1.南华北地区主体部位的晚古生代盆地（坳陷）原型
在晚石炭世早期，华北盆地的海水由NE方向侵入，并由北向南侵漫超覆，古地势为南高北低。随后，显著的海陆变化发生于晚石炭世早期，古地形转变为北高南低，海底斜坡向SE倾斜，海水来自SE（下扬子）方向，形成晚古生代海侵的高潮。大别古陆屏障作用有限，确山－淮南一带为海水进出的主要通道。这种古地形特征一直保持到晚二叠世早期。其主要物源位于西北部的中条古陆，海岸线近EW 向。在海平面变化和海水向SE方向退缩的过程中，由北向南形成了一系列三角洲沉积体系和近EW 向的聚煤带。在晚二叠世早期末，古地理环境再次发生变化。西部NW 向伏牛山区迅速隆起成古陆，与中条古陆一起成为南华北地区的主要物源区。这时，海底斜坡转变为向E和SE 方向倾斜。从晚二叠世晚期开始，气候暂趋干旱，区内发育陆相河流－湖泊相红色沉积。随后发育陆缘近海河湖沉积，与上覆三叠系呈连续过渡。
图4-1 本溪期—山西期海域分布范围及主要海侵方向
（据武法东，1995）
1～5分别表示以下各期的海域分布范围和主要海侵方向
1—本溪期早时；2—本溪期晚时；3—晋祠期；4—太原期；5—山西期
根据华北石炭－二叠纪海相层（石灰岩和泥岩）的分布状况，可以推测出各期海侵范围及海侵方向（图4-1；武法东，1995）：①在晚石炭世晋祠期以前，郯庐断裂以西的海侵方向主体为由东向西，海侵中心由南向北逐步迁移；②自晚石炭世太原期开始，华北盆地构造发生大的变动，古斜坡由北倾变为南倾，海侵作用发生在盆地SE和NW 两个方向上，这种体制变化与盆地周缘板块构造活动有关；③在晚石炭世，华北海与祁连海可能一直保持程度不同的连通，而直到晚石炭世晚期才与扬子海直接连通。
通过对晚古生代石炭－二叠系地层格架及沉积特征的分析可知，南华北地区及华北南缘断褶带的同期演化与整个华北地块基本上是相同的。其总体演化趋势是海域逐步向南面的秦岭裂陷海槽退缩，由浅海逐渐转变为陆内较稳定的沉降区域。例如，华北盆地的上石炭统下部主要发育在韩城—晋城—商丘—淮北—徐州一线以北地区，而以南地区直至晚石炭世晚期才由隆起转化为盆地，接受海陆交互相沉积。到了晚二叠世时，秦岭裂陷海槽逐渐关闭，华北地块整体上升成陆，气候渐趋干旱。随着地块内部的差异运动加强，华北地区发育了彼此分隔的大型内陆坳陷，在研究区内沉积了河湖相紫红色的碎屑岩系夹石膏层。与上述构造沉积环境的变迁相应，华北晚古生代含煤岩系的富煤带自下而上有逐渐由北向南迁移（图4-2）的趋势。
图4-2 华北地块石炭-二叠纪富煤带迁移变化图
（据陈钟惠等，1989）
1—晋祠组（晋祠组介于本溪组与太原组之间，相当太原组底部）；2—太原组；3—山西组；4—石盒子组；5—剥蚀区；6—郯庐断裂
综上所述，南华北地区在晚古生代处于扬子和华北板块对接、汇聚的地球动力学环境中，其盆地（坳陷）原型应属于汇聚型大陆克拉通（边缘）坳陷。需要说明的是，在华北板块与扬子板块碰撞的缝合线（商－丹断裂带）的前缘（北秦岭加里东造山带），还形成了商城－信阳前陆坳陷。大别山北侧发育的下石炭统杨山煤系，可看作“商－丹”断裂南部的含煤类磨拉石沉积。在杨山煤系中发育有南北混生生物群，说明在石炭纪已连接成陆。在北秦岭地区，零星分布的上古生界是早古生代末褶皱造山后的残余盆地产物，其海相沉积也结束于海西运动中。
2.南华北地区南缘的晚古生代盆地（坳陷）原型
在南华北陆块与大别造山带交界处，残留着一个晚古生代坳陷——固始－金寨石炭纪残留坳陷。该残留坳陷虽处于华北陆块南缘，沉积物却与华北地台晚古生代煤系在地层格架、厚度、沉积特征和植物群等方面均不相同，其沉积类型和盆地（坳陷）原型一直为国内外地质界所关注。马文璞（1991）、李宝芳等（2000）和河南油田勘探开发研究院 河南省油田勘探开发研究院.2000.河南老区外围盆地评价与优选.
（1）商城－金寨石炭纪坳陷的沉积－构造特征
南华北地区南缘残留的石炭系分布于河南省东南部商城、固始至安徽省金寨县一带，暂称为商城－金寨残留盆地。该盆地呈复式向斜状态，轴向沿NWW—SEE向延伸（马文璞，1991），被限制在潢川－固始－肥中断裂与信阳－商城－金寨－舒城断裂之间，长约70km，南北宽约16km，面积1000km2（图4-3）。各组之间均为断层接触，出露总厚度大于2009m。南翼向南倒转并被逆冲断层切断。在安徽金寨出露的石炭系是一套以浊积岩为主的深水沉积，未见边缘相，向北、向东被新地层覆盖，推测延伸至合肥坳陷南翼深部。显然，该盆地的原生沉积范围应当大于现今出露范围。
这里的石炭系与华北克拉通边缘陆表海的沉积不同，不仅有下石炭统，还有典型的深水浊积岩——浊积砾岩和滑塌砾岩。石炭系由下而上包括花园墙组（C1hy）、杨山组（C1y）、道人冲组（C1～2d）、胡油坊组（C2h）和杨小庄组（C2y），合称为梅山群。石炭系沉积过程经历了两次海平面升降变化，因而可分为两个二级层序（mesosequence中层序），各二级层序又由几个三级层序组（sequenceset）和三级层序（sequence）组成。其地层单元和沉积类型划分如图3-2所示。
花园墙组（C1hy）下部以远端扇细碎屑浊积岩为主，向上扇面河道充填砂岩厚度增大，再向上辫状三角洲和退积的辫状河道充填沉积。微量元素指示分别为正常海相、过渡相和陆相，应属于残留海环境的产物。岩相变化表明，早石炭世杜内期经历了相对海平面逐渐下降、沉积可容空间变小的过程。沉积速率大于22.8m/Ma。
杨山组（C1y）是一套潮湿气候下的陆相碎屑含煤沉积，下部由进积变为退积的扇上辫状水道充填沉积，向上转为退积冲积扇，上部含有代表晚期盆地水面略有上升的细碎屑沉积，表明早石炭世维宪期相对海平面较低。沉积速率大于18m/Ma。
道人冲组（C1～2d）下部为扇三角洲沉积；中部为辫状河流、三角洲沉积，含复成分砾岩的水下陡坡重力流沉积；上部为碳酸盐－碎屑滨岸沉积。表明纳谬尔期经历了相对海平面上升、沉积可容空间增大的过程。沉积速率大于26.5m/Ma。
图4-3 金寨石炭纪坳陷地质图（A）和地质背景图（B）
（据李宝芳等，2000）
胡油坊组（C2h）在区内分布最广，厚度最大。微量元素和淡水双壳类化石指示属于淡水环境，而碳酸盐岩层中的苔藓虫的碎片指示淡化海或微咸水环境。上下部全为深水浊积扇远端相，中部由浊积扇中部水道充填相和水道之间的滨外盆地相组成。反映晚石炭世维斯法期相对海平面较高。胡油坊组的沉积速率大于96.3m/Ma。
杨小庄组（C2y）分布在盆地中部，下部为滨海潮坪砂泥互层沉积，中、上部为障壁砂坝砂岩和潟湖潮坪细碎屑岩组成的含煤沉积，煤层出现在中部障壁砂坝砂岩的上部。表明晚石炭世斯蒂芬期相对海平面迅速降低。沉积速率大于18.9m/Ma。
以上岩相变化，可归纳为两个浅水—深水—浅水的沉积旋回，可划分为两个二级层序。其中，下部旋回未见底，由下而上是深水扇、陡坡扇、冲积扇和扇三角洲、辫状三角洲沉积。根据南华北地区石炭系整体沉积相分布情况（李宝芳等，1985；尚冠雄，1995；李增学，1996；陈世悦，2000）推测，该下部沉积旋回底部应当有弧后盆地前期的浅水沉积（早期陆表残留海沉积）。上部旋回未见顶可能为推覆构造所致，由下而上是陡坡浊积扇、滨海潮坪和障壁潟湖沉积。
这两个沉积旋回的形成，除了与海平面升降变化有关外，可能更受到岛弧隆起速率和弧后裂陷速率变更的控制。一般地说，弧后盆地的沉积厚度和沉积速率，主要受控于盆地基底的沉降幅度和沉降速率；而弧后盆地的沉积类型变化，则主要受控于岛弧山体的隆升幅度和隆起速率。因此，深水扇和陡坡扇的发育应当是岛弧隆升减缓期的产物，而冲积扇、扇三角洲、辫状三角洲、滨海潮坪和障壁潟湖的发育，应当是岛弧隆起加速期的产物。
李宝芳等（2000）研究实测了花园墙组和胡油坊组砂岩大型交错层理前积纹层的产状、水下分流河道砂岩水道轴的延伸方向和浊积岩底部槽模的方向等，认为该区石炭纪古水流方向总体上是自南向北，碎屑物主要应来自南侧的大别山区。在该石炭系中很少见到片麻岩砾石和岩屑，表明现代以片麻岩为主体的大别山山体在晚古生代还埋藏于地壳深部，由于华北板块向南俯冲、大别山不断隆升，直到燕山运动早期才暴露于地表遭受剥蚀。
（2）商城－金寨石炭纪坳陷原型的厘定及其形成演化分析
南华北地区南缘的商城－金寨石炭纪坳陷的发育时间，正是华北陆块与秦岭微陆块在商丹－北淮阳主缝合带发生点碰撞的中、后期。但由于扬子板块俯冲消减作用的强烈影响，其构造变形特征表现为先南北向（弧后）伸展裂陷、后南北向冲断推覆；其沉积充填特征表现为相带向北进积、物质成分复杂。该坳陷的构造－地层格架呈一走向NW W—SEE的复向斜形态，与秦岭－大别造山带平行展布。二者的演化在空间上连续、时间上同步，表明存在着密切的成生联系。
已有的研究表明（张国伟等，1988,1995），华北陆块与秦岭微陆块的点碰撞是由商南－镇平－桐柏主缝合带向东发展的，碰撞点之间的残余海盆地也逐步向东迁移，并随着点碰撞作用的加剧而逐步消亡。这时，受主缝合带点接触碰撞机制的控制，大别山北麓与华北陆块也开始了弧－陆碰撞，其间的商城－金寨弧后盆地随之发展成为残余弧后盆地。该石炭纪坳陷此时所发育的深水浊积扇及浅水陆棚相至滨岸相沉积，正好说明该处并非处于平缓宽广的被动大陆边缘区，而是处于陆架很窄、离物源区很近、坡度很陡的活动大陆边缘陆缘海的环境中。深水陡坡沉积环境通常指示伸展裂陷的构造体制，因此这些沉积特征可作为残余弧后盆地的重要标志之一。在沉积物中所发现的少量火山碎屑物质的性质和成分，也说明与大陆板块边缘的岛弧环境有关。特别是对该石炭系样品所做的稀土元素分析结果（张惠良，1995；赵志根，1999），均符合富轻稀土、贫重稀土的弧形曲线分布模式（Bhatia,1985），与华北地区的被动大陆边缘“V”型曲线分布模式有明显的不同。这也从另一个侧面提供了把该石炭系归为大陆岛弧环境产物的判别证据。
商城－金寨弧后盆地中发育的两个浅水—深水—浅水沉积旋回，表明秦岭－大别微陆块与华北陆块的碰撞，以及大别山岛弧的隆升，经历了由弱而强又由强而弱的发展过程。在早石炭世维宪期，发生了最强烈的碰撞与隆升，并持续到早晚石炭世之交的纳谬尔期；而在早石炭世杜内期和晚石炭世维斯法期，碰撞与隆升减缓。其中，在晚石炭世维斯法期短短的7Ma时间内，充填了大于770m的胡油坊组（C2h）陡坡浊积扇沉积物，沉积速率达到了96.3m/Ma以上，表明这个阶段北淮阳主缝合带的碰撞与隆升虽然减缓了，但弧后盆地的裂陷速率和裂陷幅度都达到了最大。根据以上分析，南华北地区南缘金寨石炭纪弧后裂陷原型的沉积模式如图4-4所示。
南华北地区南缘的石炭纪商城－金寨弧后盆地与广阔的华北陆表海连成一片，沉积物的物源供应主要来自南面的大别山岛弧带。该盆地的残留部分目前展布于潢川－固始－肥中断裂与信阳－商城－金寨－舒城断裂之间，平均宽度为50km，假设在后期的推覆过程中缩短了30%，那么其原生盆地的南北展宽约为70km。盆地现今残存的沉积物平均厚度为2km，假设因逆冲推覆缺失了50%，则其原生沉积厚度应为4km。由此而论，大别山北麓石炭纪坳陷的沉积物原生截面积约为280km2。又假设当时的大别山岛弧宽度是现在大别山平均宽度30km的50%，其分水岭以北的源区平均宽度便是7.5km。要满足盆地充填的需要，大别山岛弧在石炭纪的隆升幅度应当超过37km。
图4-4 南华北南缘金寨-商城石炭纪弧后裂陷盆地原型的构造-沉积模式
综上所述，商城－金寨坳陷可能是形成于北淮阳主缝合带北侧活动大陆边缘的弧后裂陷，与秦岭－大别造山带有显著的耦合关系。其构造格架形态、沉积类型和地层厚度分布说明，华北板块与秦岭－大别陆块在商丹－北淮阳主缝合带的点碰撞，在早石炭世维宪期至早晚石炭世之交的纳谬尔期较弱，而在早石炭世杜内期和晚石炭世维斯法期增强；而扬子板块在该处的俯冲消减、岛弧隆升和弧后的陆壳裂陷作用始于早石炭世，在晚石炭世早期达到高峰。沉积特征表明，商城－金寨弧后盆地的裂陷速率和裂陷幅度，也在上石炭统胡油坊组沉积期达到了最大。
石炭系的褶皱倒转和逆冲推覆的构造形态表明，在北淮阳主缝合带从石炭纪末由点接触转为面接触之后，商城－金寨石炭纪弧后盆地遭受到强烈的挤压和破坏。