張風霄，周瑤琪，王安東,于姍姍

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

山東省靈山島負載構(gòu)造和球-枕構(gòu)造研究

張風霄，周瑤琪，王安東,于姍姍

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

本文運用野外露頭考察、沉積巖石學(xué)、地質(zhì)統(tǒng)計等方法，對靈山島的負載構(gòu)造和球-枕構(gòu)造進行研究。這些負載構(gòu)造和球-枕構(gòu)造側(cè)向延伸好，在整個剖面上連續(xù)分布，具有多尺度、多形態(tài)、多組合等特點。形成負載構(gòu)造和球-枕構(gòu)造的前提條件是地層密度的倒置(上大下小)，變形的根本驅(qū)動力是沉積物自身的重力。球-枕構(gòu)造和負載構(gòu)造的形成機制相同，只是變形程度和階段不同。根據(jù)不對稱負載構(gòu)造受橫向剪切力分析，證明早白堊世時該盆地存在古斜坡，并且SE高、NW低。綜合考慮地震觸發(fā)形成震積巖的標志特征和靈山島的構(gòu)造地質(zhì)背景，認為本研究區(qū)的負載構(gòu)造和球-枕構(gòu)造系古地震觸發(fā)形成。

靈山島；早白堊世；負載構(gòu)造；球-枕構(gòu)造；地震震級

負載構(gòu)造(load structure)和球-枕構(gòu)造(ball-pillow structure)是與重力相關(guān)的液化變形構(gòu)造。Kuenen[1]首次提出沉積巖粒序?qū)又械臉?gòu)造為負載構(gòu)造；Owen[2]通過實驗?zāi)M了上覆中砂下陷到下伏細砂層的負載構(gòu)造的地震震動成因。球-枕構(gòu)造是一個描述性名詞，在沉積學(xué)中具有悠久的歷史[3]。Kuenen[4]實驗?zāi)M了地震震動作用下球-枕構(gòu)造的形成，并證明其來源于負載構(gòu)造。近年來許多國內(nèi)學(xué)者對中國不同地區(qū)不同地質(zhì)時代地層中的負載構(gòu)造和球-枕構(gòu)造進行了研究,并討論了地震觸發(fā)機制[5-10]。杜遠生[11]認為負載和球枕構(gòu)造是在準同生時期由地震震動形成的，代表已被充填了的沉積盆地處于活動的構(gòu)造背景；喬秀夫[12]舉例討論了不同時期的地層中地震成因的球-枕構(gòu)造，認為其記錄了Ms>5的古地震事件。

呂洪波[13]首次發(fā)現(xiàn)了靈山島的滑塌沉積層，探討了其中的軟沉積物變形構(gòu)造的地震成因，此后，靈山島成為地學(xué)同行研究的熱點地區(qū)[14-17,19-20]。在靈山島早白堊世地層中識別出大量的軟沉積物變形構(gòu)造[14,15]，其中負載構(gòu)造和球-枕構(gòu)造是非常重要的一類變形構(gòu)造，對分析古構(gòu)造活動的分布和強度有著重要作用。前人對靈山島的負載構(gòu)造和球-枕構(gòu)造研究較少。本文將描述靈山島典型的負載、球-枕構(gòu)造的形態(tài)特征、分布規(guī)律，論述其形成機制和地質(zhì)意義。

1 地質(zhì)背景

靈山島地理位置處于原膠南市東南的黃海海域，行政上屬于青島市黃島區(qū)，其距最近的陸地大珠山5.3海里，距積米涯9海里，總面積7.66km2，海拔513.6m，是我國北方第一高島。由于遠離大陸，交通不便，過去有關(guān)靈山島的地質(zhì)考察文獻較為少見。

靈山島在大地構(gòu)造位置上(圖1)處于蘇魯造山帶中[21-22]，周邊主要斷層為西側(cè)的郯廬斷裂帶和南北兩側(cè)的五蓮煙臺斷裂與千里巖斷裂，這3條斷裂與區(qū)域構(gòu)造活動密切相關(guān)，誘發(fā)研究區(qū)軟沉積物變形構(gòu)造的古地震主要就是這3條斷層活動產(chǎn)生的。

山東省第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘察院出版的山東區(qū)域地質(zhì)[23]顯示靈山島由下部萊陽群法家塋組(K1f)沉積巖和上部青山群八畝地組(K1b)火山巖組成。靈山島沉積環(huán)境尚存在爭議。呂洪波等[13,19]認為下部發(fā)育的陸源碎屑巖為海相遠源濁積巖，并指出這是華北板塊、揚子板塊在晚中生代尚未碰撞拼合的殘余洋盆沉積。鐘建華[20]則認為靈山島下部地層是一套陸內(nèi)體制下的淺水三角洲沉積，與板緣、碰撞造山無關(guān)。張海春[17]認為靈山島下部發(fā)育的是晚中生代海相濁積巖，并建議將其命名為靈山島組(K1lsd)。

野外踏勘并結(jié)合前人研究將靈山島沉積地層大致劃分為6個單元，自下而上依次為：(1)巨厚濁積巖層；(2)濱淺海沉積地層；(3)濁積巖層；(4)白色火山流紋質(zhì)熔巖層；(5)陸相碎屑巖層；(6)巨厚安山質(zhì)火山碎屑巖層，并構(gòu)成靈山島出露地層的上部主體[17]。其中濁積巖層是經(jīng)常發(fā)現(xiàn)軟沉積物變形的地層[18]。

圖1 靈山島區(qū)域概況簡圖[13]

Fig.1 Location of the Lingshan Island, Shandong(after Lu Hongbo et al., 2011)

2 靈山島的負載構(gòu)造和球-枕構(gòu)造

負載構(gòu)造是在液化作用和重力作用下，上覆密度相對較大的沉積單元(如粗砂)下沉陷入下伏密度相對較小(如粉砂層)沉積單元之中的一種構(gòu)造。在地震震動搖晃的剪切力和重力作用下，負載構(gòu)造呈球狀或枕狀脫離母巖陷落到下伏地層中形成球-枕構(gòu)造。一般球-枕構(gòu)造與其它未與母巖分離的負載構(gòu)造相鄰[12]，球枕構(gòu)造和負載構(gòu)造形成機制相同，只是形成的變形程度和階段不同。

2.1 負載構(gòu)造分類描述

負載構(gòu)造在靈山島的各個野外剖面中都有發(fā)現(xiàn)，具有多種尺度、多種形態(tài)、多種組合的特點。

(1)按尺度分為：寬度最小的為小于1cm的小型負載構(gòu)造，大的達到米級，厚度1～30cm的大型負載構(gòu)造；

(2)按形態(tài)分為：兩側(cè)不對稱形、對稱的下“凹”形；

(3)按巖石組合分為：上砂下泥、上礫下砂、上粗砂下細砂等組合；

2.1.1 小型不對稱負載構(gòu)造

燈塔剖面有一層厚約1cm左右，寬1～3cm的小型負載構(gòu)造(圖2a)，土黃色砂巖覆蓋在黑色泥巖之上。該負載構(gòu)造規(guī)模小，側(cè)向分布穩(wěn)定，每一個負載構(gòu)造的大小基本相同。負載層頂面平直，上下層位都是未變形層，與負載構(gòu)造層平行接觸。在負載構(gòu)造形成過程中，上覆巖層受到沿斜坡存在橫向剪切力的分量的作用，在這個力作用下形成了下部的NW側(cè)角度大，SE側(cè)角度小的不對稱負載構(gòu)造。而下伏地層被下陷的地層擠壓，在兩個負載構(gòu)造中間向上侵入，形成伴生的火焰構(gòu)造，其尖端一致指向NW。

靈山島燈塔剖面還可以識別出多層厘米級的不對稱負載構(gòu)造(圖2d、2e)，其傾向相同，火焰構(gòu)造尖端指向一致。Morreti[18]討論了濁積巖中的不對稱枕狀構(gòu)造，認為區(qū)域性斜坡產(chǎn)生橫向剪切力造成不對稱負載體和火焰構(gòu)造向某一方向傾斜[2]，據(jù)此分析認為其傾倒的方向(擠入構(gòu)造的指向)為古斜坡下游方向。因此利用不對稱負載構(gòu)造的傾向和火焰構(gòu)造的指向，證明存在區(qū)域古斜坡，并且SE高、NW低，這也印證了呂洪波[13]的古斜坡SE高、NW低的結(jié)論。

2.1.2 大型多層負載構(gòu)造

千層崖剖面下部觀察到3組厚負載構(gòu)造層(圖3a)，上下兩層為砂巖與薄紋層狀泥頁巖組合，中間一層是砂巖與塊狀泥巖組合。上覆砂巖下陷至泥頁巖時，中間下凹變厚，兩側(cè)拉伸減薄，通過很薄的砂巖層連接。多處負載構(gòu)造之間完全拉斷分離，形成獨立的負載構(gòu)造(圖3b)。下伏泥頁巖形成寬緩的向形和背形。中間一層砂巖厚度遠大于其下伏泥巖層，形成的負載構(gòu)造寬緩且緊密排列。受砂巖層下陷擠壓，泥巖不規(guī)則向上侵位，個別位置泥巖向上擠入并穿透砂巖層。

這3組巖層中的負載構(gòu)造側(cè)向展布非常穩(wěn)定，整個剖面都可見，同一層之間的規(guī)模和形狀基本一致。負載構(gòu)造的頂面平直，兩層之間接觸面基本平行，與其接觸的泥頁巖底部紋層平行，無變形現(xiàn)象，說明每一層的負載構(gòu)造變形都是獨立的，每一層對應(yīng)一期地震事件。

圖2 厘米級不對稱負載構(gòu)造(火焰構(gòu)造尖端指向NW)

Fig.2 The cm-scale asymmetrical load structures(The flame structures direct to NW)

a.薄層負載構(gòu)造，上下層均為未變形層；b.負載構(gòu)造局部放大；c.負載構(gòu)造素描圖，紅色箭頭指示沉積物活動方向；d.薄層負載構(gòu)造；e.薄層負載構(gòu)造

燈塔剖面下部有一連續(xù)四層厚負載構(gòu)造層(圖3c)，變形地層的巖性與上下未變形層的巖性相近，四層變形地層的厚度變化大，變形層與層之間的接觸面都是彎曲變形的，因此推斷整個厚層變形是由一次強地震引起的。與Moretti[24]報道的內(nèi)烏肯盆地(北巴塔哥尼亞，阿根廷)的負載構(gòu)造基本相同。Moretti詳細闡述了負載構(gòu)造的形成機理，逐個排除了所有可能的觸發(fā)機制，認為最合理的解釋為地震誘發(fā)。

2.2 球-枕構(gòu)造分類描述

多個層位都大量發(fā)育球-枕構(gòu)造，同其它地震軟變形一樣，球-枕構(gòu)造不會單個孤立出現(xiàn)，每層順走向追蹤都會發(fā)現(xiàn)有規(guī)律出現(xiàn)的多個球-枕構(gòu)造。以扁平橢球體為主，長軸順層展布，規(guī)模為5～30cm，長軸/短軸為2～3之間。本區(qū)球-枕構(gòu)造多為粗砂巖沉入液化細砂粉砂巖，上層母巖已完全消失，差異風化使其易于識別。

2.2.1 千層崖剖面球-枕構(gòu)造

如圖4所示的是較為典型的球-枕構(gòu)造，其分布在不同深度、大小不一、形狀不同。母巖層和球-枕構(gòu)造都是灰白色砂巖，而弱巖層是淺灰色粉砂巖，觀察到母巖層已經(jīng)斷斷續(xù)續(xù)，圖4b中左側(cè)部分母巖層已經(jīng)消失，僅剩圖片中右側(cè)部分。如圖4c所示，球-枕構(gòu)造隨深度下陷，由近圓狀變成了扁平狀。與Morreti[25]發(fā)現(xiàn)的球-枕構(gòu)造長軸與短軸比與沉降深度有關(guān)，下降越深，球-枕構(gòu)造越扁平的理論相符合。球-枕構(gòu)造層上部變形層中的砂巖和泥巖不是發(fā)生垂向侵位、擾動，而是比較少見的形成側(cè)向的混插、互相侵位，稱之為側(cè)向液化。其與下層球-枕構(gòu)造的接觸面略有彎曲，但是界線明顯，沒有發(fā)生相互侵入。在這兩層變形層上下各有未變形層，呈平行接觸。

圖3 厚層負載構(gòu)造

Fig.3 Thick-bedded load structures in the Qiancengya section

a.靈山島千層崖剖面下部厚層負載構(gòu)造，側(cè)向分布穩(wěn)定；b.負載構(gòu)造上覆地層平直未變形，地質(zhì)錘處負載構(gòu)造與左邊負載構(gòu)造通過薄的砂巖層連接，與右邊負載構(gòu)造則完全斷開；c.四層負載構(gòu)造，每一層之間接觸面都是變形接觸

圖4 千層崖剖面球-枕構(gòu)造

Fig.4 The ball-and-pillow structures in the Qiancengya section

a.千層崖剖面下部地層，上下為未變形層，中間第一層為球-枕構(gòu)造層，第二層為側(cè)向液化層；b.放大球-枕構(gòu)造，渾圓狀；c.球-枕構(gòu)造素描圖

圖5 不同大小的球-枕構(gòu)造及分布層位

Fig.5 Distribution of the ball-and-pillow structures with varying sizes (modified from Wang Andong et al., 2013)

a.船廠剖面順層扁平的5個球-枕構(gòu)造；b.船廠剖面球-枕構(gòu)造，泥巖地層散布著大小不一的5個砂巖球；c.千層崖剖面14個球-枕構(gòu)造，其分布在不同深度、大小不一、形狀不同；d.船廠剖面6個球-枕構(gòu)造，泥質(zhì)粉砂巖的基質(zhì)和內(nèi)部不均勻散布著的砂質(zhì)團塊，以長軸順層的扁平橢球形和近圓形為主；e.船廠剖面軟沉積物變形構(gòu)造發(fā)育層位及地層柱狀示意簡圖[15]

2.2.2 船廠剖面扁平狀球-枕構(gòu)造

船廠剖面的球-枕構(gòu)造(圖5a)位于大約50cm厚的黃色砂巖中，形狀以扁平橢球體為主,沿約30cm的長軸順層展布，短軸10cm左右，長短軸比約3:1。地震發(fā)生時，上覆土黃色砂巖和下伏泥巖均發(fā)生液化現(xiàn)象，重力驅(qū)動和地震剪切搖晃使上覆負載構(gòu)造脫離母巖向下伏液化的黑色泥巖下陷。在下沉過程中，球-枕構(gòu)造受到強液化泥巖的浮力的阻撓，形成扁平狀球-枕構(gòu)造。

在同一個盆地具有同樣的巖石學(xué)特征的軟沉積物構(gòu)造，較大的構(gòu)造可能表明形成時受到的地震震級相對較高[35]。統(tǒng)計圖5中的4幅照片中砂巖組成的球-枕構(gòu)造與下伏強液化泥巖層的接觸范圍，即球-枕構(gòu)造的大小，用球-枕構(gòu)造的周長和面積表示。假設(shè)其周長的平均值分別為La，Lb，Lc，Ld，面積平均值分別為Sa，Sb，Sc，Sd。分別對應(yīng)圖5中a，b，c，d 4幅圖中球-枕構(gòu)造周長和面積的平均值。其中，La=277.82cm, Lb=29.2cm, Lc=21.48cm, Ld=10.67cm(表1)，即周長的相對大小為La>Lb>Lc>Ld，面積的相對大小也是Sa>Sb>Sc>Sd，據(jù)此可以認為形成上述球-枕構(gòu)造的震級的相對大小為圖5a>圖5b>圖5c>圖5d，即大的球-枕構(gòu)造代表的震級要大于小的球-枕構(gòu)造代表的震級。據(jù)圖e可知，圖d、b、a在船廠剖面上由下到上依次出現(xiàn)，說明船廠剖面由下而上經(jīng)歷的地震震級是逐漸增大的。

3 負載構(gòu)造和球-枕構(gòu)造形成機制

軟沉積變形構(gòu)造的形成過程中受驅(qū)動力的大小、變形機制、觸發(fā)條件等多種因素控制[26]。觸發(fā)機制作為引起軟沉積變形的初始作用是非常重要的；隨之，沉積物的性質(zhì)決定變形機理的類型，驅(qū)動力和初始的沉積條件決定變形形態(tài)。負載構(gòu)造和球-枕構(gòu)造作為軟沉積物變形構(gòu)造也需要滿足上述3個條件。

3.1 驅(qū)動力

驅(qū)動力的大小必須滿足能夠改變已經(jīng)形成的沉積特征，主要包括：不穩(wěn)定的反密度梯度、自身重力、剪切力、不均勻的負載等。驅(qū)動力的識別主要是通過變形構(gòu)造的幾何學(xué)特征和體系的初始特征進行重建。負載構(gòu)造常常受到多重作用力的影響，由不均勻的負載和不穩(wěn)定的反密度梯度產(chǎn)生，有上覆密度大的沉積物的自身單一重力、重力與液化異常高壓侵位、重力與剪切力水平分量等多種類型。因此，形成負載、球-枕構(gòu)造需要有一個密度相對較大的砂巖層覆蓋在密度相對較小的粉砂巖或泥巖之上，形成反密度梯度。

3.2 變形機制

正確識別軟沉積變形構(gòu)造的變形機制對于確定變形的觸發(fā)因素非常重要。液化作用被認為是形成負載構(gòu)造和球-枕構(gòu)造的主要機理。研究發(fā)現(xiàn)與負載體相連的母巖和下伏賦存負載體的巖層一定都發(fā)生了液化作用,否則上覆粗粒層不可能下陷到下伏細粒層中。而下伏的液化層為負載構(gòu)造與球-枕構(gòu)造的賦存提供載體，負載體和球-枕的大小和形狀與高度液化的細粒巖層的厚度有關(guān)。某些性質(zhì)的負載力或者剪切力引起沉積物強度的減弱[27]，孔隙流體的排出受到阻礙或者抑制，使得孔隙水壓力增加，最終發(fā)生液化。研究發(fā)現(xiàn)，砂巖可以液化的平均粒徑在0.02～1mm之間[28]，而小于0.11mm粒徑的細砂質(zhì)更容易被液化[29]，泥巖很難被液化。靈山島軟沉積物的地層巖石類型主要是砂巖、粉砂巖與泥巖，都可以發(fā)生軟沉積物變形，個別的礫巖層也可以。

表1 各個球枕構(gòu)造的周長和面積的統(tǒng)計表

3.3 觸發(fā)條件

許多的自然因素和作用可以作為觸發(fā)機制，包括地震、海嘯、波浪、洪水、快速沉積和地下水活動[30-33]。對觸發(fā)因素的確定不僅要識別出與地震相關(guān)的軟沉積變形構(gòu)造的標志，還要詳盡研究區(qū)域構(gòu)造背景[10]。

綜上所述，負載構(gòu)造和和球-枕構(gòu)造的形態(tài)和側(cè)向分布具以下特點：(1)同一層中的變形構(gòu)造規(guī)模相當，大小差別不大；(2)側(cè)向延伸好，整個剖面地層連續(xù)分布；(3)均表現(xiàn)出液化、流化的性質(zhì)；(4)不對稱形變形構(gòu)造傾向相同。這些分布特點符合地震觸發(fā)形成震積巖的標志特征[26]，而且負載構(gòu)造是判斷地震觸發(fā)形成變形構(gòu)造的有利證據(jù)。Moretti和Sabato[34]認為負載構(gòu)造寬度大于1cm時地震成因概率最大。靈山島在早白堊世時期構(gòu)造活動頻繁，具有多次發(fā)生古地震的條件，所以判斷靈山島地區(qū)的負載構(gòu)造和球-枕構(gòu)造由地震觸發(fā)引起。

4 地質(zhì)意義

(1)擠入構(gòu)造與負載構(gòu)造可以證明區(qū)域古斜坡的存在。靈山島地層中識別出多層不對稱負載構(gòu)造，這些不對稱負載構(gòu)造傾向相同，擠入構(gòu)造尖端指向一致，傾倒的方向(擠入構(gòu)造的指向)為古斜坡下游方向。利用不對稱負載構(gòu)造的傾向和火焰構(gòu)造的指向，證明存在區(qū)域古斜坡，并且SE高、NW低。

(2)負載構(gòu)造和球-枕構(gòu)造可用于判斷古地震震級。前人研究認為，形成負載構(gòu)造的震級超過6.5級[4],火焰狀構(gòu)造表明有低強度的地震，地震震級(5.5～8)可以誘發(fā)形成球-枕構(gòu)造[35]。鄢繼華[36]通過模擬實驗得出，負載構(gòu)造和球-枕構(gòu)造是在地震作用早期形成的，地層中保留下來的是地震作用的強度最大時形成的。變形構(gòu)造的大小和類型可能代表了地震震動的相對強度。靈山島形成負載構(gòu)造的震級小于球-枕構(gòu)造的震級，而大的球-枕構(gòu)造代表的震級要大于小的球-枕構(gòu)造代表的震級。靈山島與五蓮-煙臺斷裂、千里巖斷裂距離約為 40Km，據(jù)劉穎等[28]研究的震級(M)與液化變形最大震中距的關(guān)系圖(圖6)，判斷上述斷裂在早白堊世的地震震級大約為7～8級。

(3)包括球-枕構(gòu)造與負載構(gòu)造的軟沉積物變形構(gòu)造可用來判斷古斷裂的活動時間[12],這是因為負載構(gòu)造和球-枕構(gòu)造是由地震觸發(fā)形成的，而斷裂活動又會誘發(fā)地震。靈山島與其NW側(cè)的五蓮-煙臺斷裂帶直線距離約為40km，五蓮-煙臺斷裂活動時間為早白堊世(K1)[37]，與靈山島震積巖形成時間空間有很好的匹配。

圖6 震級與液化變形最大震中距關(guān)系[28]

Fig.6 The relationship between earthquake magnitudes and maximum distances from the epicenter which led to liquification(after Liu Ying and Xie Junpei, 1984)

5 結(jié)論

靈山島的負載構(gòu)造和球-枕構(gòu)造具有多種尺度、多種形態(tài)、多種組合的特點。形成負載構(gòu)造和球-枕構(gòu)造要有上覆密度大的巖層覆蓋在密度小的巖層之上，上覆沉積物在自身的重力驅(qū)動和地震誘發(fā)的液化作用下向下伏巖層陷入。通過對不對稱負載構(gòu)造的形態(tài)描述，證明了靈山島古斜坡的存在。統(tǒng)計球-枕構(gòu)造的大小，可判斷地震震級的相對強度。靈山島存在大量負載構(gòu)造和球-枕構(gòu)造說明其構(gòu)造活動頻繁，還可以據(jù)此判斷古斷裂活動時間，但斷裂集中發(fā)育的地區(qū)除外(存在多解性和不確定性)。研究負載構(gòu)造和球-枕構(gòu)造必須要考慮研究區(qū)的沉積-構(gòu)造背景、沉積環(huán)境等因素的影響作用。

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Load structures and ball-and-pillow structures on the Lingshan Island,Shandong

ZHANG Feng-xiao, ZHUO Yao-qi, WANG An-dong, YU Shan-shan

(SchoolofGeosciences,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,Shandong,China)

The load structures and ball-and-pillow structures on the Lingshan Island, Shandong are examined in the light of outcrop observation, sedimentary petrology and geostatistical analysis. These load structures and ball-and-pillow structures are laterally extensive in the studied sections, and have the features of multiple scales, multiple morphologies and multiple associations. They are interpreted to be originated from the stratigraphic density inversion(bigger in the upper part and smaller in the lower part). In other words, the gravity-induced overlying deposits with greater densities and earthquake-induced liquification penetrated into the underlying strata, resulting in the formation of the load structures and ball-and-pillow structures. The asymmetrical morphology of the load structures strongly support the existence of the Lingshan palaeoslope during the Early Cretaceous. The statistics of the sizes of the load structures and ball-and-pillow structures may be used to deduce those of earthquake magnitudes. The presence of abundant load structures on the Lingshan Island indicates that frequent structural activities, especially the seismic activities may be responsible for the formation of the load structures and ball-and-pillow structures in the study area.

Lingshan Island; Early Cretaceous; load structure; ball-and-pillow structure; earthquake magnitude

1009-3850(2015)03-0042-09

2014-07-31； 改回日期： 2014-08-04

張風霄(1988-)，女，碩士生，主要從事地質(zhì)學(xué)方面研究。E-mail: zfxiao1988@163.com

P315.2

A