盆地沉降動力學類型

沉積盆地的類型劃分是盆地分析的基礎和盆地油氣資源評價的重要依據(jù)之一。迄今為止，人們已開展了大量的工作，以盆地與實際的構造區(qū)和構造過程的關系劃分盆地的類型 (Dickinson，1976;Bally等，1980;Allen等，1990;朱 夏，1982;葉連俊，孫樞，1980;李德生，1982;趙重遠，1978;田在藝，張慶春，1996;劉和甫，1983等)。由于沉積盆地形成和演化過程的復雜性，在盆地分類的研究中研究者往往各自從不同的方面強調(diào)盆地的某些特征。20世紀 40—50年代盆地的分類以槽臺學說為指導。從 60年代開始，人們開始研究盆地成因機制與板塊構造的關系，并出現(xiàn)了許多以板塊構造為基礎的沉積盆地分類體系，研究盆地的沉降機制及其與油氣聚集的關系，如 Dickinson(1976)強調(diào)盆地位置與巖石圈基底類型的關系，盆地離板塊邊緣的距離和接近盆地的板塊邊界的類型，劃分了五大類型的沉積盆地。Bally和 Snelson(1980)依據(jù)盆地位置與巨型縫合帶的相互關系來進行盆地分類。我國學者朱夏(1982)將槽臺學說與板塊構造學說相結合，提出了“兩個世代，兩種體制”的盆地分類系統(tǒng)。

由于盆地的沉積和構造樣式演化主要受到地球動力學構造環(huán)境的影響，因此，從巖石圈動力學角度進行盆地分類是近年來人們比較強調(diào)的一種分類方案。Beaumont和 Tankard等(1987)主編的盆地形成機制的專著中將盆地構造類型簡化為五類敘述，即伸展、張扭、壓扭，前陸和克拉通內(nèi)盆地。更為簡單的分類是按照盆地形成的力學機制所劃分的三種盆地類型：即①由巖石圈伸展作用形成伸展型盆地;②由巖石圈彎曲產(chǎn)生的撓曲類盆地;③與走向滑動或巨型剪切帶有關的走滑帶盆地。

這種簡單明了的盆地的動力學分類被人們普遍采用，其中，大多數(shù)盆地的動力學類型與斷層的動力學類型一致。從水平應力場考慮，與伸展型盆地、撓曲類盆地和走滑帶盆地相對應的盆地形成的動力學背景可以分為張性的、壓性的和剪切的，相應的沉積盆地的邊界斷裂性質(zhì)為正斷層、逆斷層和平移斷層。 2100433B

沉積盆地是地球表面的長期沉降區(qū)，盆地的沉降是巖石圈動力學演化的基本過程之一。許多學者根據(jù)地質(zhì)觀測和模擬研究確定了七個產(chǎn)生和維持盆地沉降的機制(Dickinson1974，1976，1997;Ingersoll和 Busby，1995)和幾十種盆地沉降機制的類型(Dickinson，1976;Bally，1980;Ziegler，1988，等)，大多數(shù)盆地是其中幾種機制共同作用的結果。從巖石圈動力學機制的角度，盆地的沉降機制可以分為三類：

盆地沉降熱沉降機制

由于先前受熱的巖石圈的冷卻及伴隨的密度增大而產(chǎn)生的均衡沉降。巖石圈和地殼加熱造成隆起，隨之地表侵蝕使地殼變薄，然后又變冷導致這種衰減地殼的沉降。熱沉降機制是被動大陸邊緣、大洋盆地和大陸裂谷裂后坳陷的重要的沉降機制之一。在大洋中脊的頂部，熱的巖石圈地幔突然置于冷的海底地殼之下，然后隨著海底地殼背離擴張中心，地幔巖石圈不斷地將熱量散失到冷的海水中。因此，巖石圈在背離擴張中心時會不斷冷卻沉降，離開大洋中脊越遠，沉降越深。熱作用還會引起深部準穩(wěn)定的輝長巖或下地殼的麻粒巖相向穩(wěn)定的榴輝巖相的轉(zhuǎn)化，從而使深部收縮，造成巖石圈表面沉降。巖石圈的熱來源于多個方面，最主要的方面是來自軟流圈的熱對流，其他次要的熱源有巖漿的生成和侵入作用等。

盆地沉降構造應力作用

地殼或巖石圈厚度的變化與兩種大的巖石圈構造動力學背景有關：一是地殼的變薄作用，屬于拉張作用動力學體制，一般與裂陷作用所對應。拉張作用所產(chǎn)生的機械伸展引起地殼張性斷裂控制的沉降，使地殼變薄。而巖石圈變薄則產(chǎn)生地幔的熱隆起。二是擠壓作用動力學體制，由于巖石圈板塊的俯沖、碰撞等會聚作用引起巖石圈向下牽引彎曲和地殼巖石圈的撓曲沉降，常見于俯沖帶或造山帶，熱流作用較弱。

盆地沉降負載（重力）作用

巖石圈加載造成的撓曲或彎曲變形作用。加載 方式可 以是鏈式火山或海山小規(guī)模載荷，也可以是山脈體大規(guī)模加載，形成大型前陸盆地。此外，盆地內(nèi)水和沉積物產(chǎn)生的沉積載荷也是驅(qū) 動盆地沉降的基本機制。特 別是大 型三角洲發(fā)育的海灣地區(qū)，接受了大量的沉積，其 負荷 作 用 可 以導 致 均 衡 下沉，使巖石圈變形彎曲成為一個寬闊的區(qū)域下坳帶。

上述三種 盆地的 基本的沉 降機制并非孤立地起作用，而通常是以一種為 主，多種機制綜 合作用，共同構成盆 地沉降的構造 －熱體制。其中由構造應力、熱力作用產(chǎn)生的構造沉降是基本的沉降，而重力作用促使盆地沉降持續(xù)發(fā)展，并常常在盆地演化的晚 期轉(zhuǎn)化為主要的沉降機制。另外，各種沉降機制有一定的限制條件。同時，它們是相互聯(lián)系的，一種機制可能觸發(fā)另一種機制，如熱對流作用可以觸發(fā)巖石圈的拉伸 作用或者是巖石圈底部的底侵作用。

因為作用力的時空范圍廣泛，而且它們以錯綜復雜的方式作用于具有非均勻性的地球巖石圈，因此，盆地的沉降機制非常復雜。除了很少的例子外，目前的知識儲備和研究水平還不足以預測盆地沉降的確切過程。盆地沉降過程的確定需要一個綜合性的研究方法，這一方法既包括理論研究，又包括了由各種地質(zhì)觀測作為補充實驗研究。新的理論概念和技術意味著有大量的發(fā)展機會。在地幔和地殼尺度上研究盆地形成和演化的過程，對于了解巖石圈的熱歷史和盆地的經(jīng)濟潛力是至關重要的。

沉積盆地作為大地構造當中的一級大地構造單元，對于地球的構造演化過程的研究具有重要意義。同時，由于盆地內(nèi)部含有豐富的油氣、煤炭、礦產(chǎn)等資源，受到地質(zhì)學家們的廣泛關注。近年來，由于盆山系統(tǒng)耦合的研究，使單一的造山帶和單一的盆地研究成為一個系統(tǒng)。通過盆地的研究分析，包括盆地所在區(qū)域及內(nèi)部的構造、沉積層序、地層格架及演化史的分析，為造山帶的研究提供一個新的方向。沉積盆地的研究成為一個焦點問題盆地的沉降是指由于地殼垂直運動，使順重力方向、高程降低的方向運動。地殼的沉降作用是形成盆地的直接原因，沒有沉降就沒有盆地[1]。而盆地沉降史研究，就是將盆地在各個時期沉降的量進行求解，編繪反映盆地沉降特征的地層埋藏史曲線、盆地基底沉降曲線以及盆地構造沉降曲線等途徑來表述。因此，分析盆地的沉降史是研究盆地形成、演化的重要內(nèi)容，是整個盆地系統(tǒng)研究中最為基礎的環(huán)節(jié)，對于整個盆地的構造、熱歷史及演化等起著至關重要的作用。

分析盆地的沉降，一般可用沉降量和沉降速率兩個參數(shù)。沉降量（或沉降幅度）是最直觀、最簡便的表示方法，表示某地質(zhì)時期一個地區(qū)的累計的沉降幅度的大小。沉降速率是盆地某一構造面在單位地質(zhì)時期內(nèi)相對于某一基準參照面（海平面或湖平面）下降的幅度，它能反映盆地構造動力學的某些信息。通?？梢杂脠D示方法直觀地反映觀測點的沉降量和沉降速率。

在盆地沉降史分析中，有一個非常重要的概念——均衡代償理論。它是盆地分析的基礎，用來描述地殼的狀態(tài)和運動。自十八世紀提出以來，便受到廣泛關注。經(jīng)過大地測量學與力學等學科的發(fā)展，逐漸形成今天的均衡代償理論。它闡明的是地殼的各個地塊趨向于靜力平衡的原理，即在大地水準面以下某一深度處常有相等的壓力，大地水準面之上山脈（或海洋）的質(zhì)量過剩（或不足）由大地水準面之下的質(zhì)量不足（或過剩）來補償。運用地殼均衡學說可以研究地球內(nèi)部構造，如上地幔的起伏；還可用于大地測量學中研究大地水準面形狀，推估重力異常和計算垂線偏差等。

項目建立并完善了汾渭盆地重點地區(qū)地裂縫、地面沉降、活動斷層的GPS監(jiān)測網(wǎng)絡；獲得了2013至2014年度汾渭盆地重點地區(qū)地裂縫、地面沉降GPS監(jiān)測成果；基于多類InSAR技術獲取了汾渭盆地地裂縫和地面沉降年度形變信息，分析了地面沉降、地裂縫及活動構造的形變分布特征；研究了多項InSAR新技術，特別是針對地裂縫、活動斷裂以及城市高樓區(qū)域地面沉降的高精度監(jiān)測問題，提出了融合升降軌SAR數(shù)據(jù)獲取地裂縫二維形變場技術，揭示了活動構造斷裂對盆地內(nèi)地表形變的控制作用；建立了地裂縫與構造斷裂活動關系模型，揭示出地裂縫與構造斷裂活動的內(nèi)在關系；構建區(qū)域有限元動力學模型，獲得了汾渭盆地地質(zhì)災害多發(fā)區(qū)域的構造動力學機制；建立了地裂縫斷塊掀斜成因模型對西安地裂縫開展了數(shù)值模擬研究，揭示出汾渭盆地地裂縫災害的根本力源機制。 項目成果為地方政府減災、防災決策、城市規(guī)劃建設、重大工程勘察設計，施工與安全運營等提供了重要的科學依據(jù)，特別是在西安地鐵、大同-西安高鐵等工程建設中發(fā)揮了重要作用。,項目建立并完善了汾渭盆地重點地區(qū)地裂縫、地面沉降、活動斷層的GPS監(jiān)測網(wǎng)絡；獲得了2013至2014年度汾渭盆地重點地區(qū)地裂縫、地面沉降GPS監(jiān)測成果；基于多類InSAR技術獲取了汾渭盆地地裂縫和地面沉降年度形變信息，分析了地面沉降、地裂縫及活動構造的形變分布特征；研究了多項InSAR新技術，特別是針對地裂縫、活動斷裂以及城市高樓區(qū)域地面沉降的高精度監(jiān)測問題，提出了融合升降軌SAR數(shù)據(jù)獲取地裂縫二維形變場技術，揭示了活動構造斷裂對盆地內(nèi)地表形變的控制作用；建立了地裂縫與構造斷裂活動關系模型，揭示出地裂縫與構造斷裂活動的內(nèi)在關系；構建區(qū)域有限元動力學模型，獲得了汾渭盆地地質(zhì)災害多發(fā)區(qū)域的構造動力學機制；建立了地裂縫斷塊掀斜成因模型對西安地裂縫開展了數(shù)值模擬研究，揭示出汾渭盆地地裂縫災害的根本力源機制。 項目成果為地方政府減災、防災決策、城市規(guī)劃建設、重大工程勘察設計，施工與安全運營等提供了重要的科學依據(jù)，特別是在西安地鐵、大同-西安高鐵等工程建設中發(fā)揮了重要作用。 2100433B

根據(jù)形成煤盆地的動力條件，可劃分出拗陷型、斷陷型和構造一侵蝕型三種基本類型。在三種基本類型之間還存在著各種過渡類型。

(1)拗陷型煤盆地(亦稱波狀拗陷盆地)

盆地的基底基本上為一連續(xù)界面。聚煤期地殼運動以寬緩開闊的波狀隆起和拗陷為主，含煤巖系就形成于波狀拗陷內(nèi)。波狀拗陷可能是地殼薄化引起的區(qū)域沉降．也可能是殼下物質(zhì)活動引起的熱沉降，或區(qū)域構造應力場造成的地殼波狀變形。拗陷型聚煤盆地內(nèi)部比較穩(wěn)定和均一，但常常鄰接活動構造帶，受到各種板塊邊緣活動動力效應的波及，因此盆地邊界構造對盆地的形成和演化有重要的影響。

中國華北石炭一二疊紀煤盆地是一個比較典型的波狀拗陷型煤盆地，也是一個克拉通內(nèi)沉積盆地。盆地南、北側分別以秦嶺一大別和陰山活動構造帶為界?？傮w為一個由西北向東南緩傾的箕狀盆地。盆地的基底為中奧陶統(tǒng)侵蝕界面。盆緣局部地段為寒武系或震旦系。華北石炭一二疊紀煤系由一個完整的海侵一海退旋回組成。在海域不斷擴張的總趨勢下形成以渴湖、潮坪一障壁體系為主的早期聚煤環(huán)境，以穩(wěn)定的薄 中厚煤層和淺水碳酸鹽巖層的廣泛發(fā)育為特征，旋回結構清晰，煤層易于對比。晚石炭世中晚期，海域范圍最大，在盆地北緣山前地帶發(fā)育厚煤層，大約自晚石炭世晚期，由于內(nèi)蒙古一大興安嶺海槽漸趨封閉，盆緣隆起帶多河系攜帶的大量陸源碎屑注入盆地，開始了盆地范圍的海退期。在海退的總趨勢下，形成以淺水進積三角洲為主體的晚期聚煤環(huán)境。中一厚煤層廣泛發(fā)育，煤層穩(wěn)定性較差，常見沉積間斷和河流沖蝕現(xiàn)象。整個聚煤盆地內(nèi)含煤巖系的巖性巖相和富煤層段、聚煤帶呈現(xiàn)規(guī)律性變化，大體呈“東西向成帶，南北向遷移”的總格局。

(2)斷陷型煤盆地

斷陷型煤盆地的基底為不連續(xù)界面，成盆期地殼運動以塊狀斷裂運動為主。斷陷盆地可以是由地幔隆起誘發(fā)的表層引張作用而產(chǎn)生的地塹型盆地，也可以是由伸展作用所產(chǎn)生的正斷層系而形成的半地塹型盆地，或者是由走向滑動斷層所派生的垂向分量而形成的拉分盆地。盆地的邊緣常常存在主干斷裂，對盆地的形成和演化起控制作用，基底斷塊的旋轉(zhuǎn)、滑落是盆地形成的主要動力方式。我國內(nèi)蒙古霍林河煤盆地是一個半地塹聚煤盆地，盆地沿北東向延伸，晚中生代含煤巖系與下伏火山巖系為假整合接觸，基底為石炭一二疊紀淺變質(zhì)巖系。盆地西北緣為盆緣主斷裂。

盆地自下而上可劃分為6個巖段，由沖積扇粗碎屑巖一深湖泥質(zhì)巖一沖積、湖泊含煤巖組構成一個大型沉積旋回。含煤巖系總厚1600 m，由東南向西北增厚，粗碎屑巖主要分布于西北翼盆緣斷裂內(nèi)側。煤層最大厚度位于盆地中部；向兩北冀煤層層間距加大，分岔、變薄和尖滅，與粗碎屑巖楔形交錯；向東南翼煤層有合并現(xiàn)象，煤層層間距減小，層數(shù)減少。富煤帶與巖相帶一致，平行盆地長軸方向延展。

(3)侵蝕盆地

地質(zhì)外營力(如河流、冰川、風等)的侵蝕和溶蝕作用形成的地形洼地，稱為侵蝕盆地。在適宜的氣候、水文條件下，洼地可以沼澤化而堆積泥炭。堆積作用主要是將侵蝕或溶蝕洼地填平補齊，含煤沉積厚度僅數(shù)米至數(shù)十米。沉積于沉積間斷和剝蝕面上的含煤巖系，其底部層段和煤層常常具有這種填積特征。如我國云南東部的宜良、沾益等地的早石炭世含煤巖系直接超覆于泥盆系侵蝕面上，煤系厚度很薄，一般為數(shù)米至數(shù)十米。煤層賦存于剖面下部．含煤1～3層，層厚0．3～1．0 m，局部可達10 m。煤層發(fā)育明顯地受古地形的影響，煤體呈透鏡狀，延伸不遠便變薄、尖滅。