克拉通盆地沉降机理

克拉通盆地沉降机理
1. 克拉通
一、基本概念
• Kober（1921）用Kratogen表示地壳较稳定部分，与造山带对应。
• Stille (1936,1941)最先使用“craton”一词，意指极其稳定的圆盾或地 盾，其为周缘地槽所环绕。
• Sloss （1988）将克拉通定义为具有厚层大陆地壳的广大区域，在几 百万至几千万年内其位置保持在海平面附近的几十米范围内。
• 美国地质研究所将克拉通定义为在漫长的地质时期保持相对稳定或 仅有微弱变形的地壳。包括地盾和地台。
• 板块构造中的克拉通主要是指大陆板块内的稳定大陆块体。
一、基本概念
2. 克拉通盆地
• 包括形成在克拉通内部和克拉通周边环境的盆地，前者即克拉通内盆 地（Interior cratonic basin），后者是指发育在克拉通边缘或靠近克拉 通边缘的盆地。
通盆地。（Cloetigh, 1988）
三、实例分析
1. 中国克拉通盆地
• 特征：平面上呈椭圆形或菱形；在剖面上呈碟状，多为复合多旋回克 拉通盆地，下伏有古裂谷或拗拉谷，上叠有前陆盆地或裂谷盆地。
• 形成机制：与超级大陆裂解有关，克拉通盆地的沉降主要与地幔柱升 降与板块开合运动有关, 随着超大陆裂解, 克拉通随之沉降, 形成克拉 通盆地。
• 关于地幔上涌（mantle diapirs） 的密歇根盆地的形成模式。
• 热的软流圈地幔岩石以底辟方式 刺穿岩石圈到达莫霍面附近，加
热下地壳导致其发生转化，由辉 长岩相变为榴辉岩。
• 当上涌地幔冷却后，盆地就在榴 辉岩负载的作用下发生沉降。
• 冷却过程中弹性岩石圈加厚，导 致岩石圈的抗弯刚度随时间逐渐 增强，这证实了热收缩机制。
期间，地壳很坚固，从而使地壳沉降减慢或 不发生沉降。
优点：
a. 活动大陆裂谷剖面图。其特征是高热流、岩浆侵 入、隆起和有限的伸展作用。b. 一些克拉通盆地位 于古老裂谷之上，其特征是正常的热流和不明显的水 平构造活动。古老裂谷的过剩质量体在漫长的地质时 期中作为岩石圈负载而存在。
• 可以解释长时间的周期性沉降，也可解释在 许多克拉通盆地之下有已变化了的下地壳；
Dev. Klein G, Hsui A T. Origin of cratonic basins[J]. Geology; (United States), 1987, 15:12(12):1094-1098.
二、形成机制
5. 板内应力假说
• 板内造山作用的影响可在1300km范围内都存在（Ziegler, 1978） • 汇聚边界处诱发的应力场可扩展到板块内部，影响到大陆边缘和克拉
2. 克拉通盆地
• 简单克拉通盆地：位于大陆板块内 部、其基底为前寒武纪结晶岩，位 于第一个构造不整合面之上，即第 一个构造层的盆地。
• 北美地台的密歇根(Michigan)盆地、伊 利诺斯(Illinos)、威利斯顿〔willston)盆 地
• 复合克拉通盆地：指基底以上第二 个构造不整合面以上的盆地，即第 二构造层的盆地。盆地底面为区域 性角度不整合。底部为盆地基底或 经过了强烈褶皱的盖层。
三、实例分析
2. 四川盆地
（1）四川盆地简介
• 四川盆地是一个在上扬子克拉通 基础上发展起来的叠合盆地(汪泽 成等，2002)。
• 该克拉通地块长期处于冈瓦纳大 陆与劳亚大陆之间的过渡转换部 位，表现出强烈的构造活动性。
• 克拉通内部发育多个区域不整合 面，克拉通边缘在后期卷入造山 变形中而遭受强烈改造，盆地形 成、演化与改造过程相当复杂。 （何登发，2011）
四川盆地构造单元划分图与构造横剖面图（据何登发，2011）
（2）盆地演化
• 显生宙以来，经历了 Rodinia旋回与Pangaea旋回2 个全球构造巨旋回的演化。
• 由于包括华南地块在内的中 国陆块群长期处于劳亚古陆 与冈瓦纳古陆之间的过渡转 换部位，特殊的大地构造部 位决定了华南地块经历了原 特 提 斯 (Z—S) 、 古 特 提 斯 (D—T) 和 新 特 提 斯 (J—Q)3 大演化阶段。
• 形成机制：晚前寒武纪超级大陆的 解体。这个超级大陆作为热透镜体 导致下地壳和上地幔的部分熔融， 接着在大陆裂解的伸展构造背景下 非造山花岗岩侵入，它们与其他部 分熔融的侵入岩一起使大陆岩石圈 变得薄弱，从而在侵入点形成了局 部伸展区域，导致克拉通盆地在侵 入点之上几乎同时形成。
克拉通内盆地的一种形成和演化模式图（Klein和Hsui, 1987） A非造山花岗岩的侵入造成了陆壳的不均匀性,从而在侵人体上部 发生断裂带和地壳变形;B断裂带经历了热收缩.因而克拉通盆地 定位于非造山花岗岩体之上;C花岗岩侵入的同时伴随慢源物质的 侵入
质作用与侵入作用 偿
(1989),Howell & van der Pluijm(1990)
超级大陆裂谷裂解，非造山花
岗岩侵位
Klein & Hsui(1978), Klein (1991)
地壳内应力变化与 构造复合
弹性或粘弹性板块面内应力变 化
老构造的构造复活
Lambeck(1983), Karner(1986), Cloetingh(1988) De Brito Neves etc.(1984)
• 可以位于前寒武系结晶基底之上，也可以位于古生代褶皱基底或其它 前中生代增生大陆岩石圈之上（ Leighton M W , 1991）。
• 可表现为坳陷，也可为伸展断裂控制的裂谷或拗拉谷。
• 克拉通内盆地：陆内克拉通坳陷盆地，处在克拉通内部，呈坳陷形态。 在克拉通基础上形成的面积广、形状不规则、沉降速率相对较慢并以 拗陷为主要特征的盆地。
石炭纪C 泥盆纪D
四川盆地及周缘层序地层格架及盆地演化（据刘和甫，2006）
四、总结
克拉通盆地沉降及沉积作用特征：
（1）克拉通内盆地的沉降可延续几亿年，具多阶段的沉降特征。 （2）并非所有克拉通盆地之下均存在先期裂谷，但裂谷作用对某些克 拉通盆地有影响。 （3）克拉通盆地的壳下部分均具有不均一性，其表现为沉积和构造荷 载、裂谷、巨剪切带、板内缝合线等。这一不均一性可通过重力异常 和地形相干性来识别。 （4）克拉通盆地的许多层序的沉积受全球构造作用的控制。 （5）克拉通盆地主要发生在两个时期，并都与联合大陆的裂解有关： 一为晚元古代--早寒武世，这是北美克拉通盆地发生期；另一个时期是 早中生代，非洲大陆、澳大利亚的许多克拉通盆地均属此期。 （6）板内应力、地壳不均一性及沉积荷载的模式可对克拉通盆地的演 化进行较为合理解释。 （7）自由热对流模型可解释沉降的多阶段性，但在地壳中发生规模应 进一步研究。
对流不稳定性
地幔下降流发育
Middleton(1989), Han-Shou Lui(1979)
近地表剥蚀
热隆升剥蚀，继之以沉积负荷 Hsu(1965), Le Pichon etc.(1973 ） , Sleep & Snell
作用
(1976)
二、形成机制
1. 相变和热收缩机制（Haxby, 1976）
• D-C巨层序：盆地内部仍处于隆升期，但 周缘形成新的伸展裂陷带，龙门山区为开 阔海碳酸盐沉积，川东上石炭统黄龙组发 育白云岩及生物灰岩，成为主力储气层。
• P-T2巨层序：主要为浅水碳酸盐岩，台地 边缘有生物礁分布，发育鲕粒滩，构成有 利储层。
• 晚三叠四川盆地处于海陆转换期，由克拉 通盆地层序转化为前陆盆地层序。
Haxby W F. Thermal and mechanical evolution of the Michigan Basin[J]. Tectonophysics, 1976, 36(1):57-75.
二、形成机制
2. 均衡补偿沉降机制（DeRito,1983）
• 认为多数克拉通盆地之下存在古裂谷，且存 在线性重力正异常；他们中的许多盆地已经
• 四川盆地、塔里木盆地、江汉盆地
（张立平，1994）
一、基本概念
一、基本概念
二、形成机制
假说
参考文献
岩石圈伸展与热收 缩
与热柱有关的裂谷作用 加热作用后热收缩
Burke & Dewey(1973)， McGinnis等（1976）Sleep （1976），Sleep&Snell（1976），Haxby等（1976）
• 优点：可解释盆地重力正异常
• 争议：克拉通盆地沉降时间间隔 太长，因此非单一的冷却作用所 能形成（Sloss, 1988）。且这种沉 降一般是局部的。
密歇根盆地的演化模型图。A-C：软流圈物质底辟侵入岩石圈 ；D-F：热软流圈岩石在地壳底部叠加，下地壳岩石在热力作 用下持续从辉长岩转变为榴辉岩；G：热底辟岩石冷却下来， 盆地由于榴辉岩的重力负荷而沉降；H：现今的密歇根盆地。 （Haxby, 1976）
历了长达几亿年的周期性沉降，并与大型挤 压构造作用相吻合。
形成机制：
• 沉降驱动力是一种早期裂陷阶段侵位于下地 壳的均衡未补偿体（mass excess）；
• 当岩石圈物质的有效粘度下降时盆地就沉降， 使未补偿物质和上覆地壳以较快速度沉陷到
均衡补偿深度。
• 粘度降低可由全球地热梯度增大或由区域挤 压应力增大所致；在地热梯度低或挤压减弱
Sleep 等 （ 1984 ） ， Nunn & Sleep （ 1984 ） ， Quinlan(1987), Klein &Sleep(1984),
相变和热变质作用
Bowie(1927), O’ Connell & Wasserburg(1972), Haxby etc. (1976),
地壳/地幔相变、变 岩浆侵入引起的地壳欠均衡补 Hamdani etc.(1991), DiRito etc.(1983), Treworgy etc.