前陆类盆地的成因机制和演化
2020-01-14 · 技术研发知识服务融合发展。
中地数媒
前陆类盆地，是聚敛缩短构造环境中最重要的一类盆地原型。它的成因，就像其地位那样，无一不与毗邻造山带成为耦合关系(吴根耀，1998，2002)。正因为如此，才有Allen(见前述)及Reading(1986)“前陆盆地是在冲断带与被冲断带逆掩克拉通之间发育的大型沉积盆地”的定义和说法。
在国外，自Tankard在《前陆盆地》一书中，用北美阿巴拉契亚和科迪勒拉两个前陆盆地成因，“归因于是前陆岩石圈对掩冲带负载的均衡调整”或响应以来。前陆盆地的形成归因于掩冲作用(thrusting)和前陆岩石圈的挠曲(flxural)已无争议。在前陆盆地演化上，Tankard在同一篇文章中，强调了伴随掩冲带向前陆方向迁移和增生的3个阶段。分别是：①外来体(exotic)即增生楔形成的加积阶段。被称为太康型或阿巴拉契亚阶段；②在Acadian统至K2时期的被动大陆边缘风格进一步发展时期，此时期的后期，由于传送带(ramp)阻止了掩冲作用，导致冲断带的隆升；③冲断带超厚作用(overthick-ing)阶段……
在国内，冯福闿(1993)根据大型前陆盆地，往往有“冲断带、前陆深坳陷、前隆、向斜(应是隆后凹陷)”结构组成的特点，将四川、塔里木及准噶尔前陆盆地的形成，主张采用端载沉降模型(Turcotte，1986)形成机理来解释(图1-9)。
图1-9 前陆盆地的成因解释
(据冯福闿，1993)
A—塔里木盆地；B—四川盆地；C—弹性板加载挠曲弯曲模型
冯福闿还用四川、塔里木、准噶尔3个中新生代前陆盆地的沉降曲线(图1-10)，进一步说明了这些前陆盆地所具有的不同发展阶段(前中新生代)和相同阶段(中新生代)的演化历史，最后得出：“造山带推覆体垂向加载和水平挤压是造成前陆坳陷沉降的主要驱动力源，同时也含有前陆沉积物的负载平衡沉降的成分在内”(冯福闿，1993)。
几年以前，笔者在北京李思田教授处看到了他刚从国外购回的 Gerhard Einsele所著《沉积盆地》一书。Einsele在该书第12 章中涉及残留海(Remnant)及前陆盆地的讨论，引发了笔者的兴趣，从而将此一部分复印后带了回来。
图1-10 中国中西部前陆盆地沉降的曲线
(据冯福闿，1993，有修改)
Einsele与以前的作者不同处是：是在前陆盆地系统中，即将一个前陆盆地结构，分成楔顶(Wedge top)、前渊、前隆及隆后等四个部分同时，主张前陆产生挠曲沉降的动力是4种载荷，分别是①已进入造山带的火山弧上的地形高地负载；②因被动边缘潜没在传送带(ramp)上下潜产生的潜没载荷；③盆地充填负载，以及④在弧后盆地形成上作者增加了一个板块动力负载(Dynamic Slab Load)(见图1-11)。其次，Einsele将前陆盆地的演化，分作从冲断作用开始到松弛(Relaxation)，再到均匀沉降和(最后)到回跳(rebound)的一个旋回，如图1-11c中的4个演化阶段：①此时，第1个冲断作用产生源区物质供应充分，前隆上升，但位置在海平面以上，此时前渊沉降明显加大；②该阶段伴随源区因剥蚀导致地形高度降低，物源供应减少，前隆向前渊方向迁移；③被称作是一个相对稳定的或相持的沉降阶段；④该阶段，地壳回跳是一种均衡回跳，新的源区供应充分，盆地充填已满，并在原前隆部位产生“反向的周缘凸起”(外缘反凸起-隆后凹陷)。
在Einsele的前陆形成机理和演化模式中，综合了前陆盆地这几年许多新的概念和成就：
支持Decelles和Giles(1996)将前陆划为由四种结构组成的前陆系统概念。
吸收了前人“冲断造山带前锋”的概念，在此用OWF(the front of the orogenic wedge)表示在造山带楔体中划分出了楔顶(相当山麓地带中的薄皮冲断)。有了OWF和TF(地形上的前锋)之间的概念，以及前陆早期沉积形变和变位的概念，就等于对前陆的发展和演化从递进推覆前渊迁移到沉积和沉降中心迁移上(见本书案例二)作了未加说明的涵盖。
图1-11(a，b和d根据Decelles和Giles；1996；c图有几个来源，如Zweigel，1998)
a，b—进入造山带的火山弧前区的周缘前陆盆地以及弧后区的弧后盆地，注意沉降产生的不同类型；c—在一个前陆盆地演化旋回中，包括①(初始)活动的逆掩断层作用，②表现为源区的变化、前隆后退、沉降减少的松弛(relaxiation)阶段，③均匀或变化不大的沉降阶段，④均衡回返(isotatic recoil)和“反向的周缘隆起”沉降阶段，此阶段伴随前隆区沉积源以及不整合地位的改变；d—修改后的前陆盆地模式图。原造山带楔体前锋(OWF)已被覆盖和埋藏于年轻的沉积物之下。注意OWF和冲断地形前锋(TF)之间不同的空间位置
Einsele意见的另一个特色，是强调了形成大陆边缘前陆盆地的四种负载(loading)，而且把地形负载(topographic)放在形成前陆挠曲动力之首。在前陆演化中，Einsele以图1-11c中的①负载作用(应是冲断负载Loading)；②松弛(relaxation)；③均匀沉降(uniformsink)及④回跳(rebound)，以三种图型作了4个阶段的划分。从图型上看，不包括未示出的③阶段，大体相当于Price(1984)早期聚敛碰撞或称复理石前陆阶段，过渡阶段以及碰撞后期的磨拉石盆地阶段。
在前陆盆地形成动力学的模拟上，在国内已有建立在岩石圈挠曲概念和挠曲模型基础上的详细讨论(何登发，1996)；有以地质模型、数学与力学模型为基础的涉及川西前陆形成机制的讨论(刘翠荣、吴乃苓等，2001)。其特点，都是从前陆盆地自身的沉积和构造演化资料出发，来设计古构造应力场的边界条件和岩石力学参数，不妨把这种模拟认作是正演办法。
最近，笔者在读由McClay和Whitehouse执笔的《双侧造山带模型模拟》的文章中(McClay，2004)，获得另一种感受。McClay以砂箱试验所完成的造山带双向冲断楔体模拟的特点，不是先从前陆本身的资料出发，而是从作为一个具有双侧背冲冲断楔体的所谓“花”式山链(图1-12a-b)的模拟出发。既然前陆盆地发生的主要动力边界条件是一条碰撞山链，那么，如能模拟出这种山链两侧冲断楔体产生的以序次为核心的规律，从盆山耦合的机理出发，应该可以反演出前陆挠曲沉降的序次和规律。实际上，McClay的模拟结果，确实验证了他的动机。图1-13a-c，不仅说明了双侧由冲断楔体组成的代表造山带增生的递进推覆的方向、时间和序次，还间接地指出了前陆盆地前渊产生的序次和迁移的方向，还对一个双侧造山带所具有前楔(prowedge)、后楔(retrowedge)及轴部隆起带(axial uplift zone)结构，以及为什么多数双侧造山带都具有不对称性(如我国的秦岭)作出了合理的解释(图1-12b)。
中国西部的造山带，从秦岭到昆仑，再从祁连山到天山，都是多旋回的造山带(黄汲清，1977)。就像扬子东南缘从川东到湘(鄂)西带上的递进推覆(见案例二)，分别是由加里东、印支、燕山和喜马拉雅4期推覆形成的冲断楔体那样，前陆盆地的构造演化，在中国中西部也是多旋回的，如果能从鉴别不同时期的褶皱冲断前锋端线(tip-line of fold-thurst front)中，找到特定时期的冲断前锋端线位置，就能将该造山带的增生历史，与前陆盆地的演化历史联系在一起。例如：“八五”期间，我们在西昆仑山前带上找到晚三叠世和侏罗纪的前渊，但又主张包括且末—若羌以南的侏罗纪盆地认做是伸展盆地(秦都，2005)显然是不妥的。主张中国西部侏罗前陆是“伸展”的作者，大概都没有注意到该期前陆的性质是属于前陆演化中的均匀沉降阶段(见图1-11③)，是一个沉降和沉积速率相对前期(T3)及后期(第三系)的一个从松弛到不均匀沉降阶段的产物。反之，笔者支持用羌塘碰撞、拉萨碰撞、科希斯坦-德拉斯和喜马拉雅4期的碰撞历史(见图1-4)，以及这种碰撞的远距离效应(图1-7)，来认识中国中西部前陆盆地的形成和演化。
图1-12a 一条碰撞山链就是一朵“花”
(据Mattauer，1989)
图1-12b 一条碰撞山链所具有的双侧背冲褶皱和冲断系统的概略模型
(据McClay，2004)
图1-13 造山带双向冲断楔体模拟
(据McClay and Whitehause，2004)
a—试验模拟最初阶段图解；b—实验模拟最后阶段图解，表示双侧背冲楔体系统的关键组成；c—双侧背冲楔体的解释，表示各项参数实验结果
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进一步的解释，湖泊沉积，能形成冲积平原，沉积平原，而沉积平原，它却涵盖了所有的沉积区域，只是因为面积的大小不同，分成沉积的平原，沉积的盆地，沉积的沼泽地，沉积的湿地，沉积的区域，而根据沉积区域的面积大小，以及沉积区域四周的地貌结构，则有了沉积平原，如果这个沉积平原的面积相对小，且四周高，那么，这就是沉积盆地。从这个角度，我们就彻底看清了盆地的真正由来。---不论哪种盆地，都是沉积之后的产物。
以四川盆地为例，起初，四川盆地是水域，按照最低平均沉积速率，1CM/年，四川盆地这个湖泊平均水深50米，那么，沉积满四川盆地这个水域，通过计算，大约需要5000年，数据不会撒谎。
