山东灵山岛早白垩世复理石软沉积物变形期次解析

2013-04-15董晓朋吕洪波张星张海春王俊张素菁

地质论评 2013年6期

董晓朋，吕洪波，张星，张海春，王俊，张素菁

1)中国石油大学地球科学与技术学院, 山东青岛，266580; 2)现代古生物学和地层学国家重点实验室, 南京，210008; 3)中国科学院南京地质古生物研究所, 南京，210008; 4)香港大学地球科学系, 香港

内容提要：前人对软沉积物变形期次研究多数集中于触发变形的地震事件的周期，而对滑塌体内部软沉积物变形期次研究较少。山东灵山岛早白垩世复理石形成于残余盆地背景，且由于地震频发导致滑塌沉积广泛发育。滑塌沉积层中发育有丰富的软沉积物变形构造，如：同沉积滑塌褶皱、底模构造、剖面X形共轭逆断层、同沉积布丁构造、砂岩层断块及变形团块、微型地垒—地堑组合和叠瓦状倒转紧闭褶皱等。不同类型和不同部位的软沉积物变形构造显示出发育期次不同的特征。本文以灵山岛修船厂附近滑塌沉积层为例，分析软沉积物变形构造的变形机制，并将其发育期次大致分为滑塌前、滑塌中和滑塌后三个阶段。只有部分滑塌中的软沉积物变形构造具有滑塌指向意义，而滑塌前的变形构造不能用来判别滑塌体的搬运方向。

灵山岛位于山东省青岛市南边的灵山湾中，距最近的陆地----大珠山大约10km。行政上属于青岛市黄岛区。虽然岛屿面积仅7.66 km2，最高点海拔却达到了513.6m(图1)(吕洪波等，2011)。

灵山岛位于苏鲁造山带内(蔡乾忠，2005；张岳桥，2007)，发育有早白垩世海相复理石，背景属于残余盆地，这表明直至早白垩世扬子板块与华北板块的碰撞仍未最终完成(吕洪波等，2011)。这种认识与前人所述扬子板块与华北板块碰撞于三叠纪(索书田等，2000；周建波等，2001；Zheng Yongfei et al., 2002, 2003；蔡乾忠，2005；Zhu Guang et al., 2009)的观点并不一致。灵山岛上的地层并非前人所述的两套地层(山东省第四地质矿产勘察院，2000)，而是复杂得多，其中最下部出露的复理石已经被命名为灵山岛组(张海春等，2013)。

1 修船厂剖面滑塌褶皱层的基本特征

灵山岛修船厂海岸复理石剖面出露长约200 m，高十多米，主体为一滑塌褶皱层，内部发育有大量软沉积物变形构造(图2)。从照片(图2)中可以识别出滑塌褶皱层A、B层和其下未发生明显变形的C层。A层是厚层细砂到粉砂的粒序层理砂岩，构成平卧滑塌褶皱的骨架。B层是砂泥交互层，受A层骨架变形的限制和更前方岩层阻挡形成复杂多变的软沉积物变形构造，填充于厚砂层褶皱后形成的"剩余"空间内。C层是滑塌褶皱层之下典型的浊积岩，以发育超过100 cm厚的细砂—泥的粒序层理为特征(图版Ⅰ-1)，其顶部的厚层黑色泥质和粉砂质沉积物为A、B滑塌层提供了滑动剪切的基底。C层浊积岩粒序层的中上部还包裹有一些泥岩碎片和大小不一的砂团(图版Ⅰ-1)。

图1 山东灵山岛附近地质简图(据山东省第四地质矿产勘查院，2000；吕洪波等，2011，有改动)Fig. 1 A sketch map showing the geologic framework of Lingshan Island, Shandong, and the vicinity area ( Modified after No. 4 Exploration Institute of Geology and Mineral Resources of Shandong Province, 2000 and Hongbo et al., 2011 )

图 2 灵山岛码头南部修船厂剖面露头(吕洪波摄，2012，灵山岛卫星图片据GoogleEarth，有改动)Fig. 2 An outcrop showing the Early Cretaceous slump deposits in the west coast of Lingshan Island (Photo by Hongbo, source of satellite image of Lingshan Island: Google Earth)

图版Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3、Ⅰ-5和Ⅰ-7所展示沉积构造发育的位置见图2。图版Ⅰ-4、Ⅰ-6和Ⅰ-8的位置在图2所示剖面以北水平距离几十米范围内，均属于同一滑塌褶皱层。

2 不同期次软沉积物变形特征

2.1 滑塌前变形----底模构造

在滑塌事件发生之前发生的软沉积物变形主要受控于浊流的沉积作用，如砂岩底面的底模构造和浊积岩中包裹的砂泥岩碎片等。

滑塌褶皱层中的厚层粒序层理砂岩底面上发育有沟模、槽模和荷重模等(图版Ⅰ-6)。沟模长30～40cm，宽3～5cm，高2cm左右，延伸较稳定，无明显尖灭。槽模长10cm左右，宽3～5cm，高1cm左右，大小较均一。荷重模的形态不规则，呈瘤状，高1cm左右。这些底模构造在后来的滑塌褶皱过程中被同沉积小断裂所切断(图版Ⅰ-6)，整层粒序层砂岩也随滑塌堆积褶皱。

2.2 滑塌中变形

因为该露头主要是滑塌褶皱层，因此层内发育很多滑塌过程中形成的软沉积物变形构造。如：

2.2.1剖面X形共轭逆断层

图3 灵山岛同沉积剖面X形共轭逆断层受力分析Fig. 3 Stress analysis of synsedimentary X-type congjugate thrust faults in the cross section in Lingshan Island(a) 灵山岛野外露头发现的X形共轭逆断层素描(据图版Ⅰ-2简化，有改动)(b) 共轭逆断层形成之初受力状态分析(据Davis et al., 2011291，有改动)(a) A sketch showing the synsedimentary X-conjugate thrust faults in the Early Cretaceous flysch in Lingshan Island (Modified after Ⅰ-2); (b) stress state of conjugate thrust faults (Modified after Davis et al., 2011291)

图4 灵山岛小型叠瓦状倒转褶皱应变分析 [(a)和(b)据Davis et al., 201178～84，有改动]Fig. 4 Strain analysis of small imbricate reverse folds in Lingshan Island [(a) and (b) modified after Davis et al., 201178～84](a) 纯剪切变形；(b) 简单剪切变形；(c) 灵山岛叠瓦状倒转紧闭褶皱素描图(褶皱发生共轴递进变形和非共轴递进变形)(据图版Ⅰ-3简化，有改动)(a) pure shear; (b) simple shear; (c) a sketch showing imbricate reverse folds in Lingshan Island (Modified after Plate Ⅰ-2)

图版Ⅰ-2所示为一个由剖面X形共轭剪面发展的微型逆断层和箱状褶皱组合(图3a)。箱状褶皱的翼部被错断，并被挤入褶皱内部。共轭剪面已被改造，原始形态模糊，仅能根据错开的薄砂层等判别其痕迹。褶皱高约50cm，砂岩层厚约10cm，两个转折端之间的岩层水平。薄层砂岩层被周围泥质包裹，其上部包裹有变形的泥岩碎片，长度不一。箱状褶皱下方，各种褶皱变形严重，倾向不同，甚至发生旋转形成"砂团"。这套构造显然是整个滑塌体在运动到停止过程中由于前方受阻不动而后方滑塌体继续向前运动造成的水平挤压的结果。

2.2.2同沉积布丁构造

2）铲除菌源。苹果落叶后至萌芽前，要彻底、细致地剪除病梢，春季复剪时再仔细搜索，剪除病梢，予以深埋，以减少越冬菌源。苹果树芽萌动后及时剪除初次侵染的病梢，带出果园销毁或深埋，以减少再侵染病菌源。

典型的布丁构造常见于不同强度岩层互层的变形岩层中，是平行于岩层的伸展作用和垂直于岩层的压扁作用共同作用的结果，一般发育在变质岩中(Fossen, 2010272～275; Davis et al., 2011510～511)。吕洪波等(2006, 2011)将软沉积物变形中的布丁构造称为同沉积布丁构造，是沉积物沉积后到固结成岩前的变形产物。图版Ⅰ-4及图5-A中砂岩层均发育同沉积布丁构造。

2.2.3同沉积平卧褶皱

图版Ⅰ-5所示为一平卧顶厚褶皱。相对硬的砂岩层厚度未明显变化，而塑性泥岩层向褶皱枢纽处汇聚使得核部地层加厚。同沉积褶皱翼部的砂岩层局部发育同沉积布丁构造(图5a，图6)。

图5 灵山岛同沉积布丁构造应变分析Fig. 5 Strain analysis of synsedimentary boudinages in Lingshan Island(a) 灵山岛同沉积布丁构造素描图(据图版Ⅰ-4)；(b)和(c) 地层形成布丁构造时受力状态，且布丁块体发生旋转(a) A sketch showing synsedimentary boundinage in Lingshan Island (after Plate Ⅰ-4); (b) and (c) stress analysis of boudinages[(b) unrotated; (c) rotated]

图6 灵山岛叠瓦状布丁构造素描图(据图版Ⅰ-5简化，有改动)Fig. 6 A sketch showing the imbricate boudinages deformed by successive folding in Lingshan Island (Modified after Plate Ⅰ-5)

2.2.4砂岩层断块及变形团块

图版Ⅰ-7所示为砂岩层被拉断后的不同形态。泥质含量高，砂岩层断块均被泥质包裹且变形严重。该剖面中砂岩层断块在岩层底面和剖面上均有出露。从岩层底面上看，砂岩层断块呈团块状或长柱状。从剖面上看，砂团多呈透镜状，排列散乱，还有部分砂岩层断块尚未完全断开，延伸较稳定。

2.3 滑塌后变形----微型地垒、地堑组合

滑塌后变形主要指滑塌褶皱层不再向前搬运的情况下，滑塌体因重力作用而继续发生的变形作用。微型地堑—地垒组合就是典型的例子。

在重力作用下，软沉积层发生水平伸展作用，形成一系列被微型共轭正断层隔断的块体，构成微型地垒—地堑组合。在大尺度的盆地构造中，可以发育一系列大致呈对称的地垒和地堑构造(陆克政，1996162)，其应力状态是相似的(如图7所示)：每一组倾向相反的正断层发育程度基本一致，且在室内实验中所得其平均倾角为60°(Davis et al., 2011323)。图版Ⅰ-8中所示薄砂层厚2～4cm，发育了一系列微地垒和微地堑结构，共轭正断层平均倾角为57°。

3 讨论：不同期次典型软沉积物变形构造形成机制

不同期次的软沉积物变形构造具有不同的特征及变形机制。而对变形机制的分析，可反映其受力变化和变形过程。

3.1 滑塌前变形----底模构造及浊积岩中包裹的砂泥岩碎片

滑塌层下伏厚层浊积岩未发生褶皱变形(图版Ⅰ-1)，显然先于滑塌层堆积。由于并未受滑塌作用影响，因此其内部的某些指向构造(如：槽模、沟模等)可以用来恢复浊流的古流向。滑塌褶皱层中包含同样发育粒序层理的砂岩(图版Ⅰ-2、Ⅰ-5)，只不过随着滑塌而再次搬运并发生了滑塌褶皱而已。其包裹的砂泥岩碎片不仅在随浊流搬运和沉积过程中发生变形，在滑塌中和滑塌后堆积过程中亦随滑塌层变形。

底模构造是浊流沉积中的典型构造，有些能够指示浊流搬运方向(Boggs, 200699; Nichols, 200965)。这些粒序层理砂岩层在尚处于成岩过程之中就被更大地震引发的滑塌所再次搬运并在更深的堆积区褶皱堆积，因此保留了原来的底模构造。由于槽模和沟模所在的砂岩层已随滑塌层一起发生长距离的位移和褶皱，且无法判断在此过程中岩层到底旋转了多少，故保留在这类砂层中的滑塌前沉积构造(如：槽模、沟模等)不能用来判别浊流的搬运方向。

3.2 滑塌中变形

3.2.1 剖面X形共轭逆断层

沉积层从滑塌开始到逐渐停止运动的过程中受到水平剪切和挤压而先形成倒转褶皱(图2中层A)，并在大型滑塌褶皱内部形成小型箱状褶皱及两组剖面X剪节理，进而形成X形共轭逆断层。箱状褶皱和逆断层发育在图2中B、C层之间的基底剪切面(basal shear surface)之上，厚度1m左右，变形强烈且复杂。基底剪切面往往与软弱夹层有关(Martinez et al., 2005)，故本层中厚泥质沉积物成为滑塌体搬运过程中的基底剪切面之一。

岩层滑塌时前方受阻而后方因惯性而继续向前滑动，在局部形成顺层挤压力(即σ1)。在同时受到的重力(即σ3)共同作用下，形成箱形褶皱。如果顺层挤压力持续作用，则发育共轭X剪节理，甚至沿节理面形成逆断层(如图3a中虚线所示)。节理面刚发育时平直，但由于该层塑性强，滑塌停止后重力作用使得共轭剪面发生弯曲和旋转(此时局部应力场已经改变，垂直方向改为σ1)，褶皱形态也进一步被改造(图3a，图版Ⅰ-2)。

3.2.2 小型叠瓦状倒转紧闭褶皱

滑塌堆积过程中，由于前方厚砂层褶皱阻挡而使其下的泥质沉积物向应力低的空间逃逸，带动了夹在中间的薄层粉砂层发生微型紧闭褶皱(图版Ⅰ-3)。该褶皱的形成主要经历了纯剪(图4a)和单剪(图4b)过程并同时伴随软泥逃逸事件，其褶皱轴面倾向于滑塌体前方(图4c)。这种小型叠瓦状褶皱发育于大型滑塌褶皱内部的局部，相对滑动方向与滑塌堆积体主体动向相反，因此不能用来代表主滑动方向。

3.2.3 同沉积布丁构造

滑塌褶皱层的不同部位或不同变形阶段形成的布丁构造之特征与方向可能都不同，因此判别滑塌动向时一定要谨慎。举例如下：

实例一：重力作用(σ1)和软沉积物横向塑性流动(σ3)使得岩层发育布同沉积丁构造(图5b)，而布丁砂层上下的相对位移使布丁块体发生旋转(图5c)。B和C两层与D层中大部分微断裂倾向相反，即沉积层相对滑动方向相反(如图5a中箭头所示)。尽管整个滑塌层都是向前滑动的，但各层滑动速度的不同导致层间发生相对滑动，造成布丁块体的旋转方向不同(图版Ⅰ-4)。这种同沉积布丁构造和微断裂不仅发育在滑塌褶皱层内，还发育在延伸比较稳定的砂岩层中。因此，利用同沉积布丁构造判断滑塌方向时一定要小心。某些局部的布丁构造仅能指示局部相对滑动方向，而不能指示滑塌沉积的主体动向。

实例二：某些砂岩层底面保留有阶梯状同沉积小断裂，将槽模、沟模和荷重模错断(图版Ⅰ-6)。这实际上也是一种同沉积布丁构造，表现为砂岩层底面的阶梯状小断裂。砂岩层内部的破裂面在成岩过程中完全消失，仅留下一个个陡坎记录其曾经断开的历史。同沉积布丁构造还可能发育在滑塌褶皱轴部，是半塑性的砂层受重力挤压而向两侧逃逸过程中形成的，此时切割布丁块体的微断裂的倾向与滑塌搬运的方向近垂直。

实例三：某些同沉积布丁构造呈叠瓦状叠置，微断裂似乎具逆断层性质(图版Ⅰ-5)。其实这是同沉积布丁构造被局部挤压作用改造的结果。前方滑塌体受阻而后续地层受惯性作用仍不断向前滑塌形成局部挤压(如图6中箭头所示)，使得泥质向枢纽汇聚，并将布丁块体带向中间聚集，使其呈叠瓦状排列。此时的布丁构造实际上受到滑塌褶皱的改造，也不能用来指示滑塌体的搬运方向。

图7 灵山岛微型地垒地堑组合素描及受力分析(据图版Ⅰ-8简化，有改动)Fig. 7 A sketch showing the mini horsts and grabens as well as their stress analysis in Lingshan Island (Modified after Plate Ⅰ-8)

3.3 滑塌后变形----微型地堑地垒组合与剖面共轭X形剪节理

微地垒和微地堑结构与同沉积布丁构造的受力状态基本一致(如图7，图5b)。砂层受重力作用(即σ1)发育一系列共轭正断层。上覆和下伏泥质沉积物的塑性流动使得正断层的位移更明显，从而形成一系列微地垒和微地堑结构，表现为错断砂层的水平伸展(σ3)。这些微型地堑地垒组合是剖面X形共轭剪面造成的，共轭剪面发育程度一样，倾向相反，反映了砂层上下已经没有相对位移，故应视作滑塌后变形构造，主要受其上方沉积体重力作用所致。