重慶云陽地區(qū)沙溪廟組軟沉積物變形構(gòu)造及其地質(zhì)意義

鐘 搖,朱利東,楊文光,周羽漩,,熊 璨,肖 明,李德亮,3,張洪亮

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室(成都理工大學)，成都 610059；2.重慶地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 208水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(重慶市地質(zhì)災害防治工程勘查設計院)，重慶市地質(zhì)遺跡保護與研究實驗室，重慶 400700；3.重慶地質(zhì)調(diào)查院，重慶 401122)

軟沉積物變形是在沉積物沉積之后、固結(jié)之前，由于差異壓實、液化、滑移、滑塌等形成的變形構(gòu)造[1]，包括液化砂脈、液化砂席、液化卷曲變形與混滑層、負載構(gòu)造及球枕構(gòu)造等[2-7]。因能量注入，孔隙流體克服顆粒重量，進而自身強度完全喪失形成的液化現(xiàn)象，是軟沉積物變形的前提之一[5,8-9]。液化現(xiàn)象多發(fā)生在碎屑巖和碳酸鹽巖中[10]，其中又以粗粉砂和細砂為最[11]，可由地震、火山噴發(fā)、海嘯、沉積物負載、底辟等作用觸發(fā)[12-13]。大量研究者將液化沉積物變形構(gòu)造作為識別構(gòu)造事件的標志，是分析沉積盆地大地構(gòu)造背景及構(gòu)造活動的重要基礎[14-15]。此外，有研究人員認為液化軟變形構(gòu)造可能與生物相關[16]，特別是與甲烷以及油氣釋放密切相關[3,17-20]，是深部物質(zhì)活躍的反映[21]。因此，正確認識軟沉積物形成與變形過程，對盆地充填樣式、巖相以及地層序列的研究，乃至油氣勘探等方面都具有指導意義[22]。

2016年，重慶云陽普安鄉(xiāng)沙溪廟組下段發(fā)現(xiàn)大規(guī)模恐龍化石(以下簡稱“化石墻”)，為四川恐龍化石研究提供了新資料的同時，也提出了大量古生物學、埋藏學等方面的科學問題。野外地質(zhì)調(diào)查過程中，筆者于化石墻附近識別出大量作為構(gòu)造事件標志的軟沉積物變形構(gòu)造及管狀鈣質(zhì)結(jié)核，這可能暗示恐龍化石埋藏與這些軟沉積物變形構(gòu)造、構(gòu)造事件有密切關系。正確認識研究區(qū)內(nèi)軟沉積物變形形成過程對解釋恐龍化石的埋藏機理具有重要意義。本文以野外資料為基礎，結(jié)合鏡下微觀特征，詳細描述了區(qū)內(nèi)各地質(zhì)構(gòu)造特征，探討其形成機制、地質(zhì)意義以及與恐龍化石埋藏的關系。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

四川盆地位于揚子板塊西部，北接秦嶺造山帶，西鄰羌塘-三江造山系，東南部以欽杭對接帶與華夏造山系相接，是多方位上沖推覆構(gòu)造背景下的擠壓性構(gòu)造盆地[23]。晚三疊世末期以來，四川盆地海相沉積背景結(jié)束，進入陸相盆地演化階段。研究區(qū)位于重慶市云陽縣，區(qū)內(nèi)主要出露中生代地層，以褶皺構(gòu)造為主[24](圖1)?？铸埢癫赜谥匈_統(tǒng)新田溝組(J2xt)及沙溪廟組下段(J2s1)。新田溝組主要為一套河流-濱淺湖相沉積，底部為青灰色中細粒長石石英砂巖夾紫色粉砂質(zhì)泥巖，下中部為灰色頁巖，上部為暗紫紅色泥巖。沙溪廟組下段為典型的河流-三角洲相沉積，主要為紫紅色厚塊狀泥巖、鈣質(zhì)泥巖夾黃灰色粗中粒至細粒長石石英砂巖、長石砂巖及粉砂巖；沙溪廟組上段(J2s2)由灰、黃灰色厚層至塊狀中粗粒長石石英雜砂巖與紫紅色泥巖組成多個韻律，泥巖中普遍含鈣質(zhì)或鈣質(zhì)結(jié)核[25]。

圖1 四川盆地地質(zhì)簡圖Fig.1 Geological sketch map of Sichuan Basin(據(jù)Li等[24]修改)

2 軟沉積物變形構(gòu)造類型與特征

軟沉積物變形構(gòu)造可表現(xiàn)為沿裂隙侵入形成砂脈構(gòu)造、砂侵蘑菇構(gòu)造、丘槽構(gòu)造等[21,26-27]。

區(qū)內(nèi)沙溪廟組中發(fā)現(xiàn)大量軟沉積物變形構(gòu)造，根據(jù)液化沉積物侵位關系、規(guī)模及形態(tài)特征，大致可分為液化變形(負荷構(gòu)造、火焰構(gòu)造)、液化砂巖脈等。

2.1 液化變形

研究區(qū)內(nèi)液化變形現(xiàn)象多發(fā)育于上下未變形巖層之間(圖2)，顯示為地質(zhì)事件控制的變形[27]。變形層內(nèi)部青灰色砂質(zhì)與紫紅色(粉砂質(zhì))泥巖均不顯示層理，在液化背景下混雜交融呈雜色(圖2)。個別地方發(fā)育階梯狀小型斷裂，斷裂未錯斷上下層(圖2-A)。圖2-C顯示紫紅色泥質(zhì)巖沿砂質(zhì)巖裂隙灌入，呈彌散狀分布，說明區(qū)域內(nèi)的液化現(xiàn)象不僅發(fā)生在砂質(zhì)層，泥質(zhì)巖也發(fā)生了高度液化。液化砂泥由于自身比重特性，出現(xiàn)負荷構(gòu)造以及火焰構(gòu)造(圖2-D，圖3-B)。

圖2 沙溪廟組下段的液化變形構(gòu)造Fig.2 Pictures showing liquefied deformation structures in J2s1(A)液化變形與小型層間斷裂;(B)液化變形構(gòu)造示意圖;(C、D)彌散狀混雜砂泥巖

液化泥質(zhì)巖一方面形成火焰構(gòu)造，同時伴生泥拱(圖3-A)、液化底劈構(gòu)造(圖3-B)。液化泥質(zhì)巖具有較強流動性，在上覆不規(guī)則砂巖的邊界處發(fā)生底侵及底蝕，泥巖呈脈狀、楔狀侵入，并常伴隨底蝕砂巖形成的砂質(zhì)角礫(圖3-C、D)。

圖3 沙溪廟組下段的液化泥質(zhì)巖底劈Fig.3 Diapir of liquefied mud in J2s1(A)液化泥拱現(xiàn)象;(B)液化泥巖底劈;(C、D)液化泥巖底侵及捕獲砂質(zhì)角礫

2.2 液化砂巖脈

砂巖脈是發(fā)育在砂泥巖互層沉積物中的砂質(zhì)巖脈或巖墻，常沿著地層薄弱處不規(guī)則延伸[3,5,7,17]。液化砂巖脈多呈現(xiàn)復雜的空間幾何形態(tài)，如直板狀、墻狀或不規(guī)則狀等[17,27]。在本研究區(qū)內(nèi)，上述幾種形態(tài)均有出現(xiàn)，各類型特征簡述如下。

板狀液化脈廣泛發(fā)育在沙溪廟組下段紫紅色(泥質(zhì))粉砂巖中(圖4)，產(chǎn)狀與層面基本平行，個別夾于泥質(zhì)巖層之間的平行脈體可由垂直脈連通(圖4-D)。脈體本身礦物成分均一，主要為中-粗粒石英砂以及少量鈣質(zhì)膠結(jié)物。脈體呈灰白色直板狀，大多數(shù)砂脈體寬度為1 cm左右，個別可達5 cm；側(cè)向延伸長度不定，較短者約10 cm，長者達40～50 cm(圖4-C、D)。個別板條狀砂巖脈體中包含大量泥質(zhì)角礫，顏色、成分與圍巖相同。礫石無明顯棱角，礫石長軸方向與脈體延伸方向近一致(圖4-A、B)。

圖4 沙溪廟組下段的板狀砂巖脈Fig.4 Slatted sandstone veins in J2s1(A)板狀液化脈;(B)液化砂巖脈中富含泥質(zhì)角礫;(C)細板條狀砂脈;(D)板條狀砂脈，其間以垂直脈相通

圖5所示的墻狀砂巖脈與巖層面垂直，脈體寬度不大，多數(shù)在1～2 cm，該類充填砂脈體可能為液化砂沿裂隙灌入充填形成。不同脈體垂向延伸長度各異，或數(shù)厘米，或數(shù)米，但大多數(shù)未穿透上下巖層，發(fā)育于某一巖層內(nèi)部。局部地方可見液化母巖層，脈體及母巖層主要為灰白色中-粗粒石英砂巖，脈體與圍巖界線明顯。液化的砂巖脈在垂向擠入過程中如遇脆弱部位，可發(fā)生順層橫向擠入(圖5-E)，但延伸性較差。

圖5 沙溪廟組下段的墻狀砂巖脈Fig.5 Wall-like sandstone veins in J2s1(A)墻狀砂巖脈侵入紫紅色圍巖;(B)墻狀砂巖脈與巖層垂直關系;(C)砂巖脈沿裂隙發(fā)育;(D)液化母巖層;(E)砂巖脈順層橫向擠入

不規(guī)則砂巖脈多呈枝狀、腸狀，砂脈與圍巖接觸邊界明顯但極不規(guī)則，脈寬約數(shù)厘米，側(cè)向延伸較差，基本不可見液化母巖層(圖6)。砂質(zhì)脈體礦物成分主要為石英，少量長石、巖屑。礦物之間膠結(jié)程度較差。同時，灰白色砂質(zhì)脈中含有少量紫紅色泥質(zhì)圍巖成分(圖6-A)，這可能是液化砂質(zhì)從深部捕獲的泥質(zhì)角礫或是侵位過程中對圍巖的捕虜。

圖6 沙溪廟組下段的不規(guī)則狀砂巖脈Fig.6 Irregular sandstone veins in J2s1(A)含泥屑不規(guī)則狀砂巖脈;(B)不規(guī)則灰白色液化粉-細砂的液化砂脈

2.3 泥屑礫巖

前人研究認為，液化砂向上逃逸過程必然伴隨對低滲透黏土圍巖的侵蝕作用，形成泥質(zhì)角礫，泥質(zhì)角礫常隨砂體一起上涌、噴出并沉積[10,28]。在研究區(qū)識別出大量泥屑礫巖，從新田溝組到沙溪廟組上段均有發(fā)現(xiàn)，但新田溝組相對較少，發(fā)育層位主要在沙溪廟組。新田溝組泥屑礫巖礫石成分相對沙溪廟組而言較為復雜，泥屑主要包括青灰色以及紫紅色泥質(zhì)巖兩類，泥屑粒徑從數(shù)毫米到數(shù)厘米，泥屑形態(tài)多為橢球形，多數(shù)泥屑呈現(xiàn)明顯“拖尾”現(xiàn)象(圖7-A)，且橢球體長軸方向具有定向性，反映泥屑受到應力拉長。沙溪廟組泥屑礫巖(圖7)中泥屑成分相對單一，主要為紫紅色泥質(zhì)巖。沙溪廟組下段泥屑多呈橢球狀、長條狀以及鉤狀，粒徑大小不等，泥屑排列具有定向性(圖7-B、C)，多為半塑性角礫和具軟變形特征的塑性角礫。沙溪廟組上段泥屑礫巖大規(guī)模產(chǎn)出，與上下層位產(chǎn)狀一致，呈面狀分布。圖7-D可見2層泥屑礫巖，每層寬度大約1.5 m，夾于正常沉積厚砂體中，因覆蓋嚴重，橫向延續(xù)性未知。該處泥屑成分為紫紅色泥質(zhì)巖，粒徑小者約數(shù)厘米，而大者可達40～50 cm。泥屑礫石形態(tài)各異，鉤狀、撕裂狀、球狀、板狀以及其他不規(guī)則形態(tài)均有發(fā)育。與新田溝組以及沙溪廟下段泥屑相比，沙溪廟組上段中泥屑礫基本未見定向性(圖7-E、F)。上述泥屑礫巖與普通棱角分明的脆性角礫組成的構(gòu)造角礫巖不同，泥屑礫巖礫石成分單一，大小懸殊，塑性變形特征更加顯著，這可能暗示泥屑礫巖的非構(gòu)造成因[27]。

圖7 泥屑礫巖Fig.7 Pelitomorphic conglomerates(A)新田溝組泥屑礫巖;(B、C)沙溪廟組下段泥屑礫巖;(D、E、F)沙溪廟組上段泥屑礫巖

3 鈣質(zhì)結(jié)核

本次研究涉及的鈣質(zhì)結(jié)核顏色主體呈淺紫紅色，形態(tài)多呈圓柱狀或串珠狀(圖8)。除形態(tài)規(guī)則的柱狀外，個別柱體膨大狹縮現(xiàn)象明顯，形成下粗上窄的囊狀(圖8-B)。不同鈣質(zhì)結(jié)核大小不等，短者在20 cm左右，長者可達1～2 m，直徑3～25 cm。各鈣質(zhì)結(jié)核均與巖層面垂直，或與水平砂質(zhì)層連接相通，或獨立分布。個別鈣質(zhì)結(jié)核內(nèi)部巖性均一、致密、無紋理，但大多結(jié)核中心出現(xiàn)青灰色鈣質(zhì)膠結(jié)砂(圖8-F)，呈貫通形式出現(xiàn)在整個柱體核部，具有管狀結(jié)構(gòu)。

圖8 管狀鈣質(zhì)結(jié)核特征Fig.8 Field characteristics of tubular calcareous nodules

4 鏡下微觀特征

沙溪廟組下段化石墻的巖石薄片顯示出明顯的粉砂質(zhì)與泥質(zhì)液化混合現(xiàn)象，主要呈平行板狀或彎曲變形樣式(圖9-A、B)。在微觀尺度下同樣可見液化砂質(zhì)侵入泥質(zhì)層形成的微小砂脈(圖9-B)，這與野外宏觀現(xiàn)象一致。圖9-C中暗色泥質(zhì)圍巖內(nèi)部“包含”光性更明顯的砂質(zhì)成分，呈近圓形(黃線區(qū)域)，內(nèi)部出現(xiàn)不規(guī)則孔洞，圍繞中心孔洞出現(xiàn)近放射狀裂隙。同時，為探究研究區(qū)內(nèi)鈣質(zhì)結(jié)核成因，本次選取典型樣品進行薄片磨制。薄片鑒定結(jié)果顯示大多數(shù)結(jié)核主要包括兩種成分：鈣質(zhì)內(nèi)核以及粉砂質(zhì)邊，核部主要為方解石結(jié)晶顆粒，與周圍粉砂部分呈漸變過渡，由核部至邊部依次出現(xiàn)鈣質(zhì)、鈣(砂)質(zhì)過渡層、砂(泥)質(zhì)邊(圖9-D)。圖9-E和F則表現(xiàn)出更明顯的同心紋層狀圈層結(jié)構(gòu)，多圈層結(jié)構(gòu)由不同物質(zhì)體現(xiàn)，“管狀”通道口明顯，其中方解石呈徑向排列，所有管道結(jié)構(gòu)邊緣以及管內(nèi)局部發(fā)現(xiàn)數(shù)微米寬的暗色條帶，推測可能含大量泥質(zhì)或有機質(zhì)成分。

圖9 沙溪廟組下段化石墻顯微特征Fig.9 Microscopic characteristics of the J2s1 samples(A)液化變形現(xiàn)象，單偏光;(B)液化砂脈，單偏光;(C)孔洞及放射狀裂隙，正交偏光;(D)含碎屑鈣質(zhì)結(jié)核，正交偏光;(E、F)鈣質(zhì)結(jié)核核部顯微特征，正交偏光

5 討 論

5.1 軟沉積物變形構(gòu)造成因

引起軟沉積物變形的機制主要分為地震與非地震兩大類[1]，后者常包括冰融作用、水合物泄漏、水力破裂等。由于軟沉積物變形常常需要瞬時、突發(fā)的動力觸發(fā)，地震無疑是造成盆地內(nèi)液化變形現(xiàn)象的優(yōu)先考慮因素。國內(nèi)外諸多學者論述和總結(jié)了與地震有關的軟沉積物變形特征[6-7,10,20,22,29-31]：具有固定層位[32]并發(fā)育地震同生軟沉積物變形。杜遠生等[1]認為，當?shù)卣鹜洺练e物變形(地裂縫、同沉積斷裂、同沉積褶曲以及同生角礫巖化等)與其他軟沉積物變形共生時，基本可以確定為地震引發(fā)的軟沉積物變形。地震引發(fā)的軟沉積物識別標志主要表現(xiàn)為液化角礫巖、液化卷曲變形、火焰構(gòu)造、枕狀構(gòu)造、球枕構(gòu)造、負荷構(gòu)造等[33-38]，這些構(gòu)造在研究區(qū)內(nèi)均大量發(fā)育。同時，地震引發(fā)的同沉積斷裂(圖2-A，圖10-B)、地裂縫(圖8-A、B、C)等同生期軟沉積物變形也被有效識別。因此，本文認為地震是觸發(fā)區(qū)內(nèi)軟沉積物變形的重要因素。中侏羅世，太平洋板塊俯沖作用及華南地塊與華北地塊碰撞拼合、秦嶺大型陸內(nèi)俯沖[39]多重擠壓背景下，盆地構(gòu)造活動強烈[40]，本次識別出的古地震事件可能是對板塊運動的響應。地震波引起砂土、粉土結(jié)構(gòu)性的喪失，發(fā)生失穩(wěn)運動，沉積物孔隙結(jié)構(gòu)逐步收縮，激發(fā)的超孔隙水壓力引起土骨架解體，形成液化泥流[41]。區(qū)內(nèi)負荷構(gòu)造、火焰構(gòu)造以及液化變形現(xiàn)象即是化石墻圍巖的不同成分砂土泥流在液化背景下發(fā)生不均勻混合的結(jié)果。

圖10 震積巖野外典型照片F(xiàn)ig.10 Typical field photographs of seismites(A)砂球構(gòu)造;(B)小型同沉積斷裂

研究區(qū)泥屑礫巖的礫石成分單一，以紫紅色泥屑為主，呈大小各異的不同形態(tài)“漂浮”在砂質(zhì)基質(zhì)內(nèi)，表現(xiàn)出極差的分選性和磨圓度；此外，未見明顯疊瓦狀及其他構(gòu)造，指示礫石基本未經(jīng)搬運。礫石層發(fā)育于特定層位內(nèi)部及層間，上下巖層面均未見明顯風化侵蝕和沉積間斷。新田溝組與沙溪廟組下段泥屑礫巖發(fā)育于層內(nèi)，表明是在準同生期半固結(jié)狀態(tài)下經(jīng)破碎、膠結(jié)形成[42]，可能是地震成因的液化角礫巖。沙溪廟組上段泥屑礫巖呈溢流狀披蓋于砂巖層之上，礫石成分均為泥質(zhì)巖，分選性、磨圓度均較差。前人研究提出，地震引發(fā)的液化沉積物噴發(fā)溢流相沉積中可含大量單一泥質(zhì)成分礫巖[6,43-44]。結(jié)合區(qū)域上沉積物液化背景，本文認為沙溪廟組上段泥屑礫巖的成因很可能是液化砂土攜帶泥屑噴出溢流的結(jié)果。

綜上，研究區(qū)內(nèi)主要軟沉積物變形構(gòu)造可由如下成因模式圖解釋(圖11)：地震背景下，未(半)固結(jié)沉積物在深部流體上涌背景下發(fā)生液化，液化的軟沉積物或沿地震裂隙或沿巖層軟弱處發(fā)生縱向上涌或橫向侵位，形成多種形態(tài)砂巖脈。液化沉積物侵位過程中，捕獲大量圍巖(泥質(zhì)或砂質(zhì))形成泥屑礫巖。液化沉積物噴出地表，壓力的驟降讓捕獲的泥屑角礫四處溢流披蓋，產(chǎn)狀與下層巖層幾近一致且其中礫石不再具有定向特征。

a.液化層;b.席狀砂巖脈;c.火焰構(gòu)造、負荷構(gòu)造;d.碎屑巖柱;e.含泥屑板狀砂巖;f.不規(guī)則狀(蠕蟲狀)砂巖脈;g.墻狀砂巖脈;h.泥屑;i.液化沉積物流圖11 軟沉積物變形構(gòu)造成因模式圖Fig.11 Structural genetic pattern of soft-sediment deformation structures(據(jù)E.Braccini等[44]修改)

5.2 鈣質(zhì)結(jié)核成因

5.3 地質(zhì)意義

前人研究認為，含有大量恐龍化石的地層不可能是正常沉積，而是在短時間內(nèi)快速形成的“事件沉積”[51]。對于埋藏恐龍化石的巨大“事件沉積體”，有學者將其歸于突發(fā)洪流以及泥石流沉積物快速埋藏，而古地震事件常被作為觸發(fā)機制[52-56]。本研究區(qū)大規(guī)?？铸埢瘒鷰r為泥質(zhì)粉砂巖，其中見大量液化軟沉積物變形構(gòu)造，具泥流沉積特征。云陽地區(qū)沙溪廟組下段及相鄰層位的泥流沉積中泥屑成分均一，未見來自山地復成分碎屑礫石，區(qū)域上的橫向變化特征也不支持研究區(qū)位處山前影響帶的結(jié)論，這顯然缺乏山前泥石流的外環(huán)境和沉積特點[57]。前文識別出的大量液化沉積物變形構(gòu)造是識別古地震事件的重要標志，同時也是地下水上涌造成沉積物液化的體現(xiàn)，盆地內(nèi)低滲層圈閉液化沉積物并形成局部超壓。管狀鈣質(zhì)結(jié)核的發(fā)育暗示下伏地層有大量甲烷的生成、運移與排放。水的積聚、烴類的聚集和構(gòu)造負荷的增加，致使超壓進一步加強，最終在地震觸發(fā)下，液態(tài)泥與甲烷、巖石碎屑和砂從地表噴出形成泥火山。液化泥漿對周圍物體乃至生物體會產(chǎn)生掩埋作用，若噴發(fā)方式為猛烈爆炸式則更甚[58]?；谏鲜鲇懻?，本文認為區(qū)內(nèi)恐龍“化石墻”可能是泥火山液化沉積物噴出溢流，并快速埋藏的結(jié)果。

6 結(jié) 論

a.重慶云陽地區(qū)中侏羅統(tǒng)沙溪廟組中大量發(fā)育的以液化卷曲變形、液化砂巖脈、負荷構(gòu)造為代表的軟沉積物變形構(gòu)造，同時識別出泥屑礫巖等伴生產(chǎn)物，這些構(gòu)造組合是古地震事件的產(chǎn)物。

b.管狀鈣質(zhì)結(jié)核是研究區(qū)深部大量甲烷存在、運移及排放的證據(jù)，可能是深部甲烷排放過程中形成的通道。

c.恐龍化石圍巖具稀性泥流特征，而沉積物的液化與甲烷聚集是研究區(qū)泥火山發(fā)育的先決條件。在地震觸發(fā)作用下，泥火山液化沉積物溢流噴出，“化石墻”則是泥流對恐龍快速埋藏的結(jié)果。

重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局208水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊研究人員對野外工作給予了極大幫助和支持，室內(nèi)研究工作得到解龍、麥源君、周豫、李楠、童霞等的幫助，特此致謝！