这种视察到的“鄂鱼状”可能真正代表地壳楔入和拆离构造，在此处较硬的相对刚性层像三明治与较软弱层交错混合，产生类似的鄂鱼图象，近水平层纹状下地壳和相伴随平坦莫霍面则被解释为挤压造山作用后期形成，可能形成在拉伸塌落（collapse）过程中（Bird，1991）。在造山后期塌落中，相关这种下地壳加热和拉伸发育的地壳层纹状常切穿先形成的逆冲断层（Meissner、Sadowiak，1992）。目前普遍认为，反射性下地壳形成于造山带演化的晚期，有两种形式的反射性下地壳：一种为鄂鱼状特征、一种为层纹状特征，这两种特征似乎代表造山带构造带构造发育的两个端元。造山带深部反射结果，也揭示出造山带边界断层向下延伸的情况。边界断层为强烈倾斜的带状反射层，有时出现在上地壳，有时也可出现在上地幔中（代表地壳规模的断坡）（Cook，1986）。中地壳主要为板状反射层（Meissner，1989；Meissner等，1991），代表地体边界线或板块俯冲的边界。在中下地壳顶部，上地壳倾斜反射层的底部出现折射聚集（Sadowiak、Wever，1990）。这些成果揭示出造山带隆升的深部作用方式和特征，为进一步探讨造山作用过程和造山作用，盆地形成及演化提供了非常重要的信息。

在造山带中，冲断构造控制前陆盆地演化主要方式为两种：一种是负荷作用，另一个是造山带提供了沉积盆地物源。负荷主要有三类：①冲断层造成地壳增厚作用产生的正载荷；②由于剥蚀作用产生的负载荷；③由沉积作用引起的正载荷。所以在探讨冲断系与前陆盆地构造关系时，非常重要的是建立组成碰撞造山作用的大尺度冲断系堆迭次序，前陆盆地的几何形态和沉降史是由加载岩石圈的冲断堆迭演化所控制。在简单背驮冲断作用中，前陆盆地和前缘隆起将以一定速率向克拉通方向运动。如假设岩石圈弯曲刚度恒定，这个速率是冲断位移和增生的函数，但对区域背驮或分支、上叠式冲断次序堆迭，将造成岩石圈载荷加大，向克拉通方向迁移的速率降低，前陆盆地不断加深，前隆持续隆升，但变形前缘固定。如北亚平宁山前，渐新世-中新世复理石阶段前陆盆地以5～10 mm/a迁移到亚德利亚海湾弯边缘，中新世变形前缘迁移速率为0.25～10 mm/a，前陆盆地中心迁移速率达7.5 cm/a，沉积物聚集速率达1000 m/Ma（Ricchi，1986；Boccaleletti，1990）。南比利牛斯山，变形前陆速率为3.5 cm/a，快速沉降产生3.5 km厚浊积岩。在澳大利亚和Banda岛弧之间的2～3 km深Timor-Tanimbor海沟，在上新世中期地地壳缩短率为6～12 cm/a，岛弧隆升速率1～3 mm/a，沿盆地轴前陆盆地沉降速率达1 mm/a，说明了岛弧隆升和前陆盆地沉降是在一个数量级上。瑞典西部阿尔卑斯前陆盆地沉积范围，在渐新世为9 mm/a，在中新世达20 mm/a（Sinclair，1991）。喜马拉雅山前的更新世末期粗砾岩，向西南的前积速率为30 mm/a（Burbank，1988）。

前陆盆地坳陷也归因于汇聚系统造山带的冲断加载作用，由于造山带负荷发育的不连续性，前陆盆地演化也具有幕式特征（episodic）（Steckler，1990；Warschbusch、Royder，1992；Fleming、Jordan，1989，1990；Beaumont等，1988）。

多数前陆盆地源于汇聚作用，从被动大陆边缘演化而成（Jordan，1981；Bradley，1989；Tankard，1986a，1986b；Lash，1988；Kneller，1991；Pilgram，1989），也有从弧后盆地演化成弧后前陆盆地（Stockmal等，1986；Bond等，1988；Wilson，1992）。在造山带演化不同阶段对应于前陆盆地不同沉积特征。从被动大陆边缘到前陆盆地演化期可划分为四个演化阶段（杨庚和钱祥麟，1992）：①被动大陆或裂谷边缘形成阶段，其沉积物具有明显不对称性，一侧为浅水沉积，另一侧为深水沉积；②前陆盆地早期饥饿阶段（starved），该阶段冲断构造席加载在减薄大陆边缘之上，形成明显不对称沉积盆地，沉积物为半深海、深海，常常是浊流沉积，此时造山带未形成，刚出露水面；③前陆盆地晚期补偿阶段，冲断席体和前陆盆地向克拉通方向迁移，前陆盆地变浅，前陆和造山带抬升剥蚀；④前陆盆地补偿过足阶段，造山带已形成并加载在刚性大陆克拉通之上，前陆盆地变浅，沉积陆相磨拉石。