东北地区中—新生代盆地群形成演化的动力学背景

发布时间：2022-03-29

　　摘要：东北地区的中—新生代盆地之下并非都是变质结晶基底，松辽和二连等盆地大部分叠加在未变质的晚古生代残余沉积盆地之上。嫩江—开鲁断裂和嘉荫—牡丹江断裂是两条深达岩石圈尺度的断裂构造，将东北地区分为额尔古纳—兴安、松嫩和佳木斯三大基底构造单元和与之相对应的西部、中部和东部三大中—新生代盆地群。3个盆地群不但基底和深部岩石圈结构明显不同，而且盆地结构及充填特征也存在明显的差异。东北地区与中生代盆地演化相关的火山活动主要发生在中—晚侏罗世(167～147 Ma)，早白垩世早期(136～126Ma)和早白垩世晚期(122～109Ma)。侏罗纪火山岩主要发育在大兴安岭及其以西地区;早白垩世火山岩全区均有分布，且具有由西向东时代渐新变新的演化趋势。从深部构造和区域动力学背景角度，东北地区的侏罗纪和白垩纪—新生代构造演化分别属于两大动力学体系。前者的形成演化与西伯利亚板块和华北板块对东北地区西部产生的南北向挤压作用及后继的伸展作用有关，北北东向展布的中—晚侏罗世火山岩大面积叠加在近东西向展布的漠河前陆盆地和突泉等含煤盆地之上;后者的形成演化明显与西北太平洋构造域大洋板块对东北亚大陆边缘的作用有关。根据同位素年龄和生物地层学证据重新厘定的中—新生代盆地地层对比结果显示，即使是同时代形成的早白垩世盆地由于与大陆边缘的距离不同，其盆地的沉积充填特征和后期构造改造特点也不尽相同。西部以海拉尔盆地为代表的早白垩世盆地主要发育以火山岩为主的断陷沉积，之后长期处于隆升环境;中部以松辽盆地为代表的白垩纪盆地不但发育早白垩世早期的断陷沉积，而且之上基本连续叠加了早白垩世晚期和晚白垩世坳陷沉积;东部盆地群由三江、勃利、鸡西和虎林等众多中、小型盆地构成，它们在早白垩世早期曾是一个统一的近海大陆边缘盆地(大三江盆地)，以发育海陆交互相沉积为特点。由于该区紧邻西北太平洋大陆边缘，受大陆边缘构造转换的影响，统一的大三江盆地在早白垩世末期被强烈的逆冲构造和左行走滑构造所破坏和改造。该区目前分散孤立存在的多个中、小型早白垩世盆地均为早白垩世末期构造改造后的残余盆地。

　　关键词：东北地区;中—新生代盆地;火山岩;深部构造;动力学

　　东北地区是我国中—新生代盆地的主要发育地区。其中，海拉尔、漠河、孙吴—嘉荫、三江和虎林等5个盆地分别与蒙古境内的塔木察格盆地和俄罗斯境内的乌舒蒙、阿穆尔—结雅、中阿穆尔及阿尔昌盆地相连，构成规模较大的跨境沉积盆地(图1)。本文以全国油气资源战略选区调查与评价专项“大庆探区外围中—新生代盆地演化与油气前景”(2004— 2008)和“松辽盆地及外围上古生界油气资源战略选区”(2009—2012)项目的研究成果为基础，并结合该区大量的区域地质及深部地质调查成果，对东北地区中—新生代盆地形成演化的动力学背景进行了分析和探索，其目的是能够为深入认识该区的中—新生代构造与沉积演化，促进油气资源勘查新区、新领域和新层系研究提供可供参考的思路和佐证。

　　长期以来形成的一个基本认识是，东北地区的中—新生代盆地是海西期褶皱基底上发育起来的中—新生代断陷-坳陷盆地[1-5]，程度不同地经历了断陷期、坳陷期和萎缩期3个主要演化阶段[6-7]。它们形成的动力学背景也多与西太平洋板块对东北亚大陆东缘的俯冲及转换机制相联系[8-11]。近十几年来，对重新认识该区中—新生代盆地演化具有重要启示意义的进展主要表现在3个方面：(1)提出东北地区是在石炭纪中期拼合而成的统一板块，之上发育的晚石炭世—二叠纪火山-沉积盖层没有遭受区域变质[12-16]，改变了该区中—新生代盆地之下均为变质结晶基底的传统认识;(2)大量的区域地质调查和火山岩同位素测年研究不但证明了东北地区晚侏罗世火山岩主要发育在大兴安岭及其以西地区，而且发现了晚侏罗世火山岩与早白垩世火山岩之间为不整合接触的地质证据[17-26]，从而结束了该区晚侏罗世火山岩与早白垩世火山岩长达几十年难予区分的局面;(3)发现了黑龙江省东部存在晚侏罗世晚期向西的逆冲推覆构造，早白垩世末期存在伴有左行走滑特点的逆冲构造。这些进展不但为重新认识该区中—新生代盆地的形成演化背景，探索油气资源勘查新领域和新层系提供了新的思路和证据，而且为探索该区岩石圈尺度上的构造演化与中—新生代火山岩及盆地演化之间的关系提供重要的证据。

　　1 深部结构与前中生代基底

　　1.1 岩石圈结构

　　东北地区处于华北和西伯利亚两大古板块所夹持的中亚构造带东端，东邻西太平洋构造域的沟-弧-盆体系。满洲里—绥芬河地学断面系统揭示了东北地区深达地幔尺度的岩石圈结构特征，明确提出该区的莫霍不是一个连续的界面，而是一个垂向上具有一定厚度变化，横向上具有间断的过渡层，并根据莫霍过渡层的间断特点和莫霍层与壳内高导层的埋深特点，分别以嫩江和牡丹江断裂为界将该区由西向东可分为3个岩石圈结构单元[27]。嫩江断裂以西是大兴安岭中生代火山岩和以漠河及海拉尔盆地为代表的中—新生代盆地发育区，以莫霍过渡层厚度大(最厚达12km)、埋深大(38～42km)和壳内高导层埋深大(约30km)为特点;嫩江断裂和牡丹江断裂之间是松辽盆地发育区，以莫霍层和壳内高导层埋深小为特点，分别为 29～38km 和 15～20km。莫霍过渡层埋深最浅处位于松辽盆地东侧的哈尔滨附近，与盆地深度不呈镜像关系;牡丹江断裂以东分布有以三江、勃利和鸡西等为代表的众多中—小型盆地，由于受西太平洋大陆边缘构造的影响，岩石圈结构较为复杂，东端出现向东倾斜的双壳内高导层。为进一步揭示深部构造与盆地的关系，本文根据天然地震层析成像结果[28]和最近完成的长周期大地电磁测深资料，对满-绥断面确定的岩石圈底界面深度和形态做了新的标定(图2)，同时作为一种对比，沿北纬47°线编制了西起蒙古东部，东至俄罗斯锡霍特—阿林，横跨东北地区的岩石圈速度剖面(图3)。根据幔内第一个低速层顶界面为岩石圈底界面的普遍性认识[29]，嫩江断裂将该区分为东、西两个厚度明显不同的岩石圈单元，以西到蒙古东部地区的岩石圈厚度约150km，以东到俄罗斯锡霍特—阿林地区的岩石圈厚度变化较大，但总体厚度小于80km，牡丹江断裂(图3F2)是控制东部岩石圈减薄区内部莫霍层和幔内低速高导层埋深的界线。这是东北地区首次获得电性岩石圈厚度与地震岩石圈厚度近乎一致的地球物理测深结果，而且这一结果与新生代玄武岩地球化学得出的嫩江断裂以东地区的岩石圈厚度约80km[27]的认识完全一致。这似乎说明该区的岩石圈减薄作用并非完全是中生代深部构造-岩浆作用的结果，而与新生代的深部构造及岩浆活动有着更为密切的关系。这一信息为讨论该区中生代盆地演化与火山岩的关系提供了背景约束。深部构造与地壳浅表层构造的关系显示，嫩江断裂以西地区岩石圈及地壳厚度大，结构较为稳定，对应的地质构造单元为发育有漠河及海拉尔等盆地的额尔古纳-兴安地块;嫩江断裂与牡丹江断裂之间的区域是莫霍层和幔内低速高导层隆起幅度最大的区域，对应的地质构造单元为发育有松辽盆地的松嫩地块;牡丹江断裂以东地区的岩石圈结构虽然与松嫩地块类似，但由于东侧以完达山地体为代表的中生代增生杂岩和以敦密断裂为代表的北东向构造的影响，岩石圈结构较为复杂，对应的地质构造单元为发育有勃利、鸡西和三江等盆地的佳木斯地块及完达山增生杂岩。深部构造单元与中—新生代盆地的对应关系充分说明岩石圈尺度上的深部构造作用对地壳浅表层构造具有明显的控制作用。

　　1.2 基底构造单元

　　东北地区与中—新生代盆地形成演化密切相关的基底构造单元主要为额尔古纳 -兴安地块和松嫩-佳木斯地块。近年来的研究表明，这两个基底地块都是早古生代早期(500 Ma)变质固结的前寒武纪微大陆，二者在石炭纪中期沿黑河—嫩江—开鲁一线碰撞拼合，形成统一的东北大陆板块[12，16，27]。大量的早期区域地质调查成果业已证明，东北地区主体在石炭纪中期处于隆升剥蚀背景，晚石炭世全区转为陆相沉积环境[30-31]。这些资料充分说明该区在石炭纪中期已经成为一个整体，从晚石炭世开始进入了统一的盖层沉积阶段。俄罗斯学者的研究也认为，俄罗斯一侧的布列亚地块、兴凯地块与我国境内的佳木斯等地块是一个由古老结晶岩系组成的构造单元，它在中古生代沿诺拉—索霍提 (Nora-Soukhotin)增生杂岩带(南与我国境内的黑河—嫩江拼合带相连。本文注)与西侧的额尔古纳地块拼合为一体，此后一直作为大陆或大陆的一部分而演化[32]。张贻侠曾将这一晚古生代拼合而成的大陆板块称之为黑龙江板块[27]。

　　1.3 晚古生代沉积盖层

　　晚石炭世是东北地区构造与沉积环境发生重大转变时期。传统上，东北地区的晚古生代火山岩主要划分为晚石炭世和早二叠世两期。其中，晚石炭世火山岩以宝力高庙组及格根敖包组(内蒙古东乌旗地区)为代表，早二叠世火山岩以大石寨组(内蒙古索伦地区)、大河深组(吉林中部地区)和青龙屯组(黑龙江滨东地区)等为代表。新的锆石同位素测年结果表明，以宝力高庙组和格根敖包组为代表的晚石炭世火山岩的年龄均介于308～305 Ma，而以大石寨组、大河深组和青龙屯组等为代表的所谓早二叠世火山岩的年龄均介于302～284Ma。特别指出的是，海拉尔盆地之下原定为中生界布达特群中的火山岩年龄为310～298Ma。这些火山岩主要分布在牡丹江断裂以西的广大地区，其化学成分均属高钾钙碱性系列，具有 A 型花岗岩或 A2 型花岗岩类的地球化学特征，形成于伸展构造背景。火山岩同位素年龄不但与沉积夹层中的化石时代完全对应，而且化石证据显示晚石炭世—早二叠世火山岩具有北部广大地区为陆相喷发环境，但南部为海相喷发环境，说明统一的东北大陆形成后，其南部仍有近东西向海盆与华北板块相隔。

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　　中二叠世，该区发育了一套厚度巨大的海相碎屑岩-碳酸盐岩建造，地层厚度大于2000m。这套海相地层主要分布在牡丹江断裂以西地区，南界受西拉木伦河—长春断裂控制。晚二叠世，东北地区整体转为陆相沉积，形成一套厚度大于3000m的陆相碎屑沉积建造，只在南部靠近西拉木伦河断裂以北的局部地区残存有海相-海陆交互相沉积。在龙江地区，晚二叠世地层与夹有安山岩(248 Ma)的早三叠世紫色—黄绿色粉砂岩整合接触，证明东北地区的上二叠统与下三叠统为连续沉积。作为近年来东北地区基础地质研究的一项重大进展，国家第二轮油气资源战略选区项目通过大量的区域地质和盆地内部的井震勘探研究，并结合大量的岩相学、岩石热演化程度及烃源岩成熟度等分析结果，揭示并充分证明了松辽盆地和二连盆地的中—新生界之下广泛存在未受区域变质的晚古生代地层①-③ 。这些重要成果揭示了东北地区的中—新生代盆地之下并非都是变质结晶基底，而是残存有一定规模的晚古生代沉积盆地，为探索东北地区上古生界油气勘探新层系提供了重要的证据。①②③

　　2 中生代火山岩的时空分布

　　由于区域地质调查程度和同位素测年技术的限制，早期依据 K-Ar或 Rb-Sr等测年方法获得的火山岩年龄数据常与动植物化石组合确定的地层时代有较大的矛盾，因此，长期以来将东北地区中生代盆地的地层时代笼统定为晚侏罗世—早白垩世，在各类地质图件中表达为J3—K1[33-36]。邓胜徽根据植物化石组合序列及时代的研究[37]，对东北地区以正常沉积为主体的早白垩世地层时代进行了系统的划分和对比。全国油气资源战略选区项目[38]针对中生代火山岩开展了系统的锆石同位素测年研究，结果显示东北地区的晚侏罗世火山岩主要发育在大兴安岭及其以西地区，而早白垩世火山岩在全区均有分布。近年来的区域地质调查工作在大兴安岭地区发现了早白垩世火山岩与晚侏罗世火山岩呈不整合接触关系[17]。这些新的资料为深入研究该区中生代火山岩的时代，细化区域性地层对比，进而揭示中生代盆地演化规律提供了重要的年龄数据和直接的地质证据。按照IUGS国际地层表(2012)划定的年龄时限，大兴安岭北部原定为早白垩世塔木兰沟组的火山岩应属中侏罗世末—晚侏罗世，目前获得的年龄主要集中在166～147Ma[18-25]，南部以满克头鄂博组为代表的火山岩年龄也集中在167～147 Ma[26]。这一时代的火山岩在大兴安岭以西的蒙古东戈壁盆地之下也普遍存在，年龄介于163～145Ma[39]。这些证据充分说明中侏罗世末—晚侏罗世火山岩在大兴安岭及其以西地区普遍存在。目前获得的早白垩世火山岩的年龄区间跨度较大，大兴安岭、松辽和吉黑东部地区的年龄区间分别介于142～112Ma，138～110Ma和135～104Ma，其时限几乎都贯穿了整个早白垩世，与该区早白垩世正常沉积地层的时序矛盾很大。为此，本文以125 Ma(IUGS国际地层表，2012)作为早白垩世早期与晚期的年龄时限，对该区目前收集到的属于早白垩世早期和晚期年龄范围内的火山岩锆石年龄数据分别进行了统计，并以年龄平均值上下浮动2Ma作为火山岩形成的主要时期。结果显示大兴安岭地区早白垩世早期火山岩的主要形成时期为136～132 Ma(均值134 Ma)，晚期为122～118Ma(均值120Ma)，分别对应该区的上库力组和伊列克得组火山岩;松辽地区的早白垩世早期火山岩的主要形成时期为134～130 Ma(均值132Ma)，晚期为121～117Ma(均值119Ma)，分别对应火石岭组和城子河组火山岩;吉黑东部的早白垩世早期火山岩的主要形成时期为130～126Ma(均值128Ma)，晚期为113～109Ma(均值111Ma)，分别对应滴道组和东山组火山岩。据此建立的火山岩时序与邓胜徽[37]根据正常沉积地层中植物群组合划分的早白垩世地层时序基本可以衔接和对比(表1)。据此，东北地区中生代火山活动可分为中侏罗世末—晚侏罗世(165～156Ma)、早白垩世早期(134～128Ma)和早白垩世晚期(120～111 Ma)3个主要阶段。中侏罗世末—晚侏罗世火山岩主要发育在大兴安岭及其以西地区;早白垩世火山岩全区均有分布，总体上具有由西向东迁移的时空演化趋势(图4)。

　　3 中—新生代盆地群演化的动力学背景

　　东北地区现今最为显著的浅表层地质地貌特征是近乎平行于西太平洋大陆边缘展布的北东向盆山体系和中生代火山岩带，而重要的深部构造背景是以嫩江(—开鲁)断裂和牡丹江断裂为界由西向东所表现出的岩石圈厚度及结构上的巨大的差异。这决定了该区深部及浅表层的构造演化与西太平洋大陆边缘的动力学演化背景有着某种密切的关系。众所周知，嫩江(—开鲁)断裂沿线不仅是我国东部重要的盆-山地貌分界线，也是该区岩石圈厚度发生重大变化的陡变带[40-41]，以著名的大兴安岭重力梯度带而备受人们的关注。新的研究表明，嫩江断裂以西地区的岩石圈厚达150km，而以东地区仅约75～80km。这种巨大的差异势必对东、西两侧地壳浅表层的地质演化具有重要的影响。鉴于火山事件和成盆事件常与岩石圈尺度上的深部作用过程有着密切的成因联系，本文重点结合这三方面的证据对该区中—新生代盆地形成演化的动力学背景予以探讨。如前所述，嫩江(—开鲁)断裂和牡丹江断裂是东北地区两条岩石圈尺度上的重要构造界线，它们不但控制着额尔古纳-兴安地块、松嫩地块和佳木斯地块三大基底构造单元，而且将该区中—新生代盆地分为西部、中部和东部三大盆地群。

　　3.1 西部盆地群

　　分布在嫩江断裂以西，以漠河盆地和海拉尔盆地等为代表。前者与俄罗斯境内的乌舒蒙盆地是一个中侏罗世形成的近东西向展布的前陆盆地，在乌舒蒙盆地内发育有晚三叠世—早侏罗世海相碎屑岩夹碳酸盐岩及中侏罗世陆相夹少量海相沉积地层[42-43]，我国境内的漠河盆地主要发育了中侏罗世陆相沉积;后者为早白垩世形成的断陷盆地，呈北东向展布。特别值得注意的是，大兴安岭地区的中侏罗世末—晚侏罗世火山岩就形成在这两次成盆作用之间，因此，侏罗纪火山岩的形成背景对于认识该区当时的构造背景具有直接而重要的意义。虽然近年来有学者认为大兴安岭地区的侏罗纪火山岩可能与蒙古—鄂霍次克缝合带的演化有关[19，44]，但根据俄罗斯学者的资料，所谓的蒙古—鄂霍次克缝合带是含有蓝片岩和蛇绿岩的古生代增生杂岩，被晚三叠世及其之后的沉积不整合覆盖[45]，这说明蒙古—鄂霍次克缝合带在侏罗纪期间已不具备向大兴安岭地区俯冲的构造背景。结合区域地质证据分析，早— 中侏罗世，西伯利亚板块向东北大陆北缘逆冲，华北板块向东北大陆南缘挤压[46]，导致东北地区西部整体处于南北双向挤压构造背景，不但在大兴安岭北端形成东西向展布的漠河前陆盆地[11，42-43]，而且在大兴安岭中南部形成一系列近东西向展布的陆相含煤盆地(以突泉和扎鲁特等盆地的红旗组和万宝组为代表)(表1)。在更大的动力学背景上，东北亚大陆东缘几乎在整个侏罗纪期间(180～145 Ma)都处于左行转换大陆边缘背景[47-48]。因此，可以确定大兴安岭地区的侏罗纪火山岩与古太平洋板块的作用无关，而是南、北两大板块应力汇聚后发生伸展作用的结果。鉴于东西向展布的早—中侏罗世前陆盆地和山间含煤盆地以及后续的晚侏罗世火山岩主要分布在大兴安岭及其以西地区，说明当时的南北向挤压作用及随后的伸展作用主要发生在东北西部地区。东北东部地区由于紧邻北东向左行转换大陆边缘构造背景，发育了以佳伊断裂和敦密断裂为代表的北东向走滑逆冲断层，沿断裂发育的韧性变形岩石中的白云母 Ar/Ar年龄普遍介于160～184 Ma。——论文作者：张兴洲，郭冶，曾振，付秋林，蒲建彬