松辽盆地—大三江盆地晚白垩世构造反转作用对比及其成因联系

【摘要】晚白垩世亚洲东部陆缘属于安第斯型主动大陆边缘,中国东北地区以发育区域性陆内挤压变形为典型特征,表现为黑龙江省东部的大三江盆地现今为由三江、勃利、鸡西、虎林等数个孤立的中、新生代沉积盆地组成的残余盆地群,向西到松辽盆地挤压作用变弱,在盆地内普遍发育了挤压褶皱和逆冲变形。前人对东北地区各个盆地的构造变形序列、盆地原型、沉积充填过程及动力学机制等方面开展了较为深入的工作,并且取得了显著的研究进展和成果认识,本文则致力于系统性研究不同盆地对晚白垩世构造反转响应过程的联系和差异,主要的研究目标是在充分吸收前人研究成果的基础上,将松辽盆地和大三江盆地作为一个窗口,以现代构造地质学和沉积学理论为指导,综合应用沉积盆地动力学、层序地层学、构造地层分析等方法,系统研究盆地晚白垩世构造反转期的构造变形特征和沉积体系空间配置特征；综合运用裂变径迹法、声波时差法和镜质体反射率法,定量恢复盆地构造反转期重要不整合界面的剥蚀量；运用碎屑锆石年代学技术,结合地震剖面解释和沉积体系制图,厘定盆地晚白垩世物源体系的转变过程；在松辽盆地和大三江盆地统一的等时构造-地层格架下,通过松辽盆地和大三江盆地构造特征和沉积特征的对比研究,结合晚白垩世东亚陆缘的构造属性,揭示二者晚白垩世构造反转期的地质联系;借鉴前人建立的经典的弧后前陆盆地系统的沉积充填模式和动力学演化模式,建立松辽盆地和大三江盆地晚白垩世构造反转期统一的构造沉积演化的动态过程,最终为研究区的油气勘探提供基础地质依据。本文取得的主要研究进展和认识成果如下：1.通过野外地质调查与盆地地震剖面解释研究相结合,建立了松辽盆地和大三江盆地的构造变形序列,识别和划分了构造反转期的构造样式类型。松辽盆地东南缘的野外地质调查揭示该地区早白垩世的登娄库组和泉头组卷入了晚白垩世的挤压逆冲构造变形,主要的构造变形形迹为大型单断式逆冲断层、叠瓦式逆冲断层和断层相关褶皱；松辽盆地内部的反转期构造样式主要为在早期伸展构造基础之上发育的叠加型正反转构造,根据先存正断层的反转强度以及断陷层序是否卷入挤压变形划分为断层型正反转构造和褶皱型正反转构造两大类,断层型正反转构造可进一步划分为上下皆正型、下正上逆型和上下皆逆型三个亚类；大三江盆地野外地质调查揭示,晚白垩世的主要构造变形形迹为大型逆冲断层,表现为盆地基底或早白垩世地层逆冲推覆到晚白垩世猴石沟组之上。大三江盆地地震剖面精细解释揭示的反转期构造样式主要表现为新生型的挤压构造样式利压扭构造样式,以发育褶皱冲断构造为特征。晚白垩世的挤压断裂系统主要呈NE.NNE向展布,近EW向次之。挤压构造包括铲式单断逆冲构造、叠瓦式逆冲构造、冲起构造、逆冲三角带和逆冲构造楔等。2.以地层趋势法对构造反转不整合界面发育特征的定性分析为基础,综合运用泥岩声波时差、镜质体反射率和磷灰石裂变径迹方法定量恢复了多条构造反转不整合界面的剥蚀量,分析了其变化规律。基于地震剖面解释,在松辽盆地晚白垩世地层中识别出了一系列的不整合界面,主要有T11、T04、T03-1、T03、K2m1、K2m2和T02。通过对关键界面T11、T04、T03和T02进行剥蚀量恢复表明,T11界面的剥蚀区主要位于盆地东南隆起和西部斜坡区,剥蚀量整体相对较少,最大值约为200m：T04界面的剥蚀区则主要位于东南隆起区和北部斜坡区,剥蚀量相对T11界面增大；T03界面的剥蚀范围进一步扩大,并且剥蚀量继续增大,盆地东部和北部持续抬升剥蚀,大庆长垣局部地区开始隆升剥蚀；T02界面表现为盆地的整体抬升剥蚀,最小剥蚀量可达750m。总之,松辽盆地不整合界面的剥蚀强度自东向西逐渐减弱、从早到晚逐渐增强,剥蚀范围从早到晚逐渐扩大。大三江盆地野外地质调查发现,在地层接触关系上表现为晚白垩世猴石沟组与下伏地层呈明显的角度不整合接触。地震剖面解释中同样可见晚白垩世地层与下伏早白垩世地层呈不整合接触,并且晚白垩世地层之间也表现为角度不整合关系。大三江盆地的钻测井资料揭示下白垩统与上覆上白垩统或新生代地层之间的剥蚀具有区域性,并且上白垩统猴石沟组、海浪组在钻孔中大都被剥蚀殆尽,表现为下白垩统与第三系直接接触。3.运用先进的碎屑锆石年代学技术,分析了松辽盆地和大三江盆地晚白垩世构造反转前后物源体系的转变过程。基于目前松辽盆地和大三江盆地的碎屑锆石年代学测试结果,综合分析了盆地构造演化过程中不同时期的物源体系。测试分析结果表明,松辽盆地登娄库组沉积时期的物源区为东部的张广才岭和佳木斯地块,华北克拉通的物源信息较少：泉头组沉积时期,大兴安岭为盆地北部提供物源,盆地南部除了大兴安岭物源之外,含有大量华北克拉通的物源信息；姚一段沉积时期,西部的大兴安岭为盆地的主要物源区：嫩一段沉积时期,盆内开始出现东部张广才岭的物源信息；嫩三段沉积时期,东部张广才岭物源信息显著增强,同时出现了华北克拉通的物源信息；嫩四段沉积时期,盆地的物源主要为东部的张广才岭、佳木斯地块和东南部的华北克拉通。由此可见,松辽盆地从嫩江组沉积开始,西部大兴安岭物源消失,并出现盆地东部张广才岭、佳木斯地块以及盆地东南部华北克拉通的物源信息,且具有逐渐强化的趋势。大三江盆地早白垩世城子河组至穆棱组沉积时期,盆地西部的张广才岭为盆地的主要物源区,缺乏基底佳木斯地块的物源信息；晚白垩世猴石沟组、海浪组和燕窝组沉积时期,盆地的物源主要来白基底佳木斯地块。4.基于野外露头、钻井、岩心、测井等资料,确定了松辽盆地和大三江盆地的沉积相类型,并分析了晚白垩世沉积体系的空间配置特征。松辽盆地晚白垩世泉头组至嫩江组三段,主要表现为三角洲—湖相沉积体系。嫩江组四段开始出现河流相沉积。随着盆地逐渐萎缩,四方台组至明水组沉积时期,整个盆地主要充填河流相沉积。沉积体系的空间配置特征表现为,泉头组沉积时期,沉积中心和汇水中心位于盆地中曲部,以三角洲平原亚相沉积为主,湖相沉积儿乎不发育：青一段沉积时期,沉积中心迁移至盆地东部,盆地发生第一次湖侵,湖相沉积占据盆地大部分地区；青三段沉积时期,湖相沉积范围显著萎缩,沉积中心继续位于盆地东部；姚一段沉积时期,盆地的沉积范围大幅缩小,盆地边缘遭受抬升剥蚀；姚二三段沉积时期,湖盆沉积范围较之前开始扩大,湖相沉积范围也显著增大：嫩一段沉积时期,盆地的大部分地区被湖相沉积覆盖,仅在北部发育三角洲相；嫩二段沉积早期,盆地发生第二次较大范围湖侵,全盆地几乎为湖相沉积；嫩二段沉积晚期,高角度进积型三角洲沉积占据了盆地的大部,盆地中西部为湖相沉积；嫩三段沉积时期,三角洲相不断向西部迁移,湖相局限分布；嫩四段至嫩五段沉积时期,盆地自东向西充填河流相一三角洲相—湖相沉积；四方台组至明水组沉积时期,湖盆全面萎缩,全盆儿乎仅发育河流相沉积。大三江盆地的野外地质调查揭示其晚白垩世广泛发育冲积扇—河流相冲积体系,三角洲—湖相沉积分布较局限。沉积体系的空间配置特征表现为,早白垩世主要为三角洲—湖相沉积,至晚白垩世则以成分、结构均极不成熟的粗碎屑冲积扇—河流相沉积为主5.基于松辽盆地和大三江盆地构造特征和沉积特征的对比研究,结合晚白垩世东亚安第斯型主动大陆边缘的构造属性,认为晚白垩世构造反转期的东北地区整体上发育了弧后前陆盆地系统,而松辽盆地和大三江盆地分属于弧后前陆盆地系统的不同构造单元。以此模式为基础,借鉴前人建立的经典弧后前陆盆地系统的发育模式,分析了松辽盆地和大三江盆地晚白垩世构造反转期统一的构造沉积演化的动态过程。综合现有的古生物的化石组合序列、磁性地层、同位素定年等资料,建立了松辽盆地和大三江盆地晚白垩世可对比的等时地层格架,以此为基础开展了晚白垩世构造反转期这两个盆地之间的构造特征和沉积特征的对比研究。结合晚白垩世东亚大陆边缘为安第斯型大陆边缘的构造属性,提出了在东北地区晚白垩世极可能发育了规模巨大的弧后前陆盆地系统,大三江盆地为处于楔顶带之上的背驮式盆地,而松辽盆地则为弧后前陆盆地系统的前渊带。基于弧后前陆盆地系统的理论,结合松辽盆地和大三江盆地的构造、沉积特征,建立了松辽盆地和大三江盆地晚白垩世构造反转期统一的构造沉积演化的动态模式。大三江盆地距离东部陆缘造山带较近,随着造山带向陆内迁移,早白垩世末期即卷入褶皱冲断带中,早白垩世统一的大型坳陷湖盆至晚白垩世转变为一系列被逆冲断层限定的孤立盆地,晚白垩世地层在大三江地区零星分布,沉积充填则由早白垩世的三角洲—湖泊沉积体系演变为以近物源的冲积扇—河流相沉积为主的粗碎屑冲积体系；松辽盆地的挤压反转开始于青山口组末期,盆地内部以广泛发育陆相红色古土壤层为标志。随着进一步挤压强化,嫩江组沉积时期,松辽盆地东部开始挤压隆升并为盆地提供东部物源,白此盆地进入弧后前陆盆地演化阶段。嫩一段沉积时期,松辽盆地开始发生较大范围湖侵作用,盆地的西部、东南部和东部地区均下降至湖平面以下,全盆地几乎为湖相沉积,仅在盆地北部表现为抬升剥蚀,沉积碎屑中含有青山口组沉积再旋回和张广才岭北部的少量物源信息。嫩二段沉积早期,湖侵范围达到最大值,湖相沉积覆盖全盆。嫩二段沉积晚期,褶皱逆冲带的向西迁移导致东部物源区的供应量逐渐增加,该时期可能由于盆地西部前隆带附近的动力沉降大于挠曲隆升,使盆地缺乏西部大兴安岭的物源供应。嫩三段沉积时期,褶皱逆冲带的进一步向西迁移,东部物源的影响几乎扩张至全松辽盆地。嫩四段沉积时期,褶皱逆冲带的向西大幅迁移导致盆地东部下伏地层遭受强烈抬升剥蚀,发育不整合界面T04,自此盆地开始充填河流相沉积,表现为河流相—三角洲相—湖相沉积体系。嫩五段沉积时期,盆地东部和北部进一步挤压隆升,盆地沉积范围大幅萎缩,之后发育不整合界面T03。四方台组至明水组沉积时期,随着褶皱逆冲带的向西迁移,导致大三江盆地全面隆升、缺失沉积,在松辽盆地中大庆长垣开始逐渐隆升遭受剥蚀,盆内几乎仅充填河流相沉积。晚白垩世末期,前陆旋回结束,动力沉降终止导致发生大陆尺度的岩石圈隆升回返,表现为发育区域性角度不整合界面T02。
【作者】杨承志；
【导师】任建业；
【作者基本信息】中国地质大学，矿产普查与勘探，2014，博士
【关键词】构造反转；碎屑锆石；弧后前陆盆地；松辽盆地；大三江盆地；

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