王 熙,王明鎮(zhèn)

山東科技大學地質(zhì)科學與工程學院,山東青島 266510

在安徽壽縣新元古界四十里長山組底部粉砂巖層中發(fā)現(xiàn)了一個同沉積變形構(gòu)造,外形很像是一個復(fù)雜的褶皺構(gòu)造(Bowman et al.,2004),初看以為是包卷層理(劉寶君,1980)或枕、球-枕構(gòu)造(喬秀夫等,2008;楊仕維等,2008;趙衛(wèi)衛(wèi)等,2006),但經(jīng)過本文作者仔細觀察、認真分析后發(fā)現(xiàn)并非如此,它既不是包卷層理,也不是枕、球-枕構(gòu)造,其形成機理也不像上述構(gòu)造那樣簡單;它的形成過程和形成機理有其獨特的變形軌跡,它是沉積物沉積以后,在完全固結(jié)成巖之前受到沉積期某種動力作用產(chǎn)生的軟沉積物變形構(gòu)造(Blanc et al.,1998;張傳恒等,2006,2007),是經(jīng)過同期多次軟沉積變形后形成的滑塌-滑脫變形復(fù)合體。從剖面上可以觀察到該變形構(gòu)造最少經(jīng)歷了3次變形過程,即滑塌變形(梁定益等,1997;李雙應(yīng)等,2003),滑脫褶皺變形,震動液化變形(喬秀夫等,1994,1996;武振杰等,2009)等。一個軟沉積物變形構(gòu)造體之上,能觀察到如此多的沉積變形信息,不僅為研究軟沉積物變形構(gòu)造提供了極好的實物標本,而且對全面真實地了解其形成時的沉積過程和古地理環(huán)境有不可多得的地質(zhì)意義。

安徽壽縣新元古界屬安徽地層區(qū),淮河地層分區(qū),淮南地層小區(qū),發(fā)育有青白口系、南華系及震旦系,青白口系、南華系相對完整、震旦系后期剝蝕嚴重,僅有部分殘存。四十里長山組在四頂山剖面實測厚度約102.57 m,以濱海相灰黃色厚層-薄層石英細砂巖夾薄層粉砂巖、泥巖為特征(喬秀夫等,2001b)。本次實測剖面位于壽縣八公山(圖 1),實測厚度66.36 m,相當于四頂山剖面第18層(喬秀夫等,2001b)。下伏地層為劉老碑組一套淺海相潮下低能環(huán)境的沉積,下部為薄層狀-中厚層狀泥灰?guī)r夾泥巖,上部逐漸過渡為含陸源碎屑的砂質(zhì)灰?guī)r夾灰質(zhì)細粉砂巖沉積。上覆地層為九里橋組紫灰色厚層狀泥質(zhì)灰?guī)r夾青灰色薄層狀灰?guī)r和薄層泥質(zhì)灰?guī)r,具水平層理和波狀斜層理。四十里長山組可分為 3段:下段為褐灰色中厚層-厚層狀含鐵質(zhì)鈣質(zhì)細粉砂巖,具波狀斜層理及交錯斜層理,厚度11.37 m,發(fā)育軟沉積變形構(gòu)造——滑塌-滑脫變形復(fù)合體(圖 2);中段分為兩層,下層為灰褐色厚層狀含鐵粗粉砂巖,發(fā)育交錯斜層理,厚度16.79 m,上層為褐灰色厚層狀鈣質(zhì)石英細砂巖,含少量海綠石顆粒成分,具波狀斜層理,厚度35.25 m;上段為青灰色中厚層含鐵白云石細粉砂巖,含海綠石顆粒及少量暗色礦物,塊狀構(gòu)造,厚度 2.95 m。本組下與劉老碑組為整合接觸,上與九里橋組亦為整合接觸。

圖1 軟沉積物變形構(gòu)造位置示意圖Fig.1 Location of the soft-sediment deformation structure

圖2 安徽壽縣新元古界四十里長山組地層柱狀圖Fig.2 S tratigraphic column of Neoproterozoic Sishilichangshan Formation in Shouxian County,Anhui Province

1 軟沉積物變形構(gòu)造主要特征

軟沉積物變形構(gòu)造主要發(fā)育于四十里長山組下段灰色中厚層-厚層狀含鐵鈣質(zhì)細粉砂巖層中,下伏地層為劉老碑組含陸源碎屑的砂質(zhì)灰?guī)r夾灰質(zhì)細粉砂巖沉積;其上為灰褐色厚層狀含鐵粗粉砂巖,屬淺海陸棚邊緣緩坡相沉積環(huán)境。軟沉積物變形構(gòu)造為一個滑塌-滑脫褶皺變形構(gòu)造復(fù)合體(圖 3),滑塌-滑脫變形構(gòu)造復(fù)合體之上,發(fā)育未變形層。從剖面上可以觀察到該變形構(gòu)造至少經(jīng)歷了3次變形過程,即滑塌變形,滑脫褶皺變形,震動液化變形等,現(xiàn)將其形態(tài)特征描述如下。

1.1 滑塌變形作用——滑塌角礫巖特征

在橫剖面觀察發(fā)現(xiàn),變形體最早為滑塌堆積形成的滑塌角礫巖狀集合體,而不像是流化構(gòu)造或滑混層構(gòu)造(張傳恒,2006)角礫呈大小混雜狀,礫屑從毫米級顆粒到二十幾厘米的礫石相互混雜,并經(jīng)過短期固結(jié)成巖,礫屑形狀有顆粒狀、短柱狀、長條狀,團塊狀、橢球狀等,多數(shù)為棱角狀,也有鈍角狀,無分選性(圖 3A-①);滑塌變形主要以破碎為主,碎裂巖塊中的微裂隙,礫屑間的微空隙等為細碎屑及泥狀物充填,并形成充填構(gòu)造。局部能見到受擠壓形成的滑塌扁豆體(圖 3A-④)及扁豆體上同生的包卷層理與小揉皺(楊仕維等,2008;趙衛(wèi)衛(wèi)等,2006;張繼慶等,1985)。由于受后期變形的嚴重干擾,已很難看清塌積巖所具有的沉積構(gòu)造序列。

1.2 滑脫變形作用——滑脫褶皺構(gòu)造體特征

本區(qū)滑脫褶皺變形構(gòu)造是在滑塌變形沉積后,又產(chǎn)生的再一次軟沉積物變形形成的,剖面上可看到由平臥的向斜、背斜褶曲組成,向斜寬緩舒展,呈弓形彎曲狀,背斜狹窄扭曲,呈“＞”字形,總體上似“∑”字形(圖 3、圖 4),局部可見有次級揉皺小褶曲;由于是軟沉積物變形,可看到十分清楚的軟沉積物變形特征,如部分長條狀礫石隨褶曲呈彎曲狀,甚至出現(xiàn)弧形、飄帶狀、放射狀等復(fù)雜形態(tài),顯然是沉積物在滑脫移動過程中,受褶皺彎曲變形力的擠壓引起同生變形所致。

滑脫褶皺變形構(gòu)造中間保留了滑脫褶皺變形過程中產(chǎn)生的多條滑脫層面或滑脫褶皺變形裂隙,有的隨褶皺變形構(gòu)造輾轉(zhuǎn)彎曲,并不切穿褶皺構(gòu)造,有的沿固定方向延神,特別是上平臥褶曲核部,至今仍保存了褶皺過程中的滑移脫頂構(gòu)造——滑脫帽(圖3A-②);滑脫褶皺層面和變形裂隙中充填有細屑物質(zhì)或泥質(zhì);仔細觀察可發(fā)現(xiàn),它們有的是軟沉積層滑脫褶皺變形后保留在變形體內(nèi)的原始層面,有的為滑脫面,能反映出滑脫褶皺變形的運動軌跡。

1.3 震動液化作用——液化泄水構(gòu)造特征

圖3 滑塌-滑脫軟沉積變形復(fù)合構(gòu)造素描示意圖(地質(zhì)錘把長30 cm)Fig.3 Schematic sketch of slump-slip soft-sediment deformation multilayer complex structure(the hammer handle is 30 cm long)

圖4 滑塌-滑脫軟沉積變形復(fù)合構(gòu)造實測剖面記錄Fig.4 Measured profile of slump-slip soft-sediment deformation multilayer complex structure

泄水構(gòu)造是軟沉積物震動液化后出現(xiàn)砂涌或噴水時形成的變形構(gòu)造,有泄水紋,噴水管等泄水痕跡存在,最典型的為碟狀泄水構(gòu)造(喬秀夫等,2009;張傳恒等,2007;武振杰等,2009;楊劍萍等,2008)。本區(qū)所見泄水構(gòu)造是典型的碟狀泄水構(gòu)造,所有泄水紋紋路清晰,似游絲曲折盤環(huán),構(gòu)成向上開放的碟形曲線,并伴有明顯的泄水孔構(gòu)造,是由于液化水流噴射時穿插原來的紋層,或因載荷下沉作用,使原來的紋層彎曲變形而成(喬秀夫等,2009)。碟形構(gòu)造的開口向上,反映水流噴射具有一定的方向性。液化泄水構(gòu)造的存在,說明軟沉積物變形復(fù)合構(gòu)造在滑塌-滑脫變形的同時,又產(chǎn)生過液化泄水過程(圖3A-③、圖4B)。

2 滑塌-滑脫變形復(fù)合構(gòu)造的地質(zhì)成因

從該變形體所具有的復(fù)雜變形特征看,它是經(jīng)過滑塌、滑脫、震動液化脫水等多種變形過程形成的軟沉積物變形復(fù)合構(gòu)造。

2.1 自身重量產(chǎn)生勢能——滑塌作用的原動力

由于本區(qū)在四十里長山組沉積期,正處于淺海陸棚邊緣斜坡地帶(喬秀夫等,2001b),因斜坡上方軟沉積物自身重量產(chǎn)生勢能,受到觸發(fā)動力作用后,最先產(chǎn)生了滑塌變形過程;在受到震動的瞬間,大量軟沉積物塌落形成了粗細混雜的滑塌粗碎屑堆積物?；逊e物的結(jié)構(gòu)特征顯示,礫屑大者20～30 cm,小者為 mm 級,均具有很好的棱角狀外形,亦無明顯的分選性(圖3A-)①;證明是瞬間塌落堆積形成的堆積物。塌落后堆積物的孔隙被具有黏著力的泥質(zhì)和碳酸鈣膠體膠結(jié)后,形成了弱固結(jié)的滑塌角礫巖礫屑層,局部受動力擠壓作用形成滑塌扁豆體(圖 3A-④)。

2.2 軟沉積物液化失水引起底辟作用——產(chǎn)生滑脫褶皺變形作用的主因

滑塌堆積物水下沉積后形成的滑塌角礫巖礫屑層,與其下伏地層存在因成份差異引起的突變層面或不連續(xù)面,在液化失水過程中容易產(chǎn)生底劈作用,在觸發(fā)動力作用下,順斜坡產(chǎn)生滑脫褶皺變形,是二次軟沉積物變形的重要原因。本區(qū)二次變形主要以滑脫褶皺變形為主,從剖面上可看出二次變形形成了復(fù)式褶皺體,褶曲軸近于平臥,其中兩個向斜褶曲較寬緩,褶曲兩翼完整,呈弓形彎曲,核部圓鈍,并排列組合呈“∑”字形,下方褶曲上翼完整,下翼因受拖拽影響,完整性稍差,但核部仍較清晰,兩向斜之間,為一平臥背斜,背斜呈狹窄的“﹥”型,因擠壓嚴重,背斜弧頂尖峭,核部稍顯雜亂,呈不對稱斜歪狀態(tài)(圖3、圖4)。

滑脫褶皺變形構(gòu)造中間保留的多條滑脫層面和滑脫褶皺變形裂隙,滑移脫頂構(gòu)造——滑脫帽(圖3A-②)等均證明本區(qū)在滑塌變形后,又發(fā)生了滑脫變形。保存的滑脫褶皺如此完整,結(jié)構(gòu)清晰,說明滑脫發(fā)生時,速度相對和緩,幅度不大,也與滑塌角礫巖礫屑被具有黏著力的泥質(zhì)和碳酸鈣膠體膠結(jié),穩(wěn)定性增強有關(guān)。

2.3 震動液化作用——造就了液化泄水構(gòu)造

由于顆粒支撐的粉細砂層充水后最容易液化失水,并產(chǎn)生高壓液態(tài)流,從而形成液化泄水構(gòu)造。本區(qū)滑塌-滑脫變形復(fù)合構(gòu)造經(jīng)過2次變形后,又經(jīng)受了第3次動力過程。第3次動力過程是經(jīng)滑塌-滑脫褶皺變形的軟沉積物,因裂隙、滑褶面及各種碎屑顆粒結(jié)構(gòu)的粒間孔隙再度充水充砂,當受到震動作用后,產(chǎn)生了原地液化-泄水等一系列地質(zhì)作用,形成液化泄水變形構(gòu)造;圖上部右側(cè)(圖 3A-③、圖 4B)。碟狀泄水構(gòu)造是變形體在震動液化作用下形成的第3次軟沉積變形構(gòu)造。

由此可以看出該變形構(gòu)造是經(jīng)過多次運動變形后形成的軟沉積物變形復(fù)合體。它可以證明本區(qū)的四十里長山組沉積早期曾發(fā)生過多次動力過程。

3 沉積變形構(gòu)造的驅(qū)動機制分析

軟沉積物變形構(gòu)造形成于水下環(huán)境,引起軟沉積物變形作用的驅(qū)動機制可以有 3種情況,一是重力滑坡作用,二是風暴潮汐作用,三是地震事件(杜遠生等,2000)。

根據(jù)本區(qū)軟沉積物變形復(fù)合構(gòu)造的特征,與重力滑坡作用、風暴潮汐作用引起的軟沉積物變形構(gòu)造都不完全相符。因為,雖然重力滑坡作用能產(chǎn)生滑塌變形構(gòu)造和滑脫變形構(gòu)造,但不具備產(chǎn)生震動液化作用的直接條件;而風暴潮汐作用雖然能產(chǎn)生濁流沉積礫屑層,但在深水條件下能否產(chǎn)生海底震動液化作用值得懷疑,因為在浪擊面以下,風暴潮汐作用所產(chǎn)生的同頻率震動波是無法傳送到海底軟沉積層的,而只有地震事件可以在淺海-深海的任何海洋環(huán)境中發(fā)生,其產(chǎn)生的地震波完全能成為軟沉積物變形構(gòu)造形成的驅(qū)動力。這也從滑塌-滑脫變形復(fù)合體本身的變形特征得到證明。

一塊標本之上保存了滑塌-滑脫-震動液化多種軟沉積物變形信息,顯示出三位一體的變形特征:即滑塌-滑脫和震動液化變形三位一體,這一特征說明軟沉積物的沉積過程中,不同階段經(jīng)受了不同的動力過程。初始階段軟沉積物堆積于斜坡,積累了足夠的勢能,僅需要很小的驅(qū)動力,便可產(chǎn)生足夠大的滑塌作用,形成滑塌變形體;而隨后的滑脫變形,則需要震動液化和脫水過程。有研究顯示,飽水砂層靠顆粒之間的摩擦力和弱固結(jié)作用維持穩(wěn)定,在地震波P波和S波的作用下,因重力重排促使孔隙水排出(袁靜等,2006),從而可導致因泄水變形引起的底劈作用和噴水作用,單靠自身重力和風暴潮汐作用的驅(qū)動力是難以完成這一重力重排作用過程的,而地震作用具有產(chǎn)生這一過程的足夠能量。

近年來對地震引起的同沉積變形構(gòu)造的研究顯示,在海洋環(huán)境中由古地震驅(qū)動力觸發(fā)形成的震積巖序列經(jīng)常被發(fā)現(xiàn)(喬秀夫等,1994,1996,1997,1999,2001a,2008;杜遠生,2000;梁定益等,2002;趙衛(wèi)衛(wèi)等,2006;段吉業(yè)等,2002)。喬秀夫等(2009)通過對軟沉積物的地震與古地震效應(yīng)的研究,為野外識別軟沉積物變形構(gòu)造提供了許多有用的技術(shù)方法。特別是對華北東部新元古界沉積地層震積巖的研究揭示,在遼寧的南關(guān)嶺組,安徽的賈園組,淮南的劉老碑組,四十里長山組,均發(fā)現(xiàn)含有多期、多幕次的震積巖存在,無疑也為本區(qū)發(fā)現(xiàn)的滑塌-滑脫軟沉積物變形復(fù)合構(gòu)造體的驅(qū)動力來源,提供了重要的理論依據(jù)(喬秀夫等,1994,1996,1997,1999,2001a,b,2008;李雙應(yīng)等,2003;彭陽等,2001;潘國強等,2000;賈志海等,2003;洪天求等,2004;李壯福等,2000)。另據(jù)孫林華、桂和榮等皖北新元古界賈園組混積巖物源和構(gòu)造背景的地球化學示蹤揭示,新元古界賈園組混積巖的碎屑成分可能主要來自于大陸島弧構(gòu)造背景有關(guān)的環(huán)境,但比較靠近活動大陸邊緣和被動大陸邊緣,推測大陸島弧的形成與Rodinia超大陸匯聚有關(guān)(孫林華等,2011;喬秀夫,1999),由于島弧的火山作用不僅為賈園組沉積提供了大量的物源,同時伴隨火山作用引起的地震作用,不可避免地為同期的大地構(gòu)造作用帶來了源源不斷的動力。四十里長山組位于賈園組(淮南為四頂山組)之下,與賈園組為連續(xù)沉積,屬于同一時期統(tǒng)一盆地的沉積;已有的研究成果也顯示,四十里長山組泥巖中發(fā)育大量代表地震災(zāi)變事件記錄的液化碳酸鹽巖巖脈(喬秀夫等,2001b)。完全有理由相信,造成本區(qū)軟沉積物變形構(gòu)造:滑塌-滑脫軟沉積變形復(fù)合體的驅(qū)動力是新元古代地震事件。

4 結(jié)論

以上軟沉積物變形構(gòu)造特征及成因分析顯示,本區(qū)新元古界四十里長山組軟沉積物變形期間,由于沉積環(huán)境處于深水緩坡環(huán)境,具有形成重力勢能的有利地形條件,古地震驅(qū)動力誘發(fā)軟沉積物滑塌-滑脫及液化泄水作用形成了該軟沉積物變形復(fù)合體。由于粉砂質(zhì)軟沉積層顆粒之間有碳酸鹽膠體粘結(jié)產(chǎn)生的黏滯力,形成弱固結(jié)狀態(tài),不僅維持了自身的穩(wěn)定性,而且仍保持一定的柔韌性,為軟沉積物變形構(gòu)造的形成和保存創(chuàng)造了條件。

一塊標本之上保存了如此豐富多彩的軟沉積物變形信息,不能不說大自然造化之神奇,但更重要的是讓我們看到,本區(qū)新元古界四十里長山組軟沉積物變形期間,誘導軟沉積變形的觸發(fā)動力是連續(xù)不間斷的災(zāi)變事件,具有同期多次活動的特點,這與地震事件層的變形特征及活動規(guī)律非常吻合。因此有理由認為新元古界四十里長山組沉積期,這里曾發(fā)生過波瀾壯闊的地質(zhì)事件——地震事件,在淺海陸棚緩坡環(huán)境條件下,由地震作用產(chǎn)生的驅(qū)動力,引起淺海陸棚緩坡環(huán)境的軟沉積物產(chǎn)生滑塌-滑脫及液化泄水變形作用,最終形成了滑塌-滑脫變形復(fù)合體。

致謝:對專家提出的修改意見,本文做了認真的修改補充。對專家的真誠指導表示深深的謝意！