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與全球經典前陸盆地進行比較

藏南古近紀前陸盆地的特征可以與紮格羅斯前陸盆地、北阿爾卑斯前陸盆地、臺西前陸盆地、阿帕拉契亞前陸盆地等全球經典的前陸盆地(圖6-16)進行對比。現將壹些經典前陸盆地的沈積構造特征及大地構造背景作壹簡要介紹,以加深對藏南前陸盆地沈積構造特征的理解。

壹、紮格羅斯前陸盆地

特提斯造山帶(Tethyan orogenic collage)形成於歐亞板塊與岡瓦納離散碎塊之間的碰撞(Ricou,1995;Seng?r和Natalin,1996)。紮格羅斯(Zagros)山系位於中東地區伊朗西部,是形成於新特提斯閉合作用的阿爾卑斯山脈全球環帶的壹部分。紮格羅斯山脈是由於從岡瓦納大陸分離出來的阿拉伯陸塊(continental Alabian plate)與歐亞大陸邊緣的小陸塊碰撞而形成的造山帶。阿拉伯板塊的洋殼往北向歐亞大陸俯沖,導致該處在始新世晚期(45~36Ma)開始發生陸—陸碰撞,板塊的會聚作用壹直延續至今。這種陸—陸碰撞的啟動,以及紅海和亞丁灣的兩階段打開所產生的額外應力,導致紮格羅斯造山作用及前陸盆地的產生,在紮格羅斯縫合帶西南的阿拉伯陸架上產生壹個沈降盆地(紮格羅斯前陸盆地)。持續的會聚導致盆地產生變形,產生西南緣的背沖斷層(reverse faults)和緊閉的鯨背褶皺(whaleback folds)(Beydoun等,1992)。

圖6-16 全球經典周緣前陸盆地分布圖

紮格羅斯前陸盆地長約1800km(Ha’il-Ga’ara弧至Zendan-Minab斷層帶)、寬250~300km,由壹套紮格羅斯碰撞後序列(上始新統至全新統)組成,部分沈積卷入先前陸架邊緣附近的下伏地層。碰撞作用可能起始於始新世晚期(Beydoun等,1992)。在紮格羅斯前陸盆地以北(從西南往東北)依次為紮格羅斯褶沖帶、Sanandaj-Sirjan帶(縫合帶)及Urumich-Dokhtar巖漿弧(圖6-17)(Mohajjel等,2003)。

無論是地質背景、地層格架,還是演變歷程,藏南古近紀前陸盆地均可以與紮格羅斯前陸盆地進行對比。

二、臺西前陸盆地

臺灣島是壹個位於亞洲大陸與呂宋火山弧碰撞處的活動造山帶(圖6-18)。該造山帶的發展引起其周圍的地殼發生撓曲,從而在其西部克拉通邊緣產生壹個前陸盆地——臺西前陸盆地(the western Taiwan foreland)(圖6-18)。碰撞引起前陸盆地最鄰接造山帶的部分發生形變、擡升及暴露。因此,臺灣地區給我們提供了研究造山帶沈積作用的壹種特殊的機會:它顯示了造山時間的沈積記錄以及產生這種記錄的造山和沈積作用。在這裏,我們可以直接將造山作用與其沈積記錄進行比較。

圖6-17 中東伊朗西南部及波斯灣地區構造略圖

通過與相鄰前陸盆地的沈積記錄進行比較,可以對臺灣造山作用進行較好的理解。臺灣地區的板塊會聚速度約為70 km/Ma(Seno,1977)。橫穿臺灣的變形造成至少160 km的縮短(Suppe,1981)以及作為持續變形證據的劇烈的地震活動(Wu,1978)。通過測量臺灣南北端的上升的珊瑚礁,可以測定構造擡升的平均速率為(5.1±0.7)mm/a(Peng等,1977)。全島的剝蝕速率平均為約5.5 mm/a(Li,1976)。

臺灣弧—陸碰撞為斜向碰撞(Suppe,1981)。NE—SW向的中國大陸被動邊緣與南北向的呂宋火山島弧之間高角度斜交(圖6 18)。因此,造山作用在臺灣南端啟動的時間比北端要早4 Ma(Suppe,1981)。出露於臺灣南端的碰撞前的沈積巖形成於中國大陸被動邊緣的深水環境,而出露於臺灣造山帶北端者則形成於被動邊緣的淺海和河流環境,這表明:造山作用是向碰撞帶較老的北部大陸推進的。因此,我們可以通過沿著臺灣島從南向北行進來考察不同發展階段的造山帶與相鄰的前陸盆地。這種時 空等效性對於我們確定造山帶(Suppe,1981)和前陸盆地歷史的壹種有力的工具。

圖6-18 臺西前陸盆地的構造背景及橫剖面示意圖

臺西前陸盆地長約400 km、寬約100 km(圖6-18)。前陸盆地沈積位於中國大陸被動邊緣沈積之上(圖6-18)。作為從被動邊緣向前陸盆地沈積轉變的標誌有:古流向從向東改變為向西(Chou,1973),源於臺灣造山帶的板巖碎屑的首次出現(Lee,1963),以及同樣來源於造山帶的再沈積的鈣質超微化石的始現(Chi&Huang,1981)。這種轉變在盆地北部大約發生在4 Ma前(Chi&Huang,1981)。雖然只有4 Ma的時間,在盆地東緣更深水的環境卻接受了4~5 km厚的沈積。東緣由於造山帶的遷移而發生擡升,因此整個上新世—更新世前陸盆地沈積序列都出露於造山帶的西緣。

臺西前陸盆地的沈積環境變化極大,從深海相到河流相均存在(圖6-19)。根據巖相分析可識辨出五種沈積環境,每壹種環境的現代類同者均可出現在現代沈積盆地中。

最深的沈積環境稱為離岸(offshore)海洋環境,以懸浮的泥沙質沈積為特征。該環境的沈積可達4000 m。掘食生物在聚集時對大部分沈積進行了改造,因此主要的巖相類型為斑點狀粉砂質泥巖。少量砂紋層泥巖或具交錯層理粉砂巖夾層泥巖的出現說明間歇性水流的存在。未見濁流沈積。沈積位於風暴流基底之下,水深可能大於200 m。相似的沈積巖相出現於現代前陸盆地南部水深500~2000 m的環境。局部的滑塌特征說明某些沈積產於斜坡環境。

圖6-19 臺西前陸盆地沈積環境中大致水深與相對輸入能量之間的關系

淺海相沈積為具有不同巖相的含化石泥巖、粉—細砂巖等異源沈積。厚100~2000 m、缺乏非海相沈積的沈積序列指示壹種與現代臺灣海峽(臺灣與大陸之間深度小於80 m的水體)相似的環境。局限地帶魚骨狀交錯層理、槽狀交錯層理、波狀層理說明其沈積時期以潮汐作用為主。此外,具水平層理、低角度交錯層理及丘狀層理的砂巖指示壹種風暴流為主的沈積環境。還有壹些以幾十米厚的、因生物攪動作用而使成分均壹化的泥質砂巖為特征的序列則指示生物作用是重要的。在許多地方,潮汐、風暴及生物作用***同對沈積物進行改造。

海岸沈積以其缺少泥巖並具非海相夾層的粗粒砂巖層序區別於淺海相沈積。海岸沈積由三角洲與非三角洲序列構成。三角洲沈積比非三角洲沈積通常厚度較大、粒度更粗,頂部覆以厚的河道沈積序列。非三角洲沈積通常厚度不到40 m,由細粒至中粒砂巖組成,頂部覆以洪泛平原或淺海相沈積。與淺海相沈積不同,海岸相沈積記錄了潮汐與風暴作用的影響。現代前陸盆地中類似環境為潮汐作用、波浪作用以及兩者***同作用的海岸環境。

前陸盆地中存在兩類河流沈積體系:以砂質為主的和以礫石為主的。砂質河流沈積露頭稀少。礫質河流為辮狀河,沈積了厚達600 m的碎屑支撐的礫石。

前陸盆地的早期沈積以深水沈積為主,而晚期沈積則只包括淺海相與河流相沈積。

壹系列的橫剖面說明了盆地從南到北相變的情況(圖6-20)。每壹個剖面的東端都是位於臺灣造山帶西麓的地表露頭,西端則位於前陸盆地的未變形的部分。最北部的兩個剖面完全由前陸盆地沈積構成(Chi&Huang,1981)。南部橫剖面的基底可能由中國大陸被動邊緣斜坡沈積組成。在南部兩個橫剖面中,從被動邊緣沈積向前陸盆地沈積轉變的精確界線難以確定,但在鈣質超微化石NN18/NN19之上的沈積因為其高堆積速率而被全部歸於前陸盆地序列。

圖6-20 表明沈積背景的臺西前陸盆地沈積充填的地層橫剖面

最南端的橫剖面(圖6-20A)表明:前淵的早期沈積以離岸(offshore)海相沈積為主,淺水沈積僅限於剖面頂部的壹個薄薄的碎屑楔。其北部緊鄰剖面(圖6-20B)是以離岸海相沈積為主,但具淺海相沈積夾層。在往北的下壹個剖面(圖6-20C)則以淺海相、三角洲相及河流相沈積為主,僅在剖面底部有壹層薄薄的深海相沈積。最北端的剖面(圖6-20D)幾乎完全缺乏深海相沈積,而代之為壹個由淺海相、三角洲相及河流相沈積構成的進積楔(progradational wedge)。

圖6-20中的四個橫剖面表明了臺西前陸盆地由早期的深水階段向晚期的淺水階段的轉變過程。此外,最北端的剖面(尤其是圖6-20C)顯示:壹旦盆地充填了海平面附近的沈積,在整個上新世晚期至更新世早期均為由遠離造山帶的淺海相沈積和靠近造山帶的河流相沈積的組合(configuration),向造山帶前緣克拉通推進。這表明,在晚期淺水階段,沈積與沈降處於平衡,而前陸盆地達到壹種穩定狀態。

臺西前陸盆地由前淵到穩定態的演變是構造與沈積相互作用的結果。由臺灣造山帶引起的克拉通的構造負載引起並維持著相鄰前陸盆地的形成與發展。臺灣造山帶向北成熟是由於斜向碰撞這樣壹個事實可用來闡明構造負載在其歷史時期是如何變化的(Suppe,1981)。當亞洲被動邊緣與馬尼拉海溝俯沖帶初始接觸時,進入俯沖帶的沈積厚度的增加導致增生楔的擴展。隨著持續的碰撞作用,增生楔最終露出海面,形成臺灣中央山脈(the Central Range of Taiwan)。壹旦造山帶達到3.5~4.0 km的高度,造山帶的面積及橫剖面的寬度就不再增加,造山帶達到壹種相對穩定的規模(Suppe,1981)。

對藏南前陸盆地與臺西前陸盆地進行分析對比可知:藏南前陸盆地體系中的前淵帶(江孜—薩嘎壹線)與臺西前陸盆地,無論是剖面結構,還是橫向相變關系,均具極大的相似性:①兩者均發育在被動大陸邊緣之上,其基底均為被動大陸邊緣沈積;②兩者早期均為深水細粒沈積,而晚期為淺水粗碎屑沈積;③江孜甲查拉剖面結構與臺西前陸盆地北部剖面結構(見圖6-20C,D)較為相似,底部發育少量的深水細粒沈積,主體為淺水相粗碎屑沈積,而薩嘎桑單林剖面結構則可與臺西前陸盆地南部剖面結構(見圖6-20A,B)進行對比,早期深水細粒沈積較為發育。通過這種對比還可以初步推知:與臺灣地區的造山帶由東北北往西南向中國大陸克拉通遷移相似,藏南地區的造山帶是由東北往西南向印度克拉通遷移的,即在藏南地區,印度與亞洲大陸之間的碰撞是壹種斜向碰撞,東部先行接觸,然後逐漸向西部推進。

三、北阿爾卑斯前陸盆地

北阿爾卑斯前陸盆地位於阿爾卑斯造山帶北緣(圖6-21),由壹套復理石和磨拉石沈積序列構成。它是壹個覆蓋在增厚巖石圈之上的形成於陸—陸碰撞末期的周緣前陸盆地。因構造增厚引起的負載及隨後的沈積堆積可以視為壹個隨時間向前陸盆地遷移的連續過程。從晚始新世形成的北赫爾維西復理石開始到中新世中期的磨拉石沈積結束,前淵遷移了至少70 km,這與復理石和下海相磨拉石的平均沈積速率(3 mm/a)及下至上淡水磨拉石的平均沈積速率(2 mm/a)是壹致的。這種遷移與相鄰的後陸(hinterland)的變形是有聯系的,在後陸地區,褶皺和逆沖片構成的復雜層序將前陸盆地充填的最內部埋藏至至少10~12 km的深處。巖石圈的負載與上地殼的縮短及加厚是同時的。巖石圈的下降伴隨著盆地內同沈積正斷層的發育。這些生長斷層存在的依據是巖相和厚度的突變及個別地層單元的消失。這方面的例子包括始新世中期的貨幣蟲灰巖和抱球蟲頁巖,Vorstestock逆沖斷層下盤內Ruchi砂巖的終止,以及漸新世下海相和淡水磨拉石的終止等。在磨拉石前淵內,構造對沈降起控制作用是基於充填物的厚度與沈積相無關這樣壹個事實。

圖6-21 北阿爾卑斯前陸盆地地質簡圖

阿爾卑斯前陸盆地內部現在被各種由阿爾卑斯中部及優地槽構成的逆沖片所覆蓋。該前陸盆地的沈積地層序列見圖6-22。盆地填充物內部較老的部分由上始新統至下漸新統北赫爾維西復理石(North Helvetic flysch)構成(Siegenthaler,1974)。始新統Taveyannaz組及Elm組以縱向(WSW)沈積輸入與火山碎屑的存在為特征。在大約始新世與漸新世之交,火山碎屑消失,沈積輸入改變為具有南方來源的放射狀,疊以水深的迅速變淺。外部較年輕的部分則為壹套淺海相沈積(離岸、三角洲前緣及波浪-風暴為主的沈積相;參見Frei,1979)和淡水砂礫扇沈積相互交替構成的沈積序列(Frei,1979;Habicht,1945),Pfiffner(1986)稱之為磨拉石(molasse)。

復理石序列現在構成赫爾維西帶(Helvetic zone)的壹部分。該帶位於奔寧推覆體(Pennine nappe)之下,可分為下部的下赫爾維西雜巖(Infrahelvetic complex)與上部的赫爾維西推覆體兩個部分,兩者之間為壹個位錯可達50km的大型逆沖斷層——格拉羅斯(Glarus)逆沖斷層分開。赫爾維西推覆體又可分為上、下格拉羅斯推覆體雜巖兩個部分。

其間為S?tis逆沖斷層(壹個與白堊系底部泥灰巖持平的拆離面)。下赫爾維西雜巖(Infrahelvetic complex)由變形的Aar巖體基底楔與其上的沈積蓋層及壹些外來板片(strip sheet)組成。橫剖面中的下格拉羅斯推覆體雜巖自下而上由格拉羅斯逆沖片(the Glarus thrust sheet s.s.)、Mürtschen逆沖片以及壹些上侏羅統灰巖疊片(imbricates)構成。後者代表形成上覆的上格拉羅斯推覆體雜巖的拆離的白堊系灰巖的基底(substratum)。磨拉石分為Plateau(輕微傾斜)磨拉石與亞阿爾卑斯(sub-Alpine)磨拉石(其中的變形導致疊瓦狀逆沖片及褶皺的形成)。

圖6-22 阿爾卑斯前陸盆地地層柱

如果考慮整個阿爾卑斯中部地區,則前陸盆地演化的起始時間可能被定在中始新世(46 Ma),因為在更內部的Pennine地段的復理石沈積在白堊紀就開始了(如Trümpy,1973)。但如只考慮赫爾維西帶與磨拉石,則應以“新近紀造山運動(Neogene orogeny)”作為其起始點(Trümpy,1973)。

在中始新世,淺水相(5~200 m)貨幣蟲灰巖沈積在Aar塊體(massif)蓋層之上;再向南在赫爾維西推覆體內,則產生抱球蟲遠洋頁巖沈積。在橫剖面上,壹條斷層將這兩個區域分隔開。該生長斷層代表由包含下伏地層灰巖礫的礫巖所記錄的始新世斷裂作用(Brückner,1946;Styger,1961)。在晚始新世(40 Ma),復理石沈積(Taveyannaz formation)發生在未來Aar塊體之上的復理石槽谷中。特別是在砂礫扇的邊緣,礫巖迅速地變為頁巖相,而地層厚度仍保持不變(Habicht,1945)。在最鄰近的部位,沈積堆積(或保存)率在復理石中為0.65 mm/a,在下淡水磨拉石中為0.4 mm/a,在上淡水磨拉石中約為0.3 mm/a。

將藏南古近紀前陸盆地與阿爾卑斯前陸盆地進行對比,兩者無論是構造背景、沈積層序,還是次級單元構成及古生物面貌等,均極為相似。這對於深化我們對藏南古近紀盆地性質的認識,具有重要的參考價值與指導意義。