高级搜索

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

快速沉积引发的软沉积物变形构造特征

梁钊 云玉攀 魏浩

梁钊, 云玉攀, 魏浩. 快速沉积引发的软沉积物变形构造特征———以灵山岛下白垩统浊积岩为例[J]. 沉积学报, 2023, 41(2): 450-458. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.094
引用本文: 梁钊, 云玉攀, 魏浩. 快速沉积引发的软沉积物变形构造特征———以灵山岛下白垩统浊积岩为例[J]. 沉积学报, 2023, 41(2): 450-458. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.094
LIANG Zhao, YUN YuPan, WEI Hao. Soft-sediment Deformation Structures Induced by Rapid Sedimentation in Lower Cretaceous Turbidites, Lingshan Island[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2023, 41(2): 450-458. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.094
Citation: LIANG Zhao, YUN YuPan, WEI Hao. Soft-sediment Deformation Structures Induced by Rapid Sedimentation in Lower Cretaceous Turbidites, Lingshan Island[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2023, 41(2): 450-458. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.094

快速沉积引发的软沉积物变形构造特征———以灵山岛下白垩统浊积岩为例

doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.094
基金项目: 

河北省高等学校科学技术研究项目 QN2020163

河北省高等学校科学技术研究项目 ZD2020134

河北地质大学博士科研启动基金 BQ2019030

河北省省级科技计划项目 19224205D

详细信息
    作者简介:

    梁钊,男,1986年出生,博士,助理研究员,软沉积物变形构造,E-mail: liangzhao@hgu.edu.cn

  • 中图分类号: P512.2

Soft-sediment Deformation Structures Induced by Rapid Sedimentation in Lower Cretaceous Turbidites, Lingshan Island

Funds: 

Science and Technology Project of Hebei Education Department QN2020163

Science and Technology Project of Hebei Education Department ZD2020134

Doctoral Scientific Research Foundation of Hebei GEO University BQ2019030

S&T Program of Hebei 19224205D

  • 摘要: 灵山岛修船厂剖面发育了多种类型的软沉积物变形构造,其中一些变形构造的要素发生了定向倾斜,影响因素尚不明确。结合野外露头观察和室内分析等方法,研究了变形构造的形成过程、触发因素和地质意义。结果表明:修船厂剖面的两套浊积岩之间发育了负载—挤入构造、泄水—沉积物充填构造和微断层等软沉积物变形构造;变形机制主要是流体化,触发因素为浊流的快速沉积导致的载荷压力。变形构造的形成过程主要与密度倒置梯度和横向剪切力两个驱动力有关,其中横向剪切力来源于浊流的流动,导致变形构造的要素发生定向倾斜。变形构造的要素的倾斜方向为SEE,指示古水流主要来自SEE方向,与浊积岩序列内底痕指示的古水流方向一致,说明浊流快速沉积形成的软沉积物变形构造能够指示古水流或古斜坡方向。
  • 图  1  灵山岛地理位置与地质概况图[6]

    (a)胶南地区地质概况;(b)灵山岛地质概况;(c)灵山岛地层发育特征

    Figure  1.  Geographic location and geological setting of Lingshan Island[6]

    (a) geological outline of Jiaonan region; (b) geological outline of Lingshan Island; (c) stratigraphic characteristics of Lingshan Island

    图  2  修船厂剖面地层发育特征

    (a)修船厂剖面全景照片;(b)地层受后期滑塌褶皱作用影响;(c)地层破坏严重向塑性流过渡

    Figure  2.  Stratigraphic characteristics of Xiuchuanchang section

    (a) panoramic photograph of Xiuchuanchang section; (b) formations affected by later slump; (c) plastic flow of sverely affected strata

    图  3  研究层位受到后期褶皱作用影响

    Figure  3.  The studied bed affected by subsequent slumping

    Fig.3

    图  4  负载—挤入构造发育特征图

    Figure  4.  Characteristics of load⁃squeezed structures

    Fig.4

    图  5  新鲜露头中的泄水—沉积物充填构造

    Figure  5.  Water⁃escape and sediment⁃injection structures in fresh outcrop

    Fig.5

    图  6  下伏地层中纹层发生破裂

    Figure  6.  Ruptured laminaset in underlying bed

    Fig.6

    图  7  断距2 cm的微断层

    Figure  7.  Micro⁃fault with 2 cm offset

    Fig.7

    图  8  无黏着力颗粒沉积物中流体化过程示意图[7]

    (a)U<Umf(岩层体积不变,渗流发生),颗粒支撑依靠颗粒互相接触,流体阻力减少了部分沉积物颗粒重量;(b)U=Umf(流体化的萌芽阶段),流体阻力恰好平衡了沉积物颗粒重量;(c)U>Umf,沉积物颗粒被流体阻力支撑,悬浮在流体中,岩层体积增大;(d)U>U∞沉积物颗粒随着流体运移;U.表观流速;Umf.最小流体化速度;U∞.颗粒沉降速度

    Figure  8.  Fluidization process in a cohesionless granular material

    Fig.8

    图  9  真实古流向与观察剖面关系示意图

    Figure  9.  Relationship between paleocurrent direction and observed section

    Fig.9

  • [1] Mills P C. Genesis and diagnostic value of soft-sediment deformation structures:a review[J]. Sedimentary Geology, 1983, 35(2): 83-104.
    [2] van Loon A J, Brodzikowski K. Problems and progress in the research on soft-sediment deformations[J]. Sedimentary Geology, 1987, 50(1/2/3): 167-193.
    [3] van Loon A J. The recognition of soft-sediment deformations as early-diagenetic features:a literature review[J]. Developments in Sedimentology, 1992, 47: 135-189.
    [4] Maltman A. The geological deformation of sediments[M]. London: Chapman and Hall, 1994: 1-362.
    [5] Moretti M, Soria J M, Alfaro P, et al. Asymmetrical soft-sediment deformation structures triggered by rapid sedimentation in turbiditic deposits (Late Miocene, Guadix Basin, southern Spain)[J]. Facies, 2001, 44(1): 283-294.
    [6] Liang Z, Zhou Y Q, van Loon A J. Soft-sediment deformation structures induced by rapid sedimentation in Early Cretaceous turbidites, Lingshan Island, eastern China[J]. Canadian Journal of Earth Sciences, 2018, 55(2): 118-129.
    [7] Owen G. Deformation processes in unconsolidated sands[M]//Jones M E, Preston R M F. Deformation of sediments and sedimentary rocks. London: Geological Society, 1987: 11-24.
    [8] Owen G. Experimental soft-sediment deformation: Structures formed by the liquefaction of unconsolidated sands and some ancient examples[J]. Sedimentology, 1996, 43(2): 279-293.
    [9] Sanders J E. Oriented phenomena produced by sedimentation from turbidity currents and in subaqueous slope deposits[J]. Journal of Paleontology, 1956, 26: 178-179.
    [10] Dzulynski S, Walton E K. Sedimentary features of flysch and greywackes: Developments in sedimentology[M]. Amsterdam: Elsevier, 1965: 1-274.
    [11] Stromberg S G, Bluck B. Turbidite facies, fluid-escape structures and mechanisms of emplacement of the Oligo-Miocene Aljibe Flysch, Gibraltar Arc, Betics, southern Spain[J]. Sedimentary Geology, 1998, 115(1/2/3/4): 267-288.
    [12] Lowe D R. Water escape structures in coarse-grained sediments[J]. Sedimentology, 1975, 22(2): 157-204.
    [13] Allen J R L. Sedimentary structures: their character and physical basis Volume II[M]//Developments in sedimentology. Amsterdam: Elsevier, 1982: 1-663.
    [14] Collinson J D, Thompson D B. Sedimentary structures[M]. London: Allen and Unwin, 1989: 1-194.
    [15] Brenchley P J, Newall G. The significance of contorted bedding in Upper Ordovician sediments of the Oslo region, Norway[J]. Journal of Sedimentary Research, 1977, 47(2): 819-833.
    [16] 栾光忠,李安龙,王建,等. 青岛主要海岛成因分类及其地质环境分析[J]. 中国海洋大学学报,2010,40(8):111-116.

    Luan Guangzhong, Li Anlong, Wang Jian, et al. The geological origin division of the main sea island in Qingdao area and environment analysis[J]. Periodical of Ocean University of China, 2010, 40(8): 111-116.
    [17] 李三忠,刘鑫,索艳慧,等. 华北克拉通东部地块和大别:苏鲁造山带印支期褶皱—逆冲构造与动力学背景[J]. 岩石学报,2009,25(9):2031-2049.

    Li Sanzhong, Liu Xin, Suo Yanhui, et al. Triassic folding and thrusting in the eastern block of the North China Craton and the Dabie-Sulu orogen and its geodynamics[J]. Acta Petrologica Sinica, 2009, 25(9): 2031-2049.
    [18] Zhu G, Wang Y S, Liu G S, et al. 40Ar/39Ar dating of strike-slip motion on the Tan-Lu fault zone, East China[J]. Journal of Structural Geology, 2005, 27(8): 1379-1398.
    [19] 周瑶琪,张振凯,梁文栋,等. 山东东部晚中生代构造—岩浆活动及原型盆地恢复[J]. 地学前缘,2015,22(1):137-156.

    Zhou Yaoqi, Zhang Zhenkai, Liang Wendong, et al. Late Mesozoic tectono-magmatic activities and prototype basin restoration in eastern Shandong province, China[J]. Earth Science Frontiers, 2015, 22(1): 137-156.
    [20] 钟建华. 灵山岛中生代沉积岩是深水远源浊积岩、还是陆内三角洲沉积?:与吕洪波教授商榷[J]. 地质论评,2012,58(6):1180-1182.

    Zhong Jianhua.Is the Mesozoic sedimentation of Lingshan Island a deep-water remote turbidite or an intracontinental delta deposit?—Argue with professor Lü Hongbo[J]. Geological Review, 2012, 58(6): 1180-1182.
    [21] 钟建华,倪良田,邵珠福,等. 青岛灵山岛下白垩统风暴岩与风暴沉积的发现及意义[J]. 古地理学报,2016,18(3):381-398.

    Zhong Jianhua, Ni Liangtian, Shao Zhufu, et al. Tempestites and storm deposites in the Lower Cretaceous from Lingshan Island, Qingdao[J]. Journal of Palaeogeography, 2016, 18(3): 381-398.
    [22] 邵珠福,钟建华,李勇,等. 青岛灵山岛晚中生代重力流沉积特征及环境分析[J]. 地质论评,2014,60(3):555-566.

    Shao Zhufu, Zhong Jianhua, Li Yong, et al. The sedimentary characteristics and environmental analysis of Late Mesozoic gravity flows in Lingshan Island[J]. Geological Review, 2014, 60(3): 555-566.
    [23] 李守军,张祥玉,赵秀丽,等. 山东省青岛市灵山岛下白垩统中发现鱼类和叶肢介化石[J]. 地质论评,2017,63(1):1-6.

    Li Shoujun, Zhang Xiangyu, Zhao Xiuli, et al. Discovery of fish and conchostracan fossils in Lower Cretaceous in Lingshan Island, Qingdao, Shandong[J]. Geological Review, 2017, 63(1): 1-6.
    [24] 孟元库,李日辉. 青岛灵山岛及邻区早白垩世大地构造演化[J]. 地质论评,2019,65(2):385-388.

    Meng Yuanku, Li Rihui. Early Cretaceous tectonic evolution on Lingshan Island, Qingdao, and adjacent regions[J]. Geological Review, 2019, 65(2): 385-388.
    [25] 王安东. 山东灵山岛早白垩世地层软沉积物变形构造研究[D]. 青岛:中国石油大学(华东),2013:11-18.

    Wang Andong. Research on the soft-sediment deformation structures in the Early Cretaceous strata at Lingshan Island, Shandong[D]. Qingdao: China University of Petroleum (East China), 2013: 11-18.
    [26] 吕洪波,王俊,张海春. 山东灵山岛晚中生代滑塌沉积层的发现及区域构造意义初探[J]. 地质学报,2011,85(6):938-946.

    Hongbo Lü, Wang Jun, Zhang Haichun. Discovery of the Late Mesozoic slump beds in Lingshan Island, Shandong, and a pilot research on the regional tectonics[J]. Acta Geologica Sinica, 2011, 85(6): 938-946.
    [27] 张海春,吕洪波,李建国,等. 山东青岛早白垩世新地层单位:灵山岛组[J]. 地层学杂志,2013,37(2):216-222.

    Zhang Haichun, Hongbo Lü, Li Jianguo, et al. The Lingshandao Formation: A new lithostratigraphic unit of the Early Cretaceous in Qingdao, Shandong, China[J]. Journal of Stratigraphy, 2013, 37(2): 216-222.
    [28] Owen G, Moretti M, Alfaro P. Recognising triggers for soft-sediment deformation: Current understanding and future directions[J]. Sedimentary Geology, 2011, 235(3/4): 133-140.
    [29] Suter F, Martínez J I, Vélez M I. Holocene soft-sediment deformation of the Santa Fe-Sopetrán Basin, northern Colombian Andes: Evidence for pre-Hispanic seismic activity?[J]. Sedimentary Geology, 2011, 235(3/4): 188-199.
    [30] Kuenen H. Experiments in geology[J]. Transactions of the Geological Society of Glasgow, 1958, 23: 1-28.
    [31] Butrym J, Cegla J, Dzulynski S, et al. New interpretation of periglacial structures[M]. Krakow: Folia Quaternaria, 1964: 1-34.
    [32] Pope M C, Read J F, Bambach R, et al. Late Middle to Late Ordovician seismites of Kentucky, southwest Ohio and Virginia: Sedimentary recorders of earthquakes in the Appalachian Basin[J]. Geological Society of America Bulletin, 1997, 109(4): 489-503.
    [33] Jones A P, Omoto K. Towards establishing criteria for identifying trigger mechanisms for soft-sediment deformation: A case study of Late Pleistocene lacustrine sands and clays, Onikobe and Nakayamadaira Basins, northeastern Japan[J]. Sedimentology, 2000, 47(6): 1211-1226.
    [34] Moretti M. Soft-sediment deformation structures interpreted as seismites in Middle-Late Pleistocene aeolian deposits (Apulian foreland, southern Italy)[J]. Sedimentary Geology, 2000, 135(1/2/3/4): 167-179.
    [35] Moretti M, Sabato L. Recognition of trigger mechanisms for soft-sediment deformation in the Pleistocene lacustrine deposits of the SantʻArcangelo Basin (southern Italy): Seismic shock vs. overloading[J]. Sedimentary Geology, 2007, 196(1/2/3/4): 31-45.
    [36] Spalluto L, Moretti M, Festa V, et al. Seismically-induced slumps in Lower-Maastrichtian peritidal carbonates of the Apulian Platform (southern Italy)[J]. Sedimentary Geology, 2007, 196(1/2/3/4): 81-98.
    [37] 梁钊,周瑶琪. 山东省灵山岛下白垩统浊积岩中与滑塌作用相关的软沉积物变形构造[J]. 地球科学,2017,42(10):1715-1724.

    Liang Zhao, Zhou Yaoqi. Soft-sediment deformation structures related to slumping in Lower Cretaceous turbidite in Lingshan Island, Shandong province[J]. Earth Science, 2017, 42(10): 1715-1724.
  • [1] 熊连桥, 李建平, 谢晓军, 蔡露露, 廖计华, 许晓明.  湖相碳酸盐岩沉积微相类型及沉积模式 . 沉积学报, 2021, 39(3): 767-780. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.025
    [2] 陈虹宇, 胡广, 胡文瑄, 罗婷婷, 王学寅, 刘友祥.  浙江石浦下白垩统石浦群沉积相、层序及相对海平面变化 . 沉积学报, 2018, 36(2): 243-256. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2018.032
    [3] 孙福宁, 杨仁超, 樊爱萍, 尤靖茜.  灵山岛下白垩统软沉积物变形构造类型划分及其地质意义 . 沉积学报, 2018, 36(6): 1105-1118. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2018.085
    [4] 张廷山, 杜翔, 杨巍, 陈晓慧.  米仓山前缘早志留世软沉积物变形构造及其触发机制 . 沉积学报, 2017, 35(2): 253-263. doi: 10.14027/j.cnki.cjxb.2017.02.005
    [5] 李婷婷, 朱如凯, 白斌, 王崇孝, 李铁峰.  混积岩储层特征——以酒泉盆地青西凹陷下白垩统混积岩为例 . 沉积学报, 2015, 33(2): 376-384. doi: 10.14027/j.cnki.cjxb.2015.02.017
    [6] 王星星, 朱筱敏, 张明君, 潘荣, 吴陈冰洁, 张久强.  洪浩尔舒特凹陷下白垩统近岸水下扇沉积特征 . 沉积学报, 2015, 33(3): 568-577. doi: 10.14027/j.cnki.cjxb.2015.03.015
    [7] 二连盆地巴音都兰凹陷下白垩统湖相云质岩成因研究 . 沉积学报, 2014, 32(3): 560-567.
    [8] 高志勇, 冯佳睿, 周川闽, 崔京钢, 李小陪, 赵雪松, 郭美丽, 吴昊.  干旱气候环境下季节性河流沉积特征——以库车河剖面下白垩统为例 . 沉积学报, 2014, 32(6): 1060-1071.
    [9] 远源缓坡型薄层细粒浊积岩沉积规律——以松南西斜坡大布苏地区青一段地层为例 . 沉积学报, 2013, 31(2): 291-301.
    [10] 库车前陆盆地上侏罗统—下白垩统砾岩特征与构造演化关系 . 沉积学报, 2013, 31(6): 980-993.
    [11] 文华国.  酒泉盆地青西凹陷下沟组湖相热水沉积岩锶同位素地球化学特征 . 沉积学报, 2009, 27(4): 642-649.
    [12] 傅强.  鄂尔多斯盆地晚三叠世湖盆浊积岩发育特征及地质意义 . 沉积学报, 2008, 26(2): 186-192.
    [13] 王 锋.  阿曼Daleel油田下白垩统Shuaiba组上段碳酸盐岩沉积相模式 . 沉积学报, 2007, 25(2): 192-200.
    [14] 岳伏生, 马龙, 李天顺.  查干凹陷下白垩统碎屑岩储层成岩演化与油气成藏 . 沉积学报, 2002, 20(4): 644-649.
    [15] 李培军, 侯泉林, 李继亮, 孙枢.  闽西南地区早三叠世溪口组浊流沉积 . 沉积学报, 1997, 15(4): 50-57.
    [16] 何海清.  西秦岭早三叠世沉积特征及其构造控制作用 . 沉积学报, 1996, 14(1): 86-92.
    [17] 孟庆任, 薛峰, 张国伟.  秦岭商丹带内黑河地区砾岩沉积及其构造意义 . 沉积学报, 1994, 12(3): 37-46.
    [18] 刘金钟, 范德廉.  沉积成岩作用对桂西北中三叠统板纳组中金丰度的影响 . 沉积学报, 1993, 11(2): 51-57.
    [19] 朱莲芳.  酒西盆地碎屑岩胶结物的形成问题 . 沉积学报, 1988, 6(1): 39-49.
    [20] 左国朝, 张淑玲, 王谐, 金松桥.  北山洗肠井地区寒武系—中奥陶统浊积岩及其火山—沉积组合特征 . 沉积学报, 1987, 5(2): 63-72.
  • 加载中
图(9)
计量
  • 文章访问数:  256
  • HTML全文浏览量:  186
  • PDF下载量:  105
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2021-03-30
  • 修回日期:  2021-06-30
  • 录用日期:  2021-08-31
  • 网络出版日期:  2021-08-31
  • 刊出日期:  2023-04-10

目录

    快速沉积引发的软沉积物变形构造特征

    doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.094
      基金项目:

      河北省高等学校科学技术研究项目 QN2020163

      河北省高等学校科学技术研究项目 ZD2020134

      河北地质大学博士科研启动基金 BQ2019030

      河北省省级科技计划项目 19224205D

      作者简介:

      梁钊,男,1986年出生,博士,助理研究员,软沉积物变形构造,E-mail: liangzhao@hgu.edu.cn

    • 中图分类号: P512.2

    摘要: 灵山岛修船厂剖面发育了多种类型的软沉积物变形构造,其中一些变形构造的要素发生了定向倾斜,影响因素尚不明确。结合野外露头观察和室内分析等方法,研究了变形构造的形成过程、触发因素和地质意义。结果表明:修船厂剖面的两套浊积岩之间发育了负载—挤入构造、泄水—沉积物充填构造和微断层等软沉积物变形构造;变形机制主要是流体化,触发因素为浊流的快速沉积导致的载荷压力。变形构造的形成过程主要与密度倒置梯度和横向剪切力两个驱动力有关,其中横向剪切力来源于浊流的流动,导致变形构造的要素发生定向倾斜。变形构造的要素的倾斜方向为SEE,指示古水流主要来自SEE方向,与浊积岩序列内底痕指示的古水流方向一致,说明浊流快速沉积形成的软沉积物变形构造能够指示古水流或古斜坡方向。

    English Abstract

    梁钊, 云玉攀, 魏浩. 快速沉积引发的软沉积物变形构造特征———以灵山岛下白垩统浊积岩为例[J]. 沉积学报, 2023, 41(2): 450-458. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.094
    引用本文: 梁钊, 云玉攀, 魏浩. 快速沉积引发的软沉积物变形构造特征———以灵山岛下白垩统浊积岩为例[J]. 沉积学报, 2023, 41(2): 450-458. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.094
    LIANG Zhao, YUN YuPan, WEI Hao. Soft-sediment Deformation Structures Induced by Rapid Sedimentation in Lower Cretaceous Turbidites, Lingshan Island[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2023, 41(2): 450-458. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.094
    Citation: LIANG Zhao, YUN YuPan, WEI Hao. Soft-sediment Deformation Structures Induced by Rapid Sedimentation in Lower Cretaceous Turbidites, Lingshan Island[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2023, 41(2): 450-458. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.094
      • 软沉积物变形构造中记录了沉积物未固结时发生在沉积环境中的各种物理作用。这些变形构造可以为解释水动力条件、古斜坡方向和同沉积的地震和构造活动提供准确的信息[16]。当沉积物由于液化(liquefaction)和/或者流体化(fluidization)表现出类似液体的性质时,就会在驱动力的作用下发生变形。液化和流体化的触发因素主要包括地震、波浪、滑塌、地下水活动等作用[78]

        负载构造、球—枕构造、包卷层理、泄水构造等软沉积物变形构造类型在浊积岩沉积序列中非常普遍[5,911],通常被认为指示着快速沉积导致的液化和/或流体化[1213]。其中负载构造是沉积物液化最重要的标志,因为这些构造是沉积物液化后在重力不稳定性的作用下,上覆密度较大的沉积物垂向下移而形成的[13]。上覆沉积物向下移动后,下伏密度较小的沉积物会向上挤入,形成火焰状或其他形态的挤入构造。沉积物主要垂直移动,挤入构造尖端的倾斜方向具有一定的随机性,通常不能指示古斜坡方向或古流向[14]。然而,当负载构造和由此形成的挤入构造的要素发生定向倾斜时,就说明有水平方向的力参与了构造的形成过程[13]。这种横向作用力的产生通常与流体的牵引、沉积物在斜坡上的重力分量[15]以及不均匀载荷有关[10]

        本文通过对灵山岛修船厂剖面中发育的负载—挤入构造、泄水—沉积物充填构造和微断层进行研究,观察并描述了其形态特征,分析了其成因机制,并对变形构造的要素发生定向倾斜的原因进行了解释,探讨了其在指示古流向方面的意义。

      • 灵山岛位于山东省青岛市黄岛区(原胶南市)东南的黄海之中(图1),距最近的陆地大珠山约9.8 km,距青岛市约40.7 km。灵山岛海拔513.6 m,是中国北方的第一高岛,总面积约7.66 km2。灵山岛区域构造环境复杂且远离大陆,导致其大地构造背景、地层发育、沉积环境等长期存在争议。灵山岛是一座构造掀斜成因的小岛[16],在构造上位于苏鲁造山带中。苏鲁造山带是由华北克拉通和扬子克拉通在三叠纪的碰撞而形成的[17]。早白垩世,由于郯庐断裂带的左旋走滑,区域内的NE向断裂比较活跃[18]。同一时期,大陆强烈扩张,岩石圈减薄,在现今山东近海地区形成了一系列的裂陷盆地和中生代的浊积岩沉积[19]。钟建华等[20-21]在灵山岛莱阳群中发现了镜煤细层和炭化的植物碎屑[20]以及风暴沉积[21],提出这套地层形成于陆相环境;邵珠福等[22]结合沉积构造和岩性岩相组合研究,认为莱阳群是在陆内三角洲环境形成的,而不是深水环境,更不是海底斜坡;李守军等[23]在灵山岛下白垩统泥岩中发现了鱼类和叶肢介化石,认为这套地层属于陆相沉积;孟元库等[24]认为,早白垩世灵山岛地区为典型的断陷湖盆,沉积了一套较厚的湖相沉积。

        图  1  灵山岛地理位置与地质概况图[6]

        Figure 1.  Geographic location and geological setting of Lingshan Island[6]

        在灵山岛出露的剖面中一共可识别出四个地层单元。最下部是一套浊积岩沉积序列,由灰绿色、灰黑色砂岩、粉砂岩和黑色、灰黑色泥岩或页岩互层组成,对应于早白垩世早中期的海相沉积,在时间上可对比于胶莱盆地的莱阳期沉积;其上覆盖了一层区域性展布的青山群灰白色流纹岩,厚度变化较大,在岛的南部最厚可达15~20 m,向北逐渐减薄至数米厚,可以作为地层对比的标志;这套流纹岩之上为一套青山群陆相沉积,整体表现为由下向上泥页岩所占比例逐渐减少,砂砾岩层比例逐渐增加,并夹有数套薄层辉绿岩侵入和火山碎屑流沉积,标志着区域性的构造抬升和逐渐活跃的火山活动;最上部的一个地层单元由厚层的青山群安山质火山碎屑岩和安山岩所组成[25]

      • 灵山岛的浊积岩主要出露在岛的西部和南部。由于这套沉积序列由薄层的细砂岩和黏土岩构成良好的韵律性,因此被认为符合海相复理石或远源浊积岩的特征[26]。张海春等[27]提出建立灵山岛组来代表这套浊积岩沉积序列,因为它与相邻的胶莱盆地内同时期沉积的莱阳期河湖相沉积有很大的不同。整体来看,这套浊积岩沉积序列主要由薄层的砂岩和平行层理的极薄层粉砂岩和泥岩互层形成的纹层组(或泥岩)组成。浊积岩相中发育的沟模和槽模指示古水流方向主要为SEE—NWW。

        修船厂剖面位于灵山岛西侧中部的海边,整体呈近南北走向(图2a)。地层中滑塌构造发育(图2b),部分地层层理严重变形甚至被破坏,有向塑性流过渡的趋势(图2c)。整体由层面近似平行的多套浊积岩层组成,以细砂岩、粉砂岩和泥岩为主,每套浊积岩层对应一期浊流事件,厚度变化大,最小可小于1 cm,最大可达十几厘米。每套浊积岩层都由砂岩部分和纹层组(或泥岩)部分组成,对应浊流的二分性特征。砂岩部分对应浊流下部的高密度部分,通常表现出递变层理,沉积物粒度逐渐变细,一般是从细砂到极细砂,也可见中砂或粗砂到细砂和极细砂的变化。纹层组由平行排列的毫米级的粉砂纹层和小于1 mm的黏土纹层组成,由牵引加微粒沉降作用(traction plus fallout processes)形成。

        图  2  修船厂剖面地层发育特征

        Figure 2.  Stratigraphic characteristics of Xiuchuanchang section

      • 本文所研究的软沉积物变形构造发育在修船厂剖面中部的一套浊积砂岩和粉砂—泥岩互层的纹层组之间(图3)。上覆的砂岩视厚度为10 cm左右,整体表现为粗砂到粉砂变化的正粒序层理,向上逐渐过渡为泥岩。下伏变形地层的粉砂岩和泥岩纹层的单层厚度为毫米级,整个纹层组厚度为15 cm左右。变形构造形成之后,地层受后期构造作用影响,整体发生滑塌褶皱。这套地层在南部发生褶皱,稍向北有一段未受影响地层,再向北逐渐消失。

        图  3  研究层位受到后期褶皱作用影响

        Figure 3.  The studied bed affected by subsequent slumping

      • 浊积砂岩底部发育的负载构造多呈瘤状,形态、大小极不规则,宽度和高度变化范围为数毫米至数厘米。同生的挤入构造发育在负载构造之间,往往表现为穹顶状或火焰状,宽度和高度变化都在数毫米到1 cm之间。下伏纹层组只有上部纹层发生变形,下部纹层未发生变化(图4)。变形的纹层原生层理得以保存,只有层厚发生了一定的变化。具体表现为:在负载构造之下,纹层受到挤压厚度变薄,而向挤入构造的尖端方向,纹层组中的粉砂层逐渐变厚,泥质层厚度变化不大。统计变形构造的倾斜方向,发现负载构造绝大部分向观察层面的右侧倾斜,只有极小部分向相反方向倾斜;挤入构造大部分向观察层面的右侧倾斜,小部分向相反方向倾斜。部分变形构造倾斜方向相反,可能是负载构造的不均匀载荷压力造成的。

        图  4  负载—挤入构造发育特征图

        Figure 4.  Characteristics of load⁃squeezed structures

      • 在上覆浊积砂岩中,发育了一系列的泄水—沉积物充填构造。由于差异风化,这些变形构造往往表现出内凹的形态,易于辨认,充填的沉积物也可直接观察。这些泄水—沉积物充填构造往往“植根”于下伏挤入构造的尖端,向上延伸,有的垂直于层面,但大部分向观察剖面的左侧倾斜,也有少数向右侧倾斜。在一些新鲜的露头上,可以明显地观察到泄水构造中充填的沉积物与下伏纹层组的沉积物性质相同。一些构造中,下伏纹层未发生破裂,充填沉积物可能来自下伏地层中最上部的纹层(图5);而在一些变形构造中,下伏纹层有多层发生破裂,泄水构造中充填的沉积物可能与这些破裂的纹层有关(图6)。这些变形构造都表现出向上刺穿砂岩,向上逐渐消失的特征。

        图  5  新鲜露头中的泄水—沉积物充填构造

        Figure 5.  Water⁃escape and sediment⁃injection structures in fresh outcrop

        图  6  下伏地层中纹层发生破裂

        Figure 6.  Ruptured laminaset in underlying bed

      • 在这套连续展布的地层中,还可以在下伏的纹层组中观察到一些微断层构造,表现为多个纹层发生破裂,层面不再连续,断面几乎垂直于岩石层面,垂向上发生一定的位移,断距通常只有几毫米(图6),有的还表现出向上和向下逐渐消失的特征。偶尔会有少数微断层,断面几乎切穿整个纹层组,断距可以达到2 cm(图7),断面向观察层面的右侧倾斜。

        图  7  断距2 cm的微断层

        Figure 7.  Micro⁃fault with 2 cm offset

      • 软沉积物变形构造的变形机制主要是发生在无黏着力(cohesionless)沉积物(如砂砾岩等)中的液化(liquefaction)和流体化(fluidization)以及发生在有黏着力(cohesive)沉积物(如泥岩或页岩等)中的触变作用(thixotropy)[7,28]。由于颗粒咬合作用和颗粒之间摩擦力,无黏着力的沉积物具有一定的强度。

        液化作用发生时,原来由颗粒支撑承担的上覆沉积物的重量带来的负载压力部分或全部转移到孔隙流体上,导致孔隙流体压力增加,沉积物强度大大减小甚至为零[7,28]。液化作用发生在封闭系统中,没有孔隙流体的增加或减少,沉积物颗粒的浓度与液化之前相比没有变化,颗粒的分离距离小于颗粒直径。

        流体化作用发生在开放的系统中(图8),需要有流体连续流过沉积物颗粒,流体阻力的向上分力等于或者大于颗粒的重力[1213]。表观流速是指岩层表面的流量与单位面积的比值。最小流体化速度是指流体阻力的向上分力正好等于颗粒重量,此时负载压力等于零,沉积物表现出黏性流体一样的性质。低值的表观流速代表着流体的渗流,在这种条件下,负载压力被流体阻力部分补偿,沉积物强度相应降低(图8a)。当表观流速超过最小流体化速度时,沉积物颗粒的分离距离增加,黏性减小。因此流体化意味着沉积物层体积的增加。如果表观流体速度超过沉积物颗粒的沉降速度,那么孔隙流体会发生流动(图8c),沉积物被淘洗,或者被随孔隙流体运移[7]图8d)。

        图  8  无黏着力颗粒沉积物中流体化过程示意图[7]

        Figure 8.  Fluidization process in a cohesionless granular material

        本研究中,下伏纹层组中的粉砂层在变形过程中向挤入构造尖端方向流动,在泄水—沉积物充填构造中发生了流体的渗流(泥质层未破裂)与流体和颗粒的向上运移(泥质层发生破裂),因此软沉积物变形构造的变形机制主要为流体化。

      • 沉积物在液化后,如果没有驱动力的存在,沉积物颗粒会发生再沉积(resedimentation),陆续沉淀下来,除排列更加紧密和部分颗粒在重力作用下发生定向排列外,不会发生变形,而且原始层理也会保存[28]。换言之,软沉积物变形是液化或流体化的沉积物在驱动力的作用下形成的。驱动力一般包括:1)斜坡上的重力分量;2)倒置密度梯度;3)不均匀负载;4)横向或纵向剪切力;5)生物或化学动力[78,2829]。通过研究这些软沉积物变形构造的形态特征和形成过程,认为其形成与两个主要的驱动力系统有关,即倒置密度系统和横向剪切力系统,其中横向剪切力来源于浊流的流动。

      • 软沉积物变形构造的变形机制和驱动力,在大部分情况下可以通过对变形构造本身特征研究来明确[29]。但是,触发因素的解释则相对困难得多,因为不同的触发因素可以引发相似形态的软沉积物变形构造,而同一种触发因素又可以形成不同形态的变形构造[10,3031]。这导致识别复杂软沉积物变形构造的触发因素非常困难。前人提出了基于判别标准(criteria-based)的方法来识别地震触发因素,基于触发因素(trigger-based)的方法来识别非地震触发因素[28,3236]。地震触发因素的判别标准一般有:1)横向上连续,纵向上反复出现且被未变形层相隔;2)可与已发现的地震成因变形构造形态相对比;3)沉积盆地构造活动活跃;4)变形构造的强度、复杂度和数量等围绕震中呈环带状递变分布[28]。对于非地震触发因素,Moretti et al.[35]曾提出通过一一分析所有的触发因素来进行识别,但是这种方法既不全面,也难以实现。因此,Owen et al.[28]提出了三步评价法,即结合沉积相评价、可能的触发因素评价和可用的判别标准评价来识别触发因素:1)沉积相评价:沉积相和软沉积物变形构造发育之间的关系决定了触发因素是内生(与沉积过程密切相关)还是外生(与沉积过程无关);2)触发因素评价:确定了触发因素是内生还是外生之后,就可以在小范围内进行一一评价,进一步厘清最可能的触发因素;3)判别标准评价:然后提出可用的判别标准,并评价其是否支持解释的触发因素。

        利用这种方法对本研究中的变形构造的触发因素做出识别:1)这些变形构造发育在上覆浊积岩序列的砂岩和下伏浊积岩序列的纹层组之间,上覆浊积岩顶部的细粒沉积物未发生任何形变,说明变形构造不是在上覆浊积岩沉积之后由于地震等因素发生的,而是发生在上覆浊积岩沉积的过程中,否则上覆浊积岩的顶部不会没有受到任何影响。这种密切的关系说明变形构造的发育与沉积过程密切相关,外生的触发因素可以排除;2)在确定触发因素是与沉积过程密切相关(内生)之后,就需要对内生的触发因素一一评价。考虑到沉积环境的水深,波浪作用、潮汐作用、风暴作用等因素可以被排除,变形构造的形态特征也与地下水活动等形成的变形构造形态相差甚远,因此浊流的快速沉积就成为了最可能的触发因素;3)以上描述的几种变形构造的要素都有定向倾斜的特征,是在浊流带来的横向剪切力的作用下形成的,支持识别的触发因素。因此本研究的软沉积物变形构造的触发因素是浊流的快速沉积作用。

        综上所述,软沉积物变形构造的形成过程为:前一期浊流沉积下来不久后,后一期浊流流动过来发生快速沉积,给下伏尚未完全固结的纹层组带来了载荷压力,使得其中的粉砂层发生液化和流体化,在负载构造的挤压下,向负载构造之间流动,形成挤入构造。纹层组在负载构造之下变薄,而向挤入构造的尖端方向逐渐变厚。在一些情况下,粉砂纹层中的孔隙流体压力很大,足以导致相邻泥质层的破裂,使得孔隙流体携带沉积物向上流动,形成泄水—沉积物充填构造。由于孔隙流体和沉积物通过的路径形成脆弱面,导致微断层的产生。浊流的流动带来的横向剪切力导致变形构造的要素发生定向倾斜,也和不均匀载荷共同导致了微断层断距的产生。

      • 软沉积物变形构造要素的定向倾斜可以指示古流向,但是通常在野外观察到的剖面是二维的,而且并不是完全平行于变形构造倾斜的方向,所以观察到的倾斜方向不一定是真实的古流向。如图9所示,假设真实古流向为HG,如果剖面为HGO,那么测量得到的古流向恰好是真实的古流向,但是如果剖面为HCO或者HDO,变形构造依然会表现出要素的定向倾斜,只是倾角发生了变化,这种情况下测量得到的古流向就不再是真实的古流向。因此,若想利用变形构造的要素的定向倾斜来解释古斜坡或者古流向,就需要在三维空间上对这些构造进行观察,以确定变形构造的真实倾斜方向。

        图  9  真实古流向与观察剖面关系示意图

        Figure 9.  Relationship between paleocurrent direction and observed section

        修船厂剖面发育软沉积物变形构造的地层大多受到后期构造运动和滑塌褶皱的影响,仅有中间一小段地层没有发生大的变形,地层破裂严重,有利于从三维空间上对变形构造进行观察。把地层恢复到水平,并从三维空间上确定变形构造的要素的真实倾斜方向,然后测量到的倾斜方向为SEE,这与测量浊积岩相内发育的底痕得到的古水流方向是一致的,也再次印证了前人的结论[26,37];即研究区当时的古斜坡方向为南东高而北西低。

      • (1) 修船厂剖面的两套浊积岩之间发育了负载—挤入构造、泄水—沉积物充填构造和微断层等软沉积物变形构造。浊流的快速沉积导致纹层组内的粉砂岩层发生流体化,变形构造的形成过程与密度倒置梯度和横向剪切力两个驱动力系统有关,浊流的流动带来的横向剪切力导致了变形构造要素的定向倾斜。

        (2) 软沉积物变形构造要素的定向倾斜方向为SSE—NNW,指示古水流方向为SSE—NNW,这与浊积岩内发育的底痕所确定的古水流方向一致。因此,软沉积物变形构造的要素的定向倾斜方向可以指示古水流方向。

    参考文献 (37)

    目录

      /

      返回文章
      返回