青島靈山島晚中生代重力流沉積特征及環(huán)境分析

邵珠福,鐘建華,李勇,倪良田,劉圣鑫,范莉紅,陳彬

1) 中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東青島,266580； 2) 中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所,廣州,510640

內(nèi)容提要: 青島靈山島晚中生代發(fā)育一套重力流沉積,國內(nèi)學(xué)者對(duì)其成因機(jī)制存在爭(zhēng)議。筆者通過對(duì)造船廠、燈塔、千層崖、羊礁洞、老虎嘴、背來石等剖面的重點(diǎn)觀察發(fā)現(xiàn)：靈山島晚中生代地層出露以厚度不等的細(xì)粒砂泥巖與火山熔巖、火山碎屑巖為主,夾沉火山碎屑巖和侵入體,地層從老到新組合為一個(gè)水體變淺的水退序列。地層中發(fā)育不同類型、不同尺度、不同期次的軟沉積變形構(gòu)造,如軟沉積變形褶皺、布丁構(gòu)造、負(fù)載構(gòu)造和火焰構(gòu)造、軟雙重構(gòu)造等。靈山島晚中生代重力流沉積碎屑巖主要是塊體搬運(yùn)沉積(砂質(zhì)滑塌和砂質(zhì)碎屑流)和濁流沉積,向上過渡為陸相三角洲前緣沉積,其成因機(jī)制是物源供應(yīng)充足的湖盆三角洲前緣在構(gòu)造坡度或沉積坡度控制下,受地震和火山活動(dòng)影響發(fā)生的塊體搬運(yùn)沉積和濁流沉積。初步研究認(rèn)為沉積時(shí)的古斜坡方向?yàn)槟蠔|—北西方向。

沉積環(huán)境是沉積構(gòu)造和沉積物本質(zhì)屬性的綜合反映。1872～1876年英國皇家海軍組織的“挑戰(zhàn)者”艦艇遠(yuǎn)航標(biāo)志著現(xiàn)代深水勘探的誕生(Shanmugam,2006),此后70多年間,科學(xué)家們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)海洋陸架斜坡峽谷和深海中密度流沉積(Kuenen,1937;Bell,1942)、底流沉積(Wust,1936)、海嘯沉積(Bucher,1940;Bailey,1940)砂體,從而改變了以往認(rèn)為的深海環(huán)境只能沉積泥巖的錯(cuò)誤觀點(diǎn)。濁流的概念始于1938年(Johnson,1938),Kuenen(1950)將其解釋為遞變層理的成因并建立了其沉積范式基礎(chǔ),地質(zhì)學(xué)家們廣泛接受此觀點(diǎn)并在此后60年中通過鉆井、水下照片、水槽實(shí)驗(yàn)和物理模擬等方法對(duì)濁流沉積動(dòng)力學(xué)機(jī)制和沉積模式進(jìn)行研究。Dott(1963)根據(jù)流變學(xué)特點(diǎn)將沉積物重力流劃分為彈性流、彈性—塑性流、塑性流和黏性流；Middleton 和Hampton(1973)依據(jù)碎屑支撐方式將沉積物重力流劃分為碎屑流、顆粒流、液化流和濁流；Lowe(1982)綜合流變學(xué)、流體類型和支撐機(jī)制特征將沉積物重力流分為顆粒流、液化流和濁流并強(qiáng)調(diào)顆粒大小及濃度在搬運(yùn)機(jī)制中的作用；Mutti(1992)忽略了重力流演變過渡過程,認(rèn)為粘滯碎屑流和濁流是形成重力流沉積物的兩種主要機(jī)制。就其沉積模式,經(jīng)典的鮑馬序列的提出奠定了濁流垂向沉積模式基礎(chǔ)(Bouma,1962),隨后不同學(xué)者分別建立了低密度和高密度濁流垂向沉積模式(Stow and Shanmugam,1980;Lowe,1982)。此階段海底扇相模式更是層出不窮(Normark,1970; Mutti and Lucchi,1972;Walker,1978;Underwood and Bachman,1982; Shanmugam and Moiola,1985; Reading and Richards,1994),把濁流研究推向高潮。然而隨著研究的深入,特別是大洋鉆探計(jì)劃實(shí)施以后,地質(zhì)學(xué)家們認(rèn)識(shí)了濁流沉積的復(fù)雜性并對(duì)鮑馬序列和濁積扇模式產(chǎn)生懷疑(Shanmugam and Moiola,1985; Normark,1991;Walker,1992; Mutti,1992),印裔美籍學(xué)者Shanmugam(1996)對(duì)高密度濁流提出質(zhì)疑的基礎(chǔ)上提出塊體搬運(yùn)沉積概念,他將水下砂質(zhì)塊體搬運(yùn)過程劃分為滑動(dòng)、滑塌和碎屑流3個(gè)過程(Shanmugam et al.,1994; Shanmugam and Moiola, 1995; Shanmugam ,1997),并強(qiáng)調(diào)砂質(zhì)碎屑流的復(fù)雜性。21世紀(jì)以來,塊體搬運(yùn)和砂質(zhì)碎屑流的概念漸漸被地質(zhì)學(xué)家接受,同時(shí)對(duì)底流沉積開始重視(Shanmugam,2000,2002,2003,2006,2012)。

圖1 青島靈山島地理位置圖Fig. 1 The geographic location of Lingshan Island in Qingdao

青島靈山島晚中生代發(fā)育一套重力流沉積體,對(duì)其沉積環(huán)境,有學(xué)者認(rèn)為是沖積扇(高興辰,1991),也有認(rèn)為是深海遠(yuǎn)源濁積巖沉積(呂洪波等, 2011, 2013, 董曉鵬等,2013)。 鐘建華 (2012)認(rèn)為是一套陸內(nèi)三角洲前緣淺水沉積。水體深淺是個(gè)相對(duì)概念,事實(shí)上,對(duì)于陸相湖盆水深的研究還存在爭(zhēng)議,并且重力流的發(fā)育并不完全取決于水深。在重點(diǎn)觀察造船廠、燈塔、千層崖、羊礁洞、老虎嘴、背來石等剖面基礎(chǔ)上,筆者等詳細(xì)測(cè)量了燈塔剖面和羊礁洞剖面下部,并對(duì)其沉積特征和成因環(huán)境進(jìn)行了初步分析,僅供大家參考。

1 地質(zhì)背景

靈山島位于山東省青島市膠南區(qū)境內(nèi),最大海拔高度為513.6 m,面積約7.66 km2(圖1)。島上出露地層整體分為兩部分(表1),下部主要為厚度不等的灰色細(xì)粒砂巖與灰黑色泥巖互層,多個(gè)層位中發(fā)育不同尺度、不同類型的軟沉積變形構(gòu)造；上部為火山巖與中薄層粗粒碎屑巖互層沉積,夾數(shù)套薄層巖漿巖侵入體,底部以灰黃色流紋質(zhì)凝灰熔巖與下部地層呈不整合接觸。關(guān)于靈山島出露地層沉積時(shí)代及靈山島所處的構(gòu)造位置還沒最終確定,呂洪波等(2011)認(rèn)為其構(gòu)造位置屬于蘇魯造山帶,下部地層屬于下白堊統(tǒng)萊陽群法家瑩組,上部地層屬于下白堊統(tǒng)青山群八畝地組。

表1 青島靈山島出露地層巖性特征及剖面層序關(guān)系Table 1 The lithologic characteristics of outcropped strata and the profile sequence relations in Lingshan Island in Qingdao

2 靈山島晚中生代地層沉積特征

2.1 造船廠剖面

造船廠剖面位于城口子村南約300 m,如圖1中觀測(cè)點(diǎn)A,表1中地層3。巖性主要是厚度不等的黃褐色粉細(xì)砂巖和灰黑色泥巖互層,單層厚度2～120 cm,局部發(fā)育平行層理和不明顯的正粒序,地層產(chǎn)狀為135°∠26°。砂巖分選、磨圓較差,碎屑成分主要是石英、長石和巖屑,巖屑主要是碳酸鹽巖,填隙物以雜基為主,主要是泥質(zhì)和碳酸鹽巖。軟沉積變形褶皺是該剖面主要特征,如圖2a,剖面中可見變形層至少有3套,中間被穩(wěn)定砂泥層隔開,變形層頂?shù)捉缑媲逦?。下部軟沉積褶皺規(guī)模相對(duì)較小,主要是中—小型斜歪褶皺和變形層理,厚度3～60 cm；上部變形規(guī)模較大,以中—大型平臥褶皺為主,最大厚度可達(dá)3.5m,局部因剪切劇烈而錯(cuò)斷形成孤立的魚嘴狀、“S”型、反“S”型和雜亂變狀變形構(gòu)造。軟沉積變形構(gòu)造近年來成為沉積學(xué)研究熱點(diǎn)(趙澄林和劉孟慧,1988; 宋天銳,1988;喬秀夫和高林志, 1999;杜遠(yuǎn)生等,2007; 張傳恒等,2007;喬秀夫和李海兵,2008, 2009;喬秀夫和郭憲璞2011;杜遠(yuǎn)生,2011;鐘建華和梁剛,2009)。軟變形褶皺是同生期或準(zhǔn)同生期未固結(jié)或半固結(jié)的砂泥巖在外界觸發(fā)因素導(dǎo)致下沿水下斜坡剪切滑動(dòng)形成的變形構(gòu)造(李勇等,2012),軟沉積變形構(gòu)造的發(fā)育與水深關(guān)系不大,可發(fā)育于海洋中,同樣也可以發(fā)育于湖相環(huán)境中。該剖面中與軟沉積變形褶皺伴生構(gòu)造除微型正斷層、溝模、底模、火焰構(gòu)造、拉伸線理外,其他3種伴生構(gòu)造值得重視。

(1)泥礫、砂巖條帶和漂浮顆粒。造船廠剖面地層中發(fā)育數(shù)量較多的泥礫、砂巖條帶和漂浮的顆粒,如圖3a、 3b,泥礫或泥屑碎片主要發(fā)育在中薄層塊狀中細(xì)砂巖中：①泥礫形狀多樣,呈線條形、彎曲條形、球形、橢球形和不規(guī)則撕裂狀；②砂巖中泥礫具有向上增加的逆粒序,薄層砂巖頂部板片狀泥屑比底部含量多；③砂巖中板片狀泥屑排列具有定向性,如圖3a,泥屑排列具有優(yōu)勢(shì)方向,傾向向右,但傾角較為平緩,也有些泥屑雜亂分布而無定向性。泥巖中砂巖條帶和團(tuán)塊分布沒有規(guī)律,如圖3c、3d,砂巖團(tuán)塊大小混雜, 反應(yīng)了滑塌過程中復(fù)雜的流體動(dòng)力學(xué)特征和沉積過程。在砂巖中還發(fā)育礫級(jí)石英顆粒,磨圓較差,如圖3a,石英顆粒因風(fēng)化差異而凸露出來。泥礫、砂礫和漂浮石英顆粒的存在說明該處沉積屬于塊體流沉積(Sand Mass Transport Deposit)中的砂質(zhì)碎屑流沉積(Sandy debris flow deposits)(Shanmugam and Moiola,1995;Shanmugam, 2003,2006)。呂洪波等(2011)將此處定為遠(yuǎn)源濁積沉積。濁流屬于紊流,是相對(duì)低密度、低濃度沉積物靠湍流作為支撐方式、因重力分異沉積而成的一種粘滯流,其典型特征一是具有明顯的粒序?qū)永?二是濁積巖中砂巖比較純凈。碎屑流是介于濁流和顆粒流之間的過渡流體形態(tài),是高密度、高濃度沉積物在基質(zhì)強(qiáng)度、顆粒分散力與浮力綜合作用下產(chǎn)生的賓漢姆塑性流,屬層流范疇。碎屑流沉積物往往不純,含有泥礫或砂礫等,系砂、泥混合物在滑動(dòng)、滑塌基礎(chǔ)上沿上凹底形整體滑動(dòng)并因慣性降低沉積而成。造船廠剖面中薄層砂巖中粒序?qū)永戆l(fā)育不明顯,以塊狀細(xì)—粉砂巖為主,加之剖面中數(shù)套不同規(guī)模的軟沉積滑塌變形構(gòu)造,可得知該處沉積屬砂質(zhì)滑塌(Sandy-slump)—砂質(zhì)碎屑流(Sandy debris)沉積。

圖2 青島靈山島典型剖面特征: (a)造船廠剖面；(b)羊礁洞剖面；(c)燈塔剖面Fig. 2 The typical profile feature of Lingshan Island in Qingdao: (a) Zaochuanchang (Dockyard) profile; (b) Yangjiaodong (Yangjiao Cave) profile; (c) Dengta(Lighthouse) profile

圖 3 青島靈山島造船廠剖面巖性及典型沉積構(gòu)造特征Fig. 3 The lithology and typical sedimentary structure characteristics of the Zaochuanchang (Dockyard) profile in Lingshan Island, Qingdao (a) 砂巖中定向排列的片狀泥屑和凸出的石英顆粒,砂質(zhì)碎屑流；(b)砂巖中攪動(dòng)強(qiáng)烈的撕裂狀泥屑,砂質(zhì)碎屑流； (c)灰黑色泥巖中黃褐色砂巖團(tuán)塊,橢球狀,砂質(zhì)碎屑流；(d)灰黑色泥巖中黃褐色砂巖團(tuán)塊,放射狀,砂質(zhì)碎屑流； (e)拉剪作用形成的同沉積布丁構(gòu)造,與軟沉積變形構(gòu)造伴生；(f)震裂縫與液化砂巖細(xì)脈 (a) schistose mud debris and bulgy quartz particles in directional alignment in sandstone, sandy debris flow; (b) rip-up mud debris formed by vigorous stir in sandstone, sandy debris flow; (c) yellowish-brown ellipsoidal aggregates of sandstone in grayish-black mudstone, sandy debris flow; (d) yellowish-brown radiaxial aggregates of sandstone in grayish-black mudstone, sandy debris flow; (e) syn-sedimentary pudding structure formed under tension and shear is associated with soft-sediment deformation structure; (f) seismic-related fractures and liquefied sandstone veinlet

(2)同沉積布丁構(gòu)造。布丁構(gòu)造又稱石香腸構(gòu)造,是能干層在平行層面的拉伸和垂直層面的擠壓作用下因張裂而錯(cuò)斷形成“腸狀”構(gòu)造(徐云峰等,2003;呂洪波等,2006),如圖3e,造船廠剖面布丁構(gòu)造是在滑動(dòng)滑塌背景下因剪切、拉張和擠壓作用形成,單個(gè)布丁呈不對(duì)稱菱形,長約4～6cm,有時(shí)因剪切拉張作用較強(qiáng)而呈孤立的眼球狀、漏斗狀等,與布丁構(gòu)造伴隨的張性斷層完全或未完全錯(cuò)開,斷面充填泥巖。Smith(1975,1977)研究結(jié)果表明,牛頓流體中一般不出現(xiàn)布丁構(gòu)造,濁流屬于牛頓流體,因此布丁構(gòu)造的存在說明造船廠剖面不屬于濁流沉積,而是砂滑塌和砂質(zhì)碎屑流,二者均屬于塊體流范疇。

(3)震裂縫。震裂縫是指未固結(jié)或固結(jié)巖層受到強(qiáng)烈地震作用形成的破裂,造船廠剖面下部泥質(zhì)砂巖中震裂縫主要是張開縫,如圖3f,震裂縫有V形、Y和反Y形、U形等多種形態(tài),將砂巖分割成四邊形、五邊形等多種多邊形,形態(tài)均一或雜亂,小者一般2～4cm,大者4～8cm,震裂縫一般不穿層,被泥巖或砂巖充填。喬秀夫和李海兵(2009)認(rèn)為超過7級(jí)以上的地震可以形成震裂縫。震裂縫和微型斷層相伴生,再結(jié)合該剖面中大型滑塌變形及其伴生構(gòu)造可以得知,地震是該套沉積變形形成的誘發(fā)因素之一。

圖4 青島靈山島燈塔剖面(a)和羊礁洞剖面(b)巖性柱狀圖Fig. 4 The lithological histogram of Lighthouse profile (a) and Yangjiao Cave profile (b) in Lingshan Island, Qingdao

2.2 燈塔剖面

燈塔剖面位于靈山島南辛莊村以南約300m處信號(hào)燈塔正下方(圖1中觀測(cè)點(diǎn)B),如圖2c和圖4a,該剖面巖性總體較細(xì),以旋回狀細(xì)砂、粉砂和泥巖互層為主,在單個(gè)旋回底部可見中砂、粗砂甚至礫石,剖面頂部和底部層狀砂泥巖厚度較大,約30～70cm,中部巖層厚度較小,以厘米級(jí)紋層狀細(xì)粉砂巖為主,最薄紋層可達(dá)0.2cm,但分布穩(wěn)定。剖面中發(fā)育至少4套軟沉積變形褶皺,從巖性和變形構(gòu)造特征來看,頂部一套大型變形褶皺對(duì)應(yīng)于造船廠剖面變形構(gòu)造,局部發(fā)生錯(cuò)斷(圖2c)；中間兩套軟沉積變形斜歪褶皺厚度30～60cm,對(duì)應(yīng)于圖4a中層號(hào)8,如圖5a,這兩套中薄層軟變形褶皺連續(xù)性較好,沒發(fā)生錯(cuò)斷,處于韌性變形階段,且具有定向排列趨勢(shì),褶皺軸面傾向南東方向,角度在40°～60°,變形層頂、底界面平整,為未固結(jié)層受到剪切力順坡滑移產(chǎn)生；下部一套軟變形斜歪褶皺發(fā)育在灰黑色泥質(zhì)粉砂巖中,褶皺層厚度60～70cm,性質(zhì)與中間兩套軟變形褶皺相似。中部中薄層砂巖中正粒序?qū)永戆l(fā)育,地層產(chǎn)狀65°∠38°,橫向展布穩(wěn)定,但也有反粒序?qū)永砗头础蛘哒淳C合粒序。和造船廠剖面類似,燈塔剖面中也見大量的泥屑、砂屑和孤立石英顆粒,如圖5b,塊狀砂巖中泥屑呈撕裂的板片狀定向排列,單層砂巖中底部泥屑較少,向上增多,體現(xiàn)反序特征。剖面中平行層理、水平層理、爬升層理、火焰構(gòu)造、砂球和砂枕構(gòu)造、底沖刷等構(gòu)造發(fā)育,(圖4a),軟雙重構(gòu)造、紋層控制的顆粒支撐砂級(jí)疊瓦構(gòu)造及碳化植物碎片也出現(xiàn)在剖面中,以下所述值得注意。

圖5 青島靈山島燈塔剖面巖性及典型沉積構(gòu)造特征Fig. 5 The lithology and typical sedimentary structure characteristics of the Dengta(Lighthouse) profile in Lingshan Island, Qingdao (a)軟沉積變形斜歪褶皺,軸面傾向向右；(b)砂巖中定向排列的泥屑,砂質(zhì)碎屑流；(c)軟雙重構(gòu)造,傾向向右； (d)紋層控制的砂級(jí)顆粒支撐的疊瓦構(gòu)造；(e)鏡下顆粒定向排列；(f)暗煤 (a) soft-sediment deformation structure inclined fold, with axial surface dipping towards the right; (b) mud debris in directional alignment, sandy debris flow; (c) soft duplex structure dipping towards the right; (d) lamina-dominated imbricate structure supported by sandy particles; (e) microscopic particles in directional alignment(f) durain

(1)軟雙重構(gòu)造。軟雙重構(gòu)造又指“S”形、“Z”型或反曲形變形構(gòu)造、滑疊構(gòu)造等,是由一系列S形、Z形或板片狀砂泥巖相互疊置所組成的軟沉積變形構(gòu)造。該構(gòu)造最初被認(rèn)為是深海濁積巖的特征構(gòu)造,Moiola和Shanmugam(1984)等認(rèn)為發(fā)育這種構(gòu)造的地層是水下復(fù)合扇體的一部分,近年來更多學(xué)者認(rèn)為這種構(gòu)造是由重力滑塌層滑動(dòng)牽引產(chǎn)生的剪切力作用形成(Shanmugam et al.,1988;Owen and Moretti,2011;Alsop and Marco,2011)。燈塔剖面軟雙重構(gòu)造等同于呂洪波等(2011)所描述的同沉積雙重構(gòu)造,但該剖面雙重構(gòu)造規(guī)模較小,如圖5c,軟雙重構(gòu)造夾于穩(wěn)定層狀分布的細(xì)砂巖之間,厚1～1.5cm,由一系列厚0.2～0.6cm的薄層細(xì)粒砂巖與泥巖相互疊置呈反“S”形,薄層未錯(cuò)斷。該處軟雙重構(gòu)造是重力滑動(dòng)影響下軟沉積物前移受阻變形形成。雙重構(gòu)造大小可反映重力滑動(dòng)規(guī)模,其疊置關(guān)系可指示古斜坡方向,燈塔剖面軟雙重構(gòu)造傾向與泥屑排列方向和變形褶皺軸面傾向方向一致,同時(shí)也和造船廠剖面的泥屑傾向、溝模方向一致,均來自南東方向,這也揭示古斜坡為南東—北西方向。

(2)紋層控制的顆粒支撐砂級(jí)疊瓦構(gòu)造。紋層控制的顆粒支撐砂級(jí)疊瓦構(gòu)是指平行層理控制下的粒度0.01～2mm、砂級(jí)顆粒彼此相鄰疊置形成的定向排列構(gòu)造,如圖5d,單層厚度約2mm的紋層中粉細(xì)砂巖顆粒成定向排列,顯微鏡下也可以發(fā)現(xiàn)顆粒定向排列鏡下觀察照片(圖5e)。疊瓦構(gòu)造具有環(huán)境指示意義,燈塔剖面紋層控制的顆粒支撐的砂級(jí)疊瓦構(gòu)造平均傾角范圍39°～52°,略大于河流沉積疊瓦構(gòu)造平均傾角(約35°),具有牽引流的性質(zhì),并非典型濁流,疊瓦構(gòu)造主體傾向?yàn)槟蠔|方向,再次揭示沉積物運(yùn)移方向自南東向北西。從疊瓦構(gòu)造和粒序?qū)永砑败洺练e變形構(gòu)造來看,燈塔剖面主要是砂質(zhì)碎屑流—濁流沉積。

(3)碳化植物碎片。燈塔剖面底部緊挨下部軟變形褶皺的下部地層中發(fā)現(xiàn)兩層厚約40～55cm的碳質(zhì)泥巖,如圖5f,對(duì)應(yīng)圖4a層號(hào)3,碳化植物碎屑或印痕富集、植物莖稈粗大,厚2～4cm,且變質(zhì)程度較高,呈鋼灰色。碳化植物碎屑自于三角洲平原泥炭沼澤環(huán)境,粗大的碳化植物保存相對(duì)完整說明其搬運(yùn)距離較短,而碳化植物質(zhì)地純且高變質(zhì)可能受到巖漿熱液作用?？傊蓟参锼槠拇嬖谡f明該處沉積為近陸沉積,而非遠(yuǎn)洋沉積。

圖6 青島靈山島千層崖剖面巖性及典型沉積構(gòu)造特征Fig. 6 The lithology and typical sedimentary structure characteristics of the Qianceng Cliff(Mille-feuille-liked Cliff) profile in Qingdao (a)下部濁流及上部砂質(zhì)碎屑流沉積,斜歪巖墻；(b)火焰構(gòu)造、鮑馬序列Ta—Tb； (c)撕裂泥屑；(d)重力流成因蜂窩狀煤屑 ; (a) the lower turbidity current and the upper sandy debris flow deposit, inclined dike; (b) flamy structure, Bouma Sequence Ta—Tb; (c) rip-up mud debris; (d) cellular coal dust caused by gravity flow

2.3 千層崖剖面

千層崖剖面位于老虎嘴景點(diǎn)下方,與燈塔剖面相距約100m(圖1中點(diǎn)C),剖面長度超過1000m,如圖6a,上部可與燈塔剖面相對(duì)應(yīng),下部為更老地層。該剖面主要是黃褐色中薄層粉細(xì)砂巖與灰黑色泥巖互層,總厚度近百米。巖層分布穩(wěn)定,橫向延伸較遠(yuǎn)且不發(fā)生變化。剖面底部地層中發(fā)育火焰構(gòu)造、砂球—砂枕構(gòu)造、粒序?qū)永?、完整或不完整的鮑馬序列等(圖6b),從巖性和沉積構(gòu)造來看,該剖面上部與燈塔剖面相對(duì)應(yīng)層位為砂質(zhì)碎屑流沉積,而底部為濁流沉積。但底部地層中也同樣發(fā)現(xiàn)了變形泥屑(圖6c),說明重力流沉積中砂質(zhì)碎屑流和濁流之間存在相互轉(zhuǎn)化的過渡類型,但此過程復(fù)雜。下部泥巖中還發(fā)育順層展布的蜂窩狀的煤團(tuán)塊(圖6d),系泥炭沼澤相含植物碎屑泥巖受重力驅(qū)動(dòng)近距離搬運(yùn)形成,為近陸湖相濁流。同時(shí)注意圖6a中高角度的巖墻,切穿整個(gè)剖面,說明當(dāng)時(shí)火山活動(dòng)比較劇烈,這有可能是靈山島重力流沉積及大規(guī)模軟沉積變形構(gòu)造發(fā)育的另一個(gè)重要促發(fā)因素。

2.4 羊礁洞剖面

羊礁洞剖面位于靈山島東南部,如圖1考察點(diǎn)D、圖2b,其巖性和沉積構(gòu)造特征總結(jié)在圖4b中,剖面主要巖性為粗粒砂巖與灰黑色泥巖互層,間夾火山碎屑巖、沉火山碎屑巖和碎屑流沉積,其上被大套火山碎屑巖和火山熔巖覆蓋,底部為大套灰黃色流紋質(zhì)凝灰熔巖(表1層號(hào)5)。和其他剖面相比,羊礁洞剖面特征明顯：首先是粒度相對(duì)變粗,中砂、粗砂甚至礫石出現(xiàn),但側(cè)向穩(wěn)定性差,很多水道砂體側(cè)向尖滅；其次是砂巖中發(fā)育小型或者中型槽狀交錯(cuò)層理、板狀交錯(cuò)層理；第三是剖面中出現(xiàn)多套粗粒沉火山碎屑巖與砂泥巖成韻律出現(xiàn),如圖7a,剖面下部還有兩套暗紅色巖漿侵入體,厚50～110cm(圖7b)；最后是剖面中還出現(xiàn)以火山碎屑為基質(zhì)、間夾砂泥巖的碎屑流沉積,如圖7c,表現(xiàn)為火山碎屑呈塊狀無規(guī)律混雜堆積,碎屑流中含有大量的粗大的植物莖稈和植物碎屑,且植物莖稈呈定向排列。綜合巖性組合和沉積構(gòu)造特點(diǎn),該剖面主要沉積相類型為三角洲前緣水下分流河道、水下天然堤、決口扇沉積,沉積過程中伴隨著火山活動(dòng)和塊體搬運(yùn)沉積。證據(jù)如下：①不同規(guī)模板狀、槽狀交錯(cuò)層理的出現(xiàn),如圖7d中等規(guī)模的板狀交錯(cuò)層理,發(fā)育在厚度約50cm的中粗砂巖中,為水下分支河道牽引沉積形成；② 巖性組合特征。羊礁島剖面中薄層中粗砂巖和薄層泥巖互層,側(cè)向連續(xù)性一般,層內(nèi)發(fā)育很多小規(guī)模的分支河道沖刷—充填沉積,砂巖和泥巖呈連續(xù)過渡沉積,砂巖中還發(fā)育水平層理,波狀層理等,體現(xiàn)水下分支河道—水下天然堤—決口扇—河道間一個(gè)連續(xù)沉積過程；③大量的粗大植物莖稈和植物碎片,如圖7e,火山碎屑質(zhì)碎屑流沉積物中含有大量的淺變質(zhì)破碎的植物莖稈和碎片,細(xì)者1～2cm,粗者4～8cm,呈定向排列形態(tài),其展布方向與板狀交錯(cuò)層理和槽模等指示方向相同。定向的植物碎片,說明其經(jīng)過一定距離的搬運(yùn),而從植物莖稈的大小判斷搬運(yùn)距離并不遠(yuǎn),為三角洲平原泥炭—沼澤相沉積在地震、火山噴發(fā)等作用影響下,短距離搬運(yùn)到三角洲前緣,隨搬運(yùn)速度降低而逐漸沉積。同時(shí)該剖面下部砂巖中還發(fā)現(xiàn)了大量的生物潛穴和逃逸跡,如圖7f,與火山活動(dòng)、地震作用、滑塌作用相對(duì)應(yīng),說明當(dāng)時(shí)沉積環(huán)境的動(dòng)蕩。

3 靈山島地層沉積成因機(jī)制及沉積模式

圖7 青島靈山島羊礁洞剖面巖性及典型沉積構(gòu)造特征Fig. 7 The lithology and typical sedimentary structure characteristics of Yangjiao Cave profile in Lingshan Island,Qingdao (a)羊礁洞剖面巖性組合特征,灰黑—灰黃色為砂泥巖沉積,灰白色為沉火山碎屑巖；(b)暗紅色巖漿侵入體；(c)火山碎屑質(zhì)碎屑流沉積,夾雜軟變形砂泥巖；(d)板狀交錯(cuò)層理；(e)碎屑流形成的定向排列的植物碎屑；(f)生物潛穴,藍(lán)色箭頭指示漏斗狀自上而下潛穴,紅色箭頭指示自下而上的逃逸跡 (a) lithology of Yang Jiao Cave section is grayish black—grayish yellow sand shale and grayish white sed-pyroclastic rock; (b) Dark red magmatic intrusions; (c) pyroclastic debris flow deposit intercalated with soft-deformation sand shale; (d) tabular cross bedding; (e) plant remains in directional alignment caused by debris flow; (f) burrow. Blue arrow points towards funnel-shaped top-to-bottom burrow. Red arrow points towards bottom-to-top escape trace

圖8 深水重力流驅(qū)動(dòng)滑坡過程(據(jù)Shanmugam,2013,略有修改)Fig. 8 The slide process driving by deep water gravity flow (modified according to Shanmugam, 2013)

圖9 青島靈山島晚中生代地層沉積模式圖Fig. 9 The stratum deposition mode graph of Lingshan Island in Late Mesozoic, Qingdao

Shanmugam(1996,2003,2012,2013)和Shanmugam等(1994)根據(jù)濃度、密度、支撐方式和流變學(xué)特征將砂質(zhì)重力流沉積物劃分為塊體搬運(yùn)沉積和濁流沉積,這里的砂質(zhì)是指粒度大于0.06mm的砂級(jí)顆粒(Shanmugam,2013),如圖8,塊體搬運(yùn)過程是沉積物失衡、分離以及沿著斜坡運(yùn)移的整個(gè)過程,一般發(fā)生在水下,但同時(shí)也可以發(fā)生在水上,主要包括砂質(zhì)滑動(dòng)、砂質(zhì)滑塌和砂質(zhì)碎屑流。滑動(dòng)是指剪切力大于剪切強(qiáng)度以后沉積物作為一個(gè)整體沿滑動(dòng)面移動(dòng)而內(nèi)部不發(fā)生形變的運(yùn)動(dòng)過程,代表平移剪切移動(dòng),屬彈性流；滑塌是指內(nèi)部連貫的沉積物沿上凹滑動(dòng)面運(yùn)移,經(jīng)歷旋轉(zhuǎn)變形而造成內(nèi)部形變的運(yùn)動(dòng)過程,代表旋轉(zhuǎn)剪切運(yùn)動(dòng),其最大的特點(diǎn)是變形褶皺等構(gòu)造發(fā)育,屬彈性—塑性流；碎屑流是高密度、高濃度沉積物在基質(zhì)強(qiáng)度、顆粒分散力與浮力綜合作用下產(chǎn)生的塑性沉積物流,內(nèi)部呈層流流動(dòng),沉積物整體呈塊狀“凍結(jié)”式流動(dòng)。砂質(zhì)碎屑流的主要識(shí)別標(biāo)志是：①大量漂浮泥礫或泥屑,且泥屑具有逆序性,即向上含量增多；②塊狀砂巖疊置,是主要的巖石類型；③砂巖中孤立的碎屑顆粒,且碎屑顆?？山蕉ㄏ蚧蛘邿o需排列；④逆粒序或正—逆粒序的組合；⑤泥巖中常含砂巖注入體；⑥突變、不規(guī)則的上接觸面(Shanmugam,2012)。濁流是靠湍流支撐的牛頓流體,沉積物靠懸浮沉降沉積,具有極強(qiáng)的不穩(wěn)定性,其鑒別標(biāo)志主要是正粒序性(鮑馬序列),其次是突變或侵蝕底界面、粒度漸變的上接觸面等。 需要注意的是砂質(zhì)塊體搬運(yùn)沉積和濁流沉積之間是漸變的,在砂質(zhì)滑塌和砂質(zhì)碎屑流間以及砂質(zhì)碎屑流和濁流之間都會(huì)存在過渡沉積,并且重力流塊體搬運(yùn)過程中并非一定包括滑動(dòng)、滑塌和砂質(zhì)碎屑流3個(gè)過程,跟地理位置、外界條件等因素有關(guān)。而產(chǎn)生重力流沉積過程的誘發(fā)因素是多樣的,如水平面的變化、地震作用、鹽水運(yùn)動(dòng)、冰川卸載、河口前端坡度過陡、三角洲前緣高沉積物供應(yīng)、海嘯、風(fēng)暴、生物擾動(dòng)和氣體產(chǎn)生等作用均可導(dǎo)致重力流(Shanmugam,2006)。

由剖面詳細(xì)觀察可知,靈山島晚中生代地層由老到新剖面順序?yàn)榍友隆獰羲齑瑥S—羊礁洞,由巖性和沉積構(gòu)造特征可知,從千層崖底部的濁流沉積到羊礁洞上部的三角洲前緣沉積,整個(gè)沉積過程為一個(gè)水深逐漸變淺的湖相進(jìn)積序列。同時(shí)剖面中不同層位發(fā)育了多尺度、不同類型的軟沉積變形構(gòu)造,再結(jié)合地震活動(dòng)和火山活動(dòng)特征可知,靈山島晚中生代沉積以三角洲前緣—斜坡帶和深湖區(qū)重力流為主的沉積巖,并伴隨火山巖和侵入巖。綜合各種沉積和構(gòu)造特征可知,靈山島重力流沉積過程主要包括砂質(zhì)滑塌、砂質(zhì)碎屑流和濁流,如圖9。其成因機(jī)制是物源供應(yīng)充足的湖盆三角洲前緣在構(gòu)造坡度或沉積坡度控制下,受地震和火山活動(dòng)影響發(fā)生的塊體搬運(yùn)沉積和濁流沉積。

4 結(jié)論

(1)青島靈山島晚中生代地層出露地層下部以細(xì)粒砂泥巖為主,單層厚度不等,上部以火山熔巖、粗粒碎屑巖和火山碎屑巖為主,間夾巖漿侵入體和沉火山碎屑巖,碎屑巖從老到新為一向上水體變淺的水退序列。

(2)靈山島晚中生代碎屑巖地層中發(fā)育了不同類型、不同尺度、不同期次的軟沉積變形構(gòu)造,如軟沉積變形褶皺、布丁構(gòu)造、負(fù)載構(gòu)造和火焰構(gòu)造、軟雙重構(gòu)造等,垂向上軟變形褶皺至少發(fā)育6套,最大厚度可達(dá)3m,最小厚度約10cm,而軟雙重構(gòu)造最小厚度1cm,揭示其復(fù)雜的沉積背景和動(dòng)力學(xué)條件。

(3)靈山島晚中生代碎屑巖沉積以重力流沉積為主,主要是砂質(zhì)塊體搬運(yùn)沉積中砂質(zhì)滑動(dòng)和砂質(zhì)碎屑流沉積,其次為濁流沉積,上部以陸相三角洲前緣沉積為主。其成因機(jī)制是物源供應(yīng)充足的湖盆三角洲前緣在構(gòu)造坡度或沉積坡度控制下,受地震和火山活動(dòng)影響發(fā)生的塊體搬運(yùn)沉積和濁流沉積。并通過初步研究認(rèn)為沉積時(shí)古斜坡方向?yàn)槟蠔|—北西方向。

致謝:感謝國家自然科學(xué)基金和科技部對(duì)本項(xiàng)目的資助。

注 釋 / Notes

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