中國(guó)北方地區(qū)弧造山帶巖漿弧上發(fā)育的沉積盆地

中國(guó)北方地區(qū)弧造山帶巖漿弧上發(fā)育的沉積盆地

作者于2013年出版了《西北地質(zhì)》第一版（李繼良等，2013），進(jìn)一步解釋了拱造山帶巖漿拱發(fā)育沉積盆地的沉積作用。巖漿弧上主要發(fā)育2類盆地:弧內(nèi)盆地和弧背前陸盆地。這2類盆地的發(fā)育使弧造山帶的大地構(gòu)造和沉積作用復(fù)雜化,同時(shí)也為造山帶研究提供了新的內(nèi)容。1弧地弧臺(tái)巖漿弧不論是島弧還是山弧,都是弧狀的線性帶,其長(zhǎng)度在4千米以上,寬度為50～250km,平行消減帶走向展布。巖漿弧上有一條明顯的火山前緣帶,是火山作用最活躍的軸心地帶,大致位于消減帶之上100～120km處。從弧前盆地的基底到弧后盆地的島弧一側(cè),弧巖漿巖構(gòu)成了地殼的主要組成部分,Dickinson(1974a,1974b)把它稱為弧地塊(Arcmassif)。地塊突出于海平面之上的部分稱為弧臺(tái)地(Arcplatform)。圖1表示弧溝系的弧前盆地、弧臺(tái)地、火山前緣、弧內(nèi)盆地、弧后盆地及弧地塊在剖面上的位置。SmithandLandis(1995)將弧內(nèi)盆地定義為:位于弧臺(tái)地上具有火山和沉積堆積物的沉積盆地。他們把弧內(nèi)盆地劃分為火山邊界型、構(gòu)造邊界型和混合邊界型三類。下面將列舉有關(guān)實(shí)例說(shuō)明這些弧內(nèi)盆地的沉積學(xué)特征。1.1盆地層序shabudiniperrand日本島弧位于歐亞板塊、北美板塊、太平洋板塊及菲律賓板塊交匯處的活動(dòng)火山弧環(huán)境。包括了108個(gè)活動(dòng)火山和大量的第四系火山機(jī)構(gòu)(Kataokaetal.,2009)。圖2表示日本島弧的本州島內(nèi)火山邊界弧內(nèi)盆地的分布。較大的盆地有:魚(yú)沼盆地(Uonumabasin)、上總盆地(Kazusabasin)、東海盆地(Tokaibasin)、小和光盆地(Kobiwakabasin)、大阪盆地(Osakabasin)和菖蒲盆地(Shobudanibasin)。這些盆地位于大規(guī)?；鹕街g的凹陷部位,或?yàn)樯介g盆地,或?yàn)楹恿髋璧?或?yàn)楹磁璧?。盆地的沉積充填物主要是火山灰、火山碎屑和島弧火成巖風(fēng)化、剝蝕搬運(yùn)來(lái)的碎屑。圖3表示了小和光盆地的沉積地層與沉積環(huán)境的層序分布特征。剖面最底部是粉砂巖,向上有一層遠(yuǎn)距離飄落的原生火山碎屑砂巖。它們構(gòu)成了盆地的基底?；字鲜桥璧氐撞康那叭侵蕲h(huán)境向上變粗的粉砂巖-細(xì)砂巖組合。剖面中部是河口壩環(huán)境的粉砂與細(xì)砂沉積,具有波痕層理和向上變粗的粒度結(jié)構(gòu);剖面上部是三角洲平原活動(dòng)的分流河道沉積,由2個(gè)沉積旋回組成;下部旋回始于含礫砂巖,向上漸變?yōu)樯皫r。上部旋回由礫巖開(kāi)始,向上漸變?yōu)楹[粗砂巖和砂巖。2個(gè)旋回都具有槽狀交錯(cuò)層理和板狀斜層理,以及向上變細(xì)的正粒序結(jié)構(gòu)。剖面頂部亦由2個(gè)旋回組成。2個(gè)旋回都是始于分流谷道沉積,終于洪泛平原沉積,標(biāo)志著盆地沉降作用的結(jié)束。圖4表示出火山邊界弧內(nèi)盆地沉積巖露頭特征。其表現(xiàn)出層理構(gòu)造或者板狀、槽狀交錯(cuò)層,也可能呈現(xiàn)小型波痕斜層理。巖石的組成主要有2種碎屑組分,其一是直接來(lái)自火山的飄落原生組分;其二是巖漿弧的先成巖石經(jīng)過(guò)風(fēng)化、剝蝕與搬運(yùn)的次生碎屑沉積物。圖5是火山邊界弧內(nèi)盆地形態(tài)、沉積物分布和物源的示意圖。在最靠近火山口的谷道中,有熔凝灰?guī)r堆積。盾狀火山外緣有厚的原生火山碎屑飄落物沉積;繼續(xù)向外具有薄的原生火山碎屑飄落物沉積。最外緣是由河流搬運(yùn)的次生火山碎屑和再沉積碎屑的分布區(qū)。1.2更新世盆地沉積期巖相古地理新瀉盆地是一個(gè)新生代—中新世時(shí)期在日本弧內(nèi)張裂形成的盆地。這個(gè)盆地發(fā)育的早期以快速沉降為特征。在中新世的蘭哥期到塞拉瓦爾期的2Ma內(nèi)沉降了4000m(圖6),沉降速率為2cm/y。這個(gè)時(shí)期與第一階段的沉積單元相應(yīng)。從塞拉瓦爾期中期到托爾通期中期的7Ma內(nèi),沉降了3000m,沉降速率為0.42cm/y。這個(gè)時(shí)期與第二階段沉積單元相應(yīng)。從中新世末到上新世初,沉降速率是一個(gè)近于不變的持穩(wěn)時(shí)期,然后盆地進(jìn)入擠壓隆升階段,一直持續(xù)到更新世初期。這個(gè)時(shí)期與第三階段沉降單元相應(yīng)。新瀉盆地的4個(gè)沉積單元見(jiàn)圖7。第一單元沉積在島弧的火山碎屑巖基底之上,主要沉積物是盆地斜坡與盆地底部的深水沉積灰色泥巖,西南部的坡上峽谷沉積了濁積巖。第二單元在大部分地區(qū)沉積了海下扇濁積巖,在西南部的單元下部有扇三角洲沉積,中上部有前三角洲沉積和后三角洲沉積。第三單元是沉積環(huán)境頻繁變化的沉積期。在盆地的東北部,下部為盆地斜坡與盆地底部泥巖沉積,中部是峽谷濁積巖沉積,上部為三角洲和大陸架沉積覆蓋的盆地坡與盆地底泥巖沉積。在盆地西南部,第三單元下部為大陸架前三角洲沉積、三角洲創(chuàng)建于河流沉積,由東北向西南漸變?yōu)殛懴?并向北東方向擴(kuò)積。中部底層繼承下部的沉積相,然后,有一層大面積的火山巖覆蓋,向北東一直覆蓋到大陸架上。上層又是河流沉積、三角洲沉積和大陸架沉積,向北東方向大面積擴(kuò)積。第四單元在更新世晚期沉積,這時(shí)盆地由于擠壓而全部隆升到海平面以上,沉積物由沖積扇沉積和河流沉積構(gòu)成。在盆地的北西西—南東東地質(zhì)構(gòu)造剖面上(圖8),西部和中部以正斷層為主,它們大多數(shù)沒(méi)有穿過(guò)第三沉積單元。在盆地東部,由于構(gòu)造反轉(zhuǎn),正斷層轉(zhuǎn)變?yōu)槟鏀鄬?并穿過(guò)第三沉積單元,說(shuō)明構(gòu)造反轉(zhuǎn)發(fā)生在第三單元沉積期間或沉積之后。圖8的剖面充分反映出新瀉盆地是一個(gè)構(gòu)造邊界的弧內(nèi)盆地,而圖6表明盆地的構(gòu)造沉降具有重要的作用。構(gòu)造邊界弧內(nèi)盆地的沉積物與火山邊界弧內(nèi)盆地有明顯的差異,構(gòu)造邊界弧內(nèi)盆地主要是風(fēng)化、搬運(yùn)、再沉積的次生碎屑,幾乎沒(méi)有原生的飄落火山碎屑。1.3弧背前陸盆地wolbaching構(gòu)造邊界與火山邊界共同作為弧內(nèi)盆地邊界的實(shí)例有:意大利撒丁島的昂勞納盆地。從圖9可以看到,盆地東側(cè)以維達(dá)爾巴斷層為界,西側(cè)邊界是隆起的火山。圖9表示了昂勞納盆地的邊界,同時(shí)還表示出盆地的水上與水下地貌,也表示了沉積環(huán)境和沉積物源。說(shuō)明火山邊界一側(cè)具有沖積扇、河流、扇三角洲與湖濱沉積環(huán)境;而在斷層邊界一側(cè)具有深水沉積環(huán)境。圖10的沉積層序綜合剖面進(jìn)一步反映了不同沉積環(huán)境的沉積物疊加序列。最下部是深水環(huán)境沉積的濁積巖、水下峽谷含礫濁積巖前三角洲泥巖和三角洲砂巖沉積。上部有三角洲分流河道沉積、扇三角洲沉積和飄落火山碎屑凝灰?guī)r以及近火山的熔凝灰?guī)r。這些沉積特征也表明了混合邊界弧內(nèi)盆地既具有原生飄落火山組分,也具有風(fēng)化、剝蝕與搬運(yùn)的次生碎屑組分。這表明混合邊界弧內(nèi)盆地的沉積特點(diǎn)介于火山邊界與構(gòu)造邊界弧內(nèi)盆地的中間,具有兩者的過(guò)渡特征。Dickinson(1974)提出弧背(retroarc)盆地,認(rèn)為它是擠壓弧背后的前陸盆地。retro與back在英文中是同義詞。但是,backarcbasin(弧后盆地)是伸展、擴(kuò)張形成的,而retroarcbasin(弧背盆地)是擠壓應(yīng)力場(chǎng)作用下,巖石圈撓曲形成的。在本文中,為了把這2種不同成因的盆地區(qū)分開(kāi)來(lái),把“backarcbasin”譯為弧后盆地,而把“retroarcbasin”譯為弧背盆地。圖11表示安第斯帶弧背前陸盆地的大地構(gòu)造位置和盆地中的沖斷構(gòu)造?；”撑璧卦诨鹕角熬墡У谋澈?由于沖斷席的負(fù)載,引起巖石圈撓曲而發(fā)育為沉積盆地。弧背盆地所在的弧溝系位于低角度的消減帶,導(dǎo)致具有水平擠壓的火山弧。弧背盆地的沖斷帶具有薄皮構(gòu)造特征。弧背盆地主要出現(xiàn)在北美的科迪勒拉弧造山帶和南美的安第斯弧造山帶。圖15表示表1中各個(gè)沉積相的沉積構(gòu)造特征。IIIscg碎屑支撐礫巖相,以疊瓦狀構(gòu)造和濁積礫巖的粒序構(gòu)造為特點(diǎn)。IIIsf泥石流礫巖相表現(xiàn)出正常粒序?qū)訕?gòu)造。IIIdf碎屑流礫巖相呈現(xiàn)碎屑流無(wú)序的顆粒彌散構(gòu)造。IIIss厚層砂巖相表現(xiàn)為塊狀構(gòu)造、正常粒序構(gòu)造、碟狀構(gòu)造和濁積構(gòu)造。IIIsm砂巖與泥巖互層相呈現(xiàn)水平紋層與波痕紋層低密度濁積構(gòu)造。IIIm泥巖含薄層砂巖相為水平紋層泥巖、波痕紋層砂巖具低密度濁積構(gòu)造。Fildani和Hessler(2005)用砂巖碎屑組分的三角圖解析了弧背盆地的沉積物來(lái)源(圖16)。在A圖中,源區(qū)投影在循環(huán)造山帶區(qū)和分割弧區(qū)。在B圖中,源區(qū)投影在混合區(qū)、分割弧區(qū)和過(guò)渡弧區(qū)中。投影圖表明弧背盆地沉積物的物源主要來(lái)自巖漿弧,在搬運(yùn)過(guò)程中,加入了各種再循環(huán)的碎屑,構(gòu)成了弧背盆地的沉積體。圖17表明弧背前陸盆地的構(gòu)造特點(diǎn)和構(gòu)造對(duì)于沉積作用的控制作用。可以看出,弧背盆地位于一個(gè)褶皺沖斷帶中。沉積盆地的形成是巖石圈受到?jīng)_褶席重荷影響發(fā)生撓曲引起的。沖褶帶的構(gòu)造變形影響著沉積盆地的發(fā)展、沉積環(huán)境的變化和沉積物的搬運(yùn)途徑。圖17表示了弧背盆地構(gòu)造的普遍特征及構(gòu)造同沉積的關(guān)系。但是,對(duì)于某些具特殊特點(diǎn)的盆地。例如,具有特別的沉積深度、特別復(fù)雜沉積環(huán)境的盆地,就需要另外去參考研究它們的文獻(xiàn)?；”城瓣懪璧厥且环N很特殊的盆地,它們發(fā)育在擠壓的巖漿弧。在科迪勒拉弧和安第斯弧發(fā)育了許多這種盆地;在西太平洋的巖漿弧則很少有這類盆地。但是,在我國(guó)增生型造山帶中保留了這種弧背前陸盆地。例如,青海省海東地區(qū)蓮花山的奧陶紀(jì)弧背盆地。筆者將在碰撞造山帶的沉積學(xué)論述章節(jié)中加以討論。限于篇幅,這一部分就討論至此,下一部分在接下來(lái)的期次中即將闡述弧間盆地與弧后盆地。跨越智利—阿根廷邊界的馬尕蘭斯弧背盆地是一個(gè)具有代表性的弧背前陸盆地。它具有古生代到侏羅紀(jì)的復(fù)雜增生弧基底,基底上發(fā)育了白堊紀(jì)增生弧。白堊紀(jì)到新近紀(jì)的弧背盆地中沉積了從河流到三角洲、淺海以及深海的各種沉積環(huán)境的沉積物。表1描述了馬尕蘭斯盆地中具有代表性的維爾特凱特谷的各個(gè)沉積巖相的沉積特征。圖13表示這些巖相的露頭特征。圖14表示盆地中沉積巖相的分布特點(diǎn)。第一沉積單元由碎屑支撐礫巖相和厚層砂巖相