地球科学进展

地球科学进展 ›› 2023, Vol. 38 ›› Issue (7): 729 -744. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2023.038

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中国西部新生代陆内前陆盆地迁移过程及其构造指示意义
李超 1( ), 陈国辉 1, 何智远 2, 王平 3, 薛飞 1, 施一凡 1   
  1. 1.河海大学 地球科学与工程学院, 江苏 南京 211100
    2.根特大学 地质系, 根特 281S8, 比利时
    3.南京师范大学 地理科学学院, 江苏 南京 210023
  • 收稿日期:2023-04-27 修回日期:2023-06-02 出版日期:2023-07-10
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目“塔北和准南前陆盆地演化对天山深部结构的揭示”(42102250);“库车前陆盆地多尺度地质过程的热效应研究”(42072153)

Migration Processes of the Cenozoic Intracontinental Foreland Basins in Western China and Their Tectonics Implications

Chao LI 1( ), Guohui CHEN 1, Zhiyuan HE 2, Ping WANG 3, Fei XUE 1, Yifan SHI 1   

  1. 1.School of Earth Sciences and Engineering, Hohai University, Nanjing 211100, China
    2.Department of Geology, Ghent University, Ghent 281S8, Belgium
    3.School of Geography, Nanjing Normal University, Nanjing 210023, China
  • Received:2023-04-27 Revised:2023-06-02 Online:2023-07-10 Published:2023-07-19
  • About author:LI Chao (1989-), male, Huaian City, Anhui Province, Lecturer. Research areas include tectonics, sedimentology and basin analysis. E-mail: lichao2019@hhu.edu.cn
  • Supported by:
    the National Natural Science Foundation of China “Deep structures of the Tian Shan unraveled by the evolution of the bilateral foreland basins”(42102250);“Quantifying the thermal effects of multi-scale geological processes within the Kuqa foreland basin”(42072153)
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中国西部新生代陆内前陆盆地的迁移过程反映了与其耦合的造山带的缩短隆升历史。通过综述恢复前陆盆地迁移过程的研究方法及其与地壳缩短过程的定量关系，阐明了前陆盆地迁移过程的构造指示意义。横跨前陆盆地的地震反射剖面可显示盆地内的地层上超或砾岩—砂岩过渡带迁移，反映盆地迁移过程；结合磁性地层学约束的地层年龄，可获得迁移速率；该速率的变化对应前陆盆地基底相对造山带的俯冲速率变化，反映造山带吸收的地壳水平缩短速率变化。通过对比分析西昆仑山北侧及天山南、北侧的陆内再生前陆盆地的迁移过程，发现约30 Ma以来西昆仑山和天山的地壳缩短速率变化趋势和变形模式均不相同，可能反映二者造山的动力学机制差异。该方法未来还有望应用于青藏高原东北缘以恢复高原生长过程。

关键词: 前陆盆地, 迁移速率, 盆山耦合, 缩短速率, 地震反射剖面

The migration processes of the Cenozoic intracontinental foreland basins in western China provide valuable insights into the shortening and uplifting histories of coupled orogenic belts. A comprehensive review of the research methodologies used to reconstruct foreland basin migration and its quantitative relationship with crustal shortening enables us to uncover the structural implications of this process. Seismic reflection profiles crossing the foreland basins image the stratal onlaps and conglomerate-sandstone transitions in the basins. Based on the interpretations of seismic profiles, the migration rate of foreland basins can be determined by integrating stratigraphic age constraints derived from magnetostratigraphy. The variations in the rates correspond to the variations in the underthrusting rates of the foreland basin basement relative to the orogenic belts, revealing changes in the horizontal crustal shortening rates absorbed by the orogenic belts. Through a comparative analysis of the migration processes of the rejuvenated intracontinental foreland basins on the northern side of the West Kunlun Mountains and the southern and northern sides of the Tianshan Mountains, these two mountains contrast markedly in terms of crustal shortening rates and deformation patterns since approximately 30 Ma. The contrast between these mountains indicates differences in their dynamic mechanisms. Furthermore, this method holds great potential for future applications in unraveling the growth process of the northeastern margin of the Qinghai-Tibet Plateau.

Key words: Foreland basin, Migration rate, Basin-mountain coupling, Shortening rate, Seismic profiling

中图分类号: 

图1 塔西南、库车和准南前陆盆地系统在印度—欧亚大陆碰撞系统内的位置图
（a）塔西南、库车和准南前陆盆地的位置；（b）一条横跨青藏高原西缘和天山的地形条带剖面；（c）青藏高原—塔里木—天山地区岩石圈的综合结构剖面；岩石圈结构从天然地震数据和深反射剖面获得 ［ 1 - 7 ］
Fig. 1 The southwestern Tarim， Kuqa and southern Junggar foreland basin systems in the India-Asia collisional system
（a） Locations of the southwestern Tarim， Kuqa and southern Junggar foreland basins；（b） A topographic swath profile across the Tibet Plateau and the Tianshan Mountains；（c） Integrated schematic cross-section in the western Tibet-Tarim-Tianshan Mountains region. The lithospheric structure derived from the seismic data and deep reflection profiling ［ 1 - 7 ］
图2 前陆盆地—造山楔系统示意图（据参考文献［ 31 ］修改）
（a）前渊沉积带内的地层上超点和砾岩—砂岩过渡带；（b）前陆沉积层内地层上超速率 VO 记录盆地前隆的迁移速率 VF； Fa ：汇入造山楔的物质通量， Fe ：被剥蚀的物质通量；（c）前陆沉积层的地层年代学示意图
Fig. 2 Schematic diagram of foreland basin-thrust wedge systems （modified after reference ［ 31 ］）
（a） Stratal onlap points and conglomerate-sandstone transitions in the foredeep depozone； （b） The migration rate of forebulge （ VF ） is recorded by the stratal onlap rate of foreland sedimentary layer （ VO ）； Fa ： The influx of material into the topographic wedge， Fe ： Erosional flux；（c） Chronostratigraphy of the foreland sedimentary layer in foreland basins
图3 横跨塔西南前陆盆地的地震反射剖面AA’显示的盆地内地层上超点（据参考文献［ 33 ］修改）
（a）未解释的地震剖面，剖面位置见图1，为方便展示，原始剖面被垂直放大约6倍；（b）地震剖面解释结果与新生代前陆沉积层中的反射面的追索线，蓝色圆点代表反射面终结点；（c）剖面配套钻井K的地层剖面与柯克亚剖面 ［ 42 ］和阿尔塔什剖面 ［ 43 ］的对应关系；（d）塔西南前陆盆地内AA’剖面显示的上超点相对造山带的位置与上超点对应地层年龄统计图（据参考文献［ 33 ］修改）
Fig. 3 The seismic reflection profile AA’ crossing the southwestern Tarim foreland basin images the stratal onlap points in the basin （modified after reference ［ 33 ］）
（a） Uninterpreted seismic reflection profile. See location in Fig. 1. For display purposes， the original profile has been vertically exaggerated by approximately six times. （b） Interpretation of the seismic reflection profile and seismic reflectors tracing lines in the Cenozoic foreland layer. Blue solid circles represent seismic reflector terminations. （c） Correlation between the stratigraphic column of borehole K， the Kekeya ［ 42 ］ and Aertashi ［ 43 ］ magnetostratigraphic sections. （d） Plot of distances from the range versus the onlap points and their correlating ages through time imaged by profile AA’ in the southwestern Tarim foreland basin （modified after reference ［ 33 ］）
图4 横跨准南前陆盆地的反射地震剖面CC’显示的前陆沉积地层内砾岩—砂岩过渡带（CSTs）向前陆方向迁移（据参考文献［ 35 ］修改）
（a）解释的地震剖面；（b）砾岩—砂岩过渡带的迁移轨迹，地层边界年龄据参考文献［ 50 - 51 ］确定；（c）地震剖面位置见图1准南前陆盆地内剖面CC’显示的新生代前陆沉积层序内砾岩—砂岩过渡带相对天山的位置与对应地层年龄统计图
Fig. 4 Interpreted seismic profiles CC’ across the southern Junggar foreland basin shows the forelandward migration of the Conglomerate-Sandstone Transitions （CSTs） in the foreland sedimentary layer （modified after reference ［ 35 ］）
（a） Interpreted seismic profile； （b） The trace line of the Conglomerate-Sandstone Transitions. The ages of the boundaries of the formations are determined by references ［50-51］. See location of the seismic profile in Fig. 1 （c） plot of the distances from the Tianshan Mountains range versus the conglomerate-sandstone transitions and their correlating ages through time imaged by profile CC’ in the southern Junggar foreland basin
图5 造山带—前陆盆地系统内地层上超与造山楔地壳缩短的关系示意图
（a）前陆盆地前隆迁移速率与造山带缩短变形相关速率的关系（据参考文献［ 28 ］修改）， VC ：俯冲板块与造山带水平汇聚速率， VS ：造山带吸收的地壳缩短速率， VU ：俯冲板块相对造山带楔顶点的俯冲速率， VF ：前隆迁移速率， VP ：造山楔的扩展速率；（b）前陆沉积地层上超速率（ VO ）、前陆沉积地层内砾岩—砂岩过渡带迁移速率（ V CST）与前隆迁移速率（ VF ）的关系
Fig. 5 The scheme defining the relationship between the stratal onlap and the crustal shortening in orogenic belt-foreland basin systems
（a） The relation between the migration rate of the forebulge in foreland basins （ VF ） and various rates in continental orogenic wedges （modified after reference ［ 28 ］）， VC ： convergence rate between the underthrusting plate and the orogenic belt； VS ： crustal shortening rate absorbed by the orogenic belt； VU ： underthrusting rate of the underthrusting plate relative to the wedge top of the orogenic belt； VP ： propagation rate of the orogenic wedge. （b） The relation between the stratal onlap rate in the foreland sedimentary layer （ VO ）， the migration rate of the conglomerate-sandstone transition （ V CST） and the forebulge （ VF ）
图6 穿过库车前陆盆地的地震剖面BB’ 显示的前陆沉积层序上超点（据参考文献 ［ 34 ］修改）
（a）已解释的地震剖面，为方便展示，原始剖面被垂直放大约6倍，剖面位置见图1；（b）前陆沉积层内地震波反射面追索结果，及其与磁性地层学年龄的对应关系，箭头指示反射面的终结点，蓝色虚线标注向前陆方向的上超点的底部包络面，磁性地层柱的年龄来自参考文献［ 72 - 73 ］；（c）剖面BB’内上超点相对天山的位置与上超点对应地层年龄统计图
Fig. 6 The forelandward onlap points imaged by the profile BB’ across the Kuqa foreland basin （modified after reference ［ 34 ］）
（a） Interpreted seismic profiles are shown， the original profiles have been vertically exaggerated by approximately six times for better visualization， see Fig. 1 for location of the profile； （b） Tracing lines of seismic reflectors in the foreland sedimentary layer and correlation between the magnetostratigraphic ages and seismic reflectors， the arrows indicate reflector terminations， the magnetostratigraphic column is from references ［72-73］； （c） Plot of distances from the Tianshan Mountains range versus the onlap points and their correlating ages through time imaged by profile BB’
图7 印度—欧亚大陆汇聚速率与前陆盆地迁移速率反映渐新世以来西昆仑山和天山缩短速率的理论最大值
橙色和蓝色实线分别代表西昆仑山和天山吸收的地壳缩短速率上限，数据来自参考文献［ 33 - 35 ］；橙色和蓝色虚线分别代表西昆仑山前和田褶皱冲断带和天山山前库车褶皱冲断带吸收的缩短速率，数据来自参考文献［ 76 ， 87 ］。黑色虚线和实线均代表印度—欧亚大陆汇聚速率，数据来自参考文献［ 88 - 89 ］
Fig. 7 Convergence rate of India-Eurasia and the theoretical maximum shortening rates of the western Kunlun and Tianshan Mountains orogens since the Oligocene revealed by the migration rates of the foreland basins
The orange and blue solid lines indicate the maximum crustal shortening rate accommodated by the West Kunlun mountains and the Tianshan mountains respectively， with data from references ［33-35］； The orange and blue dashed lines represent the average shortening rate of the Hetian and Kuqa fold-and-thrust belts respectively， with data from references ［76， 87］. The black solid and dashed lines both represent the convergence rate for the India-Eurasia collision， with data from references ［88-89］
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