印度西部洋陆过渡区结构特征及构造演化

程昊皞, 索艳慧*, 李三忠, 梁 杰, 杨传胜, 王光增, 周 洁, 于海洋, 王新毓

印度西部洋陆过渡区结构特征及构造演化

程昊皞1, 2, 索艳慧1, 2*, 李三忠1, 2, 梁 杰3, 杨传胜3, 王光增1, 2, 周 洁1, 2, 于海洋1, 2, 王新毓1, 2

(1.深海圈层与地球系统教育部前沿科学中心, 海底科学与探测技术教育部重点实验室, 中国海洋大学 海洋地球科学学院, 山东 青岛 266100; 2.青岛海洋科学与技术国家实验室 海洋矿产资源勘探与评价功能实验室, 山东 青岛 266100; 3.中国地质调查局 青岛海洋地质研究所, 山东 青岛 266071)

印度西部洋陆过渡区位于上印度扇, 处于印度板块、阿拉伯板块和欧亚板块交汇处, 周缘发育多种板块边界类型, 构造特征复杂。前人对该区域的构造性质及演化的研究较少, 其内部一级构造的地壳性质认识存在争议。本文在对地震资料构造解析的基础上, 分析了印度扇近海盆地、默里脊系统和拉克西米山脊的断裂样式、断裂组合以及盆地结构特征, 揭示印度西缘的洋陆过渡区为发育向海倾斜反射层(SDRs)和下地壳高速体(HVZ)的火山型被动陆缘。其中, 印度扇近海盆地的断层多构成地堑、半地堑和地垒组合, 地壳性质为减薄陆壳; 默里脊系统表现为右行张扭性质, 以小默里脊为界, 以西为正在低速扩张的洋壳基底, 以东为减薄的陆壳; 拉克西米山脊地壳性质则为减薄的陆壳。印度西缘的洋陆过渡区的形成与白垩纪以来马达加斯加板块、塞舌尔微板块和印度板块之间的多期裂解事件, 以及多个热点导致的岩浆事件有关。此外, 运用2DMove软件进行了平衡剖面恢复, 揭示了印度扇在新生代以来经历了古‒始新世初始伸展断陷期、渐新世‒早中新世稳定沉积期、中‒晚中新世张扭断陷期和上新世以来的热沉降期4个构造演化阶段。

印度西缘; 火山型被动陆缘; 地壳结构; 构造演化

0 引 言

印度扇处于印度板块、阿拉伯板块和欧亚板块的交接地带, 北部为活动大陆边缘的莫克兰增生楔, 西部为转换型大陆边缘的默里脊系统, 东部为印度板块西部被动陆缘, 其构造演化过程复杂, 包括印度扇近海盆地、默里脊系统和拉克西米山脊等多个次级构造单元(图1)。对于印度扇关键单元的地壳结构和性质长期以来一直存在争议, 例如印度扇近海盆地究竟是洋壳还是伸展的陆壳(Ajay et al., 2010)?拉克西米盆地的基底究竟是新生洋壳, 还是过渡性地壳、亦或是伸展的陆壳(Bhattacharya et al., 1994; Krishna et al., 2006; Pandey et al., 2017)?目前为止, 大多数观点认为其属于减薄陆壳(Talwani and Christine, 1998; Krishna et al., 2006)。而且, 由于前人对印度扇的研究主要集中在白垩纪的构造演化上(Arora et al., 2012; Kalra et al., 2014), 而对新生代以来构造特征和构造事件的研究相对较少。因此, 本文试图通过对印度扇数条地震剖面的构造解析, 揭示其下部地壳结构特征, 进而判别其地壳性质; 同时通过平衡剖面技术对新生代以来印度扇近海盆地构造演化史进行恢复, 理清研究区新生代的构造演化过程, 为揭示印度‒欧亚板块的精细碰撞过程提供更多证据。

1 区域地质背景

研究区位于印度洋西北部, 包括印度扇近海盆地、默里脊系统和拉克西米山脊等多个构造单元(图1)。

印度扇近海盆地: 位于印度扇北缘, 印度扇呈南北向近椭圆形, 可进一步划分为上扇、中扇和下扇。印度扇东部以印度大陆西北缘和拉克代夫洋脊为界, 西部以欧文破碎带与默里脊系统为界, 向南延伸至卡尔斯伯格洋中脊(Mchargue et al., 1988)(图1)。印度扇近海盆地主要沉积第四纪喜马拉雅山碎屑物质, 通过印度河与海底峡谷等搬运到数百千米外的深水区。渐新世晚期‒中中新世, 河流袭夺以后, 印度扇近海盆地成为喜马拉雅山硅质碎屑的主要沉积中心; 中中新世, 由于季风作用的加强, 印度扇近海盆地沉积作用加强, 源区地表隆起; 晚中新世‒上新世之后, 更新世沉积作用又有所增加(Singh and Mishra, 2015; Pandey et al., 2017)。

默里脊系统: 位于欧文破碎带最北端, 北接阿曼深海平原, 南临印度扇近海盆地(图1、2)。从北向南, 可分为小默里脊、北默里脊、真纳海槽、达尔林普尔海槽和南默里脊5个次级构造单元(图2)。其中达尔林普尔海槽为一个宽25 km陡立的半地堑, 沉积物厚度可达8 km; 边界上大型正断层存在右行走滑分量; 半地堑东南侧主断层海底断距达1800 m; 海槽西北侧发育一系列较小的反向正断层, 地壳厚度和地震速度结构发生突变, 海槽之下为12 km厚地壳, 被解释为变薄的大陆地壳(Edwards et al., 2008)。

拉克西米山脊: 位于印度西部约500～700 km处, 呈北西向展布(图1)。拉克西米山脊被认为是大陆地壳的碎片, 其形成与68 Ma印度板块北缘的断层作用有关, 随后在65～62 Ma过渡性地壳伸展过程中形成了拉克西米盆地。

2 地壳结构及性质

2.1 印度扇近海盆地

印度扇近海盆地紧邻印度板块西北缘(图2), 位于莫克兰增生楔和阿曼深海平原东南, 形成于晚白垩世末期‒早古新世塞舌尔微板块和印度板块分离时期。据古近纪地层展布特征, 印度扇近海盆地可划分为3个一级构造单元, 从北向南依次为派肯凹陷、索什特拉凸起和索拉斯特拉隆起, 呈凹‒隆相间的构造格局(图2)。

图1 西北印度洋(a)和研究区(b)构造特征(据Suo et al., 2020)

图2 印度扇近海盆地构造特征

印度扇近海盆地主要发育古新统以上的地层、厚度可达11 km, 局部发育白垩系, 其下为中生界基底(图3)。因受德干玄武岩喷发作用的影响, 印度扇近海盆地白垩系或更老的地层分辨不清, 在邻近陆上探井中可见最古老的沉积序列为上白垩统, 由三角洲砂岩和玄武岩交替组成。目前, 印度扇近海盆地中最深且揭示地层最全的钻井为PakG2-1井, 钻遇古‒始新统生物礁灰岩和泥岩, 其上为渐新统‒全新统碎屑岩(图4)。根据PakG2-1井和地震剖面所揭示的地层特征, 印度扇近海盆地可识别出3个区域层序界面, 自下而上分别是新生界基底、O50和M90。新生界基底为较明显的区域不整合面, 界面之下削截, 之上局部上超, 通常认为该界面以下为印度‒马达加斯加板块裂解前沉积的固结良好的中生代沉积物, 但后期遭受强烈侵蚀作用。古新世‒始新世期间, 在派肯凹陷沉积了古‒始新统, 并在德干玄武岩形成的海山上发育了碳酸盐岩台地和生物礁建造。界面O50介于渐新统‒中新统之间, 其下部为以河道‒滩坝地震相特征为主的古新统、始新统和渐新统, 上部为更接近均匀沉积的中新统。界面M90介于中新统‒上新统之间, 削截下伏地层, 界面之上为稳定的半深海浊积岩沉积(图4)。渐新世‒第四纪新构造时期, 印度板块与欧亚板块碰撞形成了渐新统至今巨厚的印度扇层序。在印度扇近海盆地近端, 中新统‒全新统发育了大规模的水道‒堤岸沉积体系, 地层厚度从北东向南西整体呈减薄趋势。

索什特拉凸起基底为德干玄武岩, 玄武岩厚度可达7 km, 具有较明显的向海倾斜反射体(SDRs)。地震剖面上该单元浅部表现为断层上陡下缓、倾向多变, 断层成组出现的结构特征, 且断裂切割导致断块翘倾而形成一系列地堑、半地堑和地垒组合(图3),不发育拆离断层。该基底为陆壳结晶基底。

2.2 默里脊系统

默里脊系统从卡拉奇近海的三节点交界处向西南延伸到欧文破碎带, 全长约750 km, 包括小默里脊、北默里脊、南默里脊以及中间的真纳海槽、达尔林普尔海槽(图2、5)。从现有大地测深和地震资料上看, 默里脊系统可以被认为从22°N的哈特海山向北延伸至24°N, 该处洋脊被厚的印度扇沉积物所覆盖。达尔林普尔海槽是一个完整的NE-SW向陡边地堑, 宽达25 km。海槽边界上存在着走滑和正向滑动的大型断层, 在地堑的东南侧主断层断距可达1.8 km(Edwards et al., 2000)。根据测深结果, 默里脊系统南部和北部以及达尔林普尔海槽沿走向存在侧向移动(DeMets et al., 2010)。

近年来, 对达尔林普尔海槽与欧文破碎带衔接处进行了大量多波束测量。在剖面上, 达尔林普尔海槽表现为半地堑结构, 发育似花状构造, 组成一个向斜盆地, 尽管不同剖面上的构造复杂程度不同,但这种向斜构造在每条剖面中均有体现(Edwards et al., 2008)。向斜盆地内部发育一系列角度不整合, 但沉积序列本身是等厚的, 局部被密集的横向断层所错断; 在与海槽连接的区域, 欧文破碎带表现为正花状构造和高地形。海槽东南部受控于单一的正断层, 西北部则被一组复杂的反向断层所围限(图5)。除此之外, 剖面上褶皱构造发育, 其东侧为两个由向斜分隔的背斜, 西侧则为一个向斜构造。褶皱地层双程反射时间可达1～2 s, 表示浊积覆盖前水深达到700～1500 m。其中, 一个背斜的顶部在21°35′N形成了约700 m高的弧形地形, 该地形东侧地层倾斜表明该处依然遭受挤压, 可能代表了遭受褶皱作用的层序中观察到的连续不整合。这些褶皱在深部表现为等厚变形系统, 向上变为宽缓的扇形特征, 指示了同构造沉积(图5)。地震剖面对比发现, 向斜构造仅发育在默里脊系统西侧, 与欧文断裂带沿褶皱系统的右旋错断有关。南默里脊走向N60°E, 在地震剖面上呈现出不对称的形态, 较陡的一侧紧邻达尔林普尔海槽, 且其东部和北部均存在明显角度不整合。

地层界面: Base. 新生界基底; E90. 渐新统底界; O50. 上渐新统底界; M20. 中新统底界; M50. 中中新统底界; M60. 上中新统底界; M90. 上新统底界; P55. 上上新统底界; Seabed. 海平面。

图4 印度扇PakG2-1井钻遇地层及其所过剖面地层特征(据江凯禧等, 2016; 地层界面同图3)

图5 印度扇北缘地震剖面及揭示的结构特征(地层界面同图3)

达尔林普尔海槽西北缘地壳厚度、地震速度结构、重磁异常发生了突变(图6)。前人研究认为, 在海槽西北缘存在一个厚约为6 km的洋壳速度结构, 而在海槽之下则为厚约12 km 的变薄陆壳, 因此推断达尔林普尔海槽为陆壳与洋壳并置的倾斜伸展板块边界(Edwards et al., 2008)。所以, 默里脊系统总体表现为右行张扭性质, 以小默里脊为界, 以西为正在低速扩张的洋壳基底, 以东为减薄陆壳。

2.3 拉克西米山脊

拉克西米山脊位于印度西海岸约500～700 km处, 山脊深度在3500～4000 m之间, 仅高出阿拉伯海底几十米(图1)。拉克西米山脊一个显著特征为具明显的低重力值, 前人认为热点轨迹附近重力值低可能是由于热点异常热的加入, 地幔温度升高从而使地幔亏损程度增大造成的(索艳慧, 2014)。

拉克西米山脊形成于塞舌尔微板块与印度板块分裂期间。65 Ma, 由于留尼旺热点影响, 印度西部大陆边缘北部发生了大规模的火山活动; 65～62 Ma,过渡地壳的后续拉伸形成了拉克西米盆地, 也就是Gop裂谷的向南延伸(Arora et al., 2012)。拉克西米盆地性质目前仍存在争议: ①拉克西米盆地具有过渡性地壳特征(Pandey et al., 2017); ②其下部为海底扩张形成的海洋地壳(Bhattacharya et al., 1994); ③拉克西米山脊为拉伸的大陆地壳的碎片, 拉克西米盆地为裂谷, 并在德干火山活动之前和期间进一步拉伸(Krishna et al., 2006)。Arora et al. (2012)根据其密度模型, 将拉克西米山脊解释为薄陆壳, 在基底地形方面, 认为拉克西米盆地不具备灭绝的扩张脊特征, 而是以宽裂谷为特征。

3 陆缘性质判别

被动大陆边缘往往存在较丰富的油气资源, 近些年得到广泛关注。根据地壳拉张过程中岩浆量多少, 被动大陆边缘又可分为火山型被动陆缘和非火山型被动陆缘(Gireesh and Pandey, 2014)。火山型被动陆缘是指在大陆裂解过程中伴随大量的岩浆活动, 地壳被岩浆所改造; 非火山型被动陆缘是指在大陆裂解过程中无岩浆活动或岩浆活动微弱(图3c、7)。不同于非火山型被动陆缘, 火山型被动陆缘显著特征是存在大规模的向海倾斜反射层(SDRs)和减薄的陆壳, 由陆向洋主要包括内部SDRs、外缘高地、外部SDRs和下地壳高速体(HVZ)4个构造单元(图3c、7b)。前人对印度板块西部大陆边缘的地壳结构和陆缘性质进行了一系列研究, 认为印度西部大陆边缘属于火山型被动陆缘(Ajay et al., 2010)。

SDRs代表了在裂谷作用或海底扩张期间迅速挤压的玄武岩流(何国琦和李茂松, 1996), 地震剖面上表现为单个反射层横向连续, 弓形向上突起, 在印度扇近海盆地中索什特拉凸起周缘具有这些特征(图3)。火山型被动陆缘下地壳的高速体(HVZ)主要有两种成因, 除部分继承于前张裂期的高速变质体外, 大部分是由于高温地幔熔融导致的底侵或侵入。印度扇下部的地幔柱作用导致发育巨厚火成岩岩体或下地壳高速体。索什特拉凸起基底即为德干玄武岩, 具有厚达7 km玄武岩。通过识别印度扇下部的SDRs和HVZ, 认为印度扇近海盆地属于火山型被动陆缘。

广角地震和重力资料表明, 默里脊系统底部为厚13～17 km地壳(图5)。小默里脊、南默里脊平均水深1000 m以上, 达尔林普尔海槽水深可达4400 m, 这一深水环境下存在厚地壳主要有两个成因, 一是起源于大陆, 二是在正常洋壳上覆盖了大量的火成岩。然而前人对默里脊系统研究表明默里脊系统没有出现强磁异常, 说明默里脊系统并非火山成因, 而且对默里脊系统中的玄武岩化学分析揭示了其与俯冲相关, 表明存在大陆地壳(Burgath et al., 2002)。虽然这种磁异常和地震速度特征并非火山型被动陆缘所特有, 但广角地震和位势场数据也表明默里脊系统很可能是由变薄陆壳形成的(Gaedicke et al., 2002)。因此北印度扇底部为减薄的大陆地壳, 进一步佐证了研究区为火山型被动陆缘。

图7 非火山型和火山型被动陆缘结构模型(据李三忠等, 2018)

4 构造演化史分析

印度西部洋陆过渡区在地质历史时期经历了多期的伸展裂解。印度次大陆与冈瓦纳大陆在早白垩世发生分离, 并伴随一系列广泛的岩浆事件(李三忠等, 2015), 组成东冈瓦纳古陆的非洲板块、马达加斯加板块、塞舌尔微板块和印度板块之间的多期裂解事件, 导致了西北印度洋的打开及其复杂的构造特征。且在印度洋内保存冈瓦纳大陆裂解的全部记录(张国伟和李三忠, 2017)。

白垩纪(～130 Ma)以来, 组成东冈瓦纳古陆的非洲板块、马达加斯加板块、塞舌尔微板块和印度板块之间的多期裂解事件导致西北印度洋的打开及其复杂的构造演化历史和构造事件; ～104 Ma, 马达加斯加板块已经与非洲板块分离, 但仍然与印度板块相连; 90 Ma, 由于岩石圈部分熔融和穹隆形成被动裂陷, 扩张轴向东跃迁, 马达加斯加板块与印度板块分离(图8a); 70 Ma,扩张轴再次向东跃迁, Gop裂谷打开; 68 Ma, 塞舌尔微板块从印度板块分离并贴合到非洲板块上, 形成微大陆(Arora et al., 2012)(图8b); 60 Ma卡尔斯伯格洋中脊形成, 此时塞舌尔微板块贴合于非洲板块, 拉克代夫洋脊和拉克西米山脊贴合于印度板块, 印度‒非洲板块扩张系统为一个双板块系统(图8c)。伴随着多期次裂解事件, 整个西北印度洋的深部动力机制可能与马里昂热点、德干热点、留尼旺热点的活动有关(Rao et al., 2008)。随后印度板块继续快速向北移动, 速度为150～200 mm/a,该运动一直持续到古新世‒始新世之交(55 Ma), 直至印度与欧亚板块之间初步碰撞接触。

LR. 拉克代夫洋脊; LB. 拉克代夫盆地; CLR. 查戈斯‒拉克代夫脊。

图9 新生代以来印度扇近海盆地演化剖面

结合上述区域构造演化历史, 在地震资料构造解析的基础上, 运用2DMove软件对剖面③(图2)进行平衡剖面恢复。该剖面自西向东依次穿过阿曼深海平原、默里脊系统(小默里脊、北默里脊、真纳海槽、南默里脊、达尔林普尔海槽)和印度扇近海盆地(派肯凹陷、索什特拉凸起), 长达260 km, 能够很好地揭示新生代以来研究区的构造演化。

印度扇近海盆地新生代地层层序发育完全, 但默里脊系统由于火山活动频发而缺失部分地层。根据平衡剖面的恢复结果, 可将印度扇北缘新生代以来的构造演化划分为4个阶段:

(1) 古‒始新世初始伸展断陷期: 古‒始新世印度扇近海盆地东部的索什特拉凸起发育生物礁, 达尔林普尔海槽沉积厚度较大, 小默里脊和北默里脊持续隆升, 部分地区不接受沉积。区域内北西向断层控盆格局已基本形成, 整体上断层持续活动(图9a)。

(2) 渐新世‒早中新世稳定沉积期: 该时期印度扇北缘断层活动微弱, 下中新统广泛发育, 地层间为整合接触; 由于达尔林普尔海槽边缘断层持续发育, 在达尔普林尔海槽东侧沉积厚度较大, 小默里脊和北默里脊持续隆升, 沉积地层仍不发育; 印度扇近海盆地东部的索什特拉凸起生物礁仍持续生长, 不接受沉积(图9b～d)。

(3) 中‒晚中新世张扭断陷期: 该时期印度扇近海盆地正常沉积, 仍为整合接触, 但由于区域走滑导致西部抬升, 沉积范围变小; 默里脊系统岩浆上涌, 先前沉积的地层被大量剥蚀, 并出现大量断层; 派肯凹陷西部岩浆开始上涌, 地层变形(图9e～f)。

(4) 热沉降期: 上新世以来, 整个印度扇北缘大面积接受沉积, 仅发育少量小型断层; 北默里脊地层被少量剥蚀; 第四纪以来仅发育少量不贯穿顶层地层的小型断层(图9g～i)。

5 结 论

通过对印度扇盆地构造研究, 得出以下新认识:

(1) 印度扇近海盆地属于被动陆缘的洋陆过渡带, 由派肯凹陷、索拉斯特拉凸起和索拉斯特拉隆起组成, 呈凹‒隆相间的构造格局; 默里脊系统由小默里脊、北默里脊、南默里脊以及中间的真纳海槽、达尔林普尔海槽组成, 默里脊系统总体表现为右行张扭性质, 以小默里脊为界, 以西为正在低速扩张的洋壳基底, 以东为减薄的陆壳。

(2) 印度扇下部发育SDRs、HVZ以及巨厚的玄武岩沉积, 属于火山型被动陆缘。

(3) 印度扇火山型被动陆缘的演化主要经历了90 Ma马达加斯加板块和印度板块裂解、68 Ma塞舌尔微板块和印度板块裂解2个阶段, 裂解事件与马里昂热点、德干热点和留尼旺热点活动有关。新生代以来印度扇北缘的构造演化可分为古‒始新世初始伸展断陷期、渐新世‒早中新世稳定沉积期、中‒晚中新世张扭断陷期和上新世以来的热沉降期4个阶段。

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Structural Properties and Tectonic Evolution of the Western Indian Continental Margin

CHENG Haohao1, 2, SUO Yanhui1, 2*, LI Sanzhong1, 2, LIANG Jie3, YANG Chuansheng3, WANG Guangzeng1, 2, ZHOU Jie1, 2, YU Haiyang1, 2and WANG Xinyu1, 2

(1. Frontiers Science Center for Deep Ocean Multispheres and Earth System, Key Lab of Submarine Geosciences and Prospecting Techniques, MOE and College of Marine Geosciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, Shandong, China; 2. Laboratory for Marine Mineral Resources, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266100, Shandong, China; 3. Qingdao Institute of Marine Geology, CGS, Qingdao 266071, Shandong, China)

The western Indian continental margin is located at the intersection of the Indian Plate, Arabian Plate and Eurasian Plate, developed within a complex tectonic setting. There are few researches on the structure and properties of the Indian continental margin, and its crustal type of the first-level tectonic unit remains controversial. Based on the tectonic interpretation of seismic profiles, we analyzed the geological structure of the Indus Fan offshore basin, Murray ridge system and Laxmi Ridge. Our results indicate that the Indus Fan offshore basin belongs to the ocean-continent transition zone of the passive continental margin. The dextral transtensional Murray ridge system is subdivided into two parts by the little Murray Ridge, the western part is characterized by slow-spreading oceanic crustal basement, whereas the eastern part is characterized by thinning continental crust. The Laxmi ridge has a thinning continental crust. The Indus fan belongs to the volcanic passive continental margin, characterized by the seaward dipping reflectors (SDRs) and the high velocity lower crust(HVZ). Formation of the continental margin is related to the multi-stage rifting events and the accompanying magmatic events between Madagascar, Seychelles and Indian since the Cretaceous. The balanced profile across the Indus fan offshore basin reveals that it experienced four tectonic stages during the Cenozoic, including the initial rifting period from the Paleocene to the Eocene, the stable sedimentary period from the Oligocene to the Early Miocene, the Middle- Late Miocene transtensional faulting stage, and the thermal subsidence stage since the Late Miocene.

the western Indian continental margin; volcanic passive continental margin; crustal structure; tectonic evolution

2020-08-15;

2020-10-30

国家自然科学基金项目(91958214、41976054)、国家科技重大专项(2016ZX05004001-003)、泰山学者项目对李三忠和刘永江教授的资助和青岛创新领军人才(19-3-2-19-zhc)、中国地质调查局青岛海洋地质研究所《区域构造特征研究》项目(QCZ2019-011627122)联合资助。

程昊皞(1997–), 男, 硕士研究生, 海洋地质专业。Email: 794455495@qq.com

索艳慧(1987–), 女, 副教授, 硕士生导师, 从事构造地质学及海洋地质学研究。Email: suoyh@ouc.edu.cn

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1001-1552(2021)05-0851-010

10.16539/j.ddgzyckx.2021.05.002