王安東, 周瑤琪, 張振凱, 于姍姍, 王子陽(yáng)

中國(guó)石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 山東青島 266580

山東靈山島萊陽(yáng)群水下非構(gòu)造裂縫特征及意義

王安東, 周瑤琪*, 張振凱, 于姍姍, 王子陽(yáng)

中國(guó)石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 山東青島 266580

收縮裂縫在前寒武紀(jì)到顯生宙各個(gè)地質(zhì)時(shí)代都有發(fā)現(xiàn), 其成因一直存在爭(zhēng)議。作者在靈山島萊陽(yáng)群泥巖和砂巖中都發(fā)現(xiàn)了大量的非構(gòu)造裂縫, 除了收縮裂縫外還有應(yīng)力脆性裂縫和混合裂縫。這些裂縫通常在單層內(nèi)發(fā)育, 極少量延伸到鄰層, 具有多形態(tài)、多尺度、多充填方式、多期次和多級(jí)別的特征, 與干燥泥裂和后期構(gòu)造裂縫區(qū)別明顯, 結(jié)合地層中無(wú)暴露標(biāo)志, 認(rèn)為是在水下環(huán)境形成。總結(jié)水下裂縫的關(guān)鍵特征并對(duì)比Pratt提出的地震收縮裂縫特征, 推測(cè)靈山島裂縫亦是地震觸發(fā)而形成。靈山島已經(jīng)識(shí)別出了大量地震成因的軟沉積變形構(gòu)造, 證明當(dāng)時(shí)本區(qū)域地震活動(dòng)頻繁, 具有裂縫地震成因的要素。前人總結(jié)收縮裂縫特點(diǎn)發(fā)現(xiàn)裂陷盆地明顯多于被動(dòng)大陸邊緣擠壓盆地, 作者認(rèn)為收縮裂縫在裂陷盆地拉張環(huán)境下容易形成和保存。靈山島裂縫解釋為水下環(huán)境地震成因具有更多的地質(zhì)意義: 可以解決沉積時(shí)水體深度問(wèn)題; 記錄了古地震能量與頻次, 有效反映古地震的節(jié)律; 是靈山島萊陽(yáng)群屬于裂陷盆地沉積的有利證據(jù)。

靈山島; 萊陽(yáng)群; 收縮裂縫; 地震; 液化

收縮裂縫是一種非常常見(jiàn)的沉積構(gòu)造現(xiàn)象, 各個(gè)地質(zhì)時(shí)代都有分布。自從 Kindle(1917)開(kāi)始研究影響泥巖收縮裂縫發(fā)育幾種因素以來(lái), 已有近百年研究史。關(guān)于收縮裂縫成因一直富有爭(zhēng)議: ①與泥裂及其相似的多邊形裂縫一直被嚴(yán)格定義為暴露干燥成因(Kidder, 1990; Astin et al., 1991); ②水下收縮裂縫則常認(rèn)為是鹽度變化引起的(Jüngst, 1934;Burst, 1965; Plummer et al., 1981); ③Plummer等(1981)和 Kidder(1990)提出快速堆積的飽含水沉積物快速脫水也可以形成水下收縮裂縫; ④Pratt(1998)提出水下裂縫的地震成因假說(shuō), 認(rèn)為裂縫能夠同時(shí)反映沉積物的巖土特性和盆地的構(gòu)造體制, 并認(rèn)為可以將其歸為“震積巖”(Seilacher,1984)。

作者不但在靈山島萊陽(yáng)群大量泥巖中觀察到收縮裂縫, 在砂巖中也有發(fā)現(xiàn), 并且觀察到裂縫類(lèi)型除了收縮裂縫外, 還有應(yīng)力脆性裂縫和混合裂縫。裂縫形態(tài)多樣, 有圓網(wǎng)形、多邊形、線形、透鏡形及立體雞籠形。如果將靈山島的裂縫視為干裂縫, 那么靈山島地層沉積時(shí)水體很淺, 反復(fù)暴露而成。但是靈山島泥巖為黑色灰黑色, 砂巖細(xì)粒、含有槽模、正粒序特點(diǎn), 證明當(dāng)時(shí)水體應(yīng)該為較深的濁流沉積環(huán)境, 所以認(rèn)為不可能為干裂, 而是水下成因。作者通過(guò)將靈山島裂縫特征與 Pratt(1998)提出的地震成因裂縫對(duì)比, 結(jié)合靈山島地層中含有豐富的地震觸發(fā)形成的軟沉積物變形構(gòu)造(呂洪波,2011; 王安東, 2013a, b), 推測(cè)靈山島萊陽(yáng)群地層中的非構(gòu)造裂縫是水下準(zhǔn)成巖階段古地震成因。

靈山島地理位置處于山東省膠南市黃海海域,距陸地約 10 km, 總面積 7.66 km2, 海拔 513.6 m,是我國(guó)北方第一高島(圖1)。靈山島的構(gòu)造位置在揚(yáng)子板塊和華北板塊碰撞帶附近, 多條區(qū)域主斷層近似北東向平行分布。地層時(shí)代(120 Ma)為早白堊世萊陽(yáng)群, 此時(shí)靈山島區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)非常強(qiáng)烈, 地震活動(dòng)和火山活動(dòng)頻繁(張建新等, 1997; 李曙光等,2001; 周建波等, 2003; 張?jiān)罉虻? 2008)。呂洪波等(2011)首次報(bào)道了重要的靈山島船廠剖面巨型滑塌構(gòu)造, 并認(rèn)為此套滑塌層是一次地震觸發(fā)形成的,此后王安東等(2013)在靈山島數(shù)十層巖層中識(shí)別出了多類(lèi)型地震觸發(fā)形成的軟沉積物變形構(gòu)造, 提出當(dāng)時(shí)古地震活動(dòng)頻繁。五蓮—煙臺(tái)斷裂帶另一側(cè),相鄰的膠萊盆地同時(shí)期萊陽(yáng)群也發(fā)育典型的震積巖(殷秀蘭等, 2005; 周勇等, 2011)。

靈山島地層分為四部分: 由下往上依次是深水濁積巖、白色流紋質(zhì)熔巖、淺水三角洲碎屑巖、安山質(zhì)火山碎屑巖。水下非構(gòu)造裂縫僅僅在濁積巖中發(fā)現(xiàn)。濁積巖地層主要有黑色炭質(zhì)泥頁(yè)巖和灰綠色細(xì)粒砂巖互層構(gòu)成, 無(wú)大型沖刷面, 砂巖底部發(fā)育槽模、溝模、重荷模構(gòu)造。泥頁(yè)巖中含有大量植物碎屑、碳質(zhì)條帶等陸相指示物。目前靈山島沉積環(huán)境存在爭(zhēng)議, 呂洪波等(2011, 2013)認(rèn)為當(dāng)時(shí)揚(yáng)子/華北兩大板塊之間未完全拼合, 之間存在條帶狀殘余洋盆, 鐘建華(2012)則認(rèn)為靈山島沉積巖屬于板塊內(nèi)部陸相三角洲前緣沉積。

1 裂縫形態(tài)分類(lèi)描述

1.1 脫水收縮裂縫

靈 山 島 船 廠 剖 面 (35°45′49.14″N,120°09′24.48″E) 與 千 層 崖 剖 面 (35°44′36.78″N,120°09′36.42″E)的大量巖層(泥巖占 90%, 砂巖占10%)中發(fā)現(xiàn)水下收縮裂縫(圖2a)。

層面上, 收縮裂縫以圓網(wǎng)形、次圓網(wǎng)形、多邊形為主。船廠剖面泥巖層非常薄(0.1～10 cm), 形成的收縮裂縫規(guī)模也相對(duì)較小, 延伸距離 1～10 cm,集中范圍 1～3 cm; 千層崖剖面泥巖層厚度大(20～50 cm), 形成的收縮裂縫規(guī)模較大, 延伸距離集中范圍3～5 cm。同一層上收縮裂縫局部隨機(jī)分布, 可分為裂縫發(fā)育區(qū), 裂縫不發(fā)育區(qū)和裂縫生長(zhǎng)過(guò)渡區(qū),裂縫發(fā)育區(qū)的密集分布, 大小在同一層中非常均勻,過(guò)渡區(qū)裂縫呈分叉狀, 未閉合(圖 2a)。收縮裂縫可以分為多個(gè)級(jí)別, 一級(jí)裂縫形成后, 內(nèi)部會(huì)在后期繼續(xù)形成次級(jí)裂縫(圖2b)。由N層薄紋層泥巖互層組成的厚巖層, 每層厚度小于 0.5 cm, 每層均有收縮裂縫但大小有差別。圓網(wǎng)形收縮裂縫是在圓形收縮應(yīng)力下形成, 薄層泥巖間層面或者順層裂縫不但有助于泥巖脫水, 還可以有效減小圓形收縮時(shí)的阻力, 形成非常小型的圓網(wǎng)狀裂縫。千層崖剖面含有收縮裂縫的泥巖層中粉砂質(zhì)含量較高, 內(nèi)部常常散布著砂球狀的球-枕構(gòu)造(圖2c)。表明這些粉砂質(zhì)泥巖層當(dāng)時(shí)發(fā)生了液化現(xiàn)象, 液化作用是古地震發(fā)生的有力證據(jù), 并且可以加速排水, 形成收縮裂縫。

側(cè)向上, 薄層泥巖的收縮裂縫會(huì)貫穿層位, 但不延伸到鄰層, 裂縫兩側(cè)平直呈高角度排列。而單層厚度大的泥巖則由有多層矩形、不規(guī)則對(duì)變形及透鏡形裂縫疊置組成(圖 2d)。裂縫多數(shù)被充填, 充填物性質(zhì)也影響到風(fēng)化后的形態(tài), 充填鈣質(zhì)膠結(jié)物的裂縫, 抗風(fēng)化, 導(dǎo)致裂縫呈桔梗狀凸起。

這些特征與泥巖干裂區(qū)別較大。層面泥裂交界處多呈尖棱狀, 不圓滑, 側(cè)向?yàn)閂、U形(周瑤琪等,2006; 成瑋等, 2011; 王安東等, 2012), 裂縫的面積一般較大。文獻(xiàn)中未見(jiàn)到像靈山島面積這么小的收縮裂縫。

1.2 脆性裂縫

圖1 靈山島區(qū)域概況及靈山島地質(zhì)簡(jiǎn)圖(靈山島地質(zhì)圖部分?jǐn)?shù)據(jù)據(jù)欒光忠, 2010)Fig. 1 Regional overview of Lingshan Island and geological sketch map of Lingshan Island(part of the data, after LUAN, 2010)

地震的剪切力或拉張力形成脆性裂縫, 中間填充圍巖, 靈山島觀察到的脆性裂縫在砂巖層中居多,泥巖層中也有, 但相對(duì)較少。

層面上, 砂巖中震裂縫延伸距離長(zhǎng), 直線型占80%, 折線或曲線占 20%, 泥巖中延伸距離短, 折線與曲線形比例顯著增大。最終都會(huì)在層中自然尖滅、終止于相交裂縫或者分叉轉(zhuǎn)變?yōu)槭湛s裂縫。一般可分為兩個(gè)到三個(gè)級(jí)別(圖 3a)。層面剪切力形成的脆性裂縫有一定規(guī)律可循, 由多組相互平行的裂縫組成, 不同組系呈 X相交, 形成一系列菱形、方格棋盤(pán)形、窗欞形裂縫, 也存在單獨(dú)出現(xiàn)的孤立線性裂縫, 這些特征與構(gòu)造裂縫具有相似性。利用不同期次裂縫相互切割關(guān)系看出應(yīng)有多期次裂縫發(fā)育。

側(cè)向上, 薄巖層中的脆性裂縫呈高角度貫穿整個(gè)巖層, 裂縫兩側(cè)平直, 內(nèi)部充填圍巖泥質(zhì)。厚巖層則會(huì)呈現(xiàn)多層裂縫疊置。脆性裂縫多限于單個(gè)地層, 僅有少部分會(huì)延伸至鄰層, 相鄰地層都含有脆性裂縫時(shí), 不同層位的震裂縫相互錯(cuò)開(kāi), 不連通(圖3b)。這些特征與構(gòu)造裂縫不同, 因此脆性裂縫可以比較容易與構(gòu)造裂縫區(qū)別開(kāi)。圖3b為圖3a脆性裂縫側(cè)面, 圖中側(cè)面可見(jiàn)①②③三層薄砂巖, 厚度均小于3 cm, 砂層中間夾有薄層泥巖, 每層砂巖都含有脆性裂縫, 相鄰層內(nèi)部的裂縫被層間泥巖隔斷。裂縫大多呈近直立的高角度分布, 內(nèi)部充填圍巖泥質(zhì)。圖3c所示拉張力形成的V字形地裂縫, 內(nèi)部充填上覆粗砂巖。圖3d千層崖剖面中下部泥巖脆性裂縫, 側(cè)向上裂縫呈不規(guī)則多邊形, 交匯處尖棱狀,中間充填亮晶方解石脈, 這種情況的應(yīng)力形成的脆性裂縫屬于后期脈, 不是同生期或準(zhǔn)同生期形成。

圖2 脫水收縮裂縫Fig. 2 Syneresis cracks

圖3 應(yīng)力脆性裂縫(a, b, c為船廠剖面脆性裂縫, a和b為同一個(gè)剖面的頂面和側(cè)面)Fig. 3 Brittle stress cracks (a, b, c signify brittle cracks of Chuanchang section; a is the top surface while b is the side surface of the same section)

1.3 混合成因裂縫

前面描述了收縮裂縫和脆性裂縫, 他們是在互層的巖層中依次重復(fù)出現(xiàn), 因此兩者在同一階段形成, 在相當(dāng)多的地層中觀察到兩種裂縫同時(shí)發(fā)育。泥巖中的脆性裂縫和線形收縮裂縫極難區(qū)分, 或許線形裂縫兼有脆性和收縮兩種作用。當(dāng)泥巖層很薄時(shí), 線性裂縫具有平行或重疊下伏巖層的同沉積斷層或者脆性裂縫的趨勢(shì), 可能受到他們的影響, 呈線形收縮開(kāi)裂, 甚至是他們的向上延伸, 線形裂縫延伸可達(dá)50 cm。圖4a薄層泥巖中的線形裂縫明顯受到下伏砂巖同沉積斷層的影響, 是因?yàn)檠刂路鼣鄬痈菀酌撍湛s還是后者向上延伸還需繼續(xù)研究。線性裂縫兩側(cè)呈梳子齒形均勻地分布著裂縫分叉, 這些分叉靠近脆性裂縫一側(cè)寬, 延伸頂點(diǎn)變窄,層面上具有V字形收縮開(kāi)裂特征(圖4a, b)。線形裂縫在泥巖中開(kāi)叉延伸生長(zhǎng), 相互連接閉合形成網(wǎng)狀收縮裂縫, 連接到圓網(wǎng)狀收縮裂縫, 形成裂縫密集區(qū)。砂巖中脆性裂縫兩側(cè)有時(shí)也有v字形收縮裂縫分叉, 但是延伸不遠(yuǎn), 不容易形成網(wǎng)狀收縮裂縫(圖4b)。厚層泥巖可能受泥巖塑性或觸變性影響, 發(fā)育與下伏砂巖同沉積斷層關(guān)系不大的線形裂縫。

圖4 混合成因裂縫Fig. 4 Cracks of mixed origin

在同一期形成的混合成因裂縫中, 脆性或者收縮形成的線形裂縫起到控制作用, 線性裂縫開(kāi)叉發(fā)展成網(wǎng)狀收縮裂縫或促進(jìn)泥巖脫水形成網(wǎng)狀收縮裂縫。

2 裂縫形成機(jī)制

這幾種水下非構(gòu)造裂縫中, 收縮裂縫是最重要的, 成因也是最具爭(zhēng)議的。水下收縮裂縫實(shí)質(zhì)上是層內(nèi)快速瞬時(shí)脫水收縮的結(jié)果, 脫水速率加大使地層體積的減小明顯大于自然壓實(shí)作用使地層減小部分。巖層在沉積成巖過(guò)程中脫水速率與壓實(shí)作用是一個(gè)平衡狀態(tài), 假如有干旱、鹽堿度變化、巖漿烘烤、地震等外因打破這種平衡, 造成加速脫水, 就會(huì)形成脫水收縮裂縫。

2.1 靈山島收縮裂縫關(guān)鍵特征

(1)在地層組分均勻情況下, 材質(zhì)無(wú)差別, 自然壓實(shí)脫水形成的收縮裂縫也應(yīng)該分布均勻。靈山島收縮裂縫在同一層位大面積廣泛分布, 而局部又可分為裂縫密集發(fā)育區(qū)、不發(fā)育區(qū)和過(guò)渡區(qū)。表明裂縫不受地層性質(zhì)決定, 而是有外力影響。

(2)不同層位裂縫發(fā)育差別大, 常見(jiàn)連續(xù)多層發(fā)育(船廠連續(xù)約 20層, 向下為海平面無(wú)法觀測(cè)), 和連續(xù)多層不發(fā)育。緊鄰火山流紋質(zhì)熔巖下部的泥巖不一定含有收縮裂縫, 而遠(yuǎn)離熔巖層位會(huì)含有收縮裂縫, 因此收縮裂縫與熔巖烘烤無(wú)關(guān)。

(3)濁積巖地層總體體巖性無(wú)大的變化, 也沒(méi)有證據(jù)表明沉積環(huán)境發(fā)生大的變化, 所以收縮裂縫與鹽度變化無(wú)關(guān)。

(4)含裂縫泥巖與細(xì)砂、粉砂巖互層, 裂縫發(fā)育層段泥巖砂巖厚度比大于 1, 層界面未見(jiàn)大沖刷面,表明為相對(duì)低能沉積環(huán)境, 推測(cè)不受快速堆積和大型波浪影響。

(5)整個(gè)濁積巖地層泥巖中含有豐富植物碎屑,但動(dòng)物化石、遺跡罕見(jiàn), 排除生物影響。

(6)收縮裂縫與脆性裂縫共生, 脆性裂縫兩側(cè)常形成收縮裂縫的分叉, 脆性裂縫有助于巖層脫水。

(7)收縮裂縫充填物為圍巖、方解石或無(wú)充填物,填充物除了來(lái)自上方圍巖, 還有下方或者巖層自身內(nèi)部, 與干裂區(qū)別明顯。

(8)裂縫層面保存非常好, 不像是剛剛沉積、在緊鄰水面時(shí)形成, 而應(yīng)該是經(jīng)過(guò)淺埋, 準(zhǔn)成巖階段形成。

(9)數(shù)層薄紋層組成的泥巖組, 單層內(nèi)裂縫形狀、大小、填充物基本連續(xù)一致, 各層之間差別大,這表明變形應(yīng)力并不是一成不變的(表明變形應(yīng)力本質(zhì)上是存在變化的), 但是施加應(yīng)力的時(shí)候, 在很大區(qū)域內(nèi), 是均勻施加的。

(10)脫水收縮裂縫主要在泥巖層, 砂巖孔隙度大, 脫水速度快, 不易形成收縮裂縫, 而在靈山島砂巖層也發(fā)現(xiàn)了收縮裂縫, 所以當(dāng)時(shí)具有很強(qiáng)的觸發(fā)機(jī)制, 嚴(yán)重破壞了平衡。

(11)含有收縮裂縫的泥巖層中含有大量的砂質(zhì)球-枕構(gòu)造, 表明強(qiáng)地震引起砂質(zhì)泥巖液化, 形成球-枕構(gòu)造, 液化作用促使巖層排水, 有利于形成收縮裂縫。

(12)Burst(1965)進(jìn)行了水下收縮裂縫實(shí)驗(yàn), 只有含蒙脫石時(shí)才獲得了成功, 認(rèn)為膨脹土的含量影響收縮裂縫發(fā)育。靈山島粘土X衍射實(shí)驗(yàn)為高嶺石6%、綠泥石22%、伊利石53%, 伊蒙混層19%, 膨脹性粘土含量很低, 并不利于水下收縮裂縫的自然形成。

2.2 地震觸發(fā)形成裂縫模式

Winston(1986)曾經(jīng)認(rèn)為Belt盆地中元古代地層中無(wú)處不在的多邊形裂縫是干燥成因, 推測(cè)泥巖、粉砂巖和細(xì)砂巖組成的上千米厚地層沉積環(huán)境為淺的周期性暴露的干鹽湖。Pratt(1998)研究蒙 Belt盆地、加拿大亞伯達(dá)和英屬哥倫比亞的裂縫時(shí), 認(rèn)為地層缺乏暴露標(biāo)志, 脫水收縮裂縫應(yīng)是廣泛分布在水下沉積環(huán)境, 從而提出了地震成因假說(shuō)。Pratt認(rèn)為只有地震有可能將巨大能量通過(guò)振動(dòng)和各項(xiàng)擠壓、伸展、剪切應(yīng)力的作用形式動(dòng)態(tài)的輸入。作者總結(jié)了靈山島裂縫關(guān)鍵特征, 排除了其他成因, 提出靈山島裂縫同樣為地震觸發(fā)形成的水下裂縫。

地震震動(dòng)產(chǎn)生的能量可以為靈山島各種裂縫形成機(jī)制提供合理解釋。裂縫形成期是沉積物淺埋到成巖之前這段時(shí)間, 受控于同沉積地震作用。同沉積地震波包括P波S波和表面波, S波與表面波相交混合后變得雜亂無(wú)序, 因此地震能夠提供瞬時(shí)能量和多方位應(yīng)力。巖層固結(jié)相對(duì)較好時(shí), 地震不能使其液化或者流化, 這是就在多方位應(yīng)力作用下發(fā)生機(jī)械性的震碎、撕裂, 形成線形脆性裂縫。同一方位應(yīng)力作用下形成一組平行裂縫, 而應(yīng)力具有多方位特性, 形成多組平行裂縫。

脫水收縮裂縫本質(zhì)是瞬時(shí)脫水引起的巖層體積縮小大于自然壓實(shí)作用的體積縮小, 所以, 脫水速率快的區(qū)域體積減小就大, 收縮應(yīng)力集中, 容易形成裂縫。比如暴露干裂的表層脫水速率大形成V字形裂縫。

圖5a為地層未受地震影響的原始狀態(tài), 泥巖厚度小于砂巖。地震發(fā)生時(shí)產(chǎn)生了擠壓剪切力, 如圖5b。在剪切力作用下, 固結(jié)較好的砂巖發(fā)生脆性斷裂, 形成幾組脆性裂縫。而泥巖具有塑性, 不容易形成脆性裂縫。但并不是說(shuō)泥巖就沒(méi)有脆性裂縫,而是相對(duì)砂巖較少。泥巖線形裂縫是后期脫水形成還是砂巖脆性裂縫上延的區(qū)分有時(shí)較為困難。

裂縫形成過(guò)程中受多種因素影響, 比如鄰層的斷層、內(nèi)部的雜質(zhì)、單層的厚度、脫水速率等。泥巖的下伏砂巖中如果發(fā)育脆性裂縫或者同生微斷層,有助于泥巖快速脫水, 此時(shí)線形張應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于圓形收縮力, 形成線形收縮裂縫。并且脫水過(guò)程中,泥巖充填脆性裂縫(圖5c)。Wilde(1990)認(rèn)為線性裂縫是與下伏斷層平行的張裂縫。

線形收縮裂縫形成后成為泥巖的快速脫水通道, 沿線形裂縫兩側(cè)形成收縮裂縫分叉, 分叉角度近似直角。無(wú)其他因素影響情況下, 泥巖脫水收縮時(shí), 產(chǎn)生的應(yīng)力是以某點(diǎn)為中心向里的收縮圓(圖5d)。三個(gè)收縮圓的中心呈三角形在材料中排列是最穩(wěn)定的方式, 相互之間形成的張應(yīng)力導(dǎo)致裂縫夾角為120°, 所以靈山島看到收縮裂縫大多是圓網(wǎng)形和6邊形為主的多邊形。

靈山島的泥巖內(nèi)部含有細(xì)粒砂巖等雜質(zhì)。而這些雜質(zhì)增強(qiáng)了地層的非均一性, 降低了泥巖在其周?chē)木植靠估瓘埿? 泥巖脫水產(chǎn)生收縮裂縫往往首先圍繞這些雜質(zhì)開(kāi)裂。成瑋等(2011)研究黃河口泥巖裂縫時(shí)發(fā)現(xiàn)裂縫形態(tài)受砂質(zhì)含量控制, 砂質(zhì)含量越高, 裂縫分叉和鋸齒狀越顯著。

靈山島的收縮裂縫是水下沉積環(huán)境甚至是淺埋藏階段形成的, 薄泥巖層上下表面脫水速率影響不大, 裂縫側(cè)面兩側(cè)平直, 與干裂V字形區(qū)別明顯。多個(gè)薄泥巖互層時(shí), 層面本身就是層間裂縫, 這種裂縫減小了層面間收縮時(shí)的摩擦力, 使得不同單層獨(dú)自形成一個(gè)收縮系統(tǒng), 形成不同大小的裂縫。

在地震拉張應(yīng)力影響下, 固結(jié)較好的細(xì)砂巖形成一系列V形地裂縫, 而上覆粗砂巖厚度較薄且發(fā)生液化, 無(wú)法形成裂縫。上覆粗砂巖液化充填至下伏細(xì)砂巖的V形裂縫之中, 如圖6。薄層粗砂巖有可能完全充填裂縫, 致使原始層理消失(圖3c)。

3 地質(zhì)意義

靈山島濁積巖地層中至少有 30多層的地層中發(fā)育裂縫, 假如將這些裂縫看作是干裂, 那就說(shuō)明這些地層在沉積時(shí)反復(fù)的出露地面, 水體很淺。而靈山島濁積巖特征表明水體形成于更深的沉積環(huán)境。將靈山島裂縫解釋為水下地震成因的結(jié)論如果正確, 裂縫就包含更多地質(zhì)意義, 很好地解決沉積環(huán)境與水深這個(gè)矛盾的問(wèn)題。

收縮裂縫是在巖層體積快速減小而產(chǎn)生的收縮應(yīng)力下形成的。巖層準(zhǔn)成巖期時(shí), 區(qū)域地層處于拉伸應(yīng)力環(huán)境的情況下, 加大了收縮應(yīng)力, 有助于其形成; 相反, 區(qū)域地層處于擠壓應(yīng)力環(huán)境時(shí), 抵消了收縮應(yīng)力, 則不利于收縮裂縫形成。也就是說(shuō)裂陷盆地的拉張環(huán)境比被動(dòng)大陸邊緣擠壓環(huán)境更容易形成收縮裂縫, 利用這個(gè)特性有助于推測(cè)靈山島沉積環(huán)境為裂陷型盆地。

圖5 泥巖線形裂縫與圓網(wǎng)形收縮裂縫形成模型Fig. 5 Model for the formation of linear cracks and reticular shrinkage cracks

圖6 V形裂縫形成模型Fig. 6 Model for the formation of V-shaped cracks

地質(zhì)學(xué)家常借助古地震形成的軟沉積物變形構(gòu)造研究區(qū)域構(gòu)造帶活動(dòng)情況(杜遠(yuǎn)生等, 2007, 2011;喬秀夫等, 2009, 2011; 蘇德辰等, 2011)。靈山島所處郯廬斷裂帶東側(cè), 地質(zhì)年齡為 120 Ma, 屬于早白堊世萊陽(yáng)群地層。此時(shí)中國(guó)東部巖石圈拆沉減薄, 構(gòu)造活動(dòng)非常強(qiáng)。因此, 靈山島裂縫推測(cè)地震成因如果正確, 可將其歸為震積巖大類(lèi), 那么地層中的水下裂縫就記錄了靈山島所在盆地受到的地震作用強(qiáng)度和頻率, 反應(yīng)當(dāng)時(shí)區(qū)域地震構(gòu)造活動(dòng)的頻繁。結(jié)合靈山島其他軟沉積物變形構(gòu)造, 可以用靈山島水下裂縫研究郯廬斷裂帶及山東東部構(gòu)造活動(dòng)。

4 結(jié)論

(1)靈山島裂縫有多形成機(jī)制、多巖性、多形態(tài)、多尺度、多充填方式、多期次和多級(jí)別等特點(diǎn): ①按形成機(jī)制分為: 脫水收縮、應(yīng)力脆性裂縫、混合成因裂縫、后期構(gòu)造裂縫; ②按地層巖性分為: 泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂巖; ③按形態(tài)類(lèi)型分為: 近似圓網(wǎng)形、多邊形、線形、透鏡形; ④按尺度規(guī)模分為: 裂縫寬度由 1 cm 寬裂縫到肉眼無(wú)法分辨的微裂縫, 長(zhǎng)度由分米級(jí)長(zhǎng)裂縫到毫米級(jí)短裂縫; 面積由大于 100 cm2(多邊形裂縫)到小于0.1 cm2(圓網(wǎng)形裂縫面積); ⑤按填充物分為: 泥質(zhì)、基質(zhì)、圍巖、方解石、砂巖液化脈; ⑥按期次級(jí)別分為: 多期次、多級(jí)別。

(2)靈山島地層含有的裂縫類(lèi)型多樣, 形態(tài)與暴露干燥成因的裂縫相比區(qū)別明顯。同時(shí)地層缺乏暴露環(huán)境標(biāo)志, 因此認(rèn)為靈山島裂縫應(yīng)為水下準(zhǔn)成巖階段形成。

(3)總結(jié)靈山島水下裂縫關(guān)鍵特征, 對(duì)比Pratt(1998)提出的地震成因的裂縫特征, 推測(cè)其同樣為地震觸發(fā)形成的, 并可以將其歸為震積巖大類(lèi)。地震成因的水下收縮裂縫記錄了一個(gè)盆地的地震作用強(qiáng)度和頻率, 含有更多的地質(zhì)信息, 可以利用其研究區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)和盆地性質(zhì)。

致謝:在文章構(gòu)思過(guò)程中, 與中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所喬秀夫老師、中國(guó)石油大學(xué)(華東)鐘建華老師進(jìn)行了多次討論, 對(duì)兩位老師的指導(dǎo)表示衷心的感謝。

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Characteristics and Significance of Underwater Non-tectonic Cracks in Laiyang Group of Lingshan Island, Shandong Province

WANG An-dong, ZHOU Yao-qi*, ZHANG Zhen-kai, YU Shan-shan, WANG Zi-yang
Geosciences & Technology College, China University of Petroleum, Qingdao, Shandong266580

Shrinkage cracks exist in Precambrian–Phanerozoic strata, but their origins remain controversial. Lots of cracks were found in the sandstone and mudstone of Laiyang Group in Lingshan Island, along with some brittle cracks and liquefied sandstone veins. These shrinkage cracks are usually developed in single layers and rarely extend to their adjacent layers. They possess the characteristics of multi-formation, multi-scale, multi-stage,multi-order and multiple filling ways and are distinct from desiccation cracks and post-structural fractures. Since there is no evidence of exposure, they are considered to have been formed under water. A comparison with the characteristics of seismic cracks proposed by Pratt shows that they might have been triggered by earthquakes.Many soft-sediment deformation structures were found in Lingshan Island, implying that seismic activities were frequent at that time and these seismic activities provided the necessary formation conditions for cracks. Different from the previous opinions, the viewpoint held by the authors argues that shrinkage cracks are more likely to be formed and get preserved in rift basins than in compressional basins in the passive continental margin. The interpretation of the cracks found in Lingshan Island as being caused by earthquakes under water bears much geological significance in that such an interpretation can indicate depth of water, record paleoseismic energy and frequencies, reflect paleoseismic rhythm and provide evidence that the Laiyang Group in Lingshan Island was developed in a rift basin.

Lingshan Island; Laiyang Group; shrinkage cracks; seism; liquefied

TE122.2; P315.725

A

10.3975/cagsb.2014.03.07

本文由國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào): 40872095; 41272123)資助。

2013-10-08; 改回日期: 2014-01-09。責(zé)任編輯: 閆立娟。

王安東, 男, 1980年生。博士研究生。主要從事地質(zhì)學(xué)及古地震記錄方向研究。E-mail: 738625341@qq.com。

*通訊作者: 周瑤琪, 男, 1963年生。教授, 博士生導(dǎo)師。主要從事地球化學(xué)及盆地動(dòng)力學(xué)方向研究。E-mail: zhouyq@upc.edu.cn。