安徽壽縣新元古界一個滑塌-滑脫軟沉積物變形復合構造的發現及地質初探

王 熙,王明鎮

山東科技大學地質科學與工程學院,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現了一個同沉積變形構造,外形很像是一個復雜的褶皺構造(Bowman et al.,2004),初看以為是包卷層理(劉寶君,1980)或枕、球-枕構造(喬秀夫等,2008;楊仕維等,2008;趙衛衛等,2006),但經過本文作者仔細觀察、認真分析后發現并非如此,它既不是包卷層理,也不是枕、球-枕構造,其形成機理也不像上述構造那樣簡單;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,在完全固結成巖之前受到沉積期某種動力作用產生的軟沉積物變形構造(Blanc et al.,1998;張傳恒等,2006,2007),是經過同期多次軟沉積變形后形成的滑塌-滑脫變形復合體。從剖面上可以觀察到該變形構造最少經歷了3次變形過程,即滑塌變形(梁定益等,1997;李雙應等,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境有不可多得的地質意義。

安徽壽縣新元古界屬安徽地層區,淮河地層分區,淮南地層小區,發育有青白口系、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境的沉積,下部為薄層狀-中厚層狀泥灰巖夾泥巖,上部逐漸過渡為含陸源碎屑的砂質灰巖夾灰質細粉砂巖沉積。上覆地層為九里橋組紫灰色厚層狀泥質灰巖夾青灰色薄層狀灰巖和薄層泥質灰巖,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-厚層狀含鐵質鈣質細粉砂巖,具波狀斜層理及交錯斜層理,厚度11.37 m,發育軟沉積變形構造——滑塌-滑脫變形復合體(圖 2);中段分為兩層,下層為灰褐色厚層狀含鐵粗粉砂巖,發育交錯斜層理,厚度16.79 m,上層為褐灰色厚層狀鈣質石英細砂巖,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 軟沉積物變形構造主要特征

軟沉積物變形構造主要發育于四十里長山組下段灰色中厚層-厚層狀含鐵鈣質細粉砂巖層中,下伏地層為劉老碑組含陸源碎屑的砂質灰巖夾灰質細粉砂巖沉積;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境。軟沉積物變形構造為一個滑塌-滑脫褶皺變形構造復合體(圖 3),滑塌-滑脫變形構造復合體之上,發育未變形層。從剖面上可以觀察到該變形構造至少經歷了3次變形過程,即滑塌變形,滑脫褶皺變形,震動液化變形等,現將其形態特征描述如下。

1.1 滑塌變形作用——滑塌角礫巖特征

在橫剖面觀察發現,變形體最早為滑塌堆積形成的滑塌角礫巖狀集合體,而不像是流化構造或滑混層構造(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,并經過短期固結成巖,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;趙衛衛等,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造序列。

1.2 滑脫變形作用——滑脫褶皺構造體特征

本區滑脫褶皺變形構造是在滑塌變形沉積后,又產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,甚至出現弧形、飄帶狀、放射狀等復雜形態,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。

滑脫褶皺變形構造中間保留了滑脫褶皺變形過程中產生的多條滑脫層面或滑脫褶皺變形裂隙,有的隨褶皺變形構造輾轉彎曲,并不切穿褶皺構造,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或泥質;仔細觀察可發現,它們有的是軟沉積層滑脫褶皺變形后保留在變形體內的原始層面,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——液化泄水構造特征

圖3 滑塌-滑脫軟沉積變形復合構造素描示意圖(地質錘把長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-滑脫軟沉積變形復合構造實測剖面記錄Fig.4 Measured profile of slump-slip soft-sediment deformation multilayer complex structure

泄水構造是軟沉積物震動液化后出現砂涌或噴水時形成的變形構造,有泄水紋,噴水管等泄水痕跡存在,最典型的為碟狀泄水構造(喬秀夫等,2009;張傳恒等,2007;武振杰等,2009;楊劍萍等,2008)。本區所見泄水構造是典型的碟狀泄水構造,所有泄水紋紋路清晰,似游絲曲折盤環,構成向上開放的碟形曲線,并伴有明顯的泄水孔構造,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。液化泄水構造的存在,說明軟沉積物變形復合構造在滑塌-滑脫變形的同時,又產生過液化泄水過程(圖3A-③、圖4B)。

2 滑塌-滑脫變形復合構造的地質成因

從該變形體所具有的復雜變形特征看,它是經過滑塌、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合構造。

2.1 自身重量產生勢能——滑塌作用的原動力

由于本區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生勢能,受到觸發動力作用后,最先產生了滑塌變形過程;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。滑塌堆積物的結構特征顯示,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和碳酸鈣膠體膠結后,形成了弱固結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面,在液化失水過程中容易產生底劈作用,在觸發動力作用下,順斜坡產生滑脫褶皺變形,是二次軟沉積物變形的重要原因。本區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(圖3、圖4)。

滑脫褶皺變形構造中間保留的多條滑脫層面和滑脫褶皺變形裂隙,滑移脫頂構造——滑脫帽(圖3A-②)等均證明本區在滑塌變形后,又發生了滑脫變形。保存的滑脫褶皺如此完整,結構清晰,說明滑脫發生時,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和碳酸鈣膠體膠結,穩定性增強有關。

2.3 震動液化作用——造就了液化泄水構造

由于顆粒支撐的粉細砂層充水后最容易液化失水,并產生高壓液態流,從而形成液化泄水構造。本區滑塌-滑脫變形復合構造經過2次變形后,又經受了第3次動力過程。第3次動力過程是經滑塌-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構的粒間孔隙再度充水充砂,當受到震動作用后,產生了原地液化-泄水等一系列地質作用,形成液化泄水變形構造;圖上部右側(圖 3A-③、圖 4B)。碟狀泄水構造是變形體在震動液化作用下形成的第3次軟沉積變形構造。

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

3 沉積變形構造的驅動機制分析

軟沉積物變形構造形成于水下環境,引起軟沉積物變形作用的驅動機制可以有 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)。

根據本區軟沉積物變形復合構造的特征,與重力滑坡作用、風暴潮汐作用引起的軟沉積物變形構造都不完全相符。因為,雖然重力滑坡作用能產生滑塌變形構造和滑脫變形構造,但不具備產生震動液化作用的直接條件;而風暴潮汐作用雖然能產生濁流沉積礫屑層,但在深水條件下能否產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-深海的任何海洋環境中發生,其產生的地震波完全能成為軟沉積物變形構造形成的驅動力。這也從滑塌-滑脫變形復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,僅需要很小的驅動力,便可產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作用維持穩定,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造的研究顯示,在海洋環境中由古地震驅動力觸發形成的震積巖序列經常被發現(喬秀夫等,1994,1996,1997,1999,2001a,2008;杜遠生,2000;梁定益等,2002;趙衛衛等,2006;段吉業等,2002)。喬秀夫等(2009)通過對軟沉積物的地震與古地震效應的研究,為野外識別軟沉積物變形構造提供了許多有用的技術方法。特別是對華北東部新元古界沉積地層震積巖的研究揭示,在遼寧的南關嶺組,安徽的賈園組,淮南的劉老碑組,四十里長山組,均發現含有多期、多幕次的震積巖存在,無疑也為本區發現的滑塌-滑脫軟沉積物變形復合構造體的驅動力來源,提供了重要的理論依據(喬秀夫等,1994,1996,1997,1999,2001a,b,2008;李雙應等,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)。另據孫林華、桂和榮等皖北新元古界賈園組混積巖物源和構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造背景有關的環境,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(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,與賈園組為連續沉積,屬于同一時期統一盆地的沉積;已有的研究成果也顯示,四十里長山組泥巖中發育大量代表地震災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,造成本區軟沉積物變形構造:滑塌-滑脫軟沉積變形復合體的驅動力是新元古代地震事件。

4 結論

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

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動力是連續不間斷的災變事件,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,這里曾發生過波瀾壯闊的地質事件——地震事件,在淺海陸棚緩坡環境條件下,由地震作用產生的驅動力,引起淺海陸棚緩坡環境的軟沉積物產生滑塌-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！