米倉山前緣早志留世軟沉積物變形構造及其觸發機制

張廷山，杜翔，楊巍，陳曉慧

1.西南石油大學油氣藏地質與開發工程國家重點實驗室，成都 610500 2.西南石油大學地球科學與技術學院，成都 610500

米倉山前緣早志留世軟沉積物變形構造及其觸發機制

張廷山1,2，杜翔1,2，楊巍1,2，陳曉慧1,2

1.西南石油大學油氣藏地質與開發工程國家重點實驗室，成都 610500 2.西南石油大學地球科學與技術學院，成都 610500

地質歷史時期軟沉積物變形構造在不同時空沉積巖中均有分布，然而學術界對其變形過程、作用力及觸發機制等仍存在許多爭議。通過對米倉山前緣野外露頭觀測，早志留世砂巖、粉砂巖、頁巖地層中，發育有多套軟沉積物變形構造，其層位分布穩定，但不同層位的形態特征差異較大，包括波浪狀變形層構造、包卷層理、枕狀(橢球狀)構造、火焰構造等，多與丘狀交錯層理相伴生，可分為三種組合類型，均發育于中陸棚沉積環境中。基于該區軟沉積物變形構造特征，結合碳同位素分析、古氣候、古板塊資料，并與現代颶風研究成果對比，認為研究區早志留世時大體上處于風暴頻繁的炎熱環境，區內軟沉積物變形構造多為風暴作用的結果，較強的風暴觸及海底，使未固結成巖的沉積物的孔隙壓力增加，切變強度降低，使之液化，進而發生變形。米倉山前緣早志留世軟沉積物變形構造的發現及其觸發機制的探討對區內古地理、古氣候的恢復，以及古揚子板塊的演化具有重要的意義。

軟沉積物變形構造；風暴作用；早志留世；米倉山前緣

0 引言

軟沉積物變形是指由多種沉積條件形成并且具有眾多的形態特征[1]，而且，在地質歷史時期，不同沉積環境和具不同巖性的地層中都有分布[1-10]。但是，對于軟沉積物變形的變形過程、作用力以及觸發機制有多種解釋，如地震、風暴浪作用的壓力變化，海嘯、破混、涌浪、重力流、沉積物的快速載荷、海平面變化等，其中，地震觸發機制被認為是主要原因之一，并將變形構造與地震事件相聯系起來，認為變形構造大都發育在地震帶附近，且具有可以液化的沉積物。通過模擬實驗，認識到變形構造與沉積物液化作用關系密切，在地層分布上，變形構造層位穩定，可以進行大范圍對比[3,9,11-12]。但是，除變形構造外，地震常常還會引發其他的一些地質事件，如海嘯、重力流等[13]，所以，確定軟沉積物變形機理很有意義。

米倉山前緣早志留世砂巖—粉砂巖、頁巖地層中，發育有多套軟沉積物變形構造，而且其不同層位的形態特征不同，層位分布穩定，可作較大范圍對比。

1 區域地質背景

研究區位于四川盆地西北部的廣元、旺蒼一帶，大地構造上屬上揚子區北緣的米倉山隆起區(圖1)。早古生代該區構造穩定，主要受古隆起控制。早志留世時，上揚子區為一寬緩的陸表海，而在川西北地區西部(旺蒼以西)發育一向板塊內部傾斜的陸源碎屑—碳酸鹽巖沉積勻斜緩坡—盆地沉積環境[14-15]，而其東部(旺蒼以東)碳酸鹽巖沉積不發育，總體上為陸棚環境。該區志留紀地層沿后龍門山大斷裂東側呈北東、南西向條帶狀分布，除局部地區可能有晚志留世地層外，主要出露早志留世地層，最大厚度達1 328 m。其底部除局部地區為整合接觸外，大部分地區超覆于中、上奧陶統的不同層位上，其上與二疊系呈假整合或低角度的不整合接觸。

圖1 研究區地理位置圖Fig.1 The geographical location map of the study area

研究區下志留統地層自下向上可劃分為龍馬溪組、小河壩組。早志留世龍馬溪期上揚子北緣地區呈現出相對海平面上升，周緣隆起帶范圍縮小，總體為局限的寬緩陸架環境，沉積了一套厚度較大、含豐富筆石生物的黑色碳質頁巖[16]，往上逐漸變為粉砂質泥巖及泥質粉砂巖，顏色由灰色逐漸變為灰綠色，另可見包卷變形層理及丘狀交錯層理等沉積構造；早志留世小河壩期，以充填作用為主，由于沉積物加積，海平面出現相對下降，沉積環境逐漸變淺，先期的陸棚環境逐步被近濱環境所取代，自下而上由淺水陸棚、遠濱向近濱過渡，沉積一套以粉—細砂巖、粉砂巖為主夾粉砂質泥巖地層，向上砂質含量增多，在其底部可見大量枕狀(橢球狀)構造、火焰構造等軟沉積變形構造(圖2)，總體來說，自下向上砂質含量增多，泥質含量減少，表現為水體變淺的過程。

圖2 研究區下志留統地層柱狀圖Fig.2 The stratigraphic column in Lower Silurian of the study area

2 變形構造類型及分布

米倉山前緣軟沉積物變形構造縱向上分布于Llandovery階龍馬溪組中上部及小河壩組底部，類型多樣。根據其形態特征及地層分布，主要可劃分出波浪狀變形層構造、包卷層理、枕狀(橢球狀)構造、火焰構造等。它們大小不一，并多與丘狀交錯層理相伴生(表1)。變形構造的巖石類型主要為黃灰色、灰綠色粉砂巖、細砂巖及粉砂質頁巖或泥巖。

(1) 波浪狀變形層構造

波浪狀變形層構造主要分布于龍馬溪組中上部，由黃灰色泥質粉砂巖、粉砂巖組成，上、下巖層為中—薄層黃灰色粉砂巖、細砂巖。形態呈波浪狀彎曲變形，波峰和波谷都比較平緩。波浪狀變形層通常位于平行的上下巖層之間，上下巖層產狀不變，保持水平。研究區波浪狀變形層構造一般厚約20 cm，長約90 cm，有的可厚達50 cm，長度超過2 m(圖3f1、f2)。這種變形構造可能多為風暴、波浪作用的結果。

表1 研究區變形構造類型及地層分布

(2) 包卷層理

包卷層理又稱卷曲層理，是指在一個巖層內所發生的沉積紋層包卷和扭曲現象[17]。該變形構造主要分布在龍馬溪組中上部，巖性為黃灰色粉砂質泥巖和黃灰色粉砂巖互層。其主要是由細粒沉積物在未固結或半固結而呈塑性狀態時，由于風暴波浪振蕩致沉積物液化引起原生層理的彎曲變形。研究區包卷層理一般限于一個層內連續分布，它與上下巖層呈突變接觸，但巖性一致，并向頂部或底部消失，巖層產狀基本保持不變。包卷層理的大小不一，但普遍規模較大，形態不規則，小的只有10 cm左右，大的長達290 cm，寬70 cm(圖3a，b)。

(3) 枕狀(橢球狀)構造

枕狀(橢球狀)構造是指砂巖層斷開并陷入泥巖中形成的許多緊密或稀疏排列的橢球狀或枕狀塊體[17]。該構造主要分布在小河壩組底部，由灰—灰綠色粉砂巖、泥質粉砂巖和粉砂質泥巖組成。它是由上覆粉砂巖、泥質粉砂巖層斷開并陷入粉砂質泥巖中形成的橢球狀或球狀塊體，一般不具內部構造，部分團塊可見清晰的圈層結構。研究區小河壩底部大致可見3套枕狀(橢球狀)構造，它們規模大小不一，團塊直徑10～30 cm(圖3c1、c2，d1、d2，e1、e2)。

(4) 火焰構造

火焰構造一般與枕狀—橢球狀構造相伴生，位于相應的枕狀—橢球狀構造之間。由于下伏的粉砂質泥巖、泥巖發生液化后，由于上覆形成枕狀—橢球狀構造的細粉砂巖的不均勻負載壓力，使得之下液化呈塑性狀態的粉砂質泥巖擠入負載瘤體之間形成的，常呈薄的舌狀體(圖3c1、c2，d1、d2，e1、e2)。研究區火焰構造主要分布在小河壩組底部，由灰綠色粉砂質泥巖、泥巖組成。

另外，通過對研究區野外剖面系統的觀測，筆者發現在下志留統龍馬溪組和小河壩組地層中，軟沉積變形構造多與丘狀交錯層理相伴生，其表現為在軟沉積變形構造下部多為較大型的丘狀交錯層理，其上部相對而言發育小型的丘狀交錯層理(圖4)。

圖3 研究區軟沉積變形構造野外特征a,b. 龍馬溪組上部包卷層理；c1、c2，d1、d2，e1、e2. 小河壩組底部球—枕構造；f1,f2. 龍馬溪中上部波浪狀變形構造。Fig.3 The outcrop characteristics of soft sediment deformation structures in the study area

圖4 研究區丘狀交錯層理野外特征a.龍馬溪組波浪狀變形構造下部丘狀交錯層理；b.龍馬溪組波浪狀變形構造上部丘狀交錯層理；c.小河壩組球枕構造下部丘狀交錯層理；d.小河壩組球枕構造上部丘狀交錯層理；e1，e2.龍馬溪組包卷層理下部丘狀交錯層理。Fig.4 The outcrop characteristics of hummocky cross bedding of the study area

根據本區軟沉積物變形構造從下至上的縱向巖性特征及剖面結構組合，總體上可分為三種類型(圖5、表2)：1)具丘狀交錯層理的細粉砂巖、粉砂巖層，向上變為具火焰構造的粉砂質泥巖、泥巖，具枕狀—橢球狀構造的細粉砂巖、粉砂巖層，頂部為有時具小型丘狀交錯層理的細粉砂巖層；2)具丘狀交錯層理的細粉砂巖、粉砂巖層，具包卷層理的細粉砂巖、粉砂巖層，頂部為粉砂巖層，具水平層理或小型丘狀交錯層理；3)具波浪狀變形層構造的黃灰色泥質粉砂巖、粉砂巖組成，其上、下層為中薄層黃灰色粉砂巖、細砂巖層。

圖5 研究區早志留世軟沉積變形構造剖面組合示意圖Fig.5 The schematic diagram soft sediment deformation structures in Early Silurian of the study area

結合前人研究資料，四川盆地西北部(米蒼山前緣)大部分地區都可見這類軟沉積變形構造，如旺蒼縣鼓城鄉、檬子鄉、國華鎮，楠木村，南江縣等。通過對比研究發現，下志留統小河壩組底部均發育這種橢球狀、枕狀構造，并且可大致作為劃分龍馬溪組與小河壩組的標志。另外，在龍馬溪組中上部均可見其他類型軟沉積物變形構造(圖6)。研究區軟沉積物變形構造在區域上具普遍性，并且層位分布穩定，具有一定的可對比性。

表2 研究區早志留世變形構造剖面組合特征

圖6 研究區下志留統地層對比簡圖Fig.6 The stratigraphic correlation diagram in Lower Silurian of the study area

3 沉積環境及觸發機理討論

研究區晚奧陶世—早志留世整體上為局限陸棚沉積環境。早志留世龍馬溪期構造運動強烈，上揚子板塊北緣呈現相對海平面上升，總體為局限的寬緩陸架環境。早志留世小河壩期以充填作用為主，海平面出現相對下降，沉積環境逐漸變淺，自下而上由陸棚、遠濱向近濱過渡[15]。一般來說，在一個剖面上，風暴巖垂向層序往往發育不全。風暴作用隨水體深度的增加而減小，從內陸棚到外陸棚，風暴作用的影響逐漸減小。近源性風暴巖相對較厚，粒粗，底部侵蝕構造發育，形成于水體相對較淺的陸棚區；遠源性風暴巖則相反，厚度小，以細粒沉積為主，侵蝕構造等不發育，常形成于相對較深的陸棚區。從本區軟沉積物變型構造的巖性特征、發育規模等來看，在軟沉積物變型構造組合的底部，風暴侵蝕不明顯，頂底界面都較平緩，丘狀層理規模不大，地層沉積厚度較薄，巖性以灰色、灰綠色泥質粉砂巖、粉砂巖為主，間夾泥巖，表明當這套巖層沉積時，沉積水體相對較深，可能處于風暴浪基面之下的中陸棚環境，只有當較強的風暴發生時，才會作用到該區域，因此該區域風暴作用的強度較小，并表現出具有不定期性。根據本區軟沉積物變型構造剖面組合的巖性特征、剖面組合、發育規模等分析，軟沉積物變型構造A、B組合的巖性以泥巖、泥質粉砂巖、粉砂巖為主，發育規模不是很大，推測其沉積時水體相對較深，可能為中陸棚下部環境，而C組合的巖性以粉砂巖、細砂巖為主，推測其可能發育在中陸棚上部環境中(圖7)。

軟沉積物變形構造的觸發機理前人已做過較為系統的研究[9]，不外乎有如下幾種機理：1)具有軟沉積物變形潛在可能的沉積物；2)驅動力及邊界條件，如反向密度梯度和重力剪切應力；3)沉積物液化、黏性流動等。這些觸發機理，主要包括地震活動、滑坡、海嘯、風暴浪等。但是，不同地區和不同時代的軟沉積物變形構造的成因，一直爭論不斷[9,18-19]。實驗證明，軟沉積物變形構造的最終形態取決于沉積層的密度差、沉積物黏滯力大小、液化狀況及液化后的流動過程[8,20-21]，而這些參數又取決于沉積物沉積時的理化條件及其沉積后受變形時的物理條件。現代濱、淺海因風浪而引起粉砂層液化變形的現象非常普遍。在風暴浪作用下，水動力因素與粉砂沉積物相互作用過程中，沉積物孔隙水壓力扮演著重要的角色，波浪動水壓力的作用在海底沉積物內會產生相應的應力和孔隙水壓力。較強的動水壓力在中等密度到疏松的沉積物內將產生和累積超孔隙水壓力。在風浪加載的周期之間，孔隙水壓力又會部分消散。隨著風暴作用的周期性發生，孔隙水壓力將不斷地累加，直至超過上覆沉積物的自重應力而破壞，或者也會在較強風暴浪作用后由于孔隙水壓力較快的消散而停止累加[22]。楊少麗等[23]通過實驗模擬了在風暴作用下水下沉積物液化變形的過程，風暴開始作用時，粉砂沉積物沒有液化，但當風暴達到600 s時0.9 m左右以上時，粉砂沉積物已開始液化變形，隨著波浪的持續作用，粉砂沉積物液化深度漸增，若五十年一遇的強風暴連續作用lh，則大約4 m以上的粉砂沉積物均有可能被液化破壞。許國輝等[24]對黃河三角洲黏質粉砂土體底床進行波浪水槽試驗研究證實，孔隙水壓力對波浪作用下沉積物的變形有重要影響，同時波浪對底床的周期性剪切力應是沉積物變形以及使變形發展的主要因素之一。

圖7 研究區沉積環境及變形構造組合模式圖A.具丘狀交錯層理的細粉砂巖、粉砂巖層，向上變為具火焰構造的粉砂質泥巖、泥巖，具枕狀—橢球狀構造的細粉砂巖、粉砂巖層，頂部為有時具小型丘狀交錯層理的細粉砂巖層；B.具丘狀交錯層理的細粉砂巖、粉砂巖層，具包卷層理的細粉砂巖、粉砂巖層，頂部為粉砂巖層，具水平層理或小型丘狀交錯層理；C.具波浪狀變形層構造的黃灰色泥質粉砂巖、粉砂巖組成，其上、下層為中薄層黃灰色粉砂巖、細砂巖層。Fig.7 The mode pattern of sedimentary environment and soft sediment deformation structures of the study area

對古代風暴浪作用引起的砂質沉積物的液化，特別是針對軟沉積物變形構造與風暴浪形成的循環作用之間關系的研究不多。Marteletal.[25]指出，加拿大泥盆紀—石炭紀湖相泥質沉積物中粗碎屑墻的形成與風暴作用的循環載荷、微震動以及超荷有關。Molinaetal.[26]研究了由風暴浪所形成的淺海軟沉積物變形構造。Okusa[27]認為，沉積物中有效應力及孔隙壓力受控于沉積物特征(密度、孔隙度、滲透率以及壓縮率)和波浪特征(周期、波長、波高)。風暴的循環效應作用于海床，導致了海床沉積物的孔隙壓力增加，切變強度降低，使之液化發生變形。在風暴循環應力作用下，海床砂質沉積物的液化作用是一個普遍過程[28-30]，最易液化的條件是水深10～20 m，風暴浪高大于6 m[31]。一般，枕狀—橢球狀重荷變形構造多分布于碎屑巖中[31-32]。風暴浪循環作用對海床沉積物的影響在現代海洋工程實踐及海洋地質研究中受到廣泛的重視[27,33-36]。研究區早志留世發現各種軟沉積變形構造，雖然目前有學者將其歸為由于地震因素的影響而形成，然而，通過研究區野外調查，該區并沒有發現震積巖等與地震作用相關的直接證據，因此可以排除地震作用的影響。由于丘狀交錯層理是典型的風暴成因層理，因此風暴作用導致該區軟沉積變形構造發育的可能性更大。

Boucotetal.[37]根據顯生宙各時期敏感沉積物的數萬個資料點，再現了氣候敏感沉積物的分布規律，重建了自寒武紀至中新世共27幅全球古氣候帶分布圖(圖8)，其中華南板塊晚奧陶世—早志留世位于赤道附近，屬于熱帶—干旱帶古氣候。晚奧陶世(460～450 Ma)(桑比期—凱迪期)華南板塊向北偏移，并且在早凱迪階橫跨赤道[37-39]。詹仁斌等[40]在研究華南地區寶塔組灰巖時也證實了晚奧陶世華南板塊位于赤道附近，早志留世基本上與晚奧陶世大致相同。

現代赤道帶是世界生物多樣性的中心，如印尼的珊瑚礁(赤道附近10°)就明顯比澳大利亞大堡礁或者加勒比海珊瑚礁多樣化，也是強臺風集中發育的區域[41-43]。現代赤道帶的若干特點，如缺乏季節性和颶風可能會在巖石和化石中被記錄。美國國家海洋和大氣管理局對過去160年大西洋和東太平洋區域的颶風記錄表明，在赤道南北附近10°區域，由于相當弱的地球自轉偏向力，通常缺乏熱帶風暴和颶風，相反，在赤道附近10°～30°區域有強烈颶風發生[44](圖9)。杜遠生等[45],楊寶忠等[46]也證實現代風暴作用主要形成于赤道附近5°～20°的區域，影響范圍多在緯度5°～30°之間，少數達緯度40°。這說明研究區在早志留世為風暴多發區。另外，研究區軟沉積變形構造多與丘狀交錯層理相伴生，而丘狀交錯層理是風暴浪作用形成的典型沉積構造，間接地說明風暴作用對本區軟沉積變形構造的形成具有重要的貢獻。

通過對四川盆地南緣晚奧陶世—早志留世地層有機碳同位素研究，其觀音橋層有機碳同位素出現正漂移，主要因為當時處于冰期氣候變冷，大氣二氧化碳減少，這與奧陶紀末期生物滅絕事件相吻合。然而，其下志留統龍馬溪組下部地層中有機碳同位素存在明顯負漂移(圖10)。目前，顯生宙以來有機碳同位素的研究比較深入，通過δ13C變化可以指示地質歷史過程中大氣CO2的變化[47-50]。四川盆地南緣早志留世有機碳同位素的負漂移表明當時大氣二氧化碳含量增多，溫度升高，風暴、干旱等極端氣候事件在赤道附近的地區時有發生，這為本區風暴沉積及軟沉積變形構造的發育提供可能性。另外，張廷山等[51]在川西北地區早志留世地層中發現了風暴巖并討論了風暴巖的類型及其發育的沉積環境；白志強等[52]在米倉山南緣中志留世羅惹坪組頂部也發現了多套風暴沉積。這也為研究區早志留世風暴作用的存在提供了佐證。

圖8 晚奧陶世—早志留世華南板塊位置圖(據Boucot et al.[37])Fig.8 The south China plate location in Late Ordovician-Early Silurian(modified from Boucot, et al.[37])

圖9 現代颶風頻率和強度圖(據靳吉鎖等[44])H1～H5. 颶風等級；TS.熱帶風暴；TD.熱帶氣旋Fig.9 The frequency and intensity map of modern hurricane(modified from Jin et al.[44])

圖10 四川盆地南緣晚奧陶世—早志留世有機碳同位素特征Fig.10 The characteristics of the organic carbon isotopes on the southern margin of Sichuan Basin in Late Ordovician-Early Silurian

4 結論

(1) 米倉山前緣軟沉積物變形構造縱向上分布于龍馬溪組中上部及小河壩組底部，類型多樣。根據其形態特征及地層分布，主要可劃分出波浪狀變形層構造、包卷層理、枕狀(橢球狀)構造、火焰構造等。它們大小不一，并多與丘狀交錯層理相伴。根據軟沉積變形構造自下至上的縱向巖性及剖面結構組合將其分為三種類型：A.具丘狀交錯層理的細粉砂巖、粉砂巖層，向上變為具火焰構造的粉砂質泥巖、泥巖，具枕狀—橢球狀構造的細粉砂巖、粉砂巖層，頂部為有時具小型丘狀交錯層理的細粉砂巖層；B.具丘狀交錯層理的細粉砂巖、粉砂巖層，具包卷層理的細粉砂巖、粉砂巖層，頂部為粉砂巖層，具水平層理或小型丘狀交錯層理；C.具波浪狀變形層構造的黃灰色泥質粉砂巖、粉砂巖組成，其上、下層為中薄層黃灰色粉砂巖、細砂巖層。根據軟沉積變形構造巖性特征，結合區域沉積背景推測當時的沉積環境屬于中陸棚，其中A、B組合位于中陸棚下部環境，C組合位于中陸棚上部環境。

(2) 根據研究區古氣候、古板塊資料以及現代風暴研究成果，結合四川盆地南緣晚奧陶世—早志留世地層有機碳同位素研究，說明了當時研究區處于風暴頻發的熱帶、干旱帶地區，米倉山前緣軟沉積物變形構造為風暴作用所影響。另外，該區軟沉積變形構造的發現對早志留世古地理、古氣候的恢復，古揚子板塊的演化提供了材料。

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A Discussion on Deformation Structures of Early Silurian Soft Sediment and Its Trigger Mechanism in the front of Micangshan Mountain

ZHANG TingShan1,2，DU Xiang1,2，YANG Wei1,2，CHEN XiaoHui1,2

1. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China 2. School of Geoscience and Technology, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China

As we know, soft sediment deformation structures in the geological history can be found in different space-time sedimentary rocks, however, its deformation process, active force and trigger mechanism are still in dispute in academia. Through the observation on the field outcrops in the front of Micangshan, there develop multiple sets of soft sediment deformation structures in the sandstone, siltstone and shale strata in Early Silurian. The distribution of the layer is stable, and each stratum has different morphological characters. According to its morphological characteristics and stratigraphic distribution, it can be divided into wavy deformation structure, convolute bedding, pillow structure and flamy structure. What's more, they always accompany with hummocky cross-beddings. On the basis of the lithologic character and profile structure combination of the soft sediment deformation structures, they can be divided into three types, which all belong to the continental shelf sedimentary environments. Based on the characteristics of the soft sediment deformation structures and combined with the paleoclimate and paleo-plate materials, carbon isotope data, and modern hurricane research results, the study area is located in the north of the equator. There is hot and arid, and the storm occurs frequently. The soft sediment deformation structures of the research area are mainly the consequence of the storm. Unconsolidated sediments are oscillated and liquefied when the strong storm hit the bottom of the sea. The discovery and the trigger mechanism of the soft sediment deformation structures in the front of Micangshan has a great significance for studying the recovery of the paleoclimate and paleo-plate, and the evolution of ancient Yangtze plate.

soft sediment deformation structures; storm action; Early Silurian; the front of Micangshan

1000-0550(2017)02-0253-11

10.14027/j.cnki.cjxb.2017.02.005

2016-01-25； 收修改稿日期： 2016-05-04

國家自然科學基金項目(41272135)[Foundation: National Natural Science Foundation of China, No. 41272135]

張廷山，男，1961年出生，教授，沉積學與古生態學，E-mail: zts_3@126.com

P512.2

A