前陆盆地

波斯湾 - 由札格罗斯造山带形成的前陆盆地

前陆盆地是一个与造山带相邻，并且平行发展的构造盆地。由于造山运动使得地壳增厚，巨大的重量让岩石圈弯曲，使得前陆盆地产生，这也是大家熟悉的地壳均衡。前陆盆地的宽度与深度取决于下方岩石圈的弹性刚度以及造山带的特性。从邻近造山带被侵蚀的沉积物，堆积在前陆盆地中，形成厚沉积序列。前陆盆地是由于板块聚合、上方荷重增加而形成；若是因为板块张裂产生的沉积空间，则称为张裂盆地。

前陆盆地的类型

前陆盆地分为两种类型:

• 边缘盆地:由于板块碰撞、隐没而形成的前陆盆地。
  • 例如：欧洲北部的阿尔卑斯前陆盆地、亚洲的恒河盆地。

• 弧后（尾弧）盆地:由于海洋板块下沉的拉力，位于隐没带－火山弧之后的前陆盆地。
  • 例如：安地斯盆地、北美的晚中生代到新生代洛矶山脉盆地。

前陆盆地系统

DeCelles & Giles（1996）对前陆盆地系统提出了详尽的定义，需具备三种特征：

1. 大陆地壳上，在聚合造山带和克拉通之间形成可以容纳沉积物堆积的狭长区域，主要是为了因应隐没带以及外围或弧后折皱逆冲带的地球动力机制。
2. 包括四个区域：楔形顶端堆积区，前渊盆地，前凸起及后凸起堆积区–沉积区域的划分是根据沉积时间的地点，而不是逆冲带最终的空间分布。
3. 前陆盆地系统的纵轴长度大约等于折皱逆冲带的长度，不包括沉积物溢入残留洋盆或大陆裂谷。

堆积区

楔形顶端堆积区：位逆冲带的顶端，接收所有沉积物，形成猪背盆地（piggyback basin）。

前渊盆地：是最厚的沉积区域，且愈靠近造山带愈厚。沉积物来自远处的河流、湖泊、三角洲以及海洋沉积体系。

前凸起后凸起堆积区：是最薄且最远的沉积区域，并不一定会出现。出现的话是由于区域不整合和浅海沉积。

愈靠近逆冲带，沉积作用愈快。前渊盆地的沉积物搬运作用通常平行于逆冲断层的走向。

板块运动及地震活动性

前陆盆地的板块运动可借由研究与之连接的变形区来计算。GPS测量提供了板块相对移动的速度。另外也要考虑到目前的动力机制跟变形开始时，不可能是一样的。因此，考虑非GPS的模型，去决定大陆碰撞的长期演化，以及相邻的前陆盆路是如何形成的，是很重要的。

比较GPS模型（Sella et al. 2002）与非GPS模型可以计算出变形速率，这些数据也能限制可能的模型的数量，以及让特定区域内的模型更准确。 地震活动性决定了地震活动区域发生，以及测量所有的断层位移和变形发生的时间（Allen et al. 2004）。

盆地的形成

随著造山带的增长，施加在地壳上的巨大重量，导致地壳弯曲或变得弹性，使地壳下陷，所以因应地壳均衡，造山带的荷重下陷由前凸起堆积区的向上弯曲来补偿。

基于板块构造论，边缘前陆盆地的演化包刮三个阶段：

1. 被动边缘阶段：张裂大陆边缘上方因造山带荷重。
2. 早期聚合阶段：深水的情况。
3. 晚期聚合阶段：造山楔两旁是陆地或浅海前陆盆地（Allen & Allen 2005）。

由于造山带下方的温度很高，使岩石圈变得脆弱，因此，逆冲带是容易活动的，前陆盆地系统也随著时间变形，构造不整合，同时展示了隐没以及构造活动。

前陆盆地中填满了邻近造山带侵蚀的沉积物。在早期的阶段，前陆盆地被认为是底部充填，在这个阶段，深水常见的海洋沉积物（复理石），沉积。 最后，盆地被完全填满，这时盆地进入溢出阶段，陆源碎屑岩沉积（磨拉石）。在前渊区的沉积物在大陆岩石圈增加了额外的荷重。

岩石圈的行为

虽然岩石圈随著时间变形的程度还有争议，但大部分的学者（Allen & Allen 2005, Flemings & Jordan 1989）接受用弹性或黏滞-弹性流变学去解释前陆盆地的岩石圈变形。

Allen & Allen （2005）提出一个移动的荷重系统（图五），荷重形成的曲线是非对称的，靠近造山带下陷形成前陆盆地，周围抬升称前凸起堆积区。沉积物传送速度或是侵蚀流通量随著地形起伏变化。

由荷重模式可以看出，岩石圈最初很坚硬，盆地宽广而且不深，挤压造山时，靠近逆冲带盆地下陷并且变窄，前凸起堆积区向逆冲带靠近。挤压造山时，岩石圈是坚硬的，前凸起堆积区变宽。挤压变形的阶段与岩石圈变弱是相反的。造山荷重下弯曲的岩石圈控制前陆盆地弯曲的形状。盆地弯曲倾斜以及沉积物都来自于造山带。

岩石圈的强度包络线

强度包络线显示出，前陆盆地和山根下的岩石圈流变性质非常不同，前陆盆地通常显示出热力及流变结构，类似抬升的大陆边缘，有三层脆性层在三层塑性层上。然而山根下方的温度非常高，因此大大的削弱了岩石圈的强度。

根据Zhou等人在2003提出，“造山带在挤压应力下的岩石圈形为，完全转变成塑性，除了很薄(大约六公里)的一层脆性在靠近地表的地方，以及或许最上部地函也有一层薄脆性层。”

在造山带下方，岩石圈弱化的形为可能导致此区的岩石圈弯曲。

热历程

前陆盆地是低温盆地，具有低地温梯度以及低热流。热流值平均为1~2 HFU (40-90 mWm⁻², Allen & Allen 2005)。快速的地层下陷可能代表著这些低值。

一段时间后，沉积层被掩埋，经过物理或化学作用，被压密、胶结。研究指出现今量测到的地温梯度和热流，几乎可以跟当地的构造起源和发展对应，也能代表岩石圈的力学机制(Allen & Allen 2005)。

前陆盆地内的流体迁移

迁移的流体源自于前陆盆地内的沉积物，受到变形作用而迁移。而其中，卤水能够迁移最远。迁移的证据有：

1. 与原岩距离遥远；
2. 矿物从含金属的卤水中沉积；
3. 浅层沉积物具有异常的热历程；
4. 区域性的钾离子置换；
5. 次生白云岩在矿体及深部含水层胶结 (Bethke & Marshak 1990)。

流体来源

在前陆盆地中，流体携带了热量、矿物和石油，对区域内的构造有巨大的影响。在变形之前，沉积层有许多孔隙，并充满流体，一旦这些沉积岩被掩埋、压密，孔隙变小，大约1/3的流体将离开孔隙。这些潜在的流体可以加热并且将矿物矿化。

流体移动的主要动力机制

造山带的地形是流体移动最主要的驱动力，热能经由传导以及对流传播，深部的液体快速流动造成区域性的热液区，这些能解释为什么前陆盆地在浅部区部也具有高温。

其他次要的因素有构造应力、逆冲和沉积物压密，这些因素受到慢速的构造变形、岩性、沉积速率限制，所以被归类为次要动力；大约为 0–10 cm yr⁻¹，但更可能接近 1 或小于 1 cm yr⁻¹。高压区可能有更快的移动速度，每一百万年可以累积一公里或更多的泥质沉积物 (Bethke & Marshak 1990)。

油气移栖

Bethke & Marshak (1990)指出，油气移栖不只驱动地下水流动，油气在微细孔移动时也影响浮力与毛细现象。油气从造山带流走，流入克拉通的内部，因此，天然气常常在靠近造山带被发现，而石油在更远处被发现(Oliver 1986)。

参考资料

• Allen, Philip A. and Allen, John R. (2005) Basin Analysis: Principles and Applications, 2nd ed., Blackwell Publishing, 549 pp.
• Allen, M., Jackson, J., and Walker, R. (2004) Late Cenozoic reorganization of the Arabia-Eurasia collision and the comparison of short-term and long-term deformation rates. Tectonics, 23, TC2008, 16 pp.
• Bethke, Craig M. and Marshak, Stephen. (1990) Brine migrations across North America-the plate tectonics of groundwater. Annu. Rev. Earth Planet. Sci., 18, p. 287-315.
• Catuneanu, Octavian. (2004) Retroarc foreland systems - evolution through time. J. African Earth Sci., 38, p. 225-242.
• DeCelles, P.G. & Giles, K.A. (1996) Foreland basin systems. Basin Research, 8, p. 105-123.
• Flemings, Peter B. and Jordan, Teresa E. (1989) A synthetic stratigraphic model of foreland basin development. J. Geophys. Res., 94, B4, p. 3853-3866.
• Garcia-Castellanos, D., J. Vergés, J.M. Gaspar-Escribano & S. Cloetingh, 2003. Interplay between tectonics, climate and fluvial transport during the Cenozoic evolution of the Ebro Basin (NE Iberia). J. Geophys. Res. 108 (B7), 2347. doi:10.1029/2002JB002073 [1]
• Oliver, Jack. (1986) Fluids expelled tectonically from orogenic belts: their role in hydrocarbon migration and other geologic phenomena. Geology, 14, p. 99-102.
• Sella, Giovanni F., Dixon, Timothy H., Mao, Ailin. (2002) REVEL: a model for current plate velocities from space geodesy. J. Geophys. Res., 107, B4, 2081, 30 pp.
• Zhou, Di, Yu, Ho-Shing, Xu, He-Hua, Shi, Xiao-Bin, Chou, Ying-Wei. (2003) Modeling of thermo-rheological structure of lithosphere under the foreland basin and mountain belt of Taiwan. Tectonophysics, 374, p. 115-134.