莫桑比克盆地構造演化與沉積充填特征

高 雅, 唐 勇, , 解習農

(1. 中國地質大學(武漢) 海洋學院, 湖北 武漢 430074; 2. 自然資源部第二海洋研究所, 浙江 杭州 310012)

莫桑比克盆地是沿東非邊緣發育的最古老的裂谷盆地之一。隨著南極洲在侏羅紀與非洲的分離, 該盆地范圍內保留了大量與構造運動相關的信息。其勘探程度總體比較低, 近十年的研究主要依托于重磁數據及地震資料, 多數位于盆地北部, 其中以海底擴張的討論最為廣泛。最早Segoufin[1]追溯到莫桑比克盆地以東最早的東西向磁異常條帶為M22(約為150 Ma), 并在此基礎上提出了非洲和南極洲之間南北向擴張的觀點; K?nig和Jokat[2]大體上認同已有的模式并基于對新數據的分析使磁異常條帶在莫桑比克盆地最北端研究區識別至M26(約155 Ma), 由此推測洋陸轉換邊界比前人的設想更靠近岸邊; 在18.5°S以北, 由于侏羅紀磁靜區(Jurassic Magnetic Quiet Zone)的弱磁場, 磁異常條帶無法識別, 但根據這一地區地殼結構特征, 通過模擬研究區的擴張速度并向北外推, Leinweber[3]推測莫桑比克北-西邊緣最老的磁異常條帶可以追溯到M41n, 約為166 Ma。除此之外, 早期有部分學者對該盆地展開了沉積方面的調查, 但存在一定的局限性, 大多以局部區域的巖性柱描述為主, 目前對于莫桑比克盆地整體的構造演化和沉積充填依舊缺乏系統的歸納。本文在前人的研究基礎上, 對莫桑比克盆地的構造演化過程進行了階段性的劃分, 揭示了其幕式的構造演化, 并在此框架下進一步闡明不同時期的沉積充填特征及影響因素。

1 區域地質概況

1.1 地理位置及盆地構造區劃

莫桑比克盆地位于西南印度洋的非洲東南部與馬達加斯加之間, 面積約為47 000 km2[4-5]。盆地西北與前寒武紀津布巴韋克拉通相接, 北鄰馬拉維及莫桑比克褶皺帶, 西部及西北為岡瓦納古陸裂解初期大規模巖漿作用下形成的林波波單斜及馬泰克-沙比單斜, 向東邊延伸至莫桑比克海峽-深海平原一帶, 其中北部以Davie斷裂帶為界, 而南部的裂谷邊緣被認為是南極洲向南移動的結果, 莫桑比克海脊與盆地以納塔爾谷相隔。盆地的演化受岡瓦納古陸裂解及南極洲漂移的影響, 整體上為東非邊緣陸內裂谷盆地, 下部為石炭系-侏羅紀斷陷型盆地, 上部為白堊紀-新生代坳陷型盆地。

自白堊紀以來, 莫桑比克盆地中部沿岸帶發育兩大斷裂系統, 即贊比西構造體系及伊尼亞明加構造體系[6], 共同構成復雜斷裂帶。盆地內可見兩組走向明顯不同的斷層(圖1), 分別為北西-南東的正斷層和近南北走向的伸展正斷層, 形成了方向不同的地塹和半地塹構造。其中北西-南東走向的贊比西地塹為贊比西構造體系的一部分, 主要由邊界斷層組成, 盆地西南被東北-西南向Urema地塹橫切; 南北向Shire地塹和Urema地塹組成伊尼亞明加構造體系, 往南延伸至Chissenga地塹, 成為東非裂谷系向南延伸的一部分。橫切關系反映出贊比西構造體系的形成早于新生代早期的伊尼亞明加構造體系。整體的構造樣式反映了其后期坳陷沉降的特征。

圖1 區域地質概況與盆地構造樣式圖(修改自文獻[6-8]) Fig. 1 Regional geological survey and structural style of the basin (modified after [6-8])

1.2 大地構造背景

在泛非運動構造期(前寒武紀至寒武紀), 大陸群聚合形成岡瓦納古陸, 持續至晚石炭世, 古陸進入Karoo裂谷階段, 并隨著Karoo地幔柱的活動, 東西岡瓦納從非洲南部、南極洲以及南美洲的結合處開始解體[9-10]: 特提斯洋從南邊被打開, 區域性北向海侵; 到晚侏羅世初期, 由馬達加斯加、印度、南極洲與澳大利亞組成的東岡瓦納從現今索馬里盆地位置沿著Davie斷裂帶近南向走滑[11-13], 形成右行剪切型邊緣; 同期非洲東部海底擴張, 北特提斯洋打開, 在晚侏羅世-早白堊世南北貫通。早白堊世時期約121 Ma, 馬達加斯加于現今位置停止漂移[14], 標志著東非整體裂谷演化階段的結束。在被動大陸邊緣背景下, 東非大陸邊緣形成了一系列的伸展沉積盆地[15-17]。

2 盆地構造演化階段劃分

莫桑比克盆地構造演化總體上可以劃分為兩大階段, 分別為斷陷期及坳陷期(圖2)。晚石炭世時期, 由于岡瓦納古陸的差異性抬升, 莫桑比克盆地作為西岡瓦納的一部分隨之開始了斷陷I期; 隨著南極洲沿著剪切帶的東南向移動, 莫桑比克盆地開始了斷陷II期, 盆地向東延伸, 產生陸殼減薄區, 與斷陷I期以早侏羅世為界。張裂進一步導致東西岡瓦納古陸的裂解, 盆地整體處于大陸邊緣裂谷階段。10~30 Ma后在晚侏羅世中期開始海底擴張階段[2-3,17-20], 洋殼生成, 在盆地內形成破裂不整合界面。早白堊世后, 盆地逐漸形成穩定的被動大陸邊緣, 但在晚白堊世與漸新世-中新世時期出現構造反轉, 盆地經歷了兩期擠壓作用, 構造抬升使得剝蝕量大幅度增加并形成不整合界面。

圖2 莫桑比克盆地地層柱狀圖(修改自文獻[21-22]) Fig. 2 Integrated stratigraphic column of the Mozambique Basin (modified after [21-22])

3 盆地沉積充填演化特征

3.1 盆地整體地層格架

莫桑比克盆地基底為Karoo玄武巖, 局部發育晚侏羅早期裂陷湖盆沉積。裂后期晚侏羅世、白堊紀和新生代地層遍及整個盆地, 沉積物整體上向東及北邊增厚, 具有明顯的不對稱性, 在贊比西三角洲沉降區達到最大厚度。晚侏羅世晚期(約距今約160 Ma)盆地東側巖石圈裂解開始出現海底擴張, 同期形成了明顯的跨盆地級的破裂不整合界面, 隨后盆地充填環境發生明顯改變, 以海陸過度相沉積為主。白堊紀持續的海侵使得區域性海平面上升, 在早白堊世中期形成了連通的海相盆地, 整體上形成近南北向展布的陸相、海陸過渡相及海相沉積。新生代沉積序列隨海平面不斷升降變化, 發育海相碎屑巖、碳酸鹽巖臺地、三角洲和濁流沉積。始新世海侵達到最大值并在晚期開始海退。中始新世以來, 莫桑比克盆地沿岸帶發育三角洲復合體, 始新世晚期由于廣泛的侵蝕, 存在沉積間斷。在中新世早期以過渡相為主, 形成蒸發巖。中期出現短暫的海侵后持續海退, 在上新世以海相-陸相沉積為主。

3.2 斷陷期沉積充填特征

斷陷期沉積主要受斷層的控制, 在斷陷I期, 岡瓦納地區的陸相Karoo沉積一直持續到早侏羅世(距今約183 Ma[23]), 廣泛分布于東非大陸。較老的Karoo群沉積于最古老的地塹中, 其中大部分占據了現今盆地最深的部分。典型的Karoo群從底到頂依次由冰蹟巖、煤系地層、扇三角洲碎屑巖和玄武巖組成, 厚度可達到3 000 m。斷陷II期, 盆地陸殼的拉張減薄伴隨著大規模的火山活動, Karoo群普遍遭受火成巖的侵位, 形成大火成巖省。Karoo火成巖一般覆蓋著Karoo群的各種沉積地層, 主要由拉斑熔巖流、長英質火山碎屑巖及相關的巖脈群和硅質巖組成, 在莫桑比克盆地西邊最突出的單元為馬泰克-沙比單斜及林波波單斜(圖1), 形成于距今184~179 Ma[24]。岡瓦納古陸解體后盆地處于大陸邊緣裂谷階段, 由此開始斷陷III期, 盆地內廣泛分布斷陷期形成的地塹單元, 在鏟式斷層的作用下產生旋轉斷塊, 半地塹、地塹被楔形的沉積物充填。

3.3 坳陷期沉積特征

3.3.1 晚侏羅世沉積特征

晚侏羅世中期海底擴張開始, 盆地內部存在明顯的伸展-走滑的應力轉換, 走滑作用占據主導[25]。在莫桑比克盆地南部沉積超過900 m的陸源紅層(即圖2中red beds), 并向西延伸; 同期在盆地北部贊比西一帶形成陸源砂巖Laputa組(圖3), 其中可見部分火成巖, 在贊比西河入?？谝粠мD變為三角洲沉積, 以砂質黏土為主。

圖3 晚侏羅世時期沉積展布圖(修改自文獻[16]) Fig. 3 Sedimentary distribution in the Late Jurassic (modified after [16])

3.3.2 早白堊世沉積特征

早白堊世的沉積具有多樣性, 主要表現為海相、陸相和過渡相共存(圖4a)。盆地西部海水未覆蓋的區域主要為陸源碎屑沉積, 而在東側出現濱淺海及三角洲沉積。在白堊世早期的初期海侵中, 海平面整體比較低, 在林波波河與贊比西河穩定的物源供應條件下, 現今大陸架邊緣區發育海底扇, 對古陸坡的位置有一定的指示作用。東部深海陸坡一帶沉積海相深水頁巖。整體上, 古陸架邊緣呈現向海進積的沉積特征。與此同時, 巖漿活動并未完全停止, Mahanjane[19]在Beira高地一帶的地震剖面中識別出了熔巖流, 而盆地中南部的鉆井巖心中也發現各個沉積組中存在以鋰輝巖和玄武巖為主的早白堊世火成巖[16]。

分布在中南部的Maputo組、Lower Domo組與北部Sena組為同期沉積巖層。Maputo組沉積淺水海綠石-石英砂巖和與泥巖相間的砂質灰巖, 覆蓋在玄武巖或陸源紅層上。Lower Domo 組以暗色海相泥頁巖為主, 偶爾可見長石砂巖, 厚度為700~1 500 m, 不整合沉積于Karoo火成巖之上[26], 超覆于Maputo組之上。北部的贊比西地塹中, 陸相砂巖Sena組沉積于早侏羅紀火成巖之上, 向東橫穿Urema地塹, 其組內底部可見火山巖夾層(lupata volcanics), 為Karoo沉積和后Karoo沉積的標志性分界。

白堊紀中期, 在阿爾必階晚期出現短暫的海退, 盆地東部沉積沒有間斷, 但盆地邊緣及更遠的北部, 早晚白堊世之間, 即阿爾必階晚期和森諾曼階初期間的沉積地層存在邊緣不整合[27]。 除此之外, 根據Forster[27]對獲取巖心的分析, 盆地內部Maputo河地區的巴雷姆階時期沉積序列及中期沉積厚度達到500~600 m, 60 km以北, 厚度減少到60~90 m, 缺乏-巴雷姆階-阿爾必階時期沉積的下部巖層; Maputo河以北170 km, 僅有坎帕階和馬斯里奇特階時期沉積物覆蓋于Karoo火成巖; 另一方面, 在早白堊世中期到晚白堊世中期, 雖然盆地南北部的沉積輸送通量均存在大幅度增加的趨勢, 但是存在南早北晚的差異[22,28], 這些都說明盆地內存在從南向北連續增加的剝蝕, 長時間的構造隆升將莫桑比克南部的沉積盆地與贊比西一帶分隔開。

圖4 早白堊世時期(a)和晚白堊世時期(b)沉積展布圖(修改自文獻[16]) Fig. 4 Sedimentary distribution in the Early Cretaceous (a) and the Late Cretaceous (b) (modified after [16])

3.3.3 晚白堊世沉積特征

晚白堊世以來莫桑比克盆地形成穩定的被動大陸邊緣, 并發育3個海相沉積組。晚期伴隨著大規模的持續海退, 在盆地邊緣存在麥斯里希特階末期的沉積間斷, 形成邊緣不整合面。巖漿活動依舊存在于北部海峽一帶, 與印度和馬達加斯加的分離及馬斯克林盆地的形成有關[25,29]。開放的海洋環境使得莫桑比克海峽在這一時期開始出現始于索馬里一帶的南北向底流, 對海底扇的沉積有一定的限制作用。在洋流的作用下, 北部貝拉高地一帶可見等深流沉積[30], 同期在南部也發育沉積物波。

Domo Sands組為晚白堊世底層沉積組, 分布在盆地中部的淺水陸架, 由于這一時期海平面的旋回變化, 該沉積組以海綠石石英砂巖及暗色泥巖互層為特征(圖4b), 總厚度達到200~250 m, 向東部及南部, 砂巖含量減少, 泥巖為主要沉積物。Upper Domo Shales組為晚白堊世中層沉積組, 分布于盆地中南部, 是黏土密集層, 總體上厚度約600~650 m。Domo組整體沿著西北向巖性均發生變化, 以大陸砂礫巖為主, 成為Sena組的一部分, 在贊比西一帶厚度達到2 500 m。

Lower Grudja組占據晚白堊世頂部, 在盆地中部廣泛分布, 沿著贊比西三角洲沉降帶西側發育, 厚度可達1 100~1 200 m, 以黏土為主, 其中可見厚度從幾米到五十米不等的海綠石石英砂巖層, 分布在沿岸帶, 是在淺水陸架環境中形成的埋藏淺灘和沙壩。由于白堊紀末期的海退, 該組在盆地南部的高地和地壘區域普遍遭受剝蝕。向東在大陸斜坡廣泛沉積頁巖層, 向西堆積陸相和沿海陸源沉積物[25]。

中-晚白堊世時期, 在贊比西一帶沉積物通量大幅度增加[22,30], 莫桑比克盆地南部[28]和非洲南邊Outeniqua盆地[31]及Orange三角洲[32-33]也出現同樣的現象, 指示在這一時期存在擠壓作用, 造成了南非整體的構造抬升[34], 沉積物剝蝕量迅速增加, 在莫桑比克北部沿陸架-陸坡產生濁流。大量物源輸送的條件下, 現今贊比西一帶深水區陸隆形成海底扇, 受到底流的影響, 扇體遠端沉積中心存在明顯的南移, 使得其南側的坡度比北面緩, 并形成沉積物波[30]。

3.3.4 新生代沉積特征

古新世以來, 由于陸源碎屑輸入量較低[35], 碳酸鹽沉積占據主導, 在中始新世-漸新世其含量達到最大值, 盆地范圍有83%被覆蓋, 主要集中在沿岸帶[28]。隨著中新世物源輸入的增加, 晚中新世時期沉積中心向海偏移, 上新世-更新世碳酸鹽含量也迅速減少。

始新世晚期開始的海侵, 在末期達到最大海泛面, 以此可以將新生代的沉積劃分為古近世-始新世及漸新世-新近紀兩個階段。晚始新世在陸架邊緣地帶存在沉積間斷, 出現廣泛的侵蝕, 形成不整合面。在非洲周邊的許多邊緣盆地中, 漸新世期間的沉積都很薄或者缺失[36]。中中新世短暫的海侵后, 大范圍的海退持續至今。

古近世-始新世沉積序列包含Upper Grudja組和Cheringoma組, 以淺水陸架沉積為主, 向東延伸至大陸坡深水相, 泥質、頁巖及灰質泥巖含量[16]。Upper Grudja組以灰巖為主, 含有海綠石砂巖及泥質黏土, 總厚度達到300~400 m; Cheringoma組沉積含有黏土和鈣質砂巖的含鈣灰巖, 厚度約為250 m, 廣泛分布在沿岸帶。

古新世以來, 古陸架淺海一帶發育生物礁, 并持續至晚始新世。礁體成帶狀延伸分布于古陸架邊緣帶, 大致平行于海岸線。古新世礁體位于大陸架外緣贊比西三角洲坳陷中部, 向東受到水深的限制, 主要沉積泥頁巖; 早始新世礁體以層間疊加的砂質灰巖、砂巖和泥灰巖為代表, 分布在Upper Grudja組的上半部, 在北部贊比西一帶礁體的連續性被幾個穿過古陸架的下切谷打斷; 中-晚始新世礁體發育面積達到最大, 但在始新世后, 構造抬升及大量的陸源物質輸入便生物礁不再發育。整體上, 礁體的生長不斷向陸側遷移, 表明這一時期存在持續的海侵。

漸新世-新近紀, 林波波和贊比西一帶發育三角洲沉積。贊比西古三角洲的三角洲扇也包含了龐格河和布茲河古三角洲的沉積物, 由礫巖、砂、黏土互層組成。其凹陷內填充陸源沉積, 沉積速率高于沉降速率, 導致三角洲平原向東進積。林波波河三角洲復合體沉積于海相盆地, 陸源物質大量減少, 沉積主要集中在沿海平原。盆地中部贊比西河和林波波古三角洲之間新近紀的沉積主要分布在淺水陸架, 中新世的沉積分布最廣, 包含Inharrime, Temane和Jofane三個沉積組。由于漸新世晚期的海退, 早中新世和中新世大多為潟湖環境, Inharrime組沉積紅色白云巖、紅色黏土和砂巖, 厚度達到100~350 m。Temane組由一層厚的含石膏蒸發巖組成, 主要分布在中部Save河一帶。Jofane以海相灰巖、砂屑灰巖、砂質灰巖為特征, 遍及整個沿海平原, 厚度可達200 m。

自漸新世以來, 由于大量的物源輸入, 贊比西三角洲一帶沉積速率非常高[22,30], 濁流沉積發育, 沿陸坡形成海底峽谷。但是在盆地南部, 沉積物的輸入自中新世開始才逐漸增加[28]。一方面, 北部地塊的快速向東傾斜導致贊比西陸上地層強烈抬升, 與南部形成差異性構造演化; 另一方面, 考慮到漸新世的侵蝕不整合, 存在著晚漸新世大量沉積物被剝蝕并重新分布的可能性。這一時期物源輸入的變化可能與東非裂谷體系的發育有關, 一系列斷裂運動向南延伸, 對東邊盆地存在一定的擠壓作用。贊比西三角洲形態在中新世有明顯的改變, 沉積物的分布出現傾斜特征, 在河口沿東南向呈條帶狀沉積, 表明存在從北到南流經莫桑比克海峽, 匯入阿古拉斯流的海流[22], 控制了沉積物的展布。新近記以來, 莫桑比克海脊南部一帶也開始受到洋流主控的一系列沉積, 阿古拉斯流、南極中層流、北大西洋深層流及南極底層流沿著大陸與海脊邊緣形成穩定的洋流循環系統[37], 在地震剖面中可見對沉積地層的侵蝕作用及在等深流沉積中形成的漂積體[38-39]。

上新世沉積形成于一個廣泛的海退期, 分布在莫桑比克盆地大部分地區, 為古沙丘、河流階地和湖泊的陸相沉積, 海洋沉積物分布在現今陸架內, 由于贊比西河流域范圍的擴大, 物源輸送比較充足, 在贊比西三角洲的沉積達到最大厚度。

4 結論

1) 在岡瓦納古陸的裂解背景下, 結合東非的區域性演化特征, 莫桑比克盆地的構造演化可以劃分為斷陷期與坳陷期, 分別對應裂谷階段和被動大陸邊緣階段。

2) 受到構造演化的控制, 盆地整體的沉積環境及物源輸入條件隨之變化, 使得在不同時期沉積體系與沉積充填具有不同的特征。斷陷期, 陸源碎屑大多充填于張裂地塹; 坳陷初期, 海陸過度相發育, 隨后海相沉積范圍不斷擴大, 并且在海峽一帶出現穩定的底流, 對沉積的改造作用使得沉積產物更加多樣化; 坳陷中晚期, 晚白堊世末和漸新世末兩次構造抬升導致沉積環境改變, 其中漸新世末以來碳酸鹽沉積占據主導。顯然, 盆地內沉積充填主要受構造抬升與海平面變化的影響。