王哲 李學(xué)杰 汪俊 楊楚鵬 姚永堅(jiān) 鞠東

研究綜述

北極區(qū)域構(gòu)造對沉積盆地演化的控制作用

王哲1,2李學(xué)杰1,2汪俊1,2楊楚鵬1,2姚永堅(jiān)1,2鞠東1,2

(1廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局, 廣東 廣州 510760;2自然資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510760)

北極地區(qū)眾多沉積盆地的演化受控于漫長地質(zhì)歷史過程中的復(fù)雜區(qū)域構(gòu)造作用。利用環(huán)北極編圖計(jì)劃重力、磁力資料對現(xiàn)今北極基底構(gòu)造格局進(jìn)行識別, 并將其與沉積盆地空間分布進(jìn)行疊合, 在綜述北極主要沉積盆地演化序列事件基礎(chǔ)上, 歸納出三類對北極沉積盆地演化起主控作用的區(qū)域構(gòu)造因素, 包括: (1)后造山伸展垮塌; (2)地體增生前陸收縮; (3)洋盆擴(kuò)張作用。此三類區(qū)域構(gòu)造作用之后的構(gòu)造事件對盆地的重塑力有限, 使盆地性質(zhì)大致得以延續(xù)。新元古代至顯生宙時(shí)期, 勞倫、波羅的、西伯利亞古陸相繼碰撞形成了蒂曼、加里東、埃爾斯米爾、烏拉爾造山帶, 經(jīng)歷后碰撞期伸展垮塌成為巴倫支、喀拉、加拿大北極群島等區(qū)域的大型沉積盆地的基底?，F(xiàn)今西伯利亞東北部和北美西北部的北太平洋邊緣地體新生代演化導(dǎo)致其北側(cè)發(fā)育前陸收縮盆地。美亞海盆和北大西洋-歐亞海盆洋盆擴(kuò)張作用控制了馬更些三角洲、巴芬灣及拉普捷夫海裂谷盆地的演化。

北極 沉積盆地 區(qū)域構(gòu)造 基底 造山作用

0 引言

北極區(qū)域廣泛發(fā)育的諸多沉積盆地蘊(yùn)藏了儲量豐富的油氣資源, 并記錄了全球構(gòu)造演化和古地理、古氣候環(huán)境變遷的重要信息。因此, 針對北極區(qū)域沉積盆地的地質(zhì)構(gòu)造特征開展研究, 兼具科學(xué)和能源方面的重要意義。然而, 受限于惡劣的地理環(huán)境和氣候條件, 北極地質(zhì)-地球物理數(shù)據(jù)往往無法覆蓋全區(qū), 再加上環(huán)北極國家的國力和各自北極戰(zhàn)略側(cè)重點(diǎn)的差異, 致使對北極沉積盆地的認(rèn)識程度不均衡。巴倫支陸架、阿拉斯加北坡盆地及馬更些三角洲盆地等勘探程度較高, 地質(zhì)-地球物理資料豐富, 而格陵蘭鄰區(qū)、拉普捷夫海區(qū)域及東西伯利亞海陸架區(qū)等區(qū)域的沉積盆地勘探程度較低, 現(xiàn)有地質(zhì)-地球物理資料有限, 其深部結(jié)構(gòu)、變形機(jī)制及演化過程的研究相對較弱。

針對北極沉積盆地地質(zhì)特征存在上述認(rèn)識程度不均衡的現(xiàn)狀, 一些學(xué)者通過構(gòu)造重塑、古地理重建、區(qū)域長剖面對比、盆地綜合對比分析等研究方法, 試圖從區(qū)域角度推進(jìn)對環(huán)北極沉積盆地的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造演化的認(rèn)識[1-5]。綜合現(xiàn)有研究成果表明, 北極區(qū)域構(gòu)造演化歷史與波羅的、西伯利亞和勞倫三大古陸之間的匯聚和離散密切相關(guān), 涉及加里東、海西、烏拉爾等造山作用, 及200 Ma以來的北冰洋-大西洋的裂谷作用和海底擴(kuò)張過程, 此外, 現(xiàn)今西伯利亞東北部和北美西北部還長期受地體增生過程的影響(圖1)。

圖1 北極古構(gòu)造重建簡圖(據(jù)參考文獻(xiàn)Golonka[4])

Fig.1. Simplified tectonic reconstruction of Arctic (modified from Golonka[4])

受區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜演化歷史影響, 北極沉積盆地演化過程大多疊合了多期次、多類型區(qū)域構(gòu)造作用, 導(dǎo)致各類型沉積盆地演化歷程差異較大。此外, 同一類沉積盆地演化過程中受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造作用改造的程度也有差異。因此, 如能從繁多區(qū)域構(gòu)造作用中梳理出對塑造北極沉積盆地類型起決定作用的構(gòu)造要素, 將有益于加深北極區(qū)域構(gòu)造對沉積盆地演化控制作用的理解。參考前人對北極全區(qū)重力、磁力資料的解譯和北極沉積盆地的劃分, 本文從限定主要沉積中心分布部位的構(gòu)造屬性著手, 追溯盆地最初發(fā)育的主控構(gòu)造事件(盆地后續(xù)演化極可能受此事件深刻影響); 并基于盆地發(fā)育部位的構(gòu)造類型, 在綜述北極主要沉積盆地或沉積區(qū)域的構(gòu)造演化序列的基礎(chǔ)上, 從宏觀區(qū)域視角歸納北極沉積盆地構(gòu)造演化的主控因素。

1 北極現(xiàn)今基底構(gòu)造格局

作為環(huán)北極編圖計(jì)劃(Circum-Arctic Mapping Project)的一部分, 北極圈重力異常圖和磁力異常圖已完成[6]。北極圈重力異常圖的網(wǎng)格分辨率為10 km×10 km, 其海區(qū)為空間重力異常, 而陸區(qū)為布格重力異常?？臻g重力異常數(shù)據(jù)主要包括各參與機(jī)構(gòu)最近出版的網(wǎng)格數(shù)據(jù)和ArcGP空間重力異常網(wǎng)格, 使用IBCAOv2地形網(wǎng)格數(shù)據(jù)對陸區(qū)進(jìn)行布格改正[7]。北極圈磁力異常圖的網(wǎng)格分辨率為2 km×2 km, 向上延拓高度為1 km, 其數(shù)據(jù)主要包括各參與機(jī)構(gòu)最近出版的網(wǎng)格數(shù)據(jù)。該圖使用近地面磁資料作為磁異常數(shù)據(jù)的短波成分, 使用衛(wèi)星磁異常作為磁異常數(shù)據(jù)的長波成分。

本文參考前人對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行的綜合解譯[8-9], 但只對地球物理場表征邊界清晰的主要屬性單元進(jìn)行劃分, 力圖反映北極區(qū)域基底格局。總體來看, 北極全區(qū)重力、磁力異常以洋、陸殼的顯著差異為特征(圖2)。洋殼包括了北大西洋、格陵蘭海、歐亞海盆和美亞海盆, 這些區(qū)域具有明顯大洋磁異常條帶, 是海底擴(kuò)張?jiān)诓煌艠O性期形成的相反磁化方向洋殼剩磁的反映。從挪威-格陵蘭海延伸至北極歐亞海盆的擴(kuò)張脊和北冰洋洋盆邊界在自由空間重力異常圖上表現(xiàn)顯著線狀特征。相對而言, 陸殼區(qū)域的重力、磁力異常明顯反映了基底的非均質(zhì)性, 從中識別了陸核、縫合帶及增生體三類基底分區(qū)。陸核包括了西伯利亞陸核、加拿大地盾、格陵蘭、西西伯利亞陸核、波羅的陸核, 這些區(qū)域具有高幅值磁異常, 且呈明顯高-低值相間的條帶狀特征, 指示這些區(qū)域的磁性層厚度較大, 大都代表了穩(wěn)定克拉通的分布[9]。縫合帶主要分布于陸核之間, 這些區(qū)域的磁異常特征總體平緩(缺乏短波長高幅值異常), 指示了磁性層厚度中等至薄、埋藏較深的特征。增生體指北太平洋邊緣增生地體(圖3中-新生代造山帶以南), 主要構(gòu)造要素包括北維爾霍揚(yáng)斯克、布魯克斯褶皺帶以及北極阿拉斯加-楚科塔-弗蘭格爾地體和科雷馬歐姆龍復(fù)合超地體[10-11]。這些地區(qū)磁異常特征總體以中高幅值異常為主, 異常樣式變化較大。

圖2 北極磁力、重力異常綜合解釋圖(參考Gaina等[6,9]; Saltus等[8]). A-西伯利亞陸核; B-西西伯利亞; C-波羅的克拉通; D-北大西洋; E-格陵蘭; F-加拿大地盾; G-北太平洋邊緣增生帶; H-北極阿拉斯加-楚科塔-弗蘭格爾地體; I-美亞海盆; J-歐亞海盆; K-格陵蘭海

Fig.2. Interpretation of Arctic magnetic and gravity anomalies (modified from Gaina et al[6,9]; Saltus et al[8]). A-Siberian continent core; B-Western Siberian; C-Baltic Craton; D-North Atlantic; E-Greenland; F-Canada Shield; G-North Pacific accretionary terrane collage; H-Arctic Alaska-Chukotka-Wrangel Terrane; I-Amerasian Basin; J-Eurasian Basin; K-Greenland Sea

2 北極沉積盆地分布

基于對北極沉積蓋層厚度數(shù)據(jù)的調(diào)研和收集[12], 結(jié)合北極區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征, 重新擬定了北極主要沉積盆地(33個(gè))的分布和邊界(圖4a, 表1)。結(jié)果表明, 一些盆地的沉積蓋層厚度較大, 局部區(qū)域厚度甚至超過了10 km, 這些盆地包括: 西巴倫支陸架的西巴倫支海盆地, 東巴倫支陸架的東巴倫支盆地, 北喀拉陸架的北喀拉盆地, 南喀拉-亞馬爾陸架的西西伯利亞盆地, 西伯利亞克拉通葉塞尼-哈坦加盆地, 通古斯盆地, 勒拿-維柳伊盆地, 拉普捷夫陸架的拉普捷夫海裂谷盆地, 東西伯利亞-俄羅斯楚科奇北部陸架的維爾基茨基-北楚科奇盆地, 阿拉斯加北部陸架的阿拉斯加北坡盆地, 波弗特陸架-加拿大海盆的馬更些三角洲-北加拿大海域盆地, 加拿大北部陸架的林肯海盆地和斯維爾德魯普盆地, 以及格陵蘭西部的巴芬灣盆地。

圖3 北太平洋邊緣增生地體分布及北極區(qū)域構(gòu)造簡圖. AA-北極阿拉斯加地體; CH-楚科塔地體(據(jù)Strauss 等[11])

Fig.3. Simplified tectonic map of Arctic and North Pacific accretionary terrane collage. AA-Arctic Alaska Terrane; CH-Chukotka Terrane (modified from Strauss et al[11])

通過將北極沉積盆地分布與基底構(gòu)造屬性單元進(jìn)行疊合, 可直觀反映北極沉積盆地所處構(gòu)造部位(圖4b): (1)古陸核之間的縫合基底, 這些縫合基底涉及蒂曼、加里東、埃爾斯米爾及烏拉爾造山運(yùn)動(dòng); (2)北太平洋邊緣增生地體群北部相關(guān)區(qū)域; (3)北大西洋、歐亞海盆及美亞海盆相鄰區(qū)域。下節(jié)歸納了其中典型盆地的區(qū)域構(gòu)造序列事件。

圖4 北極沉積盆地劃分及與基底格架對應(yīng)圖(圖中數(shù)字代表盆地序號, 盆地名稱見表1, 數(shù)據(jù)基于Grantz等[12]). a)北極蓋層厚度分布及沉積盆地劃分; b)北極沉積盆地與基底分布對應(yīng)圖. A-西伯利亞陸核; B-西西伯利亞; C-波羅的克拉通; D-北大西洋; E-格陵蘭; F-加拿大地盾; G-北太平洋邊緣增生帶; H-北極阿拉斯加-楚科塔-弗蘭格爾地體; I-美亞海盆; J-歐亞海盆; K-格陵蘭海

Fig.4. Correspondence map of Arctic sedimentary basin division and basement configuration (Basin sequence numbers are shown in the map and basin names are shown in Table 1, based on Grantz et al[12]). a) Arctic cover thickness distribution and sedimentary basin division; b) Arctic sedimentary basin and basement distribution. A-Siberian continent core; B-Western Siberian; C-Baltic Craton; D-North Atlantic; E-Greenland; F-Canada Shield; G-North Pacific accretionary terrane collage; H-Arctic Alaska-Chukotka-Wrangel Terrane; I-Amerasian Basin; J-Eurasian Basin; K-Greenland Sea

3 北極沉積盆地演化

3.1 縫合基底相關(guān)沉積盆地(從老到新)

3.1.1 蒂曼基底上形成的盆地

蒂曼基底主要涉及東巴倫支盆地、蒂曼-伯朝拉盆地和北喀拉盆地(圖5)。東巴倫支盆地面積廣闊且具厚度達(dá)16—18 km的厚層沉積充填, 該盆地后蒂曼造山期演化經(jīng)歷以下構(gòu)造階段[13-16]: (1)中泥盆世至早石炭世, 伴隨有鎂鐵質(zhì)巖漿作用的弧后裂谷階段; (2)晚石炭世和早二疊世熱沉降; (3)晚二疊世和早三疊世時(shí)期, 整個(gè)東巴倫支海槽快速沉降, 并聚集源于烏拉爾造山帶、北喀拉、泰米爾的大量硅質(zhì)碎屑沉積物, 至早三疊世末期, 盆地可能完全被碎屑沉積物充填; (4)三疊紀(jì)末和侏羅紀(jì)初期, 新地島-派赫伊造山運(yùn)動(dòng); (5)早白堊世, 北極地幔柱相關(guān)的巖漿事件導(dǎo)致大范圍溢流玄武巖噴發(fā)。

表1 北極沉積盆地(據(jù)Grantz等[12]修改)

蒂曼伯朝拉盆地后續(xù)經(jīng)歷的主要構(gòu)造事件[17-21](圖6)包括: (1)早奧陶世裂谷作用, 塑造了波羅的古陸古生代陸緣; (2)泥盆紀(jì)裂谷作用及相關(guān)鎂鐵質(zhì)巖漿作用; (3)晚古生代與烏拉爾造山運(yùn)動(dòng)相關(guān)的構(gòu)造反轉(zhuǎn)作用; (4)二疊紀(jì)-三疊紀(jì)過渡期鎂鐵質(zhì)巖漿作用及相關(guān)隆升, 推測與西伯利亞超級地幔柱有關(guān); (5)晚三疊世派赫伊-新地島造山運(yùn)動(dòng)相關(guān)的構(gòu)造反轉(zhuǎn)。

北喀拉盆地后期經(jīng)歷與中古生代埃爾斯米爾、晚古生代烏拉爾、早中生代新地島造山運(yùn)動(dòng)有關(guān)的多期構(gòu)造反轉(zhuǎn)。最新的構(gòu)造反轉(zhuǎn)發(fā)生于早白堊世, 可能與維爾霍揚(yáng)斯克-楚科塔-布魯克造山作用導(dǎo)致的遠(yuǎn)應(yīng)力場有關(guān)[22-23]。

3.1.2 加里東基底上形成的盆地

后加里東期伸展作用大體塑造了西巴倫支陸架和東格陵蘭陸架的沉積盆地格局[24], 此基礎(chǔ)上的后續(xù)構(gòu)造改造事件(圖6)包括: (1)泥盆紀(jì)末期至中石炭世, 造山帶垮塌伸展事件導(dǎo)致西巴倫支陸架發(fā)育北東向裂谷系統(tǒng); (2)二疊紀(jì)至三疊紀(jì), 西巴倫支陸架主要受熱沉降控制, 并廣泛堆積源自烏拉爾造山帶的硅質(zhì)碎屑巖; (3)侏羅紀(jì)至早白堊世, 巴倫支陸架西緣發(fā)生復(fù)活拉張作用[13]。

圖5 巴倫支-喀拉海域主要構(gòu)造要素分布圖(據(jù)Drachev[17]修改)

Fig.5. Structural elements of the greater Barents Sea (modified from Drachev[17])

圖6 北極陸架區(qū)域構(gòu)造演化綜合圖(修改自Drachev[17])

Fig.6. Summary of the tectonic evolution of the Arctic shelf(modified from Drachev[17])

3.1.3 埃爾斯米爾基底上形成的盆地

加拿大北極群島的斯維爾德魯普盆地是后埃爾斯米爾期盆地建造的典型代表。斯維爾德魯普盆地演化過程[25-26](圖6)可大致歸納為: (1)中泥盆世埃爾斯米爾造山運(yùn)動(dòng)引發(fā)早期北美克拉通北部被動(dòng)陸緣發(fā)生不同程度構(gòu)造變質(zhì)作用; (2)早石炭世至早二疊世后造山伸展作用; (3)早二疊世至晚白堊世裂后沉降階段, 推測與烏拉爾-新地島造山活動(dòng)有關(guān); (4)中生代末期至新生代Eurekan造山作用導(dǎo)致斯維爾德魯普盆地受擠壓變形。

3.1.4 烏拉爾基底上形成的盆地

發(fā)育于烏拉爾基底之上的西西伯利亞盆地, 分布在南喀拉-亞馬爾陸架-西西伯利亞地區(qū)。西西伯利亞盆地位于新地島褶皺帶以南, 東側(cè)為西伯利亞克拉通, 西側(cè)為烏拉爾造山帶, 可延伸至西伯利亞盆地之下, 構(gòu)成盆地基底。西西伯利亞盆地基底塑造于波羅的克拉通、西伯利亞克拉通邊緣縫合事件, 因此其地殼強(qiáng)度相對周緣克拉通較弱, 進(jìn)而限定了后期盆地發(fā)育的位置。西伯利亞盆地演化主要受到以下構(gòu)造事件[27](圖6)控制: (1)晚石炭世-二疊紀(jì), 波羅的古陸和西伯利亞古陸沿烏拉爾和泰米爾聚合帶碰撞; (2)二疊紀(jì)-三疊紀(jì)期間地幔柱相關(guān)巖漿事件和地殼伸展; (3)三疊紀(jì)-侏羅紀(jì)擠壓和造山作用; (4)早中生代造山帶于早侏羅世垮塌, 盆地基底發(fā)育地塹; (5)侏羅紀(jì)末至白堊紀(jì)初和始新世至漸新世期間的斷裂復(fù)活。

3.2 北太平洋邊緣地體增生相關(guān)沉積盆地

3.2.1 阿拉斯加北坡盆地

阿拉斯加北坡盆地位南界為布魯克斯山脈-赫拉爾德(Herald)穹隆造山帶, 北界為加拿大海盆被動(dòng)陸緣。地震勘探和鉆井資料揭示, 阿拉斯加北坡盆地發(fā)育上古生界-中生界早期南傾被動(dòng)大陸邊緣沉積序列和中生界晚期-新生界北傾前陸盆地沉積序列。阿拉斯加北坡盆地構(gòu)造演化經(jīng)歷四個(gè)明顯的變形階段: 前中泥盆世埃爾斯米爾造山階段, 晚泥盆世-中侏羅世被動(dòng)邊緣階段, 中侏羅世-早白堊世裂谷階段以及晚期的布魯克斯造山和前陸階段。相應(yīng)地, 阿拉斯加北坡盆地演化受到以下構(gòu)造因素(圖6)控制: (1)前中泥盆世埃爾斯米爾造山運(yùn)動(dòng), 影響中泥盆世及更老變質(zhì)巖, 構(gòu)成阿拉斯加北坡盆地的基底; (2)晚古生代至早中生代被動(dòng)大陸邊緣環(huán)境下的伸展作用; (3)中-晚侏羅世和早白堊世的裂谷作用, 阿拉斯加北坡盆地受斷層控制發(fā)生差異沉降; (4)早白堊世-第四紀(jì)布魯克斯造山運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致阿拉斯加北坡盆地南部擠壓抬升、北部沉降, 完成由裂谷盆地向前陸盆地的轉(zhuǎn)換。

3.2.2 南楚科奇盆地

南楚科奇盆地從弗蘭格爾島向東南延伸至阿拉斯加西部科策布灣(Kotzebue Sound), 展布超過1 000 km。盆地北側(cè)為扭壓性的弗蘭格爾-赫拉爾德基底穹窿, 南部沉積物超覆至晚中生代變形基底之上。多道地震數(shù)據(jù)揭示南楚科奇盆地具明顯非對稱特征, 其南翼下伏低幅度基底隆起, 北翼限定于與弗蘭格爾-赫拉爾德穹窿相交的高陡破碎帶。

南楚科奇盆地受以下區(qū)域構(gòu)造因素[28](圖6)控制:(1)與白堊紀(jì)和古新世造山塌陷有關(guān)的初始裂谷作用; (2)始新世至早漸新世北美板塊和歐亞板塊之間右旋相對運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的扭張構(gòu)造背景下的沉降; (3)漸新世-中新世西北-東南向板塊會(huì)聚驅(qū)動(dòng)的擠壓反轉(zhuǎn), 導(dǎo)致弗蘭格爾-赫拉德穹窿扭壓變形, 并使中生代布魯克-楚科塔褶皺帶前緣復(fù)活。

3.3 洋盆開啟相關(guān)沉積盆地

3.3.1 馬更些三角洲盆地

馬更些三角洲盆地位于北極波弗特海陸架, 盆地東部以愛斯基摩湖(Eskimo Lakes)張性斷裂帶為界, 西南部以布魯克斯山脈為界, 北部延伸至陸架邊緣, 以坡折帶與加拿大盆地分界。馬更些三角洲盆地是在侏羅紀(jì)裂谷基礎(chǔ)上發(fā)育形成的被動(dòng)大陸邊緣盆地, 沉積厚度超過16 km。

馬更些三角洲盆地基底包括元古界-石炭系變質(zhì)巖, 主要沉積蓋層包括侏羅紀(jì)裂谷作用以及之后沉積的地層。馬更些三角洲盆地沉積蓋層可劃分為五個(gè)構(gòu)造層組合, 分別對應(yīng)裂谷、洋盆張開、擠壓、前陸和被動(dòng)沉降構(gòu)造發(fā)展階段?？刂岂R更些三角洲盆地的主要構(gòu)造因素[29]包括: (1)侏羅紀(jì)至早白堊世, 區(qū)域裂谷作用下發(fā)育正斷層和半地塹、地塹構(gòu)造; (2)北極阿拉斯加微板塊相對于北美克拉通逆時(shí)針旋轉(zhuǎn), 導(dǎo)致加拿大海盆海底擴(kuò)張; (3)晚白堊世布魯克斯造山為盆地供給粗碎屑沉積物; (4)上新世至今, 馬更些三角洲盆地處于被動(dòng)陸緣離散環(huán)境。

3.3.2 巴芬灣盆地

巴芬灣盆地是北大西洋西北部在巴芬島和格陵蘭島之間的延伸部分, 位于巴芬島、埃爾斯米爾島和格陵蘭島之間, 中央為巴芬灣深盆, 周圍是加拿大和格陵蘭陸架。巴芬灣盆地作為晚中生代-早新生代拉布拉多海伸展擴(kuò)張過程的產(chǎn)物, 邊緣陸架為陸殼或減薄陸殼基底, 發(fā)育大量與盆地軸線近似平行的伸展斷層。巴芬灣盆地中央發(fā)育菱形洋殼基底, 且洋盆擴(kuò)張軸和轉(zhuǎn)換斷層與盆地長軸斜交, 顯示剪切拉分的特征。

巴芬灣盆地沉積物厚達(dá)8—10 km, 最老沉積地層的年代為早白堊世, 兩期裂谷事件控制了其形成演化[30-31]: (1)早白堊世裂谷作用(140—130 Ma)導(dǎo)致盆地內(nèi)發(fā)育一系列狹長的地壘和地塹構(gòu)造, 地塹內(nèi)堆積了源自西南格陵蘭和拉布拉多陸緣的碎屑沉積物, 此后, 盆地中央形成洋殼, 盆地進(jìn)入漂移階段并發(fā)生區(qū)域性沉降; (2)晚白堊世至古新世裂谷作用, 推測與拉布拉多海海底擴(kuò)張有關(guān)。海底擴(kuò)張引發(fā)了大規(guī)?；鹕交顒?dòng), 在68°N以北形成了火山巖分布區(qū)。盆地巴芬島一側(cè), 馬斯特里赫特期和古新世早期以碎屑沉積為主, 表現(xiàn)為明顯的裂谷層序特征。古近紀(jì)期間, 巴芬灣碎屑物輸入量達(dá)到最大。

3.3.3 拉普捷夫海裂谷盆地

拉普捷夫陸架裂谷盆地形成于晚白堊紀(jì)至今歐亞和北美板塊間的離散背景[32-33]。拉普捷夫陸架裂谷盆地由數(shù)個(gè)裂谷及晚中生代基底高地組成(圖7), 其中烏斯特勒納(Ust’s Lena)裂谷約13—15 km, 最深可達(dá)18 km, 基底高地的地層厚度小于2 km。地層厚度特征及裂谷構(gòu)造復(fù)雜性向東明顯降低, 推測裂谷向東遷移?；诹压仁加谕戆讏资赖募僭O(shè), 推測控制拉普捷夫海裂谷盆地演化的主要構(gòu)造因素(圖6)包括: (1)約90—80 Ma拉普捷夫陸架的初始伸展階段, 形成了拉普捷夫陸架裂谷系統(tǒng)的主要構(gòu)造單元; (2)約70—60 Ma超拉伸(減薄)階段開始, 主要集中于烏斯特勒納裂谷和安尼森(Anisin)裂谷和新西伯利亞裂谷的最東端; (3)約60—55 Ma烏斯特勒納裂谷北部可能發(fā)生地幔剝露, 沿巴倫支-喀拉陸緣發(fā)生大陸裂解; (4)約55—20 Ma拉普捷夫陸架裂谷系統(tǒng)拉張作用明顯減弱或停止; (5)約20—15 Ma歐亞板塊與北美板塊離散背景導(dǎo)致的近期拉張。

圖7 拉普捷夫海裂谷盆地構(gòu)造剖面(修改自Drachev[17])

Fig.7. Structural profile of the Laptev Rift Basin (modified from Drachev[17])

4 基底演化對沉積盆地的控制作用

北極基底構(gòu)造演化主要反映波羅的、西伯利亞和勞倫三大古陸之間的匯聚和離散作用, 并控制了北極沉積盆地的形成演化。大陸匯聚過程中俯沖碰撞相關(guān)區(qū)域往往伴隨前陸、弧前、弧間和弧后等盆地類型的發(fā)育, 后造山期區(qū)域構(gòu)造體制及熱狀態(tài)改變往往導(dǎo)致伸展作用, 從而形成疊覆于原造山之上的塌陷盆地, 大陸裂解易于形成與裂谷作用及被動(dòng)陸緣發(fā)展相關(guān)的盆地, 此外, 后擴(kuò)張期擠壓導(dǎo)致的構(gòu)造反轉(zhuǎn)也在盆地演化過程中起到重要的作用。綜合北極不同區(qū)域發(fā)育的典型盆地演化中的區(qū)域構(gòu)造事件表明, 北極沉積盆地演化主要受后古陸匯聚板緣碰撞期伸展垮塌、地體增生前陸收縮和洋盆擴(kuò)張三類區(qū)域構(gòu)造作用控制。

1. 后造山伸展垮塌

北極陸緣下伏固結(jié)陸殼形成于新元古代至顯生宙時(shí)期勞倫、波羅的、西伯利亞古陸和一些較小的微大陸及島弧碎片的碰撞拼合。期間, 勞倫、波羅的和西伯利亞古陸自赤道以南向北漂移, 志留紀(jì)-泥盆紀(jì)加里東造山運(yùn)動(dòng)將勞倫和波羅的古陸縫合, 晚志留至早石炭紀(jì)勞倫古陸北部地體碰撞導(dǎo)致埃爾斯米爾造山, 二疊紀(jì)西伯利亞和哈薩克斯坦與波羅的古陸碰撞, 聚合形成聯(lián)合古陸的組成部分, 過程中發(fā)育了一系列延伸到現(xiàn)今北極陸架的褶皺帶, 隨后經(jīng)歷伸展垮塌過程而發(fā)育諸多大型沉積盆地。這些沉積盆地后期演化受重塑力有限的一次或多次構(gòu)造反轉(zhuǎn)作用影響, 使盆地性質(zhì)大致得以延續(xù)。

2. 地體增生前陸收縮

北太平洋邊緣地體增生集合體由廣布于現(xiàn)今西伯利亞東北部和北美西北部的一系列增生地體及其間交織的沉積、巖漿巖系組成。這些地體于侏羅紀(jì)和白堊紀(jì)早期增生, 是南阿紐伊(Anyui)洋和奧伊米亞康(Oimyakon)洋兩個(gè)洋盆關(guān)閉的結(jié)果。約130—125 Ma, 洋盆閉合后的造山作用在歐亞和北美大陸之間建造了陸橋。北太平洋邊緣地體增生使得阿拉斯加北坡盆地和南楚科奇盆地作為前陸盆地持續(xù)演化。

3. 洋盆擴(kuò)張

聯(lián)合古陸裂離背景下, 北極板內(nèi)或板緣離散作用包括: 中晚侏羅世加拿大海盆的開啟、早白堊世巴芬灣、晚白堊世至今歐亞和北美板塊間離散導(dǎo)致的北大西洋-歐亞海盆開啟。拉普捷夫陸架裂谷盆地發(fā)育數(shù)個(gè)裂谷及晚中生代基底高地組成, 馬更些三角洲、巴芬灣等覆蓋于北冰洋洋盆邊緣并向洋盆進(jìn)積的楔狀沉積盆地, 該類盆地發(fā)育于伸展構(gòu)造應(yīng)力背景之下, 其演化主要受裂谷至洋盆擴(kuò)張的控制。

5 結(jié)論

1. 北極不同區(qū)域重力、磁力場特征存在顯著差異, 可識別出洋殼、陸核、縫合帶及增生體等基底分區(qū)。陸核包括了西伯利亞陸核、加拿大地盾、格陵蘭、西西伯利亞陸核、波羅的陸核, 洋殼包括了北大西洋、格陵蘭海、歐亞海盆和美亞海盆, 增生體指北太平洋邊緣增生地體。

2. 根據(jù)北極沉積盆地所處構(gòu)造部位, 結(jié)合區(qū)域構(gòu)造演化歷史, 北極沉積盆地可劃分三類: (1)建造于古陸核之間的縫合基底之上的沉積盆地, 此類沉積盆地演化的構(gòu)造應(yīng)力背景通常經(jīng)歷了從擠壓到伸展的轉(zhuǎn)換, 個(gè)別盆地演化過程甚至發(fā)生多次構(gòu)造反轉(zhuǎn)作用, 但對盆地的重塑力有限, 使盆地性質(zhì)大致得以延續(xù); (2)分布于北太平洋邊緣增生地體群相關(guān)區(qū)域的沉積盆地, 這些盆地的演化主要受構(gòu)造收縮作用的影響; (3)北大西洋、歐亞海盆及美亞海盆相鄰區(qū)域發(fā)育的盆地, 該類盆地主要經(jīng)歷與北極洋盆擴(kuò)張相關(guān)的裂谷作用。

3. 北極沉積盆地演化過程主要受控于三大區(qū)域構(gòu)造作用: (1)陸塊匯聚板緣碰撞及后期垮塌伸展作用, 該構(gòu)造作用深刻塑造蒂曼、加里東、埃爾斯米爾、烏拉爾基底上覆盆地性質(zhì), 后期構(gòu)造作用對疊加改造程度有限; (2)地體增生前陸收縮作用, 使北太平洋邊緣增生地體鄰區(qū)盆地性質(zhì)完全轉(zhuǎn)變?yōu)榍瓣懪璧? (3)板內(nèi)或板緣離散, 該構(gòu)造作用是對北冰洋洋盆擴(kuò)張的響應(yīng), 以后期較強(qiáng)的伸展作用深刻改造前期盆地格局。

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TECTONIC CONTROL ON THE EVOLUTION OF ARCTIC SEDIMENTARY BASINS

Wang Zhe1,2, Li Xuejie1,2, Wang Jun1,2, Yang Chupeng1,2, Yao Yongjian1,2, Ju Dong1,2

(1Guangzhou Marine Geological Survey, Guangzhou 510760, China;2Key Laboratory of Marine Mineral Resources, MNR, Guangzhou 510760, China)

The evolution of sedimentary basins in the Arctic is controlled by complex tectonic processes over geological time. Using gravity and magnetic data from the Circum-Arctic Mapping Project, the tectonic framework of the Arctic basement was identified and overlapped with the distribution of sedimentary basins. Three types of regional tectonic factors that play a dominant role in the evolution of Arctic sedimentary basins were selected: (1) post-orogenic extensional collapse; (2) terrane accretion and foreland contraction; (3) rifting and opening of ocean basins. The tectonic events after these three types of regional tectonism have limited abilities to reshape basins; therefore, the characteristics of the basins basically remained constant. From the Neoproterozoic to the Phanerozoic, the Laurentia, Baltic and Siberia paleocontinents collided one after another to form the Tieman, Caledonian, Ellesmere and Ural orogenic belts. During the post-collision period, they extended and collapsed to form the base of large sedimentary basins in the Barents, Kara, Canadian Arctic seas and other regions. The Cenozoic evolution of the North Pacific margin terrane in northeastern Siberia and northwestern North America led to the development of foreland basins in the north. The rifting and opening of the Amerasia Basin and the North Atlantic-Eurasian Basin controlled the evolution of the Mackenzie Delta, Baffin Bay and the Laptev Rift Basin.

Arctic, sedimentary basins, regional tectonics, basement, orogeny

2019年6月收到來稿, 2019年10月收到修改稿

中國地質(zhì)調(diào)查局科研項(xiàng)目(DD20190577, DD20190368, DD20190366)資助

王哲, 男, 1984年生。博士, 主要從事構(gòu)造地質(zhì)學(xué)和海洋地質(zhì)學(xué)研究。E-mail: zhepub@163.com

楊楚鵬, E-mail: gmgs_yang@foxmail.com

10. 13679/j.jdyj.20190031