北极区域广泛发育的诸多沉积盆地蕴藏了储量丰富的油气资源,并记录了全球构造演化和古地理、古气候环境变迁的重要信息。因此,针对北极区域沉积盆地的地质构造特征开展研究,兼具科学和能源方面的重要意义。然而,受限于恶劣的地理环境和气候条件,北极地质-地球物理数据往往无法覆盖全区,再加上环北极国家的国力和各自北极战略侧重点的差异,致使对北极沉积盆地的认识程度不均衡。巴伦支陆架、阿拉斯加北坡盆地及马更些三角洲盆地等勘探程度较高,地质-地球物理资料丰富,而格陵兰邻区、拉普捷夫海区域及东西伯利亚海陆架区等区域的沉积盆地勘探程度较低,现有地质-地球物理资料有限,其深部结构、变形机制及演化过程的研究相对较弱。

针对北极沉积盆地地质特征存在上述认识程度不均衡的现状,一些学者通过构造重塑、古地理重建、区域长剖面对比、盆地综合对比分析等研究方法,试图从区域角度推进对环北极沉积盆地的结构与构造演化的认识[1,2,3,4,5]。综合现有研究成果表明,北极区域构造演化历史与波罗的、西伯利亚和劳伦三大古陆之间的汇聚和离散密切相关,涉及加里东、海西、乌拉尔等造山作用,及200Ma以来的北冰洋-大西洋的裂谷作用和海底扩张过程,此外,现今西伯利亚东北部和北美西北部还长期受地体增生过程的影响(图1)。

图1北极古构造重建简图(据参考文献Golonka[4])

受区域构造复杂演化历史影响,北极沉积盆地演化过程大多叠合了多期次、多类型区域构造作用,导致各类型沉积盆地演化历程差异较大。此外,同一类沉积盆地演化过程中受区域地质构造作用改造的程度也有差异。因此,如能从繁多区域构造作用中梳理出对塑造北极沉积盆地类型起决定作用的构造要素,将有益于加深北极区域构造对沉积盆地演化控制作用的理解。参考前人对北极全区重力、磁力资料的解译和北极沉积盆地的划分,本文从限定主要沉积中心分布部位的构造属性着手,追溯盆地最初发育的主控构造事件(盆地后续演化极可能受此事件深刻影响);并基于盆地发育部位的构造类型,在综述北极主要沉积盆地或沉积区域的构造演化序列的基础上,从宏观区域视角归纳北极沉积盆地构造演化的主控因素。

1、北极现今基底构造格局

作为环北极编图计划的一部分,北极圈重力异常图和磁力异常图已完成[6]。北极圈重力异常图的网格分辨率为10km×10km,其海区为空间重力异常,而陆区为布格重力异常。空间重力异常数据主要包括各参与机构最近出版的网格数据和ArcGP空间重力异常网格,使用IBCAOv2地形网格数据对陆区进行布格改正[7]。北极圈磁力异常图的网格分辨率为2km×2km,向上延拓高度为1km,其数据主要包括各参与机构最近出版的网格数据。该图使用近地面磁资料作为磁异常数据的短波成分,使用卫星磁异常作为磁异常数据的长波成分。

本文参考前人对以上数据进行的综合解译[8,9],但只对地球物理场表征边界清晰的主要属性单元进行划分,力图反映北极区域基底格局。总体来看,北极全区重力、磁力异常以洋、陆壳的显著差异为特征(图2)。洋壳包括了北大西洋、格陵兰海、欧亚海盆和美亚海盆,这些区域具有明显大洋磁异常条带,是海底扩张在不同磁极性期形成的相反磁化方向洋壳剩磁的反映。从挪威-格陵兰海延伸至北极欧亚海盆的扩张脊和北冰洋洋盆边界在自由空间重力异常图上表现显著线状特征。相对而言,陆壳区域的重力、磁力异常明显反映了基底的非均质性,从中识别了陆核、缝合带及增生体三类基底分区。陆核包括了西伯利亚陆核、加拿大地盾、格陵兰、西西伯利亚陆核、波罗的陆核,这些区域具有高幅值磁异常,且呈明显高-低值相间的条带状特征,指示这些区域的磁性层厚度较大,大都代表了稳定克拉通的分布[9]。缝合带主要分布于陆核之间,这些区域的磁异常特征总体平缓(缺乏短波长高幅值异常),指示了磁性层厚度中等至薄、埋藏较深的特征。增生体指北太平洋边缘增生地体(图3中-新生代造山带以南),主要构造要素包括北维尔霍扬斯克、布鲁克斯褶皱带以及北极阿拉斯加-楚科塔-弗兰格尔地体和科雷马欧姆龙复合超地体[10,11]。这些地区磁异常特征总体以中高幅值异常为主,异常样式变化较大。

图2北极磁力、重力异常综合解释图(参考Gaina等[6,9];Saltus等[8]).

2、北极沉积盆地分布

基于对北极沉积盖层厚度数据的调研和收集[12],结合北极区域地质构造特征,重新拟定了北极主要沉积盆地(33个)的分布和边界(图4a,表1)。结果表明,一些盆地的沉积盖层厚度较大,局部区域厚度甚至超过了10km,这些盆地包括:西巴伦支陆架的西巴伦支海盆地,东巴伦支陆架的东巴伦支盆地,北喀拉陆架的北喀拉盆地,南喀拉-亚马尔陆架的西西伯利亚盆地,西伯利亚克拉通叶塞尼-哈坦加盆地,通古斯盆地,勒拿-维柳伊盆地,拉普捷夫陆架的拉普捷夫海裂谷盆地,东西伯利亚-俄罗斯楚科奇北部陆架的维尔基茨基-北楚科奇盆地,阿拉斯加北部陆架的阿拉斯加北坡盆地,波弗特陆架-加拿大海盆的马更些三角洲-北加拿大海域盆地,加拿大北部陆架的林肯海盆地和斯维尔德鲁普盆地,以及格陵兰西部的巴芬湾盆地。

图3北太平洋边缘增生地体分布及北极区域构造简图.AA-北极阿拉斯加地体;CH-楚科塔地体(据Strauss等[11])

通过将北极沉积盆地分布与基底构造属性单元进行叠合,可直观反映北极沉积盆地所处构造部位(图4b):(1)古陆核之间的缝合基底,这些缝合基底涉及蒂曼、加里东、埃尔斯米尔及乌拉尔造山运动;(2)北太平洋边缘增生地体群北部相关区域;(3)北大西洋、欧亚海盆及美亚海盆相邻区域。下节归纳了其中典型盆地的区域构造序列事件。

图4北极沉积盆地划分及与基底格架对应图(图中数字代表盆地序号,盆地名称见表1,数据基于Grantz等[12]).a)北极盖层厚度分布及沉积盆地划分;b)北极沉积盆地与基底分布对应图.A-西伯利亚陆核;B-西西伯利亚;C-波罗的克拉通;D-北大西洋;E-格陵兰;F-加拿大地盾;G-北太平洋边缘增生带;H-北极阿拉斯加-楚科塔-弗兰格尔地体;I-美亚海盆;J-欧亚海盆;K-格陵兰海

图4北极沉积盆地划分及与基底格架对应图(图中数字代表盆地序号,盆地名称见表1,数据基于Grantz等[12]).a)北极盖层厚度分布及沉积盆地划分;b)北极沉积盆地与基底分布对应

3、北极沉积盆地演化

3.1缝合基底相关沉积盆地(从老到新)

3.1.1蒂曼基底上形成的盆地

蒂曼基底主要涉及东巴伦支盆地、蒂曼-伯朝拉盆地和北喀拉盆地(图5)。东巴伦支盆地面积广阔且具厚度达16—18km的厚层沉积充填,该盆地后蒂曼造山期演化经历以下构造阶段[13,14,15,16]:(1)中泥盆世至早石炭世,伴随有镁铁质岩浆作用的弧后裂谷阶段;(2)晚石炭世和早二叠世热沉降;(3)晚二叠世和早三叠世时期,整个东巴伦支海槽快速沉降,并聚集源于乌拉尔造山带、北喀拉、泰米尔的大量硅质碎屑沉积物,至早三叠世末期,盆地可能完全被碎屑沉积物充填;(4)三叠纪末和侏罗纪初期,新地岛-派赫伊造山运动;(5)早白垩世,北极地幔柱相关的岩浆事件导致大范围溢流玄武岩喷发。

表1北极沉积盆地(据Grantz等[12]修改)

蒂曼伯朝拉盆地后续经历的主要构造事件[17,18,19,20,21](图6)包括:(1)早奥陶世裂谷作用,塑造了波罗的古陆古生代陆缘;(2)泥盆纪裂谷作用及相关镁铁质岩浆作用;(3)晚古生代与乌拉尔造山运动相关的构造反转作用;(4)二叠纪-三叠纪过渡期镁铁质岩浆作用及相关隆升,推测与西伯利亚超级地幔柱有关;(5)晚三叠世派赫伊-新地岛造山运动相关的构造反转。

北喀拉盆地后期经历与中古生代埃尔斯米尔、晚古生代乌拉尔、早中生代新地岛造山运动有关的多期构造反转。最新的构造反转发生于早白垩世,可能与维尔霍扬斯克-楚科塔-布鲁克造山作用导致的远应力场有关[22,23]。

3.1.2加里东基底上形成的盆地

后加里东期伸展作用大体塑造了西巴伦支陆架和东格陵兰陆架的沉积盆地格局[24],此基础上的后续构造改造事件(图6)包括:(1)泥盆纪末期至中石炭世,造山带垮塌伸展事件导致西巴伦支陆架发育北东向裂谷系统;(2)二叠纪至三叠纪,西巴伦支陆架主要受热沉降控制,并广泛堆积源自乌拉尔造山带的硅质碎屑岩;(3)侏罗纪至早白垩世,巴伦支陆架西缘发生复活拉张作用[13]。

图5巴伦支-喀拉海域主要构造要素分布图(据Drachev[17]修改)

图6北极陆架区域构造演化综合图(修改自Drachev[17])

3.1.3埃尔斯米尔基底上形成的盆地

加拿大北极群岛的斯维尔德鲁普盆地是后埃尔斯米尔期盆地建造的典型代表。斯维尔德鲁普盆地演化过程[25,26](图6)可大致归纳为:(1)中泥盆世埃尔斯米尔造山运动引发早期北美克拉通北部被动陆缘发生不同程度构造变质作用;(2)早石炭世至早二叠世后造山伸展作用;(3)早二叠世至晚白垩世裂后沉降阶段,推测与乌拉尔-新地岛造山活动有关;(4)中生代末期至新生代Eurekan造山作用导致斯维尔德鲁普盆地受挤压变形。

3.1.4乌拉尔基底上形成的盆地

发育于乌拉尔基底之上的西西伯利亚盆地,分布在南喀拉-亚马尔陆架-西西伯利亚地区。西西伯利亚盆地位于新地岛褶皱带以南,东侧为西伯利亚克拉通,西侧为乌拉尔造山带,可延伸至西伯利亚盆地之下,构成盆地基底。西西伯利亚盆地基底塑造于波罗的克拉通、西伯利亚克拉通边缘缝合事件,因此其地壳强度相对周缘克拉通较弱,进而限定了后期盆地发育的位置。西伯利亚盆地演化主要受到以下构造事件[27](图6)控制:(1)晚石炭世-二叠纪,波罗的古陆和西伯利亚古陆沿乌拉尔和泰米尔聚合带碰撞;(2)二叠纪-三叠纪期间地幔柱相关岩浆事件和地壳伸展;(3)三叠纪-侏罗纪挤压和造山作用;(4)早中生代造山带于早侏罗世垮塌,盆地基底发育地堑;(5)侏罗纪末至白垩纪初和始新世至渐新世期间的断裂复活。

3.2北太平洋边缘地体增生相关沉积盆地

3.2.1阿拉斯加北坡盆地

阿拉斯加北坡盆地位南界为布鲁克斯山脉-赫拉尔德(Herald)穹隆造山带,北界为加拿大海盆被动陆缘。地震勘探和钻井资料揭示,阿拉斯加北坡盆地发育上古生界-中生界早期南倾被动大陆边缘沉积序列和中生界晚期-新生界北倾前陆盆地沉积序列。阿拉斯加北坡盆地构造演化经历四个明显的变形阶段:前中泥盆世埃尔斯米尔造山阶段,晚泥盆世-中侏罗世被动边缘阶段,中侏罗世-早白垩世裂谷阶段以及晚期的布鲁克斯造山和前陆阶段。相应地,阿拉斯加北坡盆地演化受到以下构造因素(图6)控制:(1)前中泥盆世埃尔斯米尔造山运动,影响中泥盆世及更老变质岩,构成阿拉斯加北坡盆地的基底;(2)晚古生代至早中生代被动大陆边缘环境下的伸展作用;(3)中-晚侏罗世和早白垩世的裂谷作用,阿拉斯加北坡盆地受断层控制发生差异沉降;(4)早白垩世-第四纪布鲁克斯造山运动导致阿拉斯加北坡盆地南部挤压抬升、北部沉降,完成由裂谷盆地向前陆盆地的转换。

3.2.2南楚科奇盆地

南楚科奇盆地从弗兰格尔岛向东南延伸至阿拉斯加西部科策布湾(KotzebueSound),展布超过1000km。盆地北侧为扭压性的弗兰格尔-赫拉尔德基底穹窿,南部沉积物超覆至晚中生代变形基底之上。多道地震数据揭示南楚科奇盆地具明显非对称特征,其南翼下伏低幅度基底隆起,北翼限定于与弗兰格尔-赫拉尔德穹窿相交的高陡破碎带。

南楚科奇盆地受以下区域构造因素[28](图6)控制:(1)与白垩纪和古新世造山塌陷有关的初始裂谷作用;(2)始新世至早渐新世北美板块和欧亚板块之间右旋相对运动导致的扭张构造背景下的沉降;(3)渐新世-中新世西北-东南向板块会聚驱动的挤压反转,导致弗兰格尔-赫拉德穹窿扭压变形,并使中生代布鲁克-楚科塔褶皱带前缘复活。

3.3洋盆开启相关沉积盆地

3.3.1马更些三角洲盆地

马更些三角洲盆地位于北极波弗特海陆架,盆地东部以爱斯基摩湖(EskimoLakes)张性断裂带为界,西南部以布鲁克斯山脉为界,北部延伸至陆架边缘,以坡折带与加拿大盆地分界。马更些三角洲盆地是在侏罗纪裂谷基础上发育形成的被动大陆边缘盆地,沉积厚度超过16km。

马更些三角洲盆地基底包括元古界-石炭系变质岩,主要沉积盖层包括侏罗纪裂谷作用以及之后沉积的地层。马更些三角洲盆地沉积盖层可划分为五个构造层组合,分别对应裂谷、洋盆张开、挤压、前陆和被动沉降构造发展阶段。控制马更些三角洲盆地的主要构造因素[29]包括:(1)侏罗纪至早白垩世,区域裂谷作用下发育正断层和半地堑、地堑构造;(2)北极阿拉斯加微板块相对于北美克拉通逆时针旋转,导致加拿大海盆海底扩张;(3)晚白垩世布鲁克斯造山为盆地供给粗碎屑沉积物;(4)上新世至今,马更些三角洲盆地处于被动陆缘离散环境。

3.3.2巴芬湾盆地

巴芬湾盆地是北大西洋西北部在巴芬岛和格陵兰岛之间的延伸部分,位于巴芬岛、埃尔斯米尔岛和格陵兰岛之间,中央为巴芬湾深盆,周围是加拿大和格陵兰陆架。巴芬湾盆地作为晚中生代-早新生代拉布拉多海伸展扩张过程的产物,边缘陆架为陆壳或减薄陆壳基底,发育大量与盆地轴线近似平行的伸展断层。巴芬湾盆地中央发育菱形洋壳基底,且洋盆扩张轴和转换断层与盆地长轴斜交,显示剪切拉分的特征。

巴芬湾盆地沉积物厚达8—10km,最老沉积地层的年代为早白垩世,两期裂谷事件控制了其形成演化[30,31]:(1)早白垩世裂谷作用(140—130Ma)导致盆地内发育一系列狭长的地垒和地堑构造,地堑内堆积了源自西南格陵兰和拉布拉多陆缘的碎屑沉积物,此后,盆地中央形成洋壳,盆地进入漂移阶段并发生区域性沉降;(2)晚白垩世至古新世裂谷作用,推测与拉布拉多海海底扩张有关。海底扩张引发了大规模火山活动,在68°N以北形成了火山岩分布区。盆地巴芬岛一侧,马斯特里赫特期和古新世早期以碎屑沉积为主,表现为明显的裂谷层序特征。古近纪期间,巴芬湾碎屑物输入量达到最大。

3.3.3拉普捷夫海裂谷盆地

拉普捷夫陆架裂谷盆地形成于晚白垩纪至今欧亚和北美板块间的离散背景[32,33]。拉普捷夫陆架裂谷盆地由数个裂谷及晚中生代基底高地组成(图7),其中乌斯特勒纳(Ust’sLena)裂谷约13—15km,最深可达18km,基底高地的地层厚度小于2km。地层厚度特征及裂谷构造复杂性向东明显降低,推测裂谷向东迁移。基于裂谷始于晚白垩世的假设,推测控制拉普捷夫海裂谷盆地演化的主要构造因素(图6)包括:(1)约90—80Ma拉普捷夫陆架的初始伸展阶段,形成了拉普捷夫陆架裂谷系统的主要构造单元;(2)约70—60Ma超拉伸(减薄)阶段开始,主要集中于乌斯特勒纳裂谷和安尼森(Anisin)裂谷和新西伯利亚裂谷的最东端;(3)约60—55Ma乌斯特勒纳裂谷北部可能发生地幔剥露,沿巴伦支-喀拉陆缘发生大陆裂解;(4)约55—20Ma拉普捷夫陆架裂谷系统拉张作用明显减弱或停止;(5)约20—15Ma欧亚板块与北美板块离散背景导致的近期拉张。

图7拉普捷夫海裂谷盆地构造剖面(修改自Drachev[17])

4、基底演化对沉积盆地的控制作用

北极基底构造演化主要反映波罗的、西伯利亚和劳伦三大古陆之间的汇聚和离散作用,并控制了北极沉积盆地的形成演化。大陆汇聚过程中俯冲碰撞相关区域往往伴随前陆、弧前、弧间和弧后等盆地类型的发育,后造山期区域构造体制及热状态改变往往导致伸展作用,从而形成叠覆于原造山之上的塌陷盆地,大陆裂解易于形成与裂谷作用及被动陆缘发展相关的盆地,此外,后扩张期挤压导致的构造反转也在盆地演化过程中起到重要的作用。综合北极不同区域发育的典型盆地演化中的区域构造事件表明,北极沉积盆地演化主要受后古陆汇聚板缘碰撞期伸展垮塌、地体增生前陆收缩和洋盆扩张三类区域构造作用控制。

1.后造山伸展垮塌

北极陆缘下伏固结陆壳形成于新元古代至显生宙时期劳伦、波罗的、西伯利亚古陆和一些较小的微大陆及岛弧碎片的碰撞拼合。期间,劳伦、波罗的和西伯利亚古陆自赤道以南向北漂移,志留纪-泥盆纪加里东造山运动将劳伦和波罗的古陆缝合,晚志留至早石炭纪劳伦古陆北部地体碰撞导致埃尔斯米尔造山,二叠纪西伯利亚和哈萨克斯坦与波罗的古陆碰撞,聚合形成联合古陆的组成部分,过程中发育了一系列延伸到现今北极陆架的褶皱带,随后经历伸展垮塌过程而发育诸多大型沉积盆地。这些沉积盆地后期演化受重塑力有限的一次或多次构造反转作用影响,使盆地性质大致得以延续。

2.地体增生前陆收缩

北太平洋边缘地体增生集合体由广布于现今西伯利亚东北部和北美西北部的一系列增生地体及其间交织的沉积、岩浆岩系组成。这些地体于侏罗纪和白垩纪早期增生,是南阿纽伊(Anyui)洋和奥伊米亚康(Oimyakon)洋两个洋盆关闭的结果。约130—125Ma,洋盆闭合后的造山作用在欧亚和北美大陆之间建造了陆桥。北太平洋边缘地体增生使得阿拉斯加北坡盆地和南楚科奇盆地作为前陆盆地持续演化。

3.洋盆扩张

联合古陆裂离背景下,北极板内或板缘离散作用包括:中晚侏罗世加拿大海盆的开启、早白垩世巴芬湾、晚白垩世至今欧亚和北美板块间离散导致的北大西洋-欧亚海盆开启。拉普捷夫陆架裂谷盆地发育数个裂谷及晚中生代基底高地组成,马更些三角洲、巴芬湾等覆盖于北冰洋洋盆边缘并向洋盆进积的楔状沉积盆地,该类盆地发育于伸展构造应力背景之下,其演化主要受裂谷至洋盆扩张的控制。

5、结论

1.北极不同区域重力、磁力场特征存在显著差异,可识别出洋壳、陆核、缝合带及增生体等基底分区。陆核包括了西伯利亚陆核、加拿大地盾、格陵兰、西西伯利亚陆核、波罗的陆核,洋壳包括了北大西洋、格陵兰海、欧亚海盆和美亚海盆,增生体指北太平洋边缘增生地体。

2.根据北极沉积盆地所处构造部位,结合区域构造演化历史,北极沉积盆地可划分三类:(1)建造于古陆核之间的缝合基底之上的沉积盆地,此类沉积盆地演化的构造应力背景通常经历了从挤压到伸展的转换,个别盆地演化过程甚至发生多次构造反转作用,但对盆地的重塑力有限,使盆地性质大致得以延续;(2)分布于北太平洋边缘增生地体群相关区域的沉积盆地,这些盆地的演化主要受构造收缩作用的影响;(3)北大西洋、欧亚海盆及美亚海盆相邻区域发育的盆地,该类盆地主要经历与北极洋盆扩张相关的裂谷作用。

3.北极沉积盆地演化过程主要受控于三大区域构造作用:(1)陆块汇聚板缘碰撞及后期垮塌伸展作用,该构造作用深刻塑造蒂曼、加里东、埃尔斯米尔、乌拉尔基底上覆盆地性质,后期构造作用对叠加改造程度有限;(2)地体增生前陆收缩作用,使北太平洋边缘增生地体邻区盆地性质完全转变为前陆盆地;(3)板内或板缘离散,该构造作用是对北冰洋洋盆扩张的响应,以后期较强的伸展作用深刻改造前期盆地格局。

参考文献:

[1]毛翔,李江海,杨静懿.环北极沉积盆地结构与构造演化特征——来自环北极地质长剖面的证据[J].极地研究,2013,25(3):294-303.

[2]李学杰,姚永坚,杨楚鹏,等.欧亚北极地区西部区域地质与构造演化[J].海洋地质与第四纪地质,2015,35(3):123-133.

[3]李学杰,姚永坚,杨楚鹏,等.欧亚北极区东部区域地质与构造演化[J].地球科学,2017,42(3):315-324.

[5]李敏,屈红军,张功成,等.环北极深水盆地群油气地质特征及勘探潜力[J].海洋地质前沿,2011,27(8):32-40.

王哲,李学杰,汪俊,杨楚鹏,姚永坚,鞠东.北极区域构造对沉积盆地演化的控制作用[J].极地研究,2020,32(02):140-150.

基金:中国地质调查局科研项目(DD20190577,DD20190368,DD20190366)资助.