《Marine Geology》：3D flexural subsidence and paleobathymetry of the United Arab Emirates foreland and passive margin basins
编辑推荐：
三维弯曲回剥技术揭示阿曼-阿联酋前陆盆地构造沉降与沉积历史，划分早二叠世-三叠纪及晚白垩世-古近纪两次主沉降期，结合地震与钻井数据重建基底三维形变，揭示蛇绿岩负载与沉积充填对盆地演化的控制作用。
Mohammed A. Jabir|Mohammed Y. Ali|Mohammad Ismaiel
阿联酋阿布扎比哈利法科技大学地球科学系
摘要
在晚白垩世蛇绿岩俯冲之后，阿曼-阿联酋（UAE）前陆盆地记录了东部阿拉伯边缘的地形变化、侵蚀过程以及海洋洪水现象。以往的沉降分析大多是一维的，未能捕捉到前陆-前凸-后凸的三维变化。本文采用三维弯曲反褶积技术来解析UAE前陆系统的沿走向分段及其时间依赖性的迁移特征。通过整合二维和三维地震反射数据、549口勘探井的信息以及区域性地层年代学，我们重建了从新元古代至今的的三维构造沉降、古水深和沉积物积累情况。反褶积和正向弯曲建模显示了两个主要的沉降阶段：一是早二叠世-侏罗世的沉降期，与继承自新元古代的地质结构的重新激活有关；二是晚白垩世的沉降期，由Semail蛇绿岩的加载作用驱动。所采用的理想弹性厚度（Te约为25公里）能够再现约2.9公里的前陆凹陷区和约155米的外围前凸区，这与地震和重力数据得到的基底几何形态一致。重建的水深数据显示，古生代-中生代早期的裂谷逐渐加深，随后在Campanian期之后随着Aruma前陆的填充和加载作用减弱而趋于变浅。未压缩的等密度图揭示了两次主要的沉积物积累脉冲：一次发生在晚侏罗世-早白垩世，即最后的裂谷扩张期；另一次发生在晚白垩世-古近纪，即前陆发育和Oman-UAE山脉快速侵蚀期间。这些结果将边缘尺度的弯曲构造与海洋源岩和储层的分布及埋藏历史联系起来，为对比不同碰撞型前陆系统提供了区域性的参考框架。
引言
沉积盆地记录了构造运动、沉积过程、海平面变化以及岩石圈流变特性之间的相互作用。区域沉降历史和沉积物积累速率反映了古环境条件、高地侵蚀作用以及构造过程的综合影响，有助于理解侵蚀和沉积物供应情况。阿曼-阿联酋（UAE）褶皱-逆冲带的西侧是一个典型的例子，该地区经历了多次构造事件（Abdelmaksoud等人，2022年；Ali和Watts，2013年；Geng等人，2022年；Jabir等人，2023b年；Searle等人，2014年）。该地区从伸展作用（早二叠世和晚侏罗世）转变为压缩作用，并在造山负荷下发生弯曲变形。然而，由于复杂的构造机制相互作用，该地区的构造演化仍存在争议。此外，缺乏能够到达被动边缘下方基底的地震成像资料或勘探井，阻碍了对其历史的全面了解。
在理解包含不同构造环境的沉积盆地沉降历史方面已取得显著进展，例如克拉通裂谷、裂谷边缘以及伸展和压缩环境中形成的造山盆地（Lee等人，2018年；Watts，2023年）。勘探井、地震调查和反褶积技术的进步极大地改变了盆地沉降和抬升的分析方法（例如，Lee等人，2020年；Watts，2023年）。尽管反褶积研究通常采用Airy等静力补偿模型（这往往导致简化为一维模型，Ali和Watts，2016年），但这些方法考虑了局部补偿效应，但忽略了岩石圈的强度。在各种地质背景下，已将岩石圈的侧向力学强度纳入考虑，以适应盆地演化过程中的沉积负荷（例如北海盆地、瓦伦西亚海槽、挪威大西洋大陆边缘以及索马里北部的盆地（Ali和Watts，2016年；Barton和Wood，1984年；Beaumont，1978年；Roberts等人，2009年；Watts和Torné，1992年）。这些研究表明，需要结合三维弯曲建模和反褶积技术来全面理解地壳弯曲行为对沉降和抬升模式的影响。此外，楔形沉积填充物的影响往往不可忽视，特别是在像UAE前陆盆地这样高度不对称的前陆盆地中（Ali等人，2013年；Li和Aschoff，2022年）。虽然之前的三维弯曲反褶积研究（例如，Li和Aschoff，2022年；Roberts等人，2009年；Watts和Torné，1992年）为盆地演化提供了宝贵见解，但定量确定沉降和抬升历史需要古水深、压实度、海平面和岩石圈结构的综合数据（Watts等人，1982年）。
为了更好地理解该地区的构造沉降和沉积历史，我们利用了密集的多通道地震反射数据、勘探井数据以及三维弯曲反褶积技术，（i）按时间顺序追踪各个地层单元，（ii）评估沉积物负荷对基底演化的弯曲效应，（iii）根据构造沉降/抬升和沉积物负荷历史推断地壳结构。与以往主要依赖Airy等静力补偿模型的研究相比（例如，Ali等人，2018年），我们的分析表明，基底的弯曲负荷最能解释UAE褶皱-逆冲带西侧当前的地貌特征。我们重建了沉降演化过程，强调了（i）沉积物诱导的弯曲作用在沉降和抬升变化中的作用，以及（ii）UAE褶皱-逆冲带西侧的详细盆地结构。盆地内的沉积物积累速率（km3/Myr）随时间变化，因为多种过程影响着盆地底部的沉积和侵蚀过程。因此，估算的积累速率反映了容纳空间的变化以及来自集水区的沉积物供应情况。
区域地质历史与构造演化
阿联酋位于阿拉伯板块的东北部（图1），北侧毗邻扎格罗斯缝合带，东侧毗邻奥曼山脉。其沉积盆地的地层由厚厚的显生宙地层（>10公里）组成，覆盖在更古老的基底之上（Abdelmaksoud等人，2023a年；Thomas等人，2014年）。这些盆地的区域地质特征表现为构造体制、沉积环境和古地理环境的重大变化。
勘探井与地震数据
数据集包括来自549口勘探井、372条二维（2D）地震反射剖面以及7个三维（3D）地震数据体的生物地层学和岩石地层学信息（图1）。这些勘探井（图1）是在过去三十年内于阿联酋境内及邻近的阿曼、卡塔尔和沙特阿拉伯地区钻探的。其中63口深井穿透了二叠纪的Khuff地层或更深的地质层（深度范围...
结果
在晚白垩世和渐新世-中新世期间，形成了两个重要的前陆盆地：东部的Aruma前陆以及UAE东部和北部的Pabdeh前陆（图1，图3）（Ali和Watts，2009年）。这些盆地具有楔形的NNW向基底凹陷，其中填充了约6公里的俯冲后沉积物，主要为Aruma组和Hasa组（Ali和Watts，2009年；Jabir等人，2023b年）。这些前陆盆地在UAE北部达到最大宽度，随后逐渐变窄...
前陆盆地发育与构造演化
晚白垩世时Semail蛇绿岩在被动阿拉伯边缘的俯冲是UAE北部边缘的首次阿尔卑斯型构造事件（例如，Ali和Watts，2009年；Coleman，1981年；Glennie，1974年）。外来岩块的逐步叠加继续驱动了弯曲沉降，形成了最初由深海洋碎屑岩组成的盆地（Aruma组，图1）。持续的逆冲加载作用在平台西侧形成了外围前凸区...结论
我们利用大量勘探井数据和地震反射剖面信息，通过三维弯曲反褶积沉降分析方法，研究了Oman-UAE山脉及其周边地区的古水深和构造沉降历史。从现今到新元古代的地质结构和沉降图谱为了解该地区的古水深和构造演化提供了关键线索。
CRediT作者贡献声明
Mohammed A. Jabir：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，可视化处理，方法论设计，数据调查，正式分析，概念构思。Mohammed Y. Ali：撰写 – 审稿与编辑，项目监督，概念构思。Mohammad Ismaiel：撰写 – 审稿与编辑，可视化处理，方法论设计，数据调查，概念构思。
未引用参考文献
Catuneanu, 2004
DeCelles, 2011
Grobe等人，2018
Stockmal等人，1986
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本研究由哈利法大学资助。我们感谢ADNOC提供的数据。本研究使用了PALEOSTRIPv1.0（Colleoni等人，2021年）、LIFFE（Lithospheric Flexure with Finite Elements，Arnaiz-Rodríguez等人，2020年）以及A. B. Watts 3D-FFT反褶积代码（Watts，2023年）等软件包。
