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      靈山島下白堊統(tǒng)軟沉積物變形構(gòu)造類型劃分及其地質(zhì)意義

      2018-12-11 01:07:30孫福寧楊仁超樊愛萍尤靖茜
      沉積學(xué)報(bào) 2018年6期
      關(guān)鍵詞:白堊驅(qū)動(dòng)力剪切力

      孫福寧,楊仁超,樊愛萍,尤靖茜

      1.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210023 2.山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島 266590 3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司數(shù)字化與信息管理部,西安 710021

      0 引言

      軟沉積物變形構(gòu)造作為一種特殊的沉積構(gòu)造類型引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注,并就其形態(tài)特征[1-2]、成因機(jī)制[3-5]、分類方案[1,6-7]等方面展開了深入研究。地震固然是引起軟沉積物發(fā)生變形的一種重要因素[4-16]、但風(fēng)暴[17-18]、海嘯[19-21]、滑塌[22-26]、火山活動(dòng)[27]、冰凍或冰融[28-30]、沉積物快速堆積[31]、地外天體撞擊[32]等也是不容忽略的成因[7-8,11,33-35]。由于不同事件可誘發(fā)相同的變形類型,故按照誘發(fā)事件的分類方案在同種事件中較為適用,而在具有“多成因、同現(xiàn)象”的變形中,難以區(qū)分其真正的成因,故基于觸發(fā)機(jī)制的分類常具有較大的局限性。

      Owenetal.[36]指出軟沉積物變形構(gòu)造的形成必須同時(shí)滿足三個(gè)條件:驅(qū)動(dòng)力改變沉積物的原始沉積特征;變形機(jī)制使得沉積物處于可變形狀態(tài);觸發(fā)機(jī)制引發(fā)大多數(shù)變形機(jī)制的發(fā)生。驅(qū)動(dòng)力直接作用于軟沉積物,驅(qū)動(dòng)力的種類、大小、作用方式和持續(xù)時(shí)間是影響軟沉積物變形構(gòu)造類型、形態(tài)和規(guī)模的重要因素,驅(qū)動(dòng)力的研究對(duì)軟沉積物變形構(gòu)造的野外識(shí)別、形成環(huán)境和成因機(jī)理的分析判定等具有重要意義。因此,本文結(jié)合靈山島下白堊統(tǒng)軟沉積物變形構(gòu)造發(fā)育情況,探討了基于驅(qū)動(dòng)力的軟沉積物變形構(gòu)造分類方案,以期為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供參考。

      1 軟沉積物變形構(gòu)造研究背景和現(xiàn)狀

      軟沉積物變形構(gòu)造(soft-sediment deformation structures)是沉積物沉積之后、固結(jié)成巖之前尚處于塑性狀態(tài)時(shí),在液化作用和各種驅(qū)動(dòng)力作用下發(fā)生不同程度變形的一系列構(gòu)造。觸發(fā)軟沉積物發(fā)生變形的事件有很多,例如地震、風(fēng)暴、海嘯、重力滑塌、流體作用、火山活動(dòng)、沉積物快速堆積等都可以引起未固結(jié)沉積物發(fā)生液化和變形,并在成巖和后生作用過(guò)程中得以保存,形成地層中常見的軟沉積物變形構(gòu)造。地震是引起軟沉積物發(fā)生變形的一種最常見的觸發(fā)機(jī)制。早在19世紀(jì)中葉,就有對(duì)軟沉積物變形構(gòu)造研究的相關(guān)記載[37]。1969年,Seilacher[38]將未固結(jié)的軟沉積物被地震改造之后的再沉積層定義為地震巖(seismites),開啟了軟沉積物變形構(gòu)造研究的新篇章。此后,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)軟沉積物變形構(gòu)造的研究逐漸成為地質(zhì)學(xué)科的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一,并在形態(tài)特征、成因機(jī)制、種類劃分、實(shí)驗(yàn)?zāi)M等方面做了大量工作,并取得了很多重要成果[1-37,39-46]。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者越來(lái)越注重軟沉積物變形構(gòu)造的多成因性,闡述了“seismites”和“soft-sediment deformation structures”之間的聯(lián)系和區(qū)別[4,16,34-35,44-45]。2016年9月24日,第14屆全國(guó)古地理學(xué)及沉積學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議召開了“多成因的軟沉積物變形構(gòu)造及地震巖”專題研討會(huì),對(duì)軟沉積物變形構(gòu)造、地震巖、震積巖等問(wèn)題進(jìn)行了討論和爭(zhēng)鳴[45]。不可否認(rèn)的是,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)軟沉積物變形構(gòu)造的地震解釋有一種擴(kuò)大的趨勢(shì)[34,45]。地震巖中的變形構(gòu)造不全是軟沉積物變形構(gòu)造,軟沉積物變形構(gòu)造也并非全部由地震形成的。

      地層中往往發(fā)育有不同尺度、不同形態(tài)、不同期次、不同成因的軟沉積物變形構(gòu)造,對(duì)其系統(tǒng)描述和分類無(wú)疑是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)?,F(xiàn)有的分類主要是依據(jù)軟沉積物變形構(gòu)造的形態(tài)特征、形成機(jī)理或成因,或結(jié)合形態(tài)和成因?qū)ζ溥M(jìn)行綜合分類[46],而對(duì)直接作用于軟沉積物的驅(qū)動(dòng)力的關(guān)注較少。引起軟沉積物發(fā)生變形的最直接因素是各種驅(qū)動(dòng)力,因此,從驅(qū)動(dòng)力角度對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)劃分具有科學(xué)性、適用性和可行性。

      2 地質(zhì)概況

      靈山島位于山東省青島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)黃海近海海域,距離最近的陸地大珠山約9.8 km,距離積米崖港約16.7 km,島型狹長(zhǎng),南寬北窄,面積約7.66 km2,島內(nèi)最高峰歪頭頂海拔513.6 m(圖1)。欒光忠等[47]將其成島類型歸為構(gòu)造掀斜型。從大地構(gòu)造位置上看,靈山島位于靈山島凹陷內(nèi),西北方向因膠南隆起與膠萊盆地相隔,東南方向?yàn)榍Ю飵r隆起,正好處于蘇魯造山帶的中部地帶,受揚(yáng)子板塊與華北板塊碰撞控制,多條區(qū)域性斷層也呈NE—SW向平行展布,大地構(gòu)造位置十分關(guān)鍵(圖1a)。

      圖1 靈山島區(qū)域地質(zhì)(a.據(jù)文獻(xiàn)[51]修改)與地質(zhì)簡(jiǎn)圖(b.據(jù)文獻(xiàn)[47]修改和Google Earth)Fig.1 Location and simplified geologic map of Lingshan Island(a. modified from reference [51]; b. modified from reference [47] and Google Earth)

      山東省第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘察院[48]和欒光忠等[47]認(rèn)為靈山島出露兩套地層:上部的青山群(K1q)八畝地組火山巖不整合于下部的萊陽(yáng)群(K1l)法家塋組沉積巖之上(圖1b),是膠萊盆地陸相沉積在盆地邊緣的露頭。呂洪波等[22,49]認(rèn)為下部的沉積巖實(shí)為一套海相復(fù)理石沉積,張海春等[50]為此建立了一新的巖石地層單位——靈山島組,是與膠萊盆地中廣泛分布的下白堊統(tǒng)萊陽(yáng)群法家塋組同期異相的地層。對(duì)靈山島老虎嘴處流紋巖進(jìn)行LA-ICP-MS測(cè)年,獲得鋯石U-Pb年齡為119.2±2.2 Ma,地質(zhì)時(shí)代為早白堊世[51]。流紋巖之下的沉積層是本文研究的目的層位,其中發(fā)育有多種類型的軟沉積物變形構(gòu)造。

      3 驅(qū)動(dòng)力分類原則和分類方案

      Owenetal.[36]認(rèn)為引起軟沉積物發(fā)生變形的驅(qū)動(dòng)力主要包括五種類型:1)斜坡上的重力;2)不規(guī)則地形引起的不均勻負(fù)載;3)密度倒置引起的重力不穩(wěn)定;4)水或其他流體產(chǎn)生的剪切力;5)生物和化學(xué)因素。在相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研基礎(chǔ)上,結(jié)合靈山島下白堊統(tǒng)軟沉積物變形構(gòu)造野外觀察資料,并參考前人的分類方案,借鑒其中的部分方法與思路,本文提出了一個(gè)基于驅(qū)動(dòng)力的軟沉積物變形構(gòu)造分類方案(表1)。分類的基本原則是:1)以形態(tài)特征為基礎(chǔ),以驅(qū)動(dòng)力為分類依據(jù);2)多種驅(qū)動(dòng)力共同作用時(shí),取最主要的、最能反映其形態(tài)特征的驅(qū)動(dòng)力作為分類依據(jù);3)當(dāng)有應(yīng)力作用時(shí),首先根據(jù)驅(qū)動(dòng)力劃分至大類,再根據(jù)應(yīng)力類型劃分至亞類;4)考慮形態(tài)特征,對(duì)由相似作用力而具有不同形態(tài)的類型予以區(qū)分,以便于在野外進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別;5)盡量沿用現(xiàn)有且最流行的沉積學(xué)術(shù)語(yǔ),并對(duì)同種現(xiàn)象、不同說(shuō)法的變形類型進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié);6)在科學(xué)與系統(tǒng)分類基礎(chǔ)上,避免繁瑣,能簡(jiǎn)不繁。

      根據(jù)以上原則,將靈山島下白堊統(tǒng)軟沉積物變形構(gòu)造劃分為斜坡上的重力驅(qū)動(dòng)、密度倒置條件下的重力驅(qū)動(dòng)、孔隙流體作用下的剪切力驅(qū)動(dòng)等三種類型。此外,靈山島下白堊統(tǒng)發(fā)育有多套重力滑塌體,其內(nèi)部軟沉積物變形構(gòu)造復(fù)雜多樣。滑塌體及其相關(guān)的軟沉積物變形構(gòu)造形成于斜坡環(huán)境,整體受重力驅(qū)動(dòng),但滑塌體內(nèi)部的在滑塌過(guò)程中形成的軟沉積物變形構(gòu)造的類型、形態(tài)等受重力影響有限。在綜合分析滑塌體內(nèi)部軟沉積物變形構(gòu)造發(fā)育情況和分布特征等基礎(chǔ)上,認(rèn)為在滑塌過(guò)程中形成的軟沉積物變形構(gòu)造與沉積物在滑塌過(guò)程中所遭受的應(yīng)力狀態(tài)有著直接關(guān)系,故根據(jù)其形成時(shí)所遭受的應(yīng)力類型,將斜坡上重力驅(qū)動(dòng)的(滑塌引起的)軟沉積物變形構(gòu)造進(jìn)一步分為擠壓型、拉伸型和剪切型等三個(gè)亞類。

      4 基本類型和特征

      靈山島下白堊統(tǒng)沉積巖中發(fā)育有多尺度、多形態(tài)、多層位、多期次、多成因的軟沉積物變形構(gòu)造,本文在詳細(xì)的野外考察和室內(nèi)研究基礎(chǔ)上,共識(shí)別和劃分出斜坡上的重力驅(qū)動(dòng)、密度倒置條件下的重力驅(qū)動(dòng)和孔隙流體作用下的剪切力驅(qū)動(dòng)等三大類10余種軟沉積物變形構(gòu)造,現(xiàn)將其主要類型介紹如下:

      4.1 斜坡上的重力驅(qū)動(dòng)

      斜坡環(huán)境的沉積物在某種觸發(fā)機(jī)制的作用下發(fā)生滑塌,產(chǎn)生一系列的軟沉積物變形構(gòu)造[25,52-53]。沉積物沿斜坡向下滑動(dòng)過(guò)程中整體受重力驅(qū)動(dòng),與滑塌相關(guān)的軟沉積物變形構(gòu)造(褶皺、斷層等)也均受重力驅(qū)動(dòng),并且被認(rèn)為能夠很好地體現(xiàn)古斜坡的方位[52]。重力作為該類軟沉積物變形構(gòu)造的驅(qū)動(dòng)力,對(duì)整個(gè)滑塌體及其滑塌引起的軟沉積物變形構(gòu)造具有控制作用,但對(duì)其具體類型和形態(tài)等影響有限。影響斜坡上重力驅(qū)動(dòng)的軟沉積物變形構(gòu)造的最直接因素是沉積物在滑塌過(guò)程中所遭受的各種應(yīng)力。

      表1靈山島下白堊統(tǒng)基于驅(qū)動(dòng)力的軟沉積物變形構(gòu)造分類方案

      Table1Classificationofsoft-sedimentdeformationstructuresbasedondrivingforcesofLowerCretaceousinLingshanIsland

      滑塌體內(nèi)部在滑塌過(guò)程中的應(yīng)力狀態(tài)非常復(fù)雜,并在各種應(yīng)力作用下形成了多種類型的軟沉積物變形構(gòu)造。其中,船廠剖面滑塌體及其內(nèi)部的軟沉積物變形構(gòu)造最為發(fā)育,既包括滑塌過(guò)程中形成的軟沉積物變形構(gòu)造,也包括滑塌前形成的軟沉積物變形構(gòu)造,前者即為斜坡上重力驅(qū)動(dòng)的軟沉積物變形構(gòu)造,后者包括密度倒置條件下重力驅(qū)動(dòng)的軟沉積物變形構(gòu)造和孔隙流體作用下剪切力驅(qū)動(dòng)的軟沉積物變形構(gòu)造。根據(jù)滑塌體內(nèi)部因滑塌引起的軟沉積物變形構(gòu)造形成時(shí)所遭受的應(yīng)力類型,將斜坡上重力驅(qū)動(dòng)的軟沉積物變形構(gòu)造進(jìn)一步分為擠壓型、拉伸型和剪切型等三個(gè)亞類。

      4.1.1 擠壓型

      (1) 同生逆斷層

      斷層不限于固結(jié)巖層中,在飽和水的、未固結(jié)沉積物中也可發(fā)育[54]。在滑塌體中,當(dāng)沉積物沿斜坡下滑過(guò)程中,隨著坡度減緩,滑塌體前緣的沉積物遭受擠壓可形成同生逆斷層。圖2a中的同生逆斷層位于船廠剖面的滑塌體前緣,斷層面不明顯,傾角約20° 左右,平緩彎曲,切穿互層的薄層砂巖、泥巖。斷層面兩側(cè)沉積物牽引彎曲,形成牽引小褶曲。薄層砂巖破碎較為嚴(yán)重,砂質(zhì)團(tuán)塊多呈橢球形疊置狀分布;薄層泥巖連續(xù)性良好。該同生逆斷層顯然是沉積物沿斜坡向前滑動(dòng)過(guò)程中受阻擠壓形成的。

      (2) 混雜的擠壓變形

      滑塌體前緣以擠壓應(yīng)力為主,軟沉積物在擠壓應(yīng)力作用下,原始沉積物特征遭受破壞,表現(xiàn)為混雜變形的特征。圖2b中所示的混雜的擠壓變形位于船廠剖面滑塌體前緣,沉積物沿斜坡向前滑動(dòng)過(guò)程中遭受擠壓應(yīng)力,泥質(zhì)沉積物彎曲形成揉皺變形,紋層較為連續(xù);砂質(zhì)沉積物發(fā)生擠壓形成砂質(zhì)團(tuán)塊和彎曲變形。其中,揉皺變形表現(xiàn)為極不協(xié)調(diào)狀;砂質(zhì)團(tuán)塊以球形、橢球形為主,被泥質(zhì)沉積物包圍。

      4.1.2 拉伸型

      (1) 同沉積布丁構(gòu)造

      呂洪波等[22]最早將沉積巖中的布丁構(gòu)造命名為同沉積布丁構(gòu)造,常見于砂泥交互的薄層砂巖層中[22,53,55-56]。靈山島船廠剖面滑塌體中的同沉積布丁構(gòu)造最為典型。布丁構(gòu)造主要發(fā)育在滑塌體近底部的薄層砂巖中,在10~20 cm的中層砂巖中也偶有發(fā)育。砂巖層在順層拉伸力作用下表現(xiàn)為局部厚度減薄(圖3a),進(jìn)而發(fā)育成布丁塊體,布丁塊體間為較薄的喉頸狀砂巖,連接處可見牽引的痕跡,表明為沉積物部分液化后的塑性變形(圖3b);塑性的砂巖層進(jìn)一步在拉伸力作用下,布丁塊體完全分隔成紡錘形的砂質(zhì)團(tuán)塊,被泥質(zhì)沉積物完全包圍,一般呈群體出現(xiàn)(圖3c)。此處的布丁構(gòu)造是在滑塌體向前滑動(dòng)過(guò)程中砂巖層遭受拉伸所致,疊置狀的布丁塊體同時(shí)受到一定的剪切力作用。布丁塊體傾倒方向指示滑塌下坡方向,即塊體間同生微型正斷層的傾向指示滑塌源頭。圖3b中的布丁塊體間的微斷層傾向SE,表明沉積物由SE向NW方向滑塌。布丁塊體指示滑塌方向具有一定的局限性,滑塌方向只能代表所在層位的局部滑塌方向。

      (2) 階梯狀斷層和多米諾骨牌構(gòu)造

      階梯狀斷層[57-58],又稱作粒序斷層[13]或韻律斷層[43],是限于層內(nèi)發(fā)育的一組斷距很小的小型或微型正斷層[13,56,59]。階梯狀斷層的斷層面傾角往往較大,且呈階梯狀排列。圖3d中的階梯狀斷層位于船廠剖面滑塌體內(nèi)的濁積巖中,尺度很小,斷距約1 cm左右,斷層面傾角約40° 左右,切穿部分砂泥紋層,且限于巖層內(nèi)部發(fā)育。沉積物快速堆積,顆粒間含有大量的水和空隙,在滑塌過(guò)程中脫水收縮、差異下沉遭受拉伸所致。圖3e中的階梯狀斷層與多米諾骨牌構(gòu)造相伴生,砂巖層被完全拉斷,表現(xiàn)為一系列菱柱狀的呈疊瓦狀排列的塊體,中間被同生微型正斷層隔開,近于平行的多條正斷層呈階梯狀排列,傾角約45°左右。多米諾骨牌構(gòu)造可以與同沉積布丁構(gòu)造相伴生,但前者表現(xiàn)為一定的脆性變形,是較強(qiáng)硬砂層在受到強(qiáng)烈的順層拉伸作用下形成的。

      圖2 斜坡上重力驅(qū)動(dòng)的擠壓型軟沉積物變形構(gòu)造a.同生逆斷層,鏡頭蓋:7 cm;b.混雜的擠壓變形,包括揉皺變形、砂質(zhì)團(tuán)塊等,鉛筆:8 cmFig.2 Soft-sediment deformation structures of compression types driven by gravity acting on slopes

      圖3 斜坡上重力驅(qū)動(dòng)的拉伸型軟沉積物變形構(gòu)造a.厚度局部減薄的砂巖層,直尺:15 cm;b.同沉積布丁構(gòu)造,布丁塊體間以較薄的喉頸狀砂巖連接,直尺:10 cm;c.布丁塊體完全分隔成紡錘形的砂質(zhì)團(tuán)塊,硬幣:22.5 mm;d.階梯狀斷層,直尺:4 cm;e.階梯狀斷層和多米諾骨牌構(gòu)造,直尺:15 cm Fig.3 Soft-sediment deformation structures of tension types driven by gravity acting on slopes

      4.1.3 剪切型

      (1) 軟雙重構(gòu)造

      軟雙重構(gòu)造[60],又稱作同沉積雙重構(gòu)造[22,53]或滑疊構(gòu)造,是由一系列S形、Z形或板片狀砂泥巖相互疊置所形成的軟沉積物變形構(gòu)造[55]。逆沖塊體呈疊瓦狀排列,但與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān),屬于沉積成因,一般認(rèn)為是在水下滑塌體中遭受牽引剪切形成的[7,52]。圖4a中所示的軟雙重構(gòu)造位于船廠剖面滑塌體內(nèi)部,砂巖塊體以反S形呈疊瓦狀排列,厚不足15 cm,上下均為連續(xù)的層狀泥巖。軟雙重構(gòu)造的疊置關(guān)系可以反映局部的滑塌方向,該處表明滑塌由SE向NW方向。

      圖4 斜坡上重力驅(qū)動(dòng)的剪切型軟沉積物變形構(gòu)造a.軟雙重構(gòu)造,直尺:13 cm;b.剪切褶皺與剪切斷裂,硬幣:22.5 mmFig.4 Soft-sediment deformation structures of shear types driven by gravity acting on slopes

      (2) 剪切力作用的褶皺和斷裂

      滑塌體內(nèi)部在剪切力作用下形成的褶皺和斷裂現(xiàn)象非常常見。沉積層沿斜坡向下滑動(dòng)過(guò)程中,當(dāng)相鄰層具有不同的滑動(dòng)速度時(shí),沉積物就會(huì)遭受剪切力作用,當(dāng)剪切力大于沉積層的屈服強(qiáng)度時(shí)就會(huì)發(fā)生斷裂或褶皺變形。由于沉積物尚未完全固結(jié),變形中可見塑性牽引的痕跡。圖4b位于船廠剖面的滑塌體內(nèi)部,極薄層的砂泥層在剪切應(yīng)力作用下形成若干相互疊置的平臥褶皺,局部紋層被剪切錯(cuò)斷。滑塌體內(nèi)部發(fā)育有大量的次級(jí)褶皺,多為水平褶皺和斜歪褶皺,形態(tài)多樣,尺度不一,多是沉積物在滑塌過(guò)程中受到局部剪切應(yīng)力作用下形成的。

      4.2 密度倒置條件下的重力驅(qū)動(dòng)

      所謂密度倒置條件下重力驅(qū)動(dòng)的軟沉積物變形構(gòu)造,就是以沉積物密度倒置為前提條件[4-5,15,31,39,61-62],即密度大的粗粒沉積物在上,密度小的細(xì)粒沉積物在下(例如,砂級(jí)沉積物在上,粉砂級(jí)沉積物在下;砂質(zhì)沉積物在上,泥質(zhì)沉積物在下),由于強(qiáng)烈震動(dòng),未固結(jié)的、飽和水的砂質(zhì)沉積物會(huì)發(fā)生不同程度的液化作用(liquefaction)[13,32,39,61-62],使得沉積物孔隙流體壓力增加,顆粒重量被轉(zhuǎn)移到孔隙流體壓力之上,導(dǎo)致沉積物強(qiáng)度變低,上覆沉積物因重力作用而下沉、變形,主要是發(fā)生垂向上的運(yùn)動(dòng)。該類軟沉積物變形構(gòu)造在靈山島下白堊統(tǒng)分布十分廣泛,主要包括負(fù)載構(gòu)造、火焰構(gòu)造和球—枕構(gòu)造等。

      4.2.1 負(fù)載構(gòu)造和火焰構(gòu)造

      上下密度倒置的軟沉積物在液化后強(qiáng)度降低,上覆密度大的沉積物在重力驅(qū)動(dòng)下發(fā)生下沉形成負(fù)載構(gòu)造,下伏密度小的沉積物向上擠入形成火焰構(gòu)造[11,15,20,31,39,61-63],負(fù)載構(gòu)造和火焰構(gòu)造通常伴生在一起,其中,砂質(zhì)下沉形成的負(fù)載構(gòu)造和泥質(zhì)向上擠入形成的火焰構(gòu)造最為常見。負(fù)載構(gòu)造和火焰構(gòu)造在靈山島多個(gè)剖面中的多個(gè)層位均有發(fā)育,一般規(guī)模較小,多為中—細(xì)砂下沉、泥質(zhì)沉積物向上擠入形成的。同一層位的負(fù)載構(gòu)造和火焰狀構(gòu)造形態(tài)相似,規(guī)模相近,側(cè)向連續(xù)性較好,在層內(nèi)連續(xù)分布;不同層位的負(fù)載構(gòu)造和火焰狀構(gòu)造形態(tài)、規(guī)??上嗖钶^大(圖5a, b)。

      圖5 密度倒置條件下重力驅(qū)動(dòng)的軟沉積物變形構(gòu)造a.負(fù)載構(gòu)造和火焰構(gòu)造,火焰狀的泥質(zhì)向上擠入并刺穿上覆砂巖層,硬幣:22.5 mm;b.負(fù)載構(gòu)造和火焰構(gòu)造,負(fù)載體漸與母巖層分隔,硬幣:22.5 mm;c.球—枕構(gòu)造,中砂下沉至細(xì)砂沉積物中所致,位于滑塌褶皺上翼,圖片旋轉(zhuǎn)了180°,硬幣:22.5 mm;d.不對(duì)稱球—枕構(gòu)造,中砂下沉至細(xì)砂中所致,位于滑塌褶皺下翼,硬幣:22.5 mmFig.5 Soft-sediment deformation structures of driven by gravity due to a reverse density gradient

      4.2.2 球—枕構(gòu)造

      負(fù)載體進(jìn)一步下沉,形成具有同心紋層的球狀體或枕狀體,即球—枕構(gòu)造[9,13,32,39,62,64]。Morretietal.[9]通過(guò)野外測(cè)量和統(tǒng)計(jì),認(rèn)為球—枕構(gòu)造的形狀與負(fù)載體的沉降深度有關(guān),即深度越大,形狀更扁。球—枕構(gòu)造一般不會(huì)單獨(dú)出現(xiàn),而是平行于層面成組、成群出現(xiàn)。圖5c, d所示的球—枕構(gòu)造規(guī)模均較小,沿長(zhǎng)軸方向順層展布,且大致下降到同一深度,是中砂下沉到細(xì)砂中形成的,分別位于滑塌褶皺的上翼和下翼,均是在滑塌前就已經(jīng)形成,滑塌只是改變了其產(chǎn)狀,但并未對(duì)其形成過(guò)程和具體形態(tài)產(chǎn)生較大影響。圖5c所示的球—枕構(gòu)造近于對(duì)稱狀,多呈圓球形,上覆母巖層底部可見砂質(zhì)負(fù)載體。圖5d所示的球—枕構(gòu)造呈不對(duì)稱狀,邊部可見牽引拉長(zhǎng)的痕跡,多呈橢球形。

      4.3 孔隙流體作用下的剪切力驅(qū)動(dòng)

      孔隙流體流經(jīng)粒間孔隙時(shí)產(chǎn)生向上的剪切力可以抵消顆粒的重量,使沉積物暫時(shí)處于弱化狀態(tài),該過(guò)程沉積物發(fā)生流體化作用(fluidization)[7,36,39,65]。流體化作用使沉積物處于可流動(dòng)狀態(tài),形成的軟沉積物變形構(gòu)造一般具有一定的方向性,是沉積物流動(dòng)的反映。該類型的軟沉積物變形構(gòu)造主要發(fā)生在泥質(zhì)巖層所夾的砂質(zhì)巖層中[14],其驅(qū)動(dòng)力是沉積物孔隙流體作用下的剪切力。

      4.3.1 底劈構(gòu)造

      下部砂質(zhì)沉積物在強(qiáng)烈震動(dòng)下發(fā)生流體化作用,沉積物向上流動(dòng)并彎曲變形;上覆具有觸變特性的泥質(zhì)沉積物只是受到下部砂質(zhì)層的壓力而向上穹凸,而未被穿透,這種構(gòu)造稱為底辟構(gòu)造[12-13,66],一般呈錐形、蘑菇形、柱形、穹形、三角形等形態(tài)[13]。燈塔剖面多個(gè)底劈構(gòu)造沿同一層位成組出現(xiàn)。圖6a所示的底劈構(gòu)造呈三角形,規(guī)模不大,長(zhǎng)40 cm左右,最大高度約22 cm左右,下部為未變形的互層的薄層砂泥巖,中部為彎曲的薄層細(xì)砂巖構(gòu)成的三角形,上部為穹凸的薄層泥巖。

      4.3.2 泄水構(gòu)造

      當(dāng)沉積物中的孔隙水壓力超過(guò)圍巖承受力時(shí)[15,55,67-68],孔隙水向上泄出并引起顆粒的重新排列[64,68],形成泄水構(gòu)造,多發(fā)生在富含水的砂質(zhì)沉積物中。有時(shí)紋層受到向上排出水的牽引而彎曲變形,剖面上呈現(xiàn)向形,又被稱作碟狀構(gòu)造[12-13,36,40]。泄水構(gòu)造可表現(xiàn)為火焰狀、漏斗狀和脈狀等不同的形態(tài)。圖6b所示的泄水構(gòu)造發(fā)育在船廠剖面濁積巖內(nèi)部,形成于滑塌之前,呈三角形,似火焰狀,規(guī)模較小,最高處不足3 cm。濁流攜帶的沉積物快速堆積,沉積物松散而富含水分,在震動(dòng)下發(fā)生流體化作用,孔隙流體向上逃逸牽引砂質(zhì)和泥質(zhì)紋層向上彎曲,呈現(xiàn)向形。

      圖6 孔隙流體作用下剪切力驅(qū)動(dòng)的軟沉積物變形構(gòu)造a.底劈構(gòu)造,直尺:13.5 cm;b.泄水構(gòu)造(泄水嘴),直尺:5 cm(據(jù)文獻(xiàn)[56]);c.包卷層理,直尺:15 cm;d.砂巖脈,直尺:5 cmFig.6 Soft-sediment deformation structures driven by shear due to pore fluid

      4.3.3 包卷層理

      包卷層理[36,42,69-70],也有人把它稱作震褶層[11,13,33,64,66]、微褶皺紋理[42]或包卷褶皺[71]等,是發(fā)生流體化作用的沉積物在層內(nèi)流動(dòng)產(chǎn)生的小褶皺或微褶皺。圖6c所示的包卷層理位于碼頭南側(cè),變形層分布穩(wěn)定,延伸較遠(yuǎn),上下巖層均未變形,毫米級(jí)厚的砂質(zhì)沉積物紋層彎曲成一系列規(guī)模相近的規(guī)則褶曲形態(tài),紋層連續(xù)彎曲而未有錯(cuò)斷。單個(gè)褶曲寬8~12 cm,高5 cm左右,具緊閉的背斜和寬緩的向斜;多個(gè)褶曲間彼此相連,緊密發(fā)育,是沉積物發(fā)生流體化作用后,在孔隙水剪切力作用下卷曲變形而成。

      4.3.4 砂巖脈

      沉積物(通常為砂質(zhì)、泥質(zhì)或碳酸鹽類)發(fā)生流體化作用之后常具有流動(dòng)的特征,可充填先前形成的裂隙[8,11,13]、注入或刺穿其他層位[22,32,66]形成液化脈。根據(jù)成分,液化脈又可分為砂巖脈、泥巖脈和泥晶脈[8,13,22,32,42]。圖6d所示的砂巖脈發(fā)育在船廠剖面滑塌體下部的正常沉積層中,呈直帶狀,長(zhǎng)可達(dá)數(shù)十厘米,寬不足1 cm。砂巖脈形態(tài)受裂隙控制,表明形成時(shí)泥質(zhì)沉積物已固結(jié),并產(chǎn)生裂隙,是流體化的砂質(zhì)沉積物后期沿該裂隙充填形成的。

      5 地質(zhì)意義

      作為一種常見的沉積構(gòu)造,軟沉積物變形構(gòu)造的研究是近年來(lái)沉積構(gòu)造研究中最為活躍和熱門的內(nèi)容之一[69],也取得了很多重要進(jìn)展,但引起軟沉積物發(fā)生變形的因素是復(fù)雜多樣的,對(duì)其形成機(jī)制和識(shí)別依據(jù)仍缺乏認(rèn)識(shí)。軟沉積物變形構(gòu)造多為事件作用的產(chǎn)物,其發(fā)育狀況能夠很好地反映事件的發(fā)生時(shí)間、期次、類型和規(guī)模,系統(tǒng)歸納總結(jié)軟沉積物變形構(gòu)造的類型對(duì)恢復(fù)盆地充填史和構(gòu)造演化史等具有重要意義。從驅(qū)動(dòng)力角度對(duì)靈山島下白堊統(tǒng)軟沉積物變形構(gòu)造類型進(jìn)行劃分,對(duì)深入研究其形態(tài)特征、組合特征、成因機(jī)理、沉積環(huán)境和構(gòu)造背景等具有重要意義。

      靈山島下白堊統(tǒng)發(fā)育有多尺度、多形態(tài)、多層位、多期次、多成因的軟沉積物變形構(gòu)造。橫向上,雖然靈山島面積僅為7.66 km2,沉積巖出露面積不足1/2,但軟沉積物變形構(gòu)造分布十分廣泛,且連續(xù)性較好;縱向上,在80余米的沉積層中共識(shí)別出三大類10余種軟沉積物變形構(gòu)造,各種變形類型反復(fù)出現(xiàn),每個(gè)剖面也都具有其獨(dú)特特征及占主導(dǎo)地位的變形類型。

      前人研究認(rèn)為靈山島滑塌體和豐富的軟沉積物變形構(gòu)造的觸發(fā)機(jī)制為地震[22-24,49,53,56,66]。靈山島下白堊統(tǒng)從滑塌、砂質(zhì)碎屑流到濁流等重力流沉積反復(fù)出現(xiàn),軟沉積物變形構(gòu)造種類非常豐富。五蓮—煙臺(tái)斷裂活躍時(shí)間為早白堊世,與靈山島直線距離不足40 km,與兩側(cè)沉積盆地(靈山島凹陷和膠萊盆地)中大量發(fā)育的軟沉積物變形構(gòu)造在時(shí)間和空間上均能夠形成良好的匹配(圖1a)[66,72]。種種跡象表明,靈山島早白堊世地震活動(dòng)非常頻繁。

      本文根據(jù)引起軟沉積物發(fā)生變形的主要驅(qū)動(dòng)力類型,將靈山島下白堊統(tǒng)軟沉積物變形構(gòu)造劃分為滑塌引起的變形和地震引起的變形兩類,前者為斜坡上重力驅(qū)動(dòng)的軟沉積物變形構(gòu)造,后者包括密度倒置條件下重力驅(qū)動(dòng)的軟沉積物變形構(gòu)造和孔隙流體作用下剪切力驅(qū)動(dòng)的軟沉積物變形構(gòu)造。同種驅(qū)動(dòng)力作用下的軟沉積物變形構(gòu)造的形態(tài)具有相似性或繼承性。同一層位的軟沉積物變形構(gòu)造表現(xiàn)為相同的變形類型和相似的變形特征;同一類型的軟沉積物變形構(gòu)造在不同層位呈周期性反復(fù)出現(xiàn),但形態(tài)可略有差異,規(guī)??上嗖钶^大,其具體形態(tài)的差異反映了沉積物特性及驅(qū)動(dòng)力大小、持續(xù)時(shí)間和作用方式的不同。靈山島下白堊統(tǒng)基于驅(qū)動(dòng)力的軟沉積物變形構(gòu)造分類能夠?qū)⒒练e層與正常沉積層中的軟沉積物變形構(gòu)造區(qū)分開來(lái),能夠?qū)⒒^(guò)程中形成的和地震過(guò)程中形成的軟沉積物變形構(gòu)造區(qū)分開來(lái)(表1),明確了軟沉積物變形構(gòu)造形成的動(dòng)力學(xué)機(jī)制,對(duì)進(jìn)一步分析其形成機(jī)理具有重要意義。

      6 討論

      6.1 與驅(qū)動(dòng)力的關(guān)系

      軟沉積物變形構(gòu)造可能是在多種驅(qū)動(dòng)力[36]和應(yīng)力(擠壓力、拉伸力和剪切力)共同作用下形成的,這也就造成了基于驅(qū)動(dòng)力分類的復(fù)雜性,為避免繁瑣,當(dāng)多種驅(qū)動(dòng)力共同作用時(shí),取最主要的、最能反映其形態(tài)特征的驅(qū)動(dòng)力作為分類依據(jù);當(dāng)應(yīng)力作用于軟沉積物時(shí),首先根據(jù)驅(qū)動(dòng)力類型劃定到大類,其次再根據(jù)應(yīng)力類型劃分到亞類。例如,同沉積布丁構(gòu)造整體受重力驅(qū)動(dòng),應(yīng)力包括順層的拉伸力和垂直于沉積層的擠壓力,但以拉伸力為主,故將其歸為斜坡上重力驅(qū)動(dòng)的拉伸型軟沉積物變形構(gòu)造;負(fù)載構(gòu)造、火焰構(gòu)造和球—枕構(gòu)造等受到橫向剪切力作用時(shí)會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)或表現(xiàn)為不對(duì)稱狀,形成向剪切力方向傾倒的形態(tài),按照驅(qū)動(dòng)力分類原則,可以將該類型劃分為密度倒置條件下重力驅(qū)動(dòng)的剪切型亞類,但避免繁瑣,本文并沒有將這類變形單獨(dú)分出,但這類軟沉積物變形構(gòu)造在分析滑塌方向、古地形等發(fā)面發(fā)揮著尤為重要的作用[31,39,63],在野外觀察分析時(shí)需格外注意。

      根據(jù)靈山島下白堊統(tǒng)軟沉積物變形構(gòu)造的驅(qū)動(dòng)力類型,將其劃分為斜坡上的重力驅(qū)動(dòng)、密度倒置條件下的重力驅(qū)動(dòng)和孔隙流體作用下的剪切力驅(qū)動(dòng)等三大類。三角洲前緣沉積物在自身重力驅(qū)動(dòng)下沿水下斜坡發(fā)生滑塌,形成了滑塌體。滑塌體內(nèi)部的在滑塌過(guò)程中形成的軟沉積物變形構(gòu)造受斜坡上的重力驅(qū)動(dòng);滑塌體內(nèi)部的滑塌前形成的軟沉積物變形構(gòu)造和正常沉積層中的軟沉積物變形構(gòu)造受密度倒置條件下的重力驅(qū)動(dòng)和孔隙流體作用下的剪切力驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)力是引起軟沉積物發(fā)生變形的最直接因素,控制著軟沉積物變形構(gòu)造的具體類型和形態(tài)。

      6.2 與觸發(fā)機(jī)制的關(guān)系

      地震是引起軟沉積物發(fā)生變形的最常見的一種觸發(fā)機(jī)制,許多學(xué)者對(duì)地震巖中的變形構(gòu)造進(jìn)行過(guò)詳細(xì)的描述與分類[4-16]。然而,軟沉積物變形構(gòu)造可以由多種事件觸發(fā),并不限定于地震這一種成因,而且其本身也不是任何特定觸發(fā)機(jī)制的判別標(biāo)準(zhǔn)[10,36]。目前的分類主要是依據(jù)成因機(jī)制,而不同類型的變形在不同成因事件中是有交錯(cuò)的,基于驅(qū)動(dòng)力分類在一定程度上可以解決這一問(wèn)題;此外,類似的軟沉積物變形構(gòu)造可以是不同事件作用下的產(chǎn)物,對(duì)其觸發(fā)機(jī)制的識(shí)別是非常困難的[7,32]。觸發(fā)機(jī)制是引起軟沉積物發(fā)生變形的先決條件,但非直接關(guān)系;驅(qū)動(dòng)力和沉積物特性決定變形的類型和形態(tài)特征。不同驅(qū)動(dòng)力作用下所產(chǎn)生的不同類型的軟沉積物變形構(gòu)造的組合和分布特征等有助于確定觸發(fā)機(jī)制的類型及規(guī)模。

      靈山島下白堊統(tǒng)密度倒置條件下重力驅(qū)動(dòng)的軟沉積物變形構(gòu)造和孔隙流體作用下剪切力驅(qū)動(dòng)的軟沉積物變形構(gòu)造在滑塌體內(nèi)部和正常沉積層均有分布,是在滑塌前或滑塌后形成的,橫向上分布十分廣泛,縱向上反復(fù)出現(xiàn),結(jié)合研究區(qū)早白堊世構(gòu)造環(huán)境,判斷是由地震觸發(fā)形成的。在強(qiáng)烈的震動(dòng)下,沉積物發(fā)生液化(廣義),孔隙流體壓力增加,強(qiáng)度減低。而斜坡上重力驅(qū)動(dòng)的軟沉積物變形構(gòu)造僅限于滑塌體內(nèi)部發(fā)育,是在滑塌過(guò)程中形成的,雖然當(dāng)時(shí)的沉積和構(gòu)造環(huán)境更傾向于地震的發(fā)生,但并不能排除非地震觸發(fā)的可能性,豐富的碎屑物質(zhì)供給、快速堆積的重力流沉積環(huán)境為沉積物在沉積坡度控制下、在自身重力作用下發(fā)生滑塌提供了可能。

      6.3 與變形機(jī)制的關(guān)系

      在多數(shù)情況下,砂泥沉積物表現(xiàn)為黏性的流體或塑性的固體,砂質(zhì)沉積物會(huì)發(fā)生不同程度的液化(廣義)[13,32,39,61-62],較弱的驅(qū)動(dòng)力就可以促使其發(fā)生變形。廣義的液化(liquidization)包括發(fā)生在無(wú)黏著力沉積物中的液化(liquefaction)、流體化(fluidization)和發(fā)生在黏著力沉積物中的觸變(thixotrophy)[61]。對(duì)于未固結(jié)的富含孔隙水的沉積物而言,液化作用(liquefaction)和流體化作用(fluidization)是最常見和最重要的變形機(jī)制[7,36,39,65]。原本顆粒支撐的沉積物在遭受強(qiáng)烈的震動(dòng)下,顆粒發(fā)生位移和旋轉(zhuǎn)[60],改變其排列結(jié)構(gòu),并趨于密實(shí)[7,39-40],使得孔隙流體壓力大于或等于顆粒自重,原始沉積構(gòu)造遭受破壞[67]。沉積物可液化(廣義)的粒徑在0.02~1 mm之間,黏土一般不液化[13,73]。

      不可否認(rèn)的是,軟沉積物變形構(gòu)造形成過(guò)程中沉積物發(fā)生了液化(廣義),但液化的程度可能存在較大的差異。靈山島下白堊基于驅(qū)動(dòng)力的統(tǒng)軟沉積物變形構(gòu)造分類方案能夠較好的區(qū)分軟沉積物變形時(shí)的液化程度和液化方式。斜坡上重力驅(qū)動(dòng)的軟沉積物變形構(gòu)造(滑塌引起的變形)形成時(shí)沉積物液化程度較低,主要表現(xiàn)為應(yīng)力作用下的變形形態(tài),該類型形成時(shí)沉積物尚未完全固結(jié),因此屬于軟沉積物變形構(gòu)造的范疇。密度倒置條件下重力驅(qū)動(dòng)的和孔隙流體作用下剪切力驅(qū)動(dòng)的軟沉積物變形構(gòu)造(地震引起的變形)形成時(shí)沉積物液化程度較高,前者主要以液化作用(liquefaction)為主,后者主要以流體化作用(fluidization)為主。

      7 結(jié)論

      (1) 軟沉積物變形構(gòu)造作為一種常見的沉積構(gòu)造,對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)分類和總結(jié)具有重要意義。本文以形態(tài)特征為基礎(chǔ),以驅(qū)動(dòng)力為分類依據(jù),提出了一個(gè)基于驅(qū)動(dòng)力的軟沉積物變形構(gòu)造分類方案,將靈山島下白堊統(tǒng)軟沉積物變形構(gòu)造劃分為斜坡上重力驅(qū)動(dòng)的軟沉積物變形構(gòu)造、密度倒置條件下重力驅(qū)動(dòng)的軟沉積物變形構(gòu)造和孔隙流體作用下剪切力驅(qū)動(dòng)的軟沉積物變形構(gòu)造等三大類。此外,根據(jù)沉積物在滑塌過(guò)程中所遭受的應(yīng)力類型,將斜坡上重力驅(qū)動(dòng)的軟沉積物變形構(gòu)造進(jìn)一步劃分為擠壓型、拉伸型和剪切型等三個(gè)亞類。

      (2) 靈山島下白堊統(tǒng)發(fā)育的軟沉積物變形構(gòu)造具有多尺度、多形態(tài)、多層位、多期次、多成因的特點(diǎn),分布十分廣泛,橫向上連續(xù)性好,縱向上反復(fù)出現(xiàn),共識(shí)別和劃分出三大類10余種軟沉積物變形構(gòu)造。其中,密度倒置條件下重力驅(qū)動(dòng)的和孔隙流體作用下剪切力驅(qū)動(dòng)的軟沉積物變形構(gòu)造能夠明確指示地震成因,而斜坡上重力驅(qū)動(dòng)的軟沉積物變形構(gòu)造與滑塌過(guò)程中的各種應(yīng)力密切相關(guān),很可能是由地震觸發(fā)的,但不能排除非地震觸發(fā)的可能。靈山島豐富的重力流沉積和類型多樣的軟沉積物變形構(gòu)造表明該地區(qū)早白堊世地震活動(dòng)非常頻繁。

      (3) 靈山島下白堊統(tǒng)基于驅(qū)動(dòng)力的軟沉積物變形構(gòu)造分類方案能夠?qū)⒒练e層與正常沉積層中的軟沉積物變形構(gòu)造區(qū)分開來(lái),能夠?qū)⒒^(guò)程中形成的與地震過(guò)程中形成的軟沉積物變形構(gòu)造區(qū)分開來(lái),明確了軟沉積物變形構(gòu)造形成的動(dòng)力學(xué)機(jī)制,因此,從驅(qū)動(dòng)力角度對(duì)軟沉積物變形構(gòu)造進(jìn)行系統(tǒng)劃分具有科學(xué)性、適用性和可行性,對(duì)其野外識(shí)別等具有科學(xué)價(jià)值,對(duì)深入研究其形態(tài)特征、組合特征、成因機(jī)理、沉積環(huán)境和構(gòu)造背景等具有重要意義,但同時(shí)也存在一些不足之處,還需要進(jìn)一步補(bǔ)充與完善。

      致謝 衷心地感謝山東科技大學(xué)李陽(yáng)、廖晨和孫斌同學(xué)在野外考察過(guò)程中提供的幫助。衷心地感謝審稿專家提出的建設(shè)性意見,為本文的修改和完善提供了寶貴的思路。

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