前陆盆地的挠曲沉降机制浅析

前陆盆地的挠曲沉降浅析摘要: 简要介绍了前陆盆地的概念、组成、特点及分类。

详细论述了前陆盆地的挠曲沉降机制。

最后总结了挠曲沉降机制的主要影响因素并提出了具体研究前陆盆地沉降机制应注意的问题。

关键词: 前陆盆地沉降机制挠曲沉降Abstract: This paper briefly introduces the conception, constructional factors, basic features and typical classification of foreland basin. And then，the flexural subsidence mechanisms of foreland basin are described. At last, main influencing factors of the flexural subsidence mechanisms are summarized and the relative problems to which we must pay attention in research on subsidence mechanisms of foreland basin are presented.Key words: foreland basin；subsidence mechanisms；flexural subsidence.0 引言前陆盆地是非常重要的含油气盆地，并且由于其处于盆山耦合动力体系的重要区域，它的构造和沉积作用是造山作用过程、造山事件的最好记录，其形成和演化反映了板块构造和岩石圈的动力学过程。

因此前陆盆地一直是构造地质和油气地质研究的热点。

特别是模拟手段的应用，更是使得前陆盆地的研究取得了重大突破。

近年来国内外大量的研究表明，前陆盆地的构造活动如逆冲作用、基底隆升、不同构造带特定的沉降过程对层序界面、层序叠置样式、体系域发育演化等起着主导性的控制作用。

因此研究前陆盆地的沉降机制具有重大意义。

本文主要对前陆盆地的挠曲沉降机制进行了浅析。

挠曲沉降主要是盆缘逆冲带负载和盆地沉积物负载作用于具有一定有效弹性厚度的地壳之上的结果，该沉降可采用一位于弱性流体层之上的弹性薄板梁在分布性垂直负载作用下的挠曲力学模型进行定量模拟。

按这一说法前陆盆地的形成需要两个条件即载荷压弯了岩石圈，从而产生了可容纳沉积碎屑的“前渊”和整个叠置推覆带所进行的地貌侵蚀为前渊充填提供大量的碎屑。

1 前陆盆地的概念、组成、特点及分类前陆在构造地质学上是指克拉通（或地台）的边缘、与造山带（或活动带）毗邻的、稳定地壳的大陆部分，是稳定区与活动区之间的过渡带【1~4】。

前陆盆地是在前陆地区发育起来的盆地。

依据前陆的概念，前陆盆地可以定义为位于造山带前缘和相毗邻克拉通之间的、平行于造山带展布的盆地【4】。

它常由3部分组成：①褶皱—冲断带构成的活动翼或造山楔状体；②紧邻活动翼或位于冲断带下盘的深坳陷；③向克拉通方向延伸的稳定的前陆斜坡及前缘隆起。

在横剖面上盆地呈明显的不对称形状(如图1)：靠近盆地的褶皱——冲断带一侧较陡；而远离造山带一侧则较平缓【1】。

它具有4个基本特点：靠近盆地的褶皱——冲断带的构造负荷促使盆地弯曲沉陷；盆地剖面明显不对称；盆地靠近造山带一侧，在其演化过程中遭受变形作用；盆地的克拉通一侧与克拉通层序逐渐合并【4】。

图1 前陆盆地剖面类型【5】a.简单型：如磨拉石盆地；b.复杂型：沉积作用伴随分段作用；c. 许多小前缘型：沉积后被分段为小盆地；d. 与背驮盆地有关型；e. 沉积后变形型对前陆盆地的类型划分至今尚无统一意见，其中最传统、最典型的分类方案是把前陆盆地划分为周缘前陆盆地和弧后前陆盆地（如图2）。

前者形成于陆陆碰撞时期，位于俯冲板块上的逆冲带前缘（如北阿尔卑斯前陆盆地），后者在成因上与大洋岩石圈俯冲有关，位于仰冲板块上的逆冲带后缘（如北美晚中生代新生代落基山前陆盆地）。

图2 前陆盆地的两种基本类型【6】（A 周缘前陆盆地 B 弧后前陆盆地）1 前陆盆地挠曲沉降的控制因素前陆盆地是在造山带和盆地沉积物的垂向负荷和地壳内部水平挤压作用下，下部地壳挠曲变形而形成的。

其形成的主要控制因素为逆冲带的构造负荷、盆地沉积物负荷以及在造山过程中形成的地壳内部水平挤压力【7，8】。

前陆岩石圈的弯曲形变是前陆盆地形成的根本原因，故针对前陆岩石圈的特点，建立二维——三维挠曲模型，再现前陆盆地的挠曲演化是前陆盆地成因分析的一个关键。

前陆盆地挠曲沉降的前提是岩石圈早期的伸展变薄和热沉降。

另外俯冲作用的牵引力和仰冲作用的负荷力促使岩石圈挠曲也可形成前陆盆地。

聚敛碰撞之前，前陆岩石圈表现为被动边缘的拖曳弯曲和减薄或裂谷期正断作用继续发育；聚敛之后，首先是俯冲板块刮削物质的堆积和俯冲板块对上覆板块的拖曳使前陆岩石圈弯曲。

至碰撞开始时，碰撞带的增生造山负荷给岩石圈加载，同时由于地壳的均衡作用，使前陆区发生弯曲。

当造山带的剥蚀产物堆积于前陆盆地中，这时的沉积物对岩石圈而言为沉积负载，对岩石圈的弯曲具有促进作用【4】。

故要对前陆盆地的挠曲沉降机制进行分析就必须首先确定这些影响因素的作用方式。

1.1 逆冲扩展模式确定逆冲带的演化机制是进行前陆盆地挠曲过程模拟的关键。

长久以来，构造学者多用推土机模式或单侧临界锥体模式来分析造山带的结构和变形过程，并且用该模式定量地表述逆冲负荷，从而模拟前陆盆地的挠曲过程【9，10】。

但研究发现，大陆碰撞造山带往往为双侧造山带，由轴部、外侧楔和内侧楔组成【11】。

Beaumont【12】和willett【13】等用双侧临界锥体模式定量地表述了双侧造山带的变形过程。

因此，单侧和双侧临界锥体模式为定量确定造山带逆冲负荷作用提供了有效手段。

双侧造山带漂浮于两碰撞岩石圈的边缘之上。

在模拟前陆盆地演化时，可只考虑一侧楔状体对其下部岩石圈的负荷作用，而另一侧楔状体的负荷则由对应另一侧岩石圈所承担。

逆冲负荷的定量表述由楔状体初始长度(L0)、逆冲前缘推进速度(v)、逆冲带地表坡度(α)及楔状体底部拆离面角度(β)决定。

1.2 盆地沉积负荷量在盆地中，由造山带和前隆地区剥蚀搬运而来的沉积物负荷作用也可以造成盆地沉降。

关于盆地沉积量以及造山带剥蚀量的计算，国内外学者普遍采用扩散方程进行定量描述，认为物质的搬运速率与势能梯度成正比,即（1）式中：k为搬运系数；h为地形高度；x、t分别为空间和时间坐标。

已知初始地形的形态，利用该关系式可确定造山带侵蚀和盆地沉积后的地表形态。

（1）式可用差分法求数值解：（2）其中：λ=k(Δt)/(Δx)2,，h的右下标表示以Δx为间隔的空间坐标，而右上标表示以Δt为间隔的时间坐标。

已知盆地地形高度, 就可求得沉积物在每一个等间距为Δx范围内的重量【8】。

1.3岩石圈的力学性质由于岩石圈的流变学特性控制了它对载荷的效应，因此岩石圈的力学性质是进行盆地沉降机制模拟的决定因素。

Quinlan和Beaumont提出了三种不同的地壳流变模型，即弹性流变模型、均匀粘弹性流变模型和与温度有关的粘弹性流变模型【14】。

弹性流变模型认为地壳(或岩石圈)具有常量的挠曲刚度，它取决于地壳(或岩石圈)的弹性厚度。

然而若采用弹性流变模型进行分析，作为独立负载的效应，板块在一定波长范围下弯，而下弯的空间范围完全由板块的强度（它的挠曲刚度）决定。

合成的岩石圈的弯曲引起坳陷（前渊），该坳陷也就是碎屑堆积的场所。

对应于前渊区的向下弯曲，在前渊的远端边界发育一个上升区（周缘隆起和前缘隆起）。

假若载荷不发生变化，由于弹性弯曲应力不会松弛，所以弹性岩石圈上所发育盆地的向下弯曲形状不会随时间迁移而改变【15】。

而研究发现这种机制与前陆盆地中的具体的地层记录的重要细节不符，故Beaumont提出用均匀粘弹性流变模型替代这一模型来调节岩石圈弯曲应力的松弛。

均匀粘弹性流变模型认为地壳(或岩石圈)具有初始的挠曲刚度(等同于弹性模型)，但随着时间的推移，挠曲刚度减少至零。

若用该模型计算盆地挠曲，强调盆地最终达到均衡状态。

然而在一些古老前陆盆地地区，经长期的均衡调整，地壳仍具有一定的挠曲刚度。

为了克服均匀粘弹性流变模型的这一缺陷，不少学者又提出了与温度有关的粘弹性流变模型，从而保证了地壳长期具有一定的挠曲刚度。

但仍有部分学者坚持弹性流变模型，他们认为地壳在负荷作用下应力松弛时间相对于盆地充填时间是短暂的，用弹性模型模拟盆地演化是有效的，并且在盆地地层中不存在粘弹性松弛作用的记录。

1.4 地壳内部作用力前陆盆地是挤压体制的产物。

地壳内部的作用力对盆地沉降过程也有明显影响。

其作用力主要包括区域上的构造挤压应力和地貌载荷作用（包括相邻造山带的推覆载荷及盆地内的沉积物和水体）【15】。

双侧造山带在碰撞过程中,挤压力十分强烈,它必将影响盆地沉降过程。

因此,在逆冲带与前陆盆地对演化模拟的过程中必须考虑应力作用。

2 前陆盆地的挠曲沉降模型前陆盆地的挠曲沉降模型依据地壳流变性质的不同，可划分为粘弹性挠曲沉降模型和弹性挠曲沉降模型。

2.1粘弹性挠曲沉降模型粘弹性挠曲沉降模型有两种，即均匀粘弹性模型和与温度有关的粘弹性模型。

两者均强调地壳对负荷的初始响应为弹性，但是当负荷不变时，岩石圈应力松弛，并且继续发生粘弹性变形。

在均匀粘弹性模型中，整个地壳(或岩石圈)发生粘弹性流变，最终达到Airy均衡状态。

而与温度有关的粘弹性模型认为粘弹性流变最初发生于热的、低粘度的下部岩石圈，然后逐渐向上扩展到冷的、具较高粘度的岩石圈。

而上部岩石圈温度低、粘度大，在整个地球发展时期都不会发生流动，保持非静力弯曲状态。

因此，地壳(或岩石圈)的弹性厚度随着时间逐步变小，最后达到一个稳定值。

该模式定义岩石圈粘度为地温和蠕变活化能的函数，即:（3）为岩石圈底部的粘度，一般定义为1021Pa·s，该值为深度z的粘度，是由Peltier根据后冰期回跳研究获得的。

T0定义为1350O C。

由(3)式可见，发生粘弹性行为的地段位于1350O C等温线部位与有效弹性层底部之间，其实际范围取决于T(z)、Q和考虑问题的时间尺度。

用该模型计算的岩石圈挠曲过程表现为(图3)：岩石圈初始加载立即产生弹性挠曲变形(曲线1)，随后，由于岩石圈下部粘弹性地区应力松弛、蠕变，岩石圈有效弹性厚度变薄，盆地加深变窄，前隆地区上升侵蚀并向负荷方向迁移(曲线2)，这种作用由于受到上部变薄的高粘度岩石圈的阻碍，以至最终变形类同于变薄的弹性岩石圈的变形(曲线3)。

同时，侵蚀作用对岩石圈挠曲变形也有影响。

侵蚀卸载产生的挠曲响应与负载产生的响应呈镜像关系。

保留在海平面以上的部分负荷被侵蚀，盆地充填沉积物表面将发生回跳(曲线4)。