靈山島北端早白堊世復理石中的滑塌斷崖

董曉朋，呂洪波，張星，張海春，王俊，張素菁

1)中國石油大學地球科學與技術學院, 山東青島，266580; 2)現(xiàn)代古生物學和地層學國家重點實驗室, 南京，210008; 3)中國科學院南京地質古生物研究所, 南京，210008; 4)香港大學地球科學系, 香港

內(nèi)容提要: 山東靈山島北端背來石附近復理石為下白堊統(tǒng)靈山島組(K1lsd)上段，筆者等在其野外露頭上發(fā)現(xiàn)了海底滑塌侵蝕區(qū)的代表性構造——滑塌斷崖。據(jù)野外觀察，背來石附近復理石以含礫粗砂巖夾泥質粉砂巖為主，偶夾礫巖層?；秆乱话惆l(fā)育在事件沉積層——粗砂巖或含礫粗砂巖中，斷面呈上凹的弧形，上覆繼承性沉積了泥質粉砂巖或粉砂質泥巖。滑塌褶皺、震動液化脈等事件沉積普遍發(fā)育，說明靈山島組沉積時地震頻發(fā)。根據(jù)滑塌褶皺樞紐、軸面以及滑塌斷崖產(chǎn)狀判斷滑塌方向有兩個：主要為SWNE，部分為SN?；鷶嘌碌陌l(fā)育揭示了：隨著盆地的收縮變淺，靈山島地區(qū)由純粹的滑塌堆積區(qū)逐漸轉變?yōu)榛治g—堆積混合區(qū)，靈山島組上段砂泥比增大且含大量片麻巖和石英巖礫石，說明沉積區(qū)更接近陸緣，盆地處于殘余洋盆發(fā)育的晚期階段。

靈山島是山東省青島市黃島區(qū)南部黃海近岸海域中的一個小島，面積為7.66km2，位于該區(qū)重要的構造單元——蘇魯造山帶中, 而造山帶的NW側為膠萊盆地(圖1)。呂洪波等(2011)首次發(fā)現(xiàn)并報道的早白堊世深海復理石及滑塌褶皺層，以及后來在復理石露頭中發(fā)現(xiàn)的巨大滑積巖塊(呂洪波等，2012)，揭示了造山帶正強烈隆起、洋盆即將閉合的構造背景。根據(jù)泥巖中的孢粉組合和砂巖中的碎屑鋯石測年結果(Wang Jun et al.?)，這套地層時代為早白堊世早期，命名為靈山島組(K1lsd)(張海春等，2013)。一系列發(fā)現(xiàn)與進展使得靈山島早白堊世復理石成為近年來的研究熱點并引發(fā)了沉積環(huán)境討論：鐘建華(2012)認為該滑塌沉積層屬于陸內(nèi)三角洲淺水沉積；呂洪波等(2013)強調了深海相特征；邵珠福等(2014)認為是物源供應充足的湖盆三角洲前緣在構造坡度或沉積坡度控制下，受地震和火山活動影響發(fā)生的塊體搬運沉積和濁流沉積。壯觀的滑塌沉積層及其間的軟沉積物變形構造引發(fā)了后續(xù)的討論(董曉朋等?，董曉朋等，2013)，而對上覆層火成巖及磨拉石建造也有了初步研究(張星等?；Wang Jun et al.?；張海春等，2013)。復理石和磨拉石分別為殘余盆地和前陸盆地代表性的沉積體(Einsele, 1992485～492)，而靈山島復理石與磨拉石的存在表明揚子板塊與華北板塊之間的碰撞到早白堊世仍未完成(呂洪波等，2011，2012；Wang Jun et al.?)。這一認識與前人所述三疊紀揚子板塊與華北板塊已碰撞閉合造山的觀點(Ames et al., 1996; 李曙光等，1996，1997；Hacker et al., 1998; 劉福來等，2003)有著明顯的差異。

近年來已經(jīng)報道的靈山島組復理石滑塌褶皺和軟沉積物變形構造，如：同沉積滑塌褶皺、同沉積拉伸線理、同沉積布丁構造和同沉積雙重構造，都屬于滑塌堆積區(qū)(accumulation zone)構造。2013年本文作者又在靈山島北端背來石附近露頭上發(fā)現(xiàn)屬于滑塌侵蝕區(qū)(depletion zone)的典型構造——滑塌斷崖(slump scarp)。本文將介紹其特征并分析其地質意義。

圖1山東青島市靈山島附近地質簡圖及平面圖 (據(jù)山東省第四地質礦產(chǎn)勘查院，2000；呂洪波等，2011； 有改動，靈山島衛(wèi)星圖片據(jù)Google Earth)Fig. 1 A sketch map showing the geologic framework of Lingshan Island, Qingdao, Shandong, and its vicinity area (Modified after No. 4 Exploration Institute of Geology and Mineral Resources of Shandong Province, 2000； Hongbo et al., 2011； and the satellite image of Lingshan Island was captured from Google Earth)

1 滑塌斷崖(slump scarp)定義及特征

Buchanan和Milne分別于1887年和1897年報道的海底沉積物發(fā)生位移沖斷海底電纜事件是對滑塌沉積的最早記錄(Carlson, 1978)。未固結或未完全固結的沉積物以相對較連續(xù)的塊體或巖層沿斜坡發(fā)生相對位移的過程叫做滑塌(slump or slide)(Turner and Schuster, 199640～41; Tarbuck and Lutgens, 1998219～220; Girty, 2009)，常見于大陸架(Carlson, 1978)、陸架坡折處(Bunn et al., 1980)、大陸坡(Field and Clarke, 1979; Bunn et al., 1980)和海底峽谷兩側(Kenyon et al., 1978)等斜坡沉積的中新世到全新世未固結沉積層中(Lewis, 1971; Embley et al., 1977; Carlson, 1978; Bunn et al., 1980)。

每個滑塌層都有以伸展斷裂為主的上坡—侵蝕區(qū)(depletion zone)和以擠壓褶皺為主的下坡—堆積區(qū)(accumulation zone)?；鷶嘌?slump scarp)發(fā)育在侵蝕區(qū)頂部，最早被Finch(1933)用來描述巖漿受冷凝、揮發(fā)分逃逸和地表起伏影響發(fā)生陷落形成的斷裂，現(xiàn)在則形容塊體剝蝕(mass wasting)過程中在斜坡上形成的陡峭斷面(Varnes, 1978；Hampton et al., 1996)(圖2)。相鄰的斜坡上可能發(fā)育冠狀裂縫(crown crack),滑塌體內(nèi)部也可能發(fā)育小型斷崖。

國外學者雖然對滑塌沉積研究較多，但對滑塌斷崖的研究報道僅限于其發(fā)育(Schwing and Norton, 1990; Houghton et al., 1999)和形態(tài)特征方面(Almagor and Wiseman, 1991; Hampton et al., 1996)，而國內(nèi)關于滑塌斷崖研究的正式報道尚未發(fā)現(xiàn)。

圖2 滑塌沉積理想模式圖(據(jù)Varnes, 1978; Hanpton et al., 1996; 有改動)Fig. 2 Ideal model of slump deposits (Modified after Varnes, 1978; Hanpton et al., 1996)

2 靈山島組滑塌斷崖的基本特征

靈山島組在千層崖處褶皺形態(tài)顯示清楚，其中一組巖層產(chǎn)狀為65°∠44°；修船廠處地層產(chǎn)狀穩(wěn)定，為129°∠36°；背來石北部露頭地層產(chǎn)狀大致為104°∠65°(圖1)。據(jù)野外觀察地層間接觸關系和沉積結構構造等判斷，靈山島組未發(fā)生倒轉。對比修船廠和千層崖剖面，千層崖處復理石沉積最早，背來石附近地層位于修船廠處復理石之上，沉積時間稍晚，為靈山島組上段。圖3所示為在靈山島北端背來石附近露頭發(fā)現(xiàn)的各種現(xiàn)象。

圖3中露頭均位于島嶼北端海邊的潮間帶，而記錄斷崖的地層露頭特征如下(滑塌斷崖-1和滑塌斷崖-3被后期斷裂錯段，圖4和圖6為恢復斷崖原始形態(tài)素描圖)：

2.1 斷崖露頭-1

如圖4所示，斷崖-1斷面呈上凹的弧形，在上緣(D層)陡，而向下逐漸變緩直至平行于地層層面(C、B層)，切穿粒序層砂巖的斷面主體產(chǎn)狀為84°∠75°，巖層產(chǎn)狀為104°∠65°。粒序層砂巖(D層)厚約0.9m，B和C兩層厚約1.4m，B層被斷面切割段穩(wěn)定厚度為0.7m，斷崖-1高度約為1.6m。

A層和C層以泥質砂巖為主，成層性較好，均為背景沉積。B層為厚層含礫粒序粗砂層，包裹大量變形砂巖、泥巖碎片，長10～40cm者居多。砂巖、泥巖碎片多呈帶狀近平行于層面分布，代表高強度的事件沉積。D層為含礫粒序粗砂巖，底部礫石棱角狀—次棱角狀，粒徑大多小于1cm，內(nèi)部未見紋理，頂面被濁流侵蝕而凹凸不平。上覆泥質粉砂巖和泥巖層依下伏砂巖形態(tài)發(fā)生繼承性彎曲，為背景沉積。

圖3 靈山島北端背來石附近靈山島組露頭Fig. 3 Outcrop of Lingshandao Formation nearby Beilaishi (flying stone), north of Lingshan Island

a) 滑塌斷崖-1野外露頭(鏡頭指向12°)；(b) 滑塌斷崖-2野外露頭；(c) 滑塌斷崖-3野外露頭(由多張照片拼接而成)；(d) 震動液化脈；(e) 背來石附近靈山島組；(f) 復理石中礫巖夾層，背景沉積為泥質砂巖；(g) 同沉積滑塌褶皺(兩條虛線之間的部分)，軸面傾向大致相同，傾向滑塌來源方向。褶皺層為含礫粗砂巖，背景沉積為泥質砂巖；(h) 同沉積逆沖斷層(兩條虛線之間的部分)，褶皺層為含礫粗砂巖，背景沉積為泥質砂巖；(i) 大型滑塌褶皺，產(chǎn)狀混亂 (a) Outcrop of slump scarp-1(camera to 12°);(b) outcrop of slump scarp-2;(c) outcrop of slump scarp-3, pieced by several photos;(d) liquefied sand dikes;(e) outcrop of the Lingshandao Formation nearby Beilaishi(flying stone);(f) conglomerate embedded in pelitic sandstone which deposited in stable sedimentary environment; (g) synsedimentary slump folds (between the dash lines) with their axial planes dipping toward the slump source; the folded layer is conglomeratic sandstone embedded in pelitic sandstone which deposited in stable sedimentary environment;(h) synsedimentary thrust fault (between the dash lines); the folded layer is conglomeratic sandstone embedded in pelitic sandstone which deposited in stable sedimentary environment;(i) Large slump folds with chaotic attitudes, representing the slump accumulation zone

2.2 斷崖露頭-2

如圖5所示，斷崖-2斷面呈上凹的弧形，在B層上緣陡，而向下逐漸變緩直至平行于下伏泥巖，切穿粒序層砂巖處產(chǎn)狀為266°∠82°，巖層產(chǎn)狀為104°∠81°。B層最厚約17cm，斷崖-2高度約為17cm。

A層為含礫粒序粗砂巖，包裹大量變形砂巖、泥巖碎片，代表高強度的事件沉積。C層泥質砂巖和砂巖形態(tài)發(fā)生繼承性彎曲，為背景沉積。B和D兩層均為厚層含礫粒序粗砂巖，包裹砂巖、泥巖碎片，底部礫石棱角狀—次棱角狀，粒徑大多1cm左右，均為高強度的事件沉積。B層頂面受侵蝕而凹凸不平，與D層形態(tài)似互補，這是因為：B層發(fā)生滑塌后形成負地形，然后在相對安靜的水體中沉積了C層，并依其形態(tài)繼承了彎曲的特征，而后來的事件性沉積物將負地形充填(D層)。E層為泥質砂巖和砂巖互層，偶夾褶皺泥質條帶，是背景沉積層受到后續(xù)事件影響而向前方蠕動的結果。

圖4 靈山島滑塌斷崖露頭-1素描圖(由圖3a簡化而得，俯視拍攝)Fig. 4 A sketch profile showing the slump scarp-1 in K1lsd in Lingshan Island (See Fig. 3a)

2.3 斷崖露頭-3

如圖6所示，斷崖露頭-3包含兩個斷崖，斷面均呈向上凹的弧形，弧面很緩：

(1)斷崖-3-a：上緣(D層)陡，向下逐漸變緩直至平行于斷崖-3-b。C、D兩層厚約20cm，斷崖-3-a高度約為20cm；

(2)斷崖-3-b：B層由上緣向下逐漸變緩直至平行于層面(A層)。B層最厚約30cm，最薄約10cm，斷崖-3-b高度約為20cm 。C層產(chǎn)狀為98°∠67°。E層中層間小褶皺樞紐產(chǎn)狀為185°∠17°和180°∠20°。

B層為含礫粒序粗砂巖，砂泥巖碎片少見，底部礫石粒徑多小于0.5cm。D層為含礫粒序粗砂巖，組成與B層相似。E層以泥質粉砂巖為主，夾有薄層或厚層的褶皺砂巖層。C、E層均發(fā)生繼承性彎曲，為背景沉積。

圖5 靈山島滑塌斷崖露頭-2素描圖(由圖3b簡化而得，俯視拍攝)Fig. 5 A sketch showing slump scarp-2 in K1lsd in Lingshan Island (See Fig. 3b)

圖6 靈山島滑塌斷崖露頭-3素描圖(由圖3c簡化而得，俯視拍攝)Fig. 6 A sketch showing slump scarp-3 in K1lsd in Lingshan Island (See Fig. 3c)

3 討論

3.1 觸發(fā)因素

前人歸納：滑塌作用的觸發(fā)因素主要為地震(Schwing and Norton, 1990; Almagor and Schilman, 1995; Monecke et al., 2004; Martinez et al., 2005)，其次還有波浪(Henkel, 1970; Hanpton et al., 1978)、與冰川有關的海平面變化(Kuijpers et al., 2001)、高沉積速率(Agirrezabala et al., 2005)和地層中的流體流動(Martinez et al., 2005; Faure et al., 2006)等。

圖4中B層包裹的砂巖、泥巖碎片呈帶狀近平行于層理分布，這說明濁流沉積頻繁，能量強，具有陣發(fā)性特征。此處砂巖中發(fā)育震動液化脈(圖3d中箭頭所指)。據(jù)前人研究，震動液化脈是古地震的重要識別標志之一(Obermeier, 1996; 喬秀夫等，2009，2011)。

綜上所述可推斷：頻繁的地震是導致靈山島組砂巖中滑塌斷崖發(fā)育的最主要因素。由于地震活動頻繁，砂泥巖固結程度低且砂巖易滑塌，因此靈山島組復理石中滑塌褶皺和斷崖發(fā)育普遍。

3.2 形成機制

在水下沉積物發(fā)生滑塌和位移過程中，重力是主要的驅動力(Field and Clarke, 1979; Alsop et al., 2012)。由于滑塌過程中滑塌體可發(fā)生流體化形成濁流，滑移幾十甚至上百千米(Mulder and Cochonat, 1996)，因此侵蝕區(qū)往往空留斷崖不見滑塌體。在露頭處順陡崖發(fā)育層追蹤至海邊而未見滑塌體，說明滑塌部分已經(jīng)遠遠地向前方移走，滑移距離無法判斷。

3.3 滑塌方向

作者將背來石附近野外測量結果進行了赤平投影，恢復了原始產(chǎn)狀(表1)。

表1 部分軟沉積物變形構造產(chǎn)狀及地質意義

表1中斷崖產(chǎn)狀揭示：滑塌體由SW向NE滑塌，圖4和圖5中滑塌褶皺及褶皺泥質條帶產(chǎn)狀也與此結果吻合。同沉積小褶皺產(chǎn)狀揭示：滑塌體除由SW向NE滑塌外，還由S向N滑塌?？紤]到靈山島組沉積時靈山島一帶曾為殘余盆地，推測靈山島這套沉積層當時應位于大陸斜坡底部。來自于斜坡的滑塌體與平行盆地軸部運移的濁流和滑塌體在此混合。

3.4 沉積環(huán)境演化

靈山島背來石附近靈山島組以灰黑色粗砂巖和泥質砂巖為主，偶夾含礫粗砂巖層，背景沉積為灰黑色泥質粉砂巖。巖相特征說明沉積環(huán)境為強還原環(huán)境，不會受波浪影響；因未發(fā)現(xiàn)牽引流引起的前積層理等構造，推測洋流影響也很弱。發(fā)育斷崖的粗砂巖中礫石主要為片麻巖和石英巖，粒徑以厘米級為主，棱角狀—次棱角狀(圖3e、圖3f)，說明濁流強度大，可將陸相礫石和粗砂帶到深海沉積。

與修船廠處(董曉朋，2013)和千層崖處(呂洪波等，2011)砂巖相比，千層崖處砂巖的粒度和砂泥比最小，背來石附近最大，這說明：晚期沉積盆地的水體明顯比早期變淺，更接近物源區(qū)。

滑塌斷崖是滑塌侵蝕區(qū)的標志性構造，而逆沖小斷層(thrust faults)(圖3h)和同沉積滑塌褶皺(圖3g、圖3i)是典型的滑塌堆積區(qū)特征(Martinez et al., 2005)，因此背來石附近靈山島組具備滑塌侵蝕—堆積混合區(qū)特征。而由千層崖到修船廠，同沉積滑塌褶皺是最主要的軟沉積物變形構造(呂洪波等，2011，董曉朋等，2013)，這說明靈山島一帶早白堊世曾經(jīng)為滑塌堆積區(qū)。靈山島組沉積過程中軟沉積物變形類型自下而上的變化趨勢說明：隨著盆地的演化，靈山島一帶由純粹的滑塌堆積區(qū)逐漸轉變?yōu)榛治g—堆積混合區(qū)。

4 結論

(1) 滑塌褶皺、事件沉積層和震動液化脈的普遍發(fā)育說明地震是形成靈山島組中軟沉積物變形的最主要誘因。而滑塌斷崖的發(fā)育說明：隨著盆地演化，靈山島地區(qū)由純粹的滑塌堆積區(qū)逐漸轉變?yōu)榛治g—堆積混合區(qū)。

(3) 從千層崖、修船廠到背來石附近，靈山島組滑塌沉積廣泛發(fā)育，砂泥比逐漸增大，至背來石附近則含有大量片麻巖和石英巖礫石，說明：盆地正快速變窄、變淺，沉積區(qū)更接近陸緣，已處于殘余盆地的晚期階段。

注 釋 / Notes

? 董曉朋, 呂洪波, 張海春, 王俊, 張素菁, 張星, 黃振才, 舒云超. 2012. 山東靈山島早白堊世復理石及軟沉積物變形構造初探. 見：第十二屆全國古地理學及沉積學學術會議論文摘要集. 327～330.

? 張星, 呂洪波, 張海春, 王俊, 張素菁, 董曉朋, 黃振才, 舒云超. 2012. 山東膠南靈山島早白堊世磨拉石地質意義初探. 見：第十二屆全國古地理學及沉積學學術會議論文摘要集. 159～160.