PDF《二叠纪泛大陆球壳三维力学模拟及其构造意义》

第65卷第3期2019年5月地质论评GEOLOGICAL REVIEW Vol.

65 No.

3 May ,

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1 9 注: 本文为大型油气田及煤层气开发国家科技重大专项(编号:2016ZX05033?002?007 和2016ZX05033?001)的成果. 收稿日期:2018?10?06;

改回日期:2019?01?19;

责任编辑:刘志强. Doi:Doi: 10.16509 / j.georeview.2019.03.003 作者简介:李江海,男,1965 年生,博士,博士生导师,教授,主要从事全球构造的教学与研究,Email:jhli@ pku.edu.cn. 二叠纪泛大陆球壳三维力学模拟及其构造意义 李江海1, 2) ,宋珏琛1,2 ) ,毛翔3,4) 1) 造山带与地壳演化教育部重点实验室,北京大学,北京,100871;

2) 北京大学地球与空间科学学院,北京,100871;

3) 中国石化集团新星石油有限责任公司新能源研究院,北京, 100083;

4) 中国石化地热资源开发利用重点实验室,北京,

100083 内容提要: 二叠纪时期,泛大洋包围泛大陆并向其俯冲,在此背景下泛大陆内部洋盆呈现剪刀差式旋转关闭,并 具有此消彼长的特征. 前人通过自俯冲平面模型来解释泛大陆裂解过程中裂谷盆地的成因和泛大陆内部简单的应 力状态,但是该模型与实际的地质背景相差较大. 本文通过球壳三维模型,并考虑非洲核幔边界低速带以及阿拉伯 地幔柱对泛大陆的影响,建立了二叠纪时期泛大陆所处的力学模型,模拟了泛大陆形成后古特提斯洋盆俯冲、关闭 对大陆内部产生的应力应变影响. 模拟结果显示三维球壳模型能够较好地解释该时期中亚区域发育的大型断裂、 残余洋盆,也支持古特提斯洋盆剪刀差式关闭、新特提斯洋盆从古特提斯洋盆被动陆缘后侧张开的地质现象;

非洲―阿拉伯板块的地幔垂向作用为新特提斯洋盆的张开提供了力学支持. 由于在泛大陆分裂过程中,新老洋盆此 消彼长、早期洋盆剪刀差式关闭的模式并不仅局限于古特提斯―新特提斯洋,本模拟结果可适当推广到其他洋盆. 关键词:二叠纪;

泛大陆;

古特提斯洋;

新特提斯洋;

三维球壳模型;

力学模拟 二叠纪时期,泛大陆周缘的泛大洋向内俯冲,在 这种整体汇聚的背景下,由泛大陆中心点向外,不同 板块之间运动幅度逐渐增大,古特提斯洋等许多古 洋盆呈剪刀差式旋转关闭(图1),以古特提斯洋与 新特提斯洋为代表,新老洋盆此长彼消(杨树锋等, 2002;

Collins, 2003;

Metcalfe, 2006;

Cawood and Buchan, 2007),并制约了此时期的盆地发育. 但目 前对造成这些现象的力学机制尚不清晰. 针对泛大 洋俯冲背景下泛大陆的裂解模式,前人曾使用 华 力西―阿利根尼期 造山带垮塌模型,超大陆地幔 柱模型和多种裂解机制结合的模型来进行模拟解 释,但是这些模型都未能为泛大陆内部放射状裂谷 盆地的形成提供较为合理的解释. Gutiérrezalonso 等(2008)在前人研究的基础上,提出自俯冲平面模 型(Self?subduction),认为泛大陆在形成后立即发生 了全球范围的构造活动(305 Ma),在泛大陆内部乌 拉尔缝合带、沃其塔―阿利根尼―华力西缝合带等 区域仍存在构造挤压,其外部被泛大洋包围并受泛 大洋的俯冲作用,导致泛大陆内部应力应变发生快 速变化;

在古特提斯洋向北俯冲的晚期(299 Ma), 古特提斯洋洋脊停止扩张并向北发生洋脊俯冲,而 南侧发育被动大陆边缘,洋盆面积缩小;

对应地,超 大陆面积增大,出现外侧扩张、内部挤压的环境,进 而在外侧拉张出一系列放射状裂谷,而内部则发育 转换断层并在泛大陆内部形成一系列放射状裂谷 (图2a,2b). 自俯冲平面模型较好的解释了泛大陆 裂解过程中裂谷盆地的成因和泛大陆内部简单的应 力状态,但该模型尚存一些不合理之处:①泛大陆面 积约占地球表面的三分之一,使用平面模型分析这 种尺度的陆壳难免与实际情况存在不一致;