Tectonics:渤海湾盆地裂后期异常构造沉降:来自地幔对流和断裂活动的贡献

       裂陷盆地是在岩石圈伸展、破裂和热冷却的多重作用下形成的。经典的拉张模型认为,裂陷盆地的演化过程可分为裂陷期和裂后期。裂陷期,盆地快速沉降,发育张性断裂;裂后期,岩石圈-软流圈逐渐冷却,构造沉降速率随时间呈指数衰减,构造活动减弱。然而,作为中国东部最大的新生代裂陷盆地,渤海湾盆地在裂后期(新近纪至今)出现了快速沉降的现象,沉降曲线明显偏离理论曲线。学术界对渤海湾盆地裂后期快速沉降的形成机制存在很大争议,目前已提出新一期裂陷作用、郯庐断裂的走滑、深部热异常衰减、板内压应力以及地幔流动引起的动力地形等诸多机制。厘清渤海湾盆地裂后期异常沉降成因机制对认识其新生代演化的动力学过程、地震动力学及油气成藏机理等一系列问题都具有重要的理论和应用价值。

       地震动力学国家重点实验室构造物理实验室刘琼颖副研究员与中国科学院地质与地球物理研究所何丽娟研究员等利用多幕有限时拉张模型对覆盖渤海湾盆地的18条剖面及48口钻井开展构造-热演化模拟(图1),反演盆地新生代各裂陷幕的拉张系数,确定盆地裂后期与前期拉张有关的热沉降量,从而获取盆地异常构造沉降量的时空分布特征。模拟结果显示,盆地大部分区域由拉张模型预测的裂后期理论热沉降量远小于实际构造沉降量,异常沉降始于12 Ma左右。盆地平均异常沉降速率从晚中新世的~19 m/Myr加速至上新世的~ 32 m/Myr,第四纪期间盆地出现了强烈而广泛的异常沉降,异常沉降速率达到~75 m/Myr。盆地现今总异常构造沉降量主要集中在200-600 m,平均400 m(图2)。

       地震层析成像研究表明,滞留于东亚大陆之下地幔过渡带的太平洋俯冲板片西缘到达渤海湾盆地以西。俯冲可能引发深部地幔流动产生地球表面的垂直位移,即动力地形,有助于造成盆地尺度的异常沉降。将渤海湾盆地异常沉降的时空分布与已发表的动力地形模型进行对比,发现动力地形随时间的演化与盆地异常构造沉降的演化趋势基本吻合,但动力地形的变化幅度较小,波长更大(图3)。另外,浅部上地幔的小尺度对流也可能会影响过去10 Myr内的短波长地形扰动。此外,一些研究显示在新构造运动的影响下,渤海湾盆地部分地区自晚中新世晚期开始了强烈的构造活动。我们将模拟得到的第四纪以来盆地异常沉降的空间分布与~2 Myr以来活动断裂的分布进行了比较,发现两者基本一致(图4)。第四纪以来的快速沉降可能是几组北东向右旋走滑断裂和北西向左旋走滑断裂相对活动引起局部拉张作用叠加或复合的结果。本研究认为地幔对流及强烈的断裂活动可能是造成渤海湾盆地裂后期异常构造沉降的主要机制。本研究探索了深部动力学过程的浅部构造响应,为理解裂陷盆地地壳的垂直运动提供了新的启示。

       研究成果发表于国际权威地学期刊Tectonics上(Liu, Qiongying*, He, Lijuan, Yi, Zejun, Zhang, Linyou, 2022. Anomalous post-rift subsidence in the Bohai Bay Basin, eastern China: Contributions from mantle process and fault activity. Tectonics, 41, e2021TC006748.)。

原文链接:https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2021TC006748


图1 渤海湾盆地构造简图及模拟使用的剖面和钻井位置


图2. 渤海湾盆地不同时期异常构造沉降量分布


图3. (a) 裂后期异常构造沉降与已发表动力地形随时间演化的对比;AS:异常沉降,DT:动力地形;

(b-d) 地幔对流模型预测的自24.6 Ma以来动力地形的变化 (Spasojevic & Gurnis, 2012)


图4. 第四纪异常构造沉降、活动断层及历史地震的分布