弧背盆地是什么?关于弧背盆地的详细介绍

创闻科学2020-11-17 12:21:31

Dickinson提出弧背盆地(retro-arc basin)的概念,认为它是弧后挤压的前陆盆地。retro与back在英文中是同义词。但是,back-arc basin(弧后盆地)是伸展、扩张形成的,而retro-arc basin(弧背盆地)是挤压应力场作用下,岩石圈挠曲形成的,下图。李继亮等为了把这两种不同成因的盆地区分开来,把“back-arc basin”译为“弧后盆地”,而把“retro-arc basin”译为“弧背盆地”。广义的理解,可以等同于“弧背前陆盆地”,“弧后前陆盆地”。

弧背盆地构造特征

弧背前陆盆地的构造特点和构造对于沉积作用的控制作用如下图所示。可以看出,弧背盆地位于一个褶皱冲断带中。沉积盆地的形成是岩石圈受到冲褶席重荷影响发生挠曲引起的。冲褶带的构造变形影响着沉积盆地的发展、沉积环境的变化和沉积物的搬运途径。下图表示了弧背盆地构造的普遍特征及构造同沉积的关系。但是,对于某些具特殊特点的盆地,如具有特别的沉积深度、特别复杂沉积环境的盆地,可能不尽相符。

弧背前陆盆地是一种很特殊的盆地,它们发育在挤压的岩浆弧后。在科迪勒拉弧和安第斯弧发育了许多这种盆地;在西太平洋的岩浆弧则很少有这类盆地。但是,在我国增生型造山带中保留了这种弧背前陆盆地,如青海省海东地区莲花山的奥陶纪弧背盆地。

弧背盆地沉积及物源特征

大陆边缘弧后区域多表现为中性应力区。在弧-沟体系整体处于挤压环境时,大陆边弧后地区部分大陆地壳俯冲至岛弧造山带底部并在岛弧带后侧形成前陆褶皱逆冲带(下图a),同时引起岩石圈发生挠曲和形成弧后前陆盆地。弧后前陆盆地形成于汇聚板块边界的仰冲板块一侧,与海沟、增生楔和岛弧带长距离保持着平行关系,常常在大洋板块俯冲过程中开始形成,演化历史长。盆地填充物主要是来自弧后前陆褶皱冲断带,为相对缺乏火山弧物质的海相-陆相沉积组合。Ingersoll and Busby将弧后前陆盆地分为活动大陆边缘弧后前陆盆地和上驮于碰撞陆块之上的碰撞型弧后前陆盆地两类,例如安第斯弧后前陆盆地和南阿尔卑斯前陆盆地。它们与周缘前陆盆地具有相似的填充序列。虽然backarc和retroarc在字面上是同义词,但是前者主要是在沟-弧系统整体为伸展和中性构造背景时形成,后者是在为挤压构造背景时形成。

尽管弧后前陆盆地沿着大洋俯冲上驮板块安第斯型造山带内侧形成,但是并非所有洋-陆板块汇聚边界均形成安第斯型造山带和前陆盆地。例如,现代安第斯弧后前陆盆地体系包括宽度分别为50~75km楔顶沉积中心、250-300km前渊沉积中心、未出露至地表的前隆以及>400km后缘沉积中心。弧后前陆盆地填充物的厚度在靠近岩浆弧带一侧远远大于其在前隆一侧,呈现出明显的非对称性结构特征;垂向上,下部为海相沉积,上部为河流相沉积,二者之间通常为不整合接触。弧后前陆盆地沉积中心随着前陆褶冲带发展一同向克拉通方向迁移,大部分填充物在此过程中也被卷入前陆褶皱冲断带中。正是如此,前陆盆地填充物分布范围随着前陆褶冲带隆升剥蚀和再沉积以及海平面的扩大而增大。在前陆褶皱冲断带长期向前发展过程中,前陆褶冲带和前隆地区先后形成了滨岸沉积上覆于海相地层、河流相沉积上覆于滨岸相沉积以及河流相粗粒沉积上覆于细粒沉积的地层序列。这一沉积结构特征,详细的记录了前陆褶皱冲断带的演化过程。

根据沉积物供给量、沉积速率与盆地沉降速率关系,前陆盆地填充过程可分为欠补偿、补偿和过补偿三个阶段。在欠补偿填充阶段(图a),弧后前陆盆地表现为深而窄的盆地形态,沉降中心靠近并平行于褶皱冲断带发育,前隆和褶皱冲断带碎屑沉积物随同横向水系向盆地沉降中心运移过程中,汇集于纵向水系,再一同沿着盆地沉降中心向前推移,形成三角洲或者大型冲积扇填充序列,同时在这些三角洲或冲积扇之间发育泥坪或冲积平原沉积。这些沉积序列总体呈现出点状物源 (point source) 特征。在补偿填充阶段,前陆褶皱冲带向前推进并出露水面,为盆地提供丰富物源,碎屑物沉积速率与盆地沉降速率接近,形成巨厚的陆源碎屑复理石填充序列。在过补偿填充阶段(下图b),大陆汇聚作用进一步加强,前陆褶冲带向更老、更厚、更刚性地区推进,盆地内沉积速率远大于岩石圈挠曲下沉速度,盆地整体始终处于海进状态,前缘隆起在该阶段极为不发育,横向水系普遍发育且水浅流急,来自褶皱逆冲带碎屑沉积物越过前缘隆起向隆后盆地迁移并过渡为陆相磨拉石沉积,同时在前缘隆起带附近形成不整合面,总体以线状物源为特征。

实际上,不同填充阶段水系空间分布位置随着造山带和前陆褶冲带构造形态、逆冲速率以及基岩类型和气候等因素影响而发生改变,因此填充物的碎屑组成也并不尽相同。

弧后前陆盆地碎屑物主体来自于弧后前陆褶皱逆冲带,砂岩以富含石英和岩屑(通常为沉积岩和变质岩,局部火山岩)、贫长石为特征,同时造山带核部变质岩和火成岩也是填充物的重要来源区之一。这是因为无论在欠补偿还是过补偿填充阶段,造山带中的横向水系通常汇聚成可以跨越过前陆褶冲带的大型河流体系,从而将造山带内部碎屑物质搬运至前陆盆地中。通常情况下,填充物在靠近沉积物源区位置形成相对完整的地层序列,而在远离物源区的盆地内部则常常缺少部分地层。由此可见,准确识别填充物结构、组成和物源区水系时空变化特征,有助于正确理解前陆褶冲带构造活动时限和弧后前陆盆地内地层序列形成。

弧背盆地实例

安第斯造山带弧背前陆盆地的大地构造位置和盆地中的冲断构造如下图所示。弧背盆地在火山前缘带的背后,由于冲断席的负载,引起岩石圈挠曲而发育为沉积盆地。弧背盆地所在的弧沟系往往位于低角度的俯冲带,导致具有水平挤压的火山弧。弧背盆地的冲断带具有薄皮构造特征。弧背盆地主要出现在北美的科迪勒拉弧造山带和南美的安第斯弧造山带。

跨越智利-阿根廷边界的马尕兰斯(Magallanes)弧背盆地是一个具有代表性的弧背前陆盆地(retro-arc foreland basin)。它具有古生代到侏罗纪的复杂增生弧基底,基底上发育了白垩纪增生弧。白垩纪到新近纪的弧背盆地中沉积了从河流到三角洲、浅海以及深海的各种沉积环境的沉积物,下图。

马尕兰斯(Magallanes)弧背盆地中沉积岩相的分布特点如下图所示。第一沉积单元(Unit1)由碎屑支撑砾岩相和厚层砂岩相组成。第二沉积单元(Unit2)下部西侧由砂岩与泥岩互层相组成,东侧由碎屑支撑砾岩相和厚层砂岩相组成;第二单元中部西侧由砂岩与泥岩互层相组成,中间与东侧为泥石流砾岩相;第二沉积单元上部西侧由砂岩与泥岩互层相组成,中间和东侧由碎屑支撑砾岩相和厚层砂岩相组成。第三沉积单元(Unit3)全部为碎屑支撑砾岩相和厚层砂岩相。第四沉积单元(Unit4)西侧为砂岩与泥岩互层相,东侧是厚层砂岩相。第五沉积单元(Unit5)最西侧为砂岩与泥岩互层相,其余部分都由碎屑支撑砾岩相组成。

弧背盆地物源判别

Fildani和Hessler用砂岩碎屑组分的三角图解分析了弧背盆地的沉积物来源,下图。在图(a)中,源区投影在再循环造山带区和分割弧区。在图(b)中,源区投影在混合区、分割弧区和过渡弧区中。投影图表明弧背盆地沉积物的物源主要来自岩浆弧,在搬运过程中,加入了各种再循环的碎屑,构成了弧背盆地的沉积体。