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第三章 裂陷盆地-1

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地质 储层 沉积 地化 层序地层
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11/12/20131含油气盆地分析长江大学地球科学学院胡海燕第三章裂陷盆地§1 裂陷作用与裂陷盆地的成因一、壳和岩石圈发生伸展变形是受引张作用所致。因此,可将“裂陷作用”理解为引张力作用于整个岩石圈并导致地壳和岩石圈发生大规模的开裂和断陷的地质作用过程,或造就岩石圈“伸展构造”的既“裂”又“陷”的构造过程。裂谷是裂陷盆地的典型代表。伸展构造是指在裂陷作用(或区域引张作用)下形成的一切使地壳或岩石圈沿水平方向发生伸长变形的构造的总称。裂陷盆地或伸展盆地是地壳表浅层的大型伸展构造,其主要特征是沉积盆地是在地壳的伸长减薄过程中形成和发展的。行的正断层之间的狭长沉降带。裂谷概念作了较大的修正,认为裂谷是引张作用使整个岩石圈破裂而形成的狭长沉降带。主要包括三层意思:n 1) 裂谷并非一定是对称的;n 2) 裂谷是整个岩石圈发生破裂,这是强调裂谷是一种大尺度的构造,不包括那些中、小型地堑构造;n 3) 裂谷是引张作用使岩石圈破裂,这是将裂谷与其他深大断裂及其相关的构造区别开来。堑”(于描述以近似平行的正断层为边界断层所控制的长而窄的断陷构造,如莱茵地堑。地堑和半地堑如果充填了沉积地层就属于伸展型盆地范畴。伸展型盆地泛指那些在地壳或者岩石圈伸展变形过程中形成的盆地,规模可大可小,从大规模的大洋裂谷和大陆裂谷到小型的由正断层控制的地堑和半地堑,都可视作伸展型盆地。裂陷盆地是从动力学成因的方面给予定义,指那些由于岩石圈或者地壳裂陷作用过程中形成的沉积盆地。所有的裂陷盆地都以为着在形成过程中发生了地壳和岩石圈的伸展变形,因而都属于伸展型盆地。二、主动裂陷作用与被动裂陷作用根据引张力的起因,森格等将岩石圈的裂陷作用分为主动和被动的两种动力学机制。所谓“主动裂陷作用是指岩石圈底下的软流圈热热物质主动上涌,并引起整个岩石圈的水平引张。11/12/20132被动裂陷作用的力源是板块构造演化过程中产生的区域水平引张力,地壳岩石圈的裂伸展也可能导致岩石圈底下的软留圈热物质的被动上涌。主动裂陷和被动裂陷的主要区别是裂陷盆地形成前是否出现区域的热隆起、裂陷盆地的形成和发展过程是否属于区域热隆起的后续构造事件。因此,在裂陷盆地形成的过程中,可能出现“热隆起—火山活动—裂陷盆地形成—热沉降”等构造事件序列。在被动裂陷机制中可能出现“裂陷盆地形成—热隆起—火山活动均衡沉降、热沉降”等构造事件序列。裂陷作用既有“主动”成分,又有“被动”成分,并且在不同的阶段可能表现为不同的动力学机制占优势。引张或挤压产生的对称的剪切变形称纯剪切(三、大陆伸展模式特征:在引张力作用下,主伸展应变轴方向的伸长和主收缩应变轴方向的缩短使之产生一对以主应变轴为对称轴的共轭剪切变形带,并且主应变轴方向在变形过程中保持不变。1 概念图中,原始状态的带有“圆”标志的正方形在剪切力作用下发生“角应变”,而使“圆”变形为“椭圆”,这种变形方式称为简单剪切(三、大陆伸展模式特征:物体发生简单剪切变形时,应变“椭圆”的主应变轴方向在变形过程中发生旋转,而剪切变形带的宽度(或厚度)则保持不变。壳或岩石圈的纯剪切伸展变形产生两组相或相背倾斜的共轭正断层,并在运动中导致短块体相对上升和下降,从而形成地堑和地垒构造。简单剪切伸展模式中,浅层地壳中脆性破裂构成的伸展构造系统是由地壳中岩石圈尺度的大型低角度正断层上盘的剪切滑动引起的。11/12/种伸展模式中包含着两个重要的思想,其一是地壳(或岩石圈)伸展构造是分层次的,其二是不同层次的地壳或岩石圈的伸展变形方式可以不同。岩石圈可能被近似水平的拆离断层分隔为不同的变形层,不同层次的地壳和岩石圈可以分别以纯剪切或简单剪切变形方式发生伸展。而不同层次形层,不同层次的地壳和岩石圈可以分别一纯剪切或简单剪切变形方式发生伸展,而不同层次的伸展变形区在垂向上可能叠合在一起,也可能不叠合。§2 裂陷盆地类型与特征一、与板内裂陷作用有关的裂陷盆地1. 伸展型拗陷盆地2. 陆内宽裂陷盆地3. 陆内窄裂陷盆地二、与大陆裂开和板块离散运动有关的裂陷盆地4. 陆间裂谷5. 衰退裂谷(拗拉槽)6. 新生大洋盆地(大洋中脊)7. 被动大陆边缘(陆阶和陆隆或陆堤)三、与板块俯冲作用有关的裂陷盆地8. 弧内盆地9. 弧后盆地和弧间盆地四、与大陆板块碰撞作用有关的裂陷盆地10. 撞击裂谷裂陷盆地的板块构造环境分类一、裂陷盆地的类型二、)伸展型拗陷盆地指地壳或岩石圈受引张减薄而形成的碟状坳陷,盆地不直接受断层控制。11/12/20134二、各种类型裂陷盆地的基本特征(2)陆内宽裂陷盆地。裂陷盆地是由一系列平行延伸或分叉、斜交的地堑、半地堑组成,裂陷作用发生在很宽阔的地区。(3)陆内窄裂陷盆地。裂陷作用发生在比较窄的范围内,地堑、半地堑呈链状、斜列式分布,构成平面上的狭长的沉降带。)陆间裂谷或原始大洋裂谷:裂陷作用使岩石圈已经完全裂解为两部分或三部分,裂谷底部是新生洋壳并有进一步扩张的趋势,称为岩石圈板块离散运动的边界,如红海裂谷南部。)衰退裂谷:从大洋以高角度深入大陆内部的裂陷盆地,是大洋形成初期的三岔裂谷系中的一支。)新生大洋盆地和洋中脊:大陆板块破裂后继续发生海底扩张,形成大面积以洋壳为底的新生洋盆,海底扩张仍然在洋中脊发生。(4)被动大陆边缘。指在离散板块运动造成的大陆边缘。由于新生洋壳的不断增加,被动大陆边缘由原来的离散板块边缘逐渐演变为包含有大陆岩石圈和大洋岩石圈的统一板块的内部。11/12/)弧内(裂陷)盆地:指岩浆弧或岛弧内部的裂陷盆地,有强烈的火山活动。火山作用使岩浆弧裂开,进一步的扩张可能使岩浆弧或岛弧一分为二,弧内盆地则演化为弧间盆地。(2)弧后(裂陷)盆地和弧间(裂陷)盆地:岩浆弧或岛弧位于大陆一侧的裂陷盆地称为弧后盆地,在大洋内部的岛弧之间发育的裂陷盆地称为弧间盆地。(3)撞击裂谷:指大陆板块在碰撞过程中在碰撞带前方的大陆内部形成的走向与碰撞带近垂直的狭长盆地。盆地的形成是一种典型的被动裂陷作用过程,如莱茵地堑、贝加尔湖盆地。§3 裂陷盆地的构造样式断面和断盘均不发生旋转的非旋转平面式正断层;断面和断盘均发生旋转的旋转平面式正断层;断盘旋转而断层面不发生旋转的铲式正断层。一、非旋转平面式正断层控制的“地堑与地垒”2)由旋转平面式正断层控制的“多米诺式半地堑系”3)由铲式正断层控制的“半地堑”或“滚动式半地堑。4)由坡坪式正断层控制的“复式半地堑”11/12/20136二、裂陷盆地的构造变换带一个伸展型断陷盆地往往由多个由正断层控制的断陷组成。裂陷盆地中控制各个断陷地堑或半地堑的主干断层在平面上的展布有多种样式,致使断陷盆地也呈现不同的平面形态,如线型、平行式、侧列式、雁列式等。二、裂陷盆地的构造变换带连接基底主断层的一些横向、或斜向断层扮演着犹如板块构造系统中的转换断层的角色,称其为变换断层。同一变换断层的不同地段可以是完全相反的走滑方向。990)通过研究东非裂谷伸展构造实例他在(1990)将变换带分为三类四型•三类:相向倾斜、相背倾斜、同向倾斜类。•四型:未叠覆、叠覆型、平行型、共线型。11/12/20137§4 裂陷盆地类型及其演化板块运动的过程中可能使大陆岩石圈板块内部某些特定区域受到引张,从而导致大陆岩石圈减薄并形成裂陷、板内裂陷和板块离散运动与裂陷盆地的演化如果引张作用使整个大陆岩石圈裂开则形成大陆裂谷。大陆裂谷进一步扩张和伸展,扩展中心形成新的洋壳时,大陆裂谷将向着陆间裂谷、被动大陆边缘和大洋裂谷演化。发生在三叉裂谷系中的一支在伸展过程中可能受到其他两支裂谷的扩张和伸展的限制,这一支大陆裂谷就是衰退而演化成为拗拉槽。间裂谷—新生大洋盆地当地幔热物质上升并对裂谷轴部产生热底辟作用后,都有可能促使大陆岩石圈板块裂解成为两个或多个板块。原先的大陆裂谷的轴部形成新的大洋地壳,并成为两个或多个板块的离散边界;大陆裂谷则演变成为陆间裂谷。11/12/20138海-亚丁湾三叉裂谷系埃塞俄比亚和红海北部现在依然处于大陆裂谷阶段红海南部和亚丁湾盆地的轴部已经出现了大洋地壳亚丁湾轴部甚至出现了新生洋壳扩张形成的转换断层,说明已经演化到陆间裂谷阶段。退裂谷—拗拉槽并非所有的裂谷都会不断的扩张为新生洋盆,特别是三叉裂谷系中,随着其中的两支裂谷扩张到出现新生洋壳并进一步演化成为新生洋盆,另一支裂谷的扩张可能会受到限制而停止扩张,成为衰退裂谷。退裂谷—拗拉槽在洋盆俯冲消减直至发生大陆碰撞的过程中,衰退裂谷还可能发生一些轻微的挤压构造作用,最终成为拗拉槽。实例:俄克拉荷马盆地美国南部的俄克拉荷马盆地是一个自奥锲塔褶皱带向北西伸向北美克拉通内部的拗拉槽-晚寒武纪时期的大陆裂谷晚寒武世-密西西比纪时期的拗陷宾夕法尼亚纪的变形后保留下来。动大陆边缘大陆裂谷演化成为陆间裂谷—新生大洋盆地后,裂陷扩展主要发生在新生养中脊部位,早先被裂陷的大陆地壳部分不在发生显著的裂陷作用,成为向新生洋盆地过度的被动大陆边缘。实例:巴西东部被动大陆边缘盆地11/12/20139波斯盆地、塞尔希陪盆地等,都经历了:裂谷前克拉通阶段陆内裂谷阶段过渡阶段被动大陆边缘阶段拉通内部沉积层系的特点是,下部为河、湖相红色岩系,主要是页岩和细至中粒砂岩,底部为蒸发岩和灰岩;上部为浅灰色具交错层理的细-粗粒砂岩,根据层位推算其大部分岩层属晚侏罗世。晚侏罗世时期,南非、巴西为统一大陆,在裂谷前期隆起上发育有晚侏罗世的河、湖相沉积。该层系缺乏生油岩,但具备良好的储集层。断陷盆地中发育碎屑岩层系,为细-粗粒砂岩,灰-黑色粉砂岩和页岩夹薄的灰岩层逐渐过渡和交互。在北边,裂谷层系的顶部发育有淡水介壳灰岩。在南边,有侵入岩和喷出火山岩分布,是南大西洋形成前裂谷作用的结果。裂谷阶段的构造特征:发育高角度的正断层和向西翘倾的半地堑和半地垒。断层作用强度大,密度也大,可以看到落差大于4000靠近主断层的上盘发育河流粗碎屑沉积,并伴随着裂谷盆地的发育,其上部广泛发育湖相沉积,最后以冲积作用结束。蒸发岩阶段):原先的大陆裂谷部分的裂陷作用基本停止,岩石圈的裂陷伸展集中表现为新生洋壳的扩张。这期间广泛发育蒸发岩层系,由底砾岩,细-粗粒砂岩,暗灰色页岩,灰岩和蒸发岩组成。古地理分布表明此阶段为一个大的海湾。大西洋裂开和海底扩张的早期,巴西大陆边缘主要为砂、页岩沉积,接着是台地碳酸盐岩相沉积。台地碳酸盐岩相特征是,在高能时期,沉积钙屑岩,它们组成良好的储集层。与这种沉积物伴生的泥质碳酸盐岩和页岩被认为是生油岩。11/12/陆内拗陷盆地大陆裂谷或裂陷盆地发展到一定程度后可能不在进一步裂陷扩张了,早先因裂陷作用减薄的岩石圈在热衰减过程中还会引起地表拗陷而形成碟状盆地,可以成为拗陷盆地。1)实例一:中俄罗斯盆地2)实例二:密歇根盆地3)实例三:北海盆地4)实例四:松辽盆地没有出现洋壳侏罗世期间,松辽地区地壳发生大范围热隆起,有强烈的岩浆喷发和大规模酸性岩浆岩侵入。早-中侏罗世在隆起背景上形成了一些小断陷,堆积了火山岩、陆相碎屑岩。白垩世。晚白垩世末发育大面积的火山岩,反应地壳大规模张裂。早白垩世早期有沙河子组含煤碎屑岩和应城组含火山岩的煤系地层,厚逾1700m。早白垩世晚期裂陷盆地的沉积范围扩大,沉积了登楼库组和泉头组碎屑岩。11/12/201311为统一的大型湖盆,沉积了青山口组、姚家组。构造活动是以稳定沉降为主,伴随有间歇性上升,而总体上的沉降速率是逐渐减小的,表现出沉降作用与热岩石圈的冷却和地壳均衡调整有关。地发生构造反转作用,形成众多反转构造。松辽盆地在拗陷阶段发育良好的生储盖组合。由于盆地的沉降速率大于沉积速率,湖盆中部深拗陷部位发育了很好的烃源岩。而向湖盆推进的三角洲砂体称为好的储集层。盆地构造反转形成了大型构造圈闭,如大庆长垣。展造山带大陆裂陷盆地,特别是发育在拆离断层上盘的裂陷盆地发展到一定程度后,断陷边缘的主干断层的大规模伸展位移可能使下盘在均衡作用下隆升,使地壳深部由于伸展作用而形成的“变质核杂岩”露出地表,成为伸展造山带。二、与俯冲作用有关的弧间—弧后裂陷盆地及其演化弧后盆地位于火山岛与大陆之间,通常也称为大陆边缘盆地。现代的弧后盆地主要分布在环太平洋+地区,特别是集中在西太平洋边缘。弧后裂陷盆地弧间裂陷盆地991)将前人对弧后裂陷盆地形成机制各种解释,概括为主动裂陷和被动裂陷两种机制的五种模式(1)模式1:由于板块俯冲摩擦产生岩浆作用和诱导出地幔物质上涌,岩浆的底辟使弧后地区发生裂陷作用(2)模式2:热地幔柱沿俯冲板块的顶面“注入”到弧后地区,并使弧后岩石圈裂陷形成裂陷盆地。这种机制属于主动裂陷机制。(3)模式3:由于上覆板块在俯冲作用过程中发生“后退”运动使弧后地区岩石圈产生被动裂陷伸展11/12/201312(4)模式4:可能与地球自转有关的向东流动的软流圈物质遇到向西俯冲的大洋板块跟部后,推动大洋板块后退,在弧后造成伸展裂陷的构造环境(5)模式5:岩石圈下伏的软流圈的下降流使俯冲板块发生“滚动”后退,并诱导出弧后的伸展裂陷区域性的甚至于全球性的岩石圈动力学背景、岩石圈的结构、地壳裂陷伸展机制岩石圈伸展速率等三、影响裂陷盆地演化的因素989)拆离断层说当地壳和岩石圈伸展到一定程度后,如果没有出现大规模拆离断层或拆离断层在岩石圈伸展中没有起控制作用,进一步的伸展作用可能导致整个大陆被拉开而产生新生的洋壳。大陆裂谷--陆间裂谷--新生洋盆三、影响裂陷盆地演化的因素大陆边缘裂陷盆地—伸展造山带途径演化大陆裂谷—陆间裂谷—新生洋盆途径演化如果随着岩石圈伸展的发展而发育大规模拆离断层,并且拆离断层在岩石圈继续伸展中起控制作用,大陆岩石圈的伸展变形部分将越来越大,从而抑制整个大陆岩石圈的裂解和出现新生洋壳。大陆裂谷--伸展造山带三、影响裂陷盆地演化的因素大陆边缘裂陷盆地—伸展造山带途径演化大陆裂谷—陆间裂谷—新生洋盆途径演化987)认为,在大陆地壳或岩石圈持续伸展的情况下,裂陷盆地向何方向演化:岩石圈伸展应变速率地壳组成高应变速率伸展可能导致裂陷作用发生在较窄的地壳范围内,并使大陆裂陷盆地沿着大陆裂谷--陆间裂谷--新生洋盆的轨迹演化。低应变速率伸展则可能导致裂陷作用发生在更宽阔的地壳范围内,并出现底角度或近水平的拆离断层,使大陆裂陷继续在大陆地壳中演化,形成一系列的拆离断层上盘的裂陷盆地或演化成为伸展造山带大陆裂谷--伸展造山带11/12/201313991)认为对裂陷模式起控制作用的是裂陷作用开始时期的地壳厚度和岩石圈热状态:核杂岩模式宽裂陷模式窄裂陷模式核杂岩模式:当地壳厚度较大(约60热流值较高(约100mW/,岩石圈伸展速率较快(约1~2cm/a),上地壳的伸展集中在较窄的范围内,下地壳和上地幔部分的伸展范围比比上地壳更宽广,出现“核杂岩模式”的裂陷。宽裂陷模式:当地壳厚度较薄(约45热流值较低(约80mW/,岩石圈伸展速率非常快(约1~10cm/a),岩石圈的地壳部分和上地幔部分发生大范围的裂陷,出现“宽裂陷模式”。窄裂陷模式:当地壳厚度更薄(约30~35热流值更低(约60mW/,岩石圈伸展速率也较小(1cm/a),岩石圈产生“细颈化”,出现“窄裂陷模式”复习思考题:1. 裂陷盆地的基本类型?2. 裂陷盆地的基本构造样式?3. 裂陷盆地的演化方式?4. 影响盆地裂陷的主要因素?
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