邵珠福,鐘建華,李勇,倪良田,劉圣鑫,范莉紅,陳彬

1) 中國石油大學(華東)地球科學與技術(shù)學院,山東青島,266580； 2) 中國科學院廣州地球化學研究所,廣州,510640

內(nèi)容提要: 青島靈山島晚中生代發(fā)育一套重力流沉積,國內(nèi)學者對其成因機制存在爭議。筆者通過對造船廠、燈塔、千層崖、羊礁洞、老虎嘴、背來石等剖面的重點觀察發(fā)現(xiàn)：靈山島晚中生代地層出露以厚度不等的細粒砂泥巖與火山熔巖、火山碎屑巖為主,夾沉火山碎屑巖和侵入體,地層從老到新組合為一個水體變淺的水退序列。地層中發(fā)育不同類型、不同尺度、不同期次的軟沉積變形構(gòu)造,如軟沉積變形褶皺、布丁構(gòu)造、負載構(gòu)造和火焰構(gòu)造、軟雙重構(gòu)造等。靈山島晚中生代重力流沉積碎屑巖主要是塊體搬運沉積(砂質(zhì)滑塌和砂質(zhì)碎屑流)和濁流沉積,向上過渡為陸相三角洲前緣沉積,其成因機制是物源供應(yīng)充足的湖盆三角洲前緣在構(gòu)造坡度或沉積坡度控制下,受地震和火山活動影響發(fā)生的塊體搬運沉積和濁流沉積。初步研究認為沉積時的古斜坡方向為南東—北西方向。

沉積環(huán)境是沉積構(gòu)造和沉積物本質(zhì)屬性的綜合反映。1872～1876年英國皇家海軍組織的“挑戰(zhàn)者”艦艇遠航標志著現(xiàn)代深水勘探的誕生(Shanmugam,2006),此后70多年間,科學家們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)海洋陸架斜坡峽谷和深海中密度流沉積(Kuenen,1937;Bell,1942)、底流沉積(Wust,1936)、海嘯沉積(Bucher,1940;Bailey,1940)砂體,從而改變了以往認為的深海環(huán)境只能沉積泥巖的錯誤觀點。濁流的概念始于1938年(Johnson,1938),Kuenen(1950)將其解釋為遞變層理的成因并建立了其沉積范式基礎(chǔ),地質(zhì)學家們廣泛接受此觀點并在此后60年中通過鉆井、水下照片、水槽實驗和物理模擬等方法對濁流沉積動力學機制和沉積模式進行研究。Dott(1963)根據(jù)流變學特點將沉積物重力流劃分為彈性流、彈性—塑性流、塑性流和黏性流；Middleton 和Hampton(1973)依據(jù)碎屑支撐方式將沉積物重力流劃分為碎屑流、顆粒流、液化流和濁流；Lowe(1982)綜合流變學、流體類型和支撐機制特征將沉積物重力流分為顆粒流、液化流和濁流并強調(diào)顆粒大小及濃度在搬運機制中的作用；Mutti(1992)忽略了重力流演變過渡過程,認為粘滯碎屑流和濁流是形成重力流沉積物的兩種主要機制。就其沉積模式,經(jīng)典的鮑馬序列的提出奠定了濁流垂向沉積模式基礎(chǔ)(Bouma,1962),隨后不同學者分別建立了低密度和高密度濁流垂向沉積模式(Stow and Shanmugam,1980;Lowe,1982)。此階段海底扇相模式更是層出不窮(Normark,1970; Mutti and Lucchi,1972;Walker,1978;Underwood and Bachman,1982; Shanmugam and Moiola,1985; Reading and Richards,1994),把濁流研究推向高潮。然而隨著研究的深入,特別是大洋鉆探計劃實施以后,地質(zhì)學家們認識了濁流沉積的復雜性并對鮑馬序列和濁積扇模式產(chǎn)生懷疑(Shanmugam and Moiola,1985; Normark,1991;Walker,1992; Mutti,1992),印裔美籍學者Shanmugam(1996)對高密度濁流提出質(zhì)疑的基礎(chǔ)上提出塊體搬運沉積概念,他將水下砂質(zhì)塊體搬運過程劃分為滑動、滑塌和碎屑流3個過程(Shanmugam et al.,1994; Shanmugam and Moiola, 1995; Shanmugam ,1997),并強調(diào)砂質(zhì)碎屑流的復雜性。21世紀以來,塊體搬運和砂質(zhì)碎屑流的概念漸漸被地質(zhì)學家接受,同時對底流沉積開始重視(Shanmugam,2000,2002,2003,2006,2012)。

圖1 青島靈山島地理位置圖Fig. 1 The geographic location of Lingshan Island in Qingdao

青島靈山島晚中生代發(fā)育一套重力流沉積體,對其沉積環(huán)境,有學者認為是沖積扇(高興辰,1991),也有認為是深海遠源濁積巖沉積(呂洪波等, 2011, 2013, 董曉鵬等,2013)。 鐘建華 (2012)認為是一套陸內(nèi)三角洲前緣淺水沉積。水體深淺是個相對概念,事實上,對于陸相湖盆水深的研究還存在爭議,并且重力流的發(fā)育并不完全取決于水深。在重點觀察造船廠、燈塔、千層崖、羊礁洞、老虎嘴、背來石等剖面基礎(chǔ)上,筆者等詳細測量了燈塔剖面和羊礁洞剖面下部,并對其沉積特征和成因環(huán)境進行了初步分析,僅供大家參考。

1 地質(zhì)背景

靈山島位于山東省青島市膠南區(qū)境內(nèi),最大海拔高度為513.6 m,面積約7.66 km2(圖1)。島上出露地層整體分為兩部分(表1),下部主要為厚度不等的灰色細粒砂巖與灰黑色泥巖互層,多個層位中發(fā)育不同尺度、不同類型的軟沉積變形構(gòu)造；上部為火山巖與中薄層粗粒碎屑巖互層沉積,夾數(shù)套薄層巖漿巖侵入體,底部以灰黃色流紋質(zhì)凝灰熔巖與下部地層呈不整合接觸。關(guān)于靈山島出露地層沉積時代及靈山島所處的構(gòu)造位置還沒最終確定,呂洪波等(2011)認為其構(gòu)造位置屬于蘇魯造山帶,下部地層屬于下白堊統(tǒng)萊陽群法家瑩組,上部地層屬于下白堊統(tǒng)青山群八畝地組。

表1 青島靈山島出露地層巖性特征及剖面層序關(guān)系Table 1 The lithologic characteristics of outcropped strata and the profile sequence relations in Lingshan Island in Qingdao

2 靈山島晚中生代地層沉積特征

2.1 造船廠剖面

造船廠剖面位于城口子村南約300 m,如圖1中觀測點A,表1中地層3。巖性主要是厚度不等的黃褐色粉細砂巖和灰黑色泥巖互層,單層厚度2～120 cm,局部發(fā)育平行層理和不明顯的正粒序,地層產(chǎn)狀為135°∠26°。砂巖分選、磨圓較差,碎屑成分主要是石英、長石和巖屑,巖屑主要是碳酸鹽巖,填隙物以雜基為主,主要是泥質(zhì)和碳酸鹽巖。軟沉積變形褶皺是該剖面主要特征,如圖2a,剖面中可見變形層至少有3套,中間被穩(wěn)定砂泥層隔開,變形層頂?shù)捉缑媲逦?。下部軟沉積褶皺規(guī)模相對較小,主要是中—小型斜歪褶皺和變形層理,厚度3～60 cm；上部變形規(guī)模較大,以中—大型平臥褶皺為主,最大厚度可達3.5m,局部因剪切劇烈而錯斷形成孤立的魚嘴狀、“S”型、反“S”型和雜亂變狀變形構(gòu)造。軟沉積變形構(gòu)造近年來成為沉積學研究熱點(趙澄林和劉孟慧,1988; 宋天銳,1988;喬秀夫和高林志, 1999;杜遠生等,2007; 張傳恒等,2007;喬秀夫和李海兵,2008, 2009;喬秀夫和郭憲璞2011;杜遠生,2011;鐘建華和梁剛,2009)。軟變形褶皺是同生期或準同生期未固結(jié)或半固結(jié)的砂泥巖在外界觸發(fā)因素導致下沿水下斜坡剪切滑動形成的變形構(gòu)造(李勇等,2012),軟沉積變形構(gòu)造的發(fā)育與水深關(guān)系不大,可發(fā)育于海洋中,同樣也可以發(fā)育于湖相環(huán)境中。該剖面中與軟沉積變形褶皺伴生構(gòu)造除微型正斷層、溝模、底模、火焰構(gòu)造、拉伸線理外,其他3種伴生構(gòu)造值得重視。

(1)泥礫、砂巖條帶和漂浮顆粒。造船廠剖面地層中發(fā)育數(shù)量較多的泥礫、砂巖條帶和漂浮的顆粒,如圖3a、 3b,泥礫或泥屑碎片主要發(fā)育在中薄層塊狀中細砂巖中：①泥礫形狀多樣,呈線條形、彎曲條形、球形、橢球形和不規(guī)則撕裂狀；②砂巖中泥礫具有向上增加的逆粒序,薄層砂巖頂部板片狀泥屑比底部含量多；③砂巖中板片狀泥屑排列具有定向性,如圖3a,泥屑排列具有優(yōu)勢方向,傾向向右,但傾角較為平緩,也有些泥屑雜亂分布而無定向性。泥巖中砂巖條帶和團塊分布沒有規(guī)律,如圖3c、3d,砂巖團塊大小混雜, 反應(yīng)了滑塌過程中復雜的流體動力學特征和沉積過程。在砂巖中還發(fā)育礫級石英顆粒,磨圓較差,如圖3a,石英顆粒因風化差異而凸露出來。泥礫、砂礫和漂浮石英顆粒的存在說明該處沉積屬于塊體流沉積(Sand Mass Transport Deposit)中的砂質(zhì)碎屑流沉積(Sandy debris flow deposits)(Shanmugam and Moiola,1995;Shanmugam, 2003,2006)。呂洪波等(2011)將此處定為遠源濁積沉積。濁流屬于紊流,是相對低密度、低濃度沉積物靠湍流作為支撐方式、因重力分異沉積而成的一種粘滯流,其典型特征一是具有明顯的粒序?qū)永?二是濁積巖中砂巖比較純凈。碎屑流是介于濁流和顆粒流之間的過渡流體形態(tài),是高密度、高濃度沉積物在基質(zhì)強度、顆粒分散力與浮力綜合作用下產(chǎn)生的賓漢姆塑性流,屬層流范疇。碎屑流沉積物往往不純,含有泥礫或砂礫等,系砂、泥混合物在滑動、滑塌基礎(chǔ)上沿上凹底形整體滑動并因慣性降低沉積而成。造船廠剖面中薄層砂巖中粒序?qū)永戆l(fā)育不明顯,以塊狀細—粉砂巖為主,加之剖面中數(shù)套不同規(guī)模的軟沉積滑塌變形構(gòu)造,可得知該處沉積屬砂質(zhì)滑塌(Sandy-slump)—砂質(zhì)碎屑流(Sandy debris)沉積。

圖2 青島靈山島典型剖面特征: (a)造船廠剖面；(b)羊礁洞剖面；(c)燈塔剖面Fig. 2 The typical profile feature of Lingshan Island in Qingdao: (a) Zaochuanchang (Dockyard) profile; (b) Yangjiaodong (Yangjiao Cave) profile; (c) Dengta(Lighthouse) profile

圖 3 青島靈山島造船廠剖面巖性及典型沉積構(gòu)造特征Fig. 3 The lithology and typical sedimentary structure characteristics of the Zaochuanchang (Dockyard) profile in Lingshan Island, Qingdao (a) 砂巖中定向排列的片狀泥屑和凸出的石英顆粒,砂質(zhì)碎屑流；(b)砂巖中攪動強烈的撕裂狀泥屑,砂質(zhì)碎屑流； (c)灰黑色泥巖中黃褐色砂巖團塊,橢球狀,砂質(zhì)碎屑流；(d)灰黑色泥巖中黃褐色砂巖團塊,放射狀,砂質(zhì)碎屑流； (e)拉剪作用形成的同沉積布丁構(gòu)造,與軟沉積變形構(gòu)造伴生；(f)震裂縫與液化砂巖細脈 (a) schistose mud debris and bulgy quartz particles in directional alignment in sandstone, sandy debris flow; (b) rip-up mud debris formed by vigorous stir in sandstone, sandy debris flow; (c) yellowish-brown ellipsoidal aggregates of sandstone in grayish-black mudstone, sandy debris flow; (d) yellowish-brown radiaxial aggregates of sandstone in grayish-black mudstone, sandy debris flow; (e) syn-sedimentary pudding structure formed under tension and shear is associated with soft-sediment deformation structure; (f) seismic-related fractures and liquefied sandstone veinlet

(2)同沉積布丁構(gòu)造。布丁構(gòu)造又稱石香腸構(gòu)造,是能干層在平行層面的拉伸和垂直層面的擠壓作用下因張裂而錯斷形成“腸狀”構(gòu)造(徐云峰等,2003;呂洪波等,2006),如圖3e,造船廠剖面布丁構(gòu)造是在滑動滑塌背景下因剪切、拉張和擠壓作用形成,單個布丁呈不對稱菱形,長約4～6cm,有時因剪切拉張作用較強而呈孤立的眼球狀、漏斗狀等,與布丁構(gòu)造伴隨的張性斷層完全或未完全錯開,斷面充填泥巖。Smith(1975,1977)研究結(jié)果表明,牛頓流體中一般不出現(xiàn)布丁構(gòu)造,濁流屬于牛頓流體,因此布丁構(gòu)造的存在說明造船廠剖面不屬于濁流沉積,而是砂滑塌和砂質(zhì)碎屑流,二者均屬于塊體流范疇。

(3)震裂縫。震裂縫是指未固結(jié)或固結(jié)巖層受到強烈地震作用形成的破裂,造船廠剖面下部泥質(zhì)砂巖中震裂縫主要是張開縫,如圖3f,震裂縫有V形、Y和反Y形、U形等多種形態(tài),將砂巖分割成四邊形、五邊形等多種多邊形,形態(tài)均一或雜亂,小者一般2～4cm,大者4～8cm,震裂縫一般不穿層,被泥巖或砂巖充填。喬秀夫和李海兵(2009)認為超過7級以上的地震可以形成震裂縫。震裂縫和微型斷層相伴生,再結(jié)合該剖面中大型滑塌變形及其伴生構(gòu)造可以得知,地震是該套沉積變形形成的誘發(fā)因素之一。

圖4 青島靈山島燈塔剖面(a)和羊礁洞剖面(b)巖性柱狀圖Fig. 4 The lithological histogram of Lighthouse profile (a) and Yangjiao Cave profile (b) in Lingshan Island, Qingdao

2.2 燈塔剖面

燈塔剖面位于靈山島南辛莊村以南約300m處信號燈塔正下方(圖1中觀測點B),如圖2c和圖4a,該剖面巖性總體較細,以旋回狀細砂、粉砂和泥巖互層為主,在單個旋回底部可見中砂、粗砂甚至礫石,剖面頂部和底部層狀砂泥巖厚度較大,約30～70cm,中部巖層厚度較小,以厘米級紋層狀細粉砂巖為主,最薄紋層可達0.2cm,但分布穩(wěn)定。剖面中發(fā)育至少4套軟沉積變形褶皺,從巖性和變形構(gòu)造特征來看,頂部一套大型變形褶皺對應(yīng)于造船廠剖面變形構(gòu)造,局部發(fā)生錯斷(圖2c)；中間兩套軟沉積變形斜歪褶皺厚度30～60cm,對應(yīng)于圖4a中層號8,如圖5a,這兩套中薄層軟變形褶皺連續(xù)性較好,沒發(fā)生錯斷,處于韌性變形階段,且具有定向排列趨勢,褶皺軸面傾向南東方向,角度在40°～60°,變形層頂、底界面平整,為未固結(jié)層受到剪切力順坡滑移產(chǎn)生；下部一套軟變形斜歪褶皺發(fā)育在灰黑色泥質(zhì)粉砂巖中,褶皺層厚度60～70cm,性質(zhì)與中間兩套軟變形褶皺相似。中部中薄層砂巖中正粒序?qū)永戆l(fā)育,地層產(chǎn)狀65°∠38°,橫向展布穩(wěn)定,但也有反粒序?qū)永砗头础蛘哒淳C合粒序。和造船廠剖面類似,燈塔剖面中也見大量的泥屑、砂屑和孤立石英顆粒,如圖5b,塊狀砂巖中泥屑呈撕裂的板片狀定向排列,單層砂巖中底部泥屑較少,向上增多,體現(xiàn)反序特征。剖面中平行層理、水平層理、爬升層理、火焰構(gòu)造、砂球和砂枕構(gòu)造、底沖刷等構(gòu)造發(fā)育,(圖4a),軟雙重構(gòu)造、紋層控制的顆粒支撐砂級疊瓦構(gòu)造及碳化植物碎片也出現(xiàn)在剖面中,以下所述值得注意。

圖5 青島靈山島燈塔剖面巖性及典型沉積構(gòu)造特征Fig. 5 The lithology and typical sedimentary structure characteristics of the Dengta(Lighthouse) profile in Lingshan Island, Qingdao (a)軟沉積變形斜歪褶皺,軸面傾向向右；(b)砂巖中定向排列的泥屑,砂質(zhì)碎屑流；(c)軟雙重構(gòu)造,傾向向右； (d)紋層控制的砂級顆粒支撐的疊瓦構(gòu)造；(e)鏡下顆粒定向排列；(f)暗煤 (a) soft-sediment deformation structure inclined fold, with axial surface dipping towards the right; (b) mud debris in directional alignment, sandy debris flow; (c) soft duplex structure dipping towards the right; (d) lamina-dominated imbricate structure supported by sandy particles; (e) microscopic particles in directional alignment(f) durain

(1)軟雙重構(gòu)造。軟雙重構(gòu)造又指“S”形、“Z”型或反曲形變形構(gòu)造、滑疊構(gòu)造等,是由一系列S形、Z形或板片狀砂泥巖相互疊置所組成的軟沉積變形構(gòu)造。該構(gòu)造最初被認為是深海濁積巖的特征構(gòu)造,Moiola和Shanmugam(1984)等認為發(fā)育這種構(gòu)造的地層是水下復合扇體的一部分,近年來更多學者認為這種構(gòu)造是由重力滑塌層滑動牽引產(chǎn)生的剪切力作用形成(Shanmugam et al.,1988;Owen and Moretti,2011;Alsop and Marco,2011)。燈塔剖面軟雙重構(gòu)造等同于呂洪波等(2011)所描述的同沉積雙重構(gòu)造,但該剖面雙重構(gòu)造規(guī)模較小,如圖5c,軟雙重構(gòu)造夾于穩(wěn)定層狀分布的細砂巖之間,厚1～1.5cm,由一系列厚0.2～0.6cm的薄層細粒砂巖與泥巖相互疊置呈反“S”形,薄層未錯斷。該處軟雙重構(gòu)造是重力滑動影響下軟沉積物前移受阻變形形成。雙重構(gòu)造大小可反映重力滑動規(guī)模,其疊置關(guān)系可指示古斜坡方向,燈塔剖面軟雙重構(gòu)造傾向與泥屑排列方向和變形褶皺軸面傾向方向一致,同時也和造船廠剖面的泥屑傾向、溝模方向一致,均來自南東方向,這也揭示古斜坡為南東—北西方向。

(2)紋層控制的顆粒支撐砂級疊瓦構(gòu)造。紋層控制的顆粒支撐砂級疊瓦構(gòu)是指平行層理控制下的粒度0.01～2mm、砂級顆粒彼此相鄰疊置形成的定向排列構(gòu)造,如圖5d,單層厚度約2mm的紋層中粉細砂巖顆粒成定向排列,顯微鏡下也可以發(fā)現(xiàn)顆粒定向排列鏡下觀察照片(圖5e)。疊瓦構(gòu)造具有環(huán)境指示意義,燈塔剖面紋層控制的顆粒支撐的砂級疊瓦構(gòu)造平均傾角范圍39°～52°,略大于河流沉積疊瓦構(gòu)造平均傾角(約35°),具有牽引流的性質(zhì),并非典型濁流,疊瓦構(gòu)造主體傾向為南東方向,再次揭示沉積物運移方向自南東向北西。從疊瓦構(gòu)造和粒序?qū)永砑败洺练e變形構(gòu)造來看,燈塔剖面主要是砂質(zhì)碎屑流—濁流沉積。

(3)碳化植物碎片。燈塔剖面底部緊挨下部軟變形褶皺的下部地層中發(fā)現(xiàn)兩層厚約40～55cm的碳質(zhì)泥巖,如圖5f,對應(yīng)圖4a層號3,碳化植物碎屑或印痕富集、植物莖稈粗大,厚2～4cm,且變質(zhì)程度較高,呈鋼灰色。碳化植物碎屑自于三角洲平原泥炭沼澤環(huán)境,粗大的碳化植物保存相對完整說明其搬運距離較短,而碳化植物質(zhì)地純且高變質(zhì)可能受到巖漿熱液作用?？傊蓟参锼槠拇嬖谡f明該處沉積為近陸沉積,而非遠洋沉積。

圖6 青島靈山島千層崖剖面巖性及典型沉積構(gòu)造特征Fig. 6 The lithology and typical sedimentary structure characteristics of the Qianceng Cliff(Mille-feuille-liked Cliff) profile in Qingdao (a)下部濁流及上部砂質(zhì)碎屑流沉積,斜歪巖墻；(b)火焰構(gòu)造、鮑馬序列Ta—Tb； (c)撕裂泥屑；(d)重力流成因蜂窩狀煤屑 ; (a) the lower turbidity current and the upper sandy debris flow deposit, inclined dike; (b) flamy structure, Bouma Sequence Ta—Tb; (c) rip-up mud debris; (d) cellular coal dust caused by gravity flow

2.3 千層崖剖面

千層崖剖面位于老虎嘴景點下方,與燈塔剖面相距約100m(圖1中點C),剖面長度超過1000m,如圖6a,上部可與燈塔剖面相對應(yīng),下部為更老地層。該剖面主要是黃褐色中薄層粉細砂巖與灰黑色泥巖互層,總厚度近百米。巖層分布穩(wěn)定,橫向延伸較遠且不發(fā)生變化。剖面底部地層中發(fā)育火焰構(gòu)造、砂球—砂枕構(gòu)造、粒序?qū)永?、完整或不完整的鮑馬序列等(圖6b),從巖性和沉積構(gòu)造來看,該剖面上部與燈塔剖面相對應(yīng)層位為砂質(zhì)碎屑流沉積,而底部為濁流沉積。但底部地層中也同樣發(fā)現(xiàn)了變形泥屑(圖6c),說明重力流沉積中砂質(zhì)碎屑流和濁流之間存在相互轉(zhuǎn)化的過渡類型,但此過程復雜。下部泥巖中還發(fā)育順層展布的蜂窩狀的煤團塊(圖6d),系泥炭沼澤相含植物碎屑泥巖受重力驅(qū)動近距離搬運形成,為近陸湖相濁流。同時注意圖6a中高角度的巖墻,切穿整個剖面,說明當時火山活動比較劇烈,這有可能是靈山島重力流沉積及大規(guī)模軟沉積變形構(gòu)造發(fā)育的另一個重要促發(fā)因素。

2.4 羊礁洞剖面

羊礁洞剖面位于靈山島東南部,如圖1考察點D、圖2b,其巖性和沉積構(gòu)造特征總結(jié)在圖4b中,剖面主要巖性為粗粒砂巖與灰黑色泥巖互層,間夾火山碎屑巖、沉火山碎屑巖和碎屑流沉積,其上被大套火山碎屑巖和火山熔巖覆蓋,底部為大套灰黃色流紋質(zhì)凝灰熔巖(表1層號5)。和其他剖面相比,羊礁洞剖面特征明顯：首先是粒度相對變粗,中砂、粗砂甚至礫石出現(xiàn),但側(cè)向穩(wěn)定性差,很多水道砂體側(cè)向尖滅；其次是砂巖中發(fā)育小型或者中型槽狀交錯層理、板狀交錯層理；第三是剖面中出現(xiàn)多套粗粒沉火山碎屑巖與砂泥巖成韻律出現(xiàn),如圖7a,剖面下部還有兩套暗紅色巖漿侵入體,厚50～110cm(圖7b)；最后是剖面中還出現(xiàn)以火山碎屑為基質(zhì)、間夾砂泥巖的碎屑流沉積,如圖7c,表現(xiàn)為火山碎屑呈塊狀無規(guī)律混雜堆積,碎屑流中含有大量的粗大的植物莖稈和植物碎屑,且植物莖稈呈定向排列。綜合巖性組合和沉積構(gòu)造特點,該剖面主要沉積相類型為三角洲前緣水下分流河道、水下天然堤、決口扇沉積,沉積過程中伴隨著火山活動和塊體搬運沉積。證據(jù)如下：①不同規(guī)模板狀、槽狀交錯層理的出現(xiàn),如圖7d中等規(guī)模的板狀交錯層理,發(fā)育在厚度約50cm的中粗砂巖中,為水下分支河道牽引沉積形成；② 巖性組合特征。羊礁島剖面中薄層中粗砂巖和薄層泥巖互層,側(cè)向連續(xù)性一般,層內(nèi)發(fā)育很多小規(guī)模的分支河道沖刷—充填沉積,砂巖和泥巖呈連續(xù)過渡沉積,砂巖中還發(fā)育水平層理,波狀層理等,體現(xiàn)水下分支河道—水下天然堤—決口扇—河道間一個連續(xù)沉積過程；③大量的粗大植物莖稈和植物碎片,如圖7e,火山碎屑質(zhì)碎屑流沉積物中含有大量的淺變質(zhì)破碎的植物莖稈和碎片,細者1～2cm,粗者4～8cm,呈定向排列形態(tài),其展布方向與板狀交錯層理和槽模等指示方向相同。定向的植物碎片,說明其經(jīng)過一定距離的搬運,而從植物莖稈的大小判斷搬運距離并不遠,為三角洲平原泥炭—沼澤相沉積在地震、火山噴發(fā)等作用影響下,短距離搬運到三角洲前緣,隨搬運速度降低而逐漸沉積。同時該剖面下部砂巖中還發(fā)現(xiàn)了大量的生物潛穴和逃逸跡,如圖7f,與火山活動、地震作用、滑塌作用相對應(yīng),說明當時沉積環(huán)境的動蕩。

3 靈山島地層沉積成因機制及沉積模式

圖7 青島靈山島羊礁洞剖面巖性及典型沉積構(gòu)造特征Fig. 7 The lithology and typical sedimentary structure characteristics of Yangjiao Cave profile in Lingshan Island,Qingdao (a)羊礁洞剖面巖性組合特征,灰黑—灰黃色為砂泥巖沉積,灰白色為沉火山碎屑巖；(b)暗紅色巖漿侵入體；(c)火山碎屑質(zhì)碎屑流沉積,夾雜軟變形砂泥巖；(d)板狀交錯層理；(e)碎屑流形成的定向排列的植物碎屑；(f)生物潛穴,藍色箭頭指示漏斗狀自上而下潛穴,紅色箭頭指示自下而上的逃逸跡 (a) lithology of Yang Jiao Cave section is grayish black—grayish yellow sand shale and grayish white sed-pyroclastic rock; (b) Dark red magmatic intrusions; (c) pyroclastic debris flow deposit intercalated with soft-deformation sand shale; (d) tabular cross bedding; (e) plant remains in directional alignment caused by debris flow; (f) burrow. Blue arrow points towards funnel-shaped top-to-bottom burrow. Red arrow points towards bottom-to-top escape trace

圖8 深水重力流驅(qū)動滑坡過程(據(jù)Shanmugam,2013,略有修改)Fig. 8 The slide process driving by deep water gravity flow (modified according to Shanmugam, 2013)

圖9 青島靈山島晚中生代地層沉積模式圖Fig. 9 The stratum deposition mode graph of Lingshan Island in Late Mesozoic, Qingdao

Shanmugam(1996,2003,2012,2013)和Shanmugam等(1994)根據(jù)濃度、密度、支撐方式和流變學特征將砂質(zhì)重力流沉積物劃分為塊體搬運沉積和濁流沉積,這里的砂質(zhì)是指粒度大于0.06mm的砂級顆粒(Shanmugam,2013),如圖8,塊體搬運過程是沉積物失衡、分離以及沿著斜坡運移的整個過程,一般發(fā)生在水下,但同時也可以發(fā)生在水上,主要包括砂質(zhì)滑動、砂質(zhì)滑塌和砂質(zhì)碎屑流?；瑒邮侵讣羟辛Υ笥诩羟袕姸纫院蟪练e物作為一個整體沿滑動面移動而內(nèi)部不發(fā)生形變的運動過程,代表平移剪切移動,屬彈性流；滑塌是指內(nèi)部連貫的沉積物沿上凹滑動面運移,經(jīng)歷旋轉(zhuǎn)變形而造成內(nèi)部形變的運動過程,代表旋轉(zhuǎn)剪切運動,其最大的特點是變形褶皺等構(gòu)造發(fā)育,屬彈性—塑性流；碎屑流是高密度、高濃度沉積物在基質(zhì)強度、顆粒分散力與浮力綜合作用下產(chǎn)生的塑性沉積物流,內(nèi)部呈層流流動,沉積物整體呈塊狀“凍結(jié)”式流動。砂質(zhì)碎屑流的主要識別標志是：①大量漂浮泥礫或泥屑,且泥屑具有逆序性,即向上含量增多；②塊狀砂巖疊置,是主要的巖石類型；③砂巖中孤立的碎屑顆粒,且碎屑顆?？山蕉ㄏ蚧蛘邿o需排列；④逆粒序或正—逆粒序的組合；⑤泥巖中常含砂巖注入體；⑥突變、不規(guī)則的上接觸面(Shanmugam,2012)。濁流是靠湍流支撐的牛頓流體,沉積物靠懸浮沉降沉積,具有極強的不穩(wěn)定性,其鑒別標志主要是正粒序性(鮑馬序列),其次是突變或侵蝕底界面、粒度漸變的上接觸面等。 需要注意的是砂質(zhì)塊體搬運沉積和濁流沉積之間是漸變的,在砂質(zhì)滑塌和砂質(zhì)碎屑流間以及砂質(zhì)碎屑流和濁流之間都會存在過渡沉積,并且重力流塊體搬運過程中并非一定包括滑動、滑塌和砂質(zhì)碎屑流3個過程,跟地理位置、外界條件等因素有關(guān)。而產(chǎn)生重力流沉積過程的誘發(fā)因素是多樣的,如水平面的變化、地震作用、鹽水運動、冰川卸載、河口前端坡度過陡、三角洲前緣高沉積物供應(yīng)、海嘯、風暴、生物擾動和氣體產(chǎn)生等作用均可導致重力流(Shanmugam,2006)。

由剖面詳細觀察可知,靈山島晚中生代地層由老到新剖面順序為千層崖—燈塔—造船廠—羊礁洞,由巖性和沉積構(gòu)造特征可知,從千層崖底部的濁流沉積到羊礁洞上部的三角洲前緣沉積,整個沉積過程為一個水深逐漸變淺的湖相進積序列。同時剖面中不同層位發(fā)育了多尺度、不同類型的軟沉積變形構(gòu)造,再結(jié)合地震活動和火山活動特征可知,靈山島晚中生代沉積以三角洲前緣—斜坡帶和深湖區(qū)重力流為主的沉積巖,并伴隨火山巖和侵入巖。綜合各種沉積和構(gòu)造特征可知,靈山島重力流沉積過程主要包括砂質(zhì)滑塌、砂質(zhì)碎屑流和濁流,如圖9。其成因機制是物源供應(yīng)充足的湖盆三角洲前緣在構(gòu)造坡度或沉積坡度控制下,受地震和火山活動影響發(fā)生的塊體搬運沉積和濁流沉積。

4 結(jié)論

(1)青島靈山島晚中生代地層出露地層下部以細粒砂泥巖為主,單層厚度不等,上部以火山熔巖、粗粒碎屑巖和火山碎屑巖為主,間夾巖漿侵入體和沉火山碎屑巖,碎屑巖從老到新為一向上水體變淺的水退序列。

(2)靈山島晚中生代碎屑巖地層中發(fā)育了不同類型、不同尺度、不同期次的軟沉積變形構(gòu)造,如軟沉積變形褶皺、布丁構(gòu)造、負載構(gòu)造和火焰構(gòu)造、軟雙重構(gòu)造等,垂向上軟變形褶皺至少發(fā)育6套,最大厚度可達3m,最小厚度約10cm,而軟雙重構(gòu)造最小厚度1cm,揭示其復雜的沉積背景和動力學條件。

(3)靈山島晚中生代碎屑巖沉積以重力流沉積為主,主要是砂質(zhì)塊體搬運沉積中砂質(zhì)滑動和砂質(zhì)碎屑流沉積,其次為濁流沉積,上部以陸相三角洲前緣沉積為主。其成因機制是物源供應(yīng)充足的湖盆三角洲前緣在構(gòu)造坡度或沉積坡度控制下,受地震和火山活動影響發(fā)生的塊體搬運沉積和濁流沉積。并通過初步研究認為沉積時古斜坡方向為南東—北西方向。

致謝:感謝國家自然科學基金和科技部對本項目的資助。

注 釋 / Notes

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