被动大陆边缘盆地与大陆漂移

梁光河

中国科学院 lgh@mail.iggcas.ac.cn

导读：当前全球超过70%的石油新增储量产自被动大陆边缘盆地，但这类盆地到底是怎样形成的？仍存在很多争议，本文基于新的大陆漂移模型来解释该类盆地的成因机制。

1被动大陆边缘盆地概念

被动大陆边缘盆地（passive continental margin basin）又称大西洋大陆边缘盆地，是一个从大陆向大洋过渡的广阔带，主要形成砂质粘土岩建造、石英岩建造和灰岩建造。在传统的海底扩张模型中位于大陆板块漂移的后方（图1）。

图1 被动大陆边缘盆地在海底扩张模式中的位置（改自教科书）

传统上认为，被动大陆边缘盆地产生于海底扩张后期，由大陆边缘或陆间裂谷继续扩张、逐渐张开加宽而形成（Wen et al.,2016）。按照这个模式，被动大陆边缘盆地不应该存在巨厚的沉积物，而主动大陆边缘（包括弧前盆地及海沟等）应该有巨厚的沉积物。但事实与之相反，图2给出了全球边缘海沉积物厚度分布图，图中我们关注A和B两条测线，它们分别横跨了北美洲和南美洲。无论北美洲还是南美洲，其西侧沉积物厚度小于0.5Km，而东侧的被动大陆边缘沉积物厚度却达到约15Km。这个实测结果与图1的理论模型严重不符。为什么？

被动大陆边缘盆地内发育一系列倾向大洋的正断层意味着是它们是在伸展环境下形成的，这些正断层从裂陷期到裂后期持续发育。按照海底扩张模型，洋壳推动大陆板块运动，在被动大陆边缘盆地区域始终存在来自洋壳的巨大推动力（也就是挤压力），总体是一个挤压环境。为什么会产生一系列正断层？

图2全球边缘海沉积厚度分布图（据美国NOAA）

2富油气的被动大陆边缘盆地

2006年以来被动大陆边缘盆地已成为全球油气储量的主要增长区（朱伟林等，2017），图3给出了近年世界上主要被动大陆边缘盆地勘探发现的油气当量及成藏特征。五年来世界油气储量新发现的69%集中在被动大陆边缘盆地，12%集中在裂谷盆地（张宁宁等，2018）。事实上按照威尔逊旋回，裂谷盆地是被动大陆边缘盆地的雏形，因此与被动大陆边缘盆地相关的油气新发现占总发现的81%。这说明被动大陆边缘盆地是世界上的主要油气富集区，也是未来油气勘探的主战场，但这些盆地是如何形成的？一直是地学界争论的大问题。

图3主要被动大陆边缘盆地勘探类型、分布与成藏特征（朱伟林等，2017）

3被动大陆边缘盆地成因机制争论

勘探发现，被动大陆边缘总是存在巨厚而且是浅水的沉积序列，特别是北大西洋大陆北缘在中新生代存在超过15Km的沉积。这一巨厚的沉积与逐渐沉降的边缘如何协调？地质学家并不十分清楚大陆裂谷到被动大陆边缘的演化地质过程。目前认为被动大陆边缘盆地的成因机制是“大陆在分离后随时间的延续发生失热沉降，同时由于沉积物负荷作用进一步发生区域性挠曲沉降”。这个机制存在很多疑点，虽然如下地质学家提出了质疑，但都是基于海底扩张假说，并没有得到合理解释。该机制不适用“陆内凹陷”阶段（Peter,et al.,2010），该机制也不能很好解释巨厚浅水沉积的负荷作用，当初始深度小于200m，沉积物负荷作用的效应可以忽略（Busby & Ingersoll，1995）。更为关键的是被动大陆边缘总是存在倾向大洋一侧的正断层（图4）。这些边缘通常认为与地幔柱有关，然而，在过去几年这个说法一直受到质疑（Franke，2013）。

图4 被动大陆边缘盆地的两种模式-火山型和非火山型（Franke，2013）

由此前人提出了至少6种假说来解释被动大陆边缘盆地的成因机制（图5），分别是均衡假说（Gravity Loading Hypothesis）、热假说（Thermal hypothesis）、地壳减薄假说（Crustal Thinning hypothesis）、陆壳缩颈假说（Necking of continental crust）、基于正断层的机制（Normal-fault based mechanisms）和大陆边缘的正断层牵引模式（Downdrag of continental slope by normal faulting）。

上述任何一种机制，无论是单独的还是一起的，似乎都不能合理解释威尔逊旋回开始时形成的大陆边缘的厚层沉积序列，显然需要建立新的理论（Keary & Vine,1991）。

图5被动大陆边缘盆地成因机制的6种假说模型（据Bott,1979,1982;Kusznir,1992;White et al,1987,1989））

4新大陆漂移模型与被动大陆边缘盆地成因机制

新大陆漂移模型认为：大陆板块可以在热力驱动下自己发生漂移，动力机制是大陆板块漂移划开洋壳引起岩浆不断上涌，在陆块后面冒泡，巨大的岩浆热动力推着板块往前跑。我们可以形象地把大陆漂移比喻成“平底热锅里的黄油会自己跑”。这个运动过程是基于大陆板块首先发生裂解，产生了一个裂缝和岩浆上涌，在初始阶段，大陆漂移与海底扩张一致，但洋中脊喷出的岩浆很快会被海水熄灭，因此海底扩张不能持续，但大陆板块漂移后在其后面持续不断地涌出岩浆并不断被海水熄灭，这个热力推动过程才能持续推动大陆板块向前漂移。

该模型有如下特征：

（1）大陆板块的最前方因受到挤压，增压升温产生地壳流，洋壳隆起；

（2）大陆板块前部会产生逆冲断层、造山带、火山带、地震带；同时地壳流的上涌会在大陆板块前部的部分薄弱带出现伸展构造；

（3）在大陆板块后部产生巨厚沉积和正断层；大陆板块尾部会有拖尾隆起，可能留下火山岛链、大陆碎片遗撒物。

这个新的大陆漂移模型可以合理解释被动大陆边缘成因机制（图6），那就是驱动大陆漂移的动力来自大陆板块后下方深处的岩浆不断上涌，持续推动大陆板块移动，在大陆板块漂移的后方形成伸展环境，产生被动大陆边缘盆地，大陆漂移对后方的大陆边缘沉积物产生了拖拽力，产生一系列正断层同步也产生重力滑塌作用。或者我们把这种成因机制解释为“伴随着大陆板块后面岩浆的不断上涌，持续产生的伸展构造一直跟随着大陆漂移，并形成同沉积正断裂系统”。按照海底扩张模型，洋壳对大陆板块产生持续推力和挤压力，不会产生这种大规模正断层。

图6说明被动大陆边缘盆地是伴随着大陆漂移形成的。大西洋洋中脊上和大洋中发现的大量古老大陆残片（任纪舜，2015）用该模式能够得到合理地解释，那就是大陆裂解过程中破碎的大陆板块碎片跌落在大洋中脊或者大洋中，大陆板块自己发生了漂移，这个过程类似我们掰开一块饼干掉下了很多碎渣块。该模式也能合理解释大西洋中的一系列火山岛链，它们是大陆漂移过程中的海底火山喷发物。传统的海底扩张不能合理解释洋中脊上和大洋上广泛分布的大量古老大陆残片。

图6被动大陆边缘盆地成因机制模式简图（改自星球研究所和梁光河，2013）

这说明国外学者Busby和Ingersol（1995)对“大西洋裂解后的被动陆缘真的是被动的吗？”这个质疑是正确的。被动陆缘会随着大陆板块自己发生运动，是一个主动过程，只有这样才能合理解释被动大陆边缘盆地巨厚的浅海沉积和一系列正断层成因机制。

图7给出了全球被动大陆边缘盆地分布图，非常有趣的是该图中澳大利亚板块和非洲板块四周都是被动大陆边缘盆地，按照海底扩张模式，这是不应该存在的，但按照新大陆漂移模型，很容易解释，那就是大陆板块自己会发生漂移，澳大利亚板块和非洲板块在向北漂移中伴随着旋转，旋转过程中产生一系列围绕陆块周边的沉积盆地。

图7全球被动大陆边缘盆地分布图（据百度文库未署名）

5结论

被动大陆边缘盆地的成因机制通过新的大陆漂移模型可以得到合乎逻辑的解释，那就是大陆漂移过程中，驱动大陆漂移的动力来自大陆板块后下方深处的岩浆不断上涌，持续推动大陆板块移动，在大陆板块漂移的后方形成伸展环境，产生了被动大陆边缘盆地。相反，基于传统的海底扩张模型不能合理解释这类盆地的成因机制。

参考文献：

1.      Bott, M.H.P..The mechanism of continental splitting. Tectonophysics, 1982,81:301-309.

2.      Bott,M.H.P. Subsidence mechanisms at passive continental margins.American Association of Petroleum Geologists Memoir, 1979,29: 8-19?

3.      Busby C J，Ingersoll R V．Tectonics of sedimentary basins[M]．Blackwell，1995：1-548

4.      Franke Dieter. Rifting, lithosphere breakup and volcanism: Comparison of magma-poor and volcanic rifted margins.Marine and Petroleum Geology,2013,43:63-87

5.      Keary, P. & Vine, F.J. 1991. Global Tectonics. Blackwell Scientific Publ.,1-302.

6.      Kusznir, N.J. & Ziegler, P.A.The mechanics of continental extension and sedimentary basin formation: a simple-shear/pure-shear flexural cantilever model.Tectonophysics,1992,215:117-131.

7.      Peter J. Holt,Mark Allen,Jeroen van Hunen,Hans Morten Bjørnseth.Lithospheric cooling and thickening as a basin forming mechanism.Tectonophysics,2010,495(3-4):184-194,DOI 10.1016/j.tecto.2010.09.014

8.      Wen Zhixin , Xu Hong , Wang Zhaoming , Wang Yonghua.Classification and hydrocarbon distribution of passive continental margin basins.Petroleum Exploration and Development,2016,43(5):740-750DOI 10.1016/S1876-3804(16)30089-1

9.      White, R.S. & McKenzie, D.P. Magmatism at rift zones: the generation of volcanic continental margins and flood basalts. Journal of Geophysical Research,1989,94:7685-7729.

10.   White, R.S., Spence, G.D., Fowler, S.R., McKenzie, D.P., Westbrook, G.K. & Bowen, A.N. Magmatism at rifted continental margins.Nature,1987,330:439-444.

11.   张宁宁,王青,王建君,侯连华,李浩武,李谦.近20年世界油气新发现特征与勘探趋势展望.中国石油勘探,2018,23(1):44-53.  Zhang Ningning,Wang Qing,Wang Jianjun,Hou Lianhua,Li Haowu,Li Qian. Characteristics of oil and gas discoveries in recent 20 years and future exploration in the world. China Petroleum Exploration,2018,23(1):44-53.

12.   朱伟林,崔旱云,吴培康,孙和风.被动大陆边缘盆地油气勘探新进展与展望.石油学报,2017,38(10):1099-1109.  Zhu Weilin,Cui Hanyun,Wu Peikang,Sun Hefeng.New development and outlook for oil and gas exploration in passive continental margin basins.Acta Petrolei Sinica, 2017,38(10):1099-1109.

13.   任纪舜,徐芹芹,赵磊,朱俊宾.寻找消失的大陆.地质论评,Geological Review, 2015,61(5):969-989