山東青島靈山島褶皺樣式及力學(xué)特征分析

摘要：靈山島褶皺構(gòu)造發(fā)育，類型表現(xiàn)出多種形式，其成因類型還存在爭論。通過地質(zhì)填圖工作，在對靈山島褶皺構(gòu)造要素進(jìn)行觀察、測量以及構(gòu)造應(yīng)力場分析的基礎(chǔ)上，討論了靈山島褶皺構(gòu)造的成因。靈山島褶皺樞紐產(chǎn)狀的一致性，共軛節(jié)理和褶皺軸面所反映的主應(yīng)力方向的一致性，大褶皺與小褶皺之間的幾何關(guān)系，明顯具有構(gòu)造成因的軸面劈理、窗棱構(gòu)造、布丁構(gòu)造等面理和線理構(gòu)造，這些特征反映了靈山島褶皺屬于構(gòu)造成因。綜合區(qū)域資料分析認(rèn)為，靈山島褶皺構(gòu)造是在NW-SE向擠壓構(gòu)造應(yīng)力場的作用下結(jié)果，是古太平洋板塊與亞洲陸緣俯沖碰撞的響應(yīng)。

關(guān)鍵詞：褶皺；構(gòu)造成因；應(yīng)力場；靈山島；山東青島

中圖分類號：P542+.2""" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A""" doi：10.12128/j.issn.16726979.2024.03.007

0 引言

靈山島位于山東青島市黃島區(qū)以東黃海海域，距離大陸最近距離約11km，面積約7.8km2。按照山東省大地構(gòu)造單元劃分，靈山島位于華北板塊與華南板塊碰撞造山帶：蘇魯造山帶內(nèi)部，周瑤琪等［1］、劉菲菲［2］將其所在位置及周邊海域附近發(fā)育中生代地層區(qū)域進(jìn)一步劃分為日青威盆地。靈山島上的地質(zhì)構(gòu)造尤其是褶皺構(gòu)造普遍發(fā)育，表現(xiàn)出多種多樣的形態(tài)，以其特殊的大地構(gòu)造位置和典型的地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象而備受地質(zhì)工作者的關(guān)注。而針對靈山島下白堊統(tǒng)中發(fā)育的褶皺構(gòu)造現(xiàn)象的成因還存在不同的認(rèn)識，學(xué)術(shù)觀點爭論的焦點主要集中在軟沉積物變形成因和區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場作用形成2種觀點。

呂洪波等［34］最早對靈山島下白堊統(tǒng)褶皺變形構(gòu)造進(jìn)行了研究，認(rèn)為靈山島碎屑巖屬于典型的深海—半深海沉積而非傳統(tǒng)的河湖相沉積，發(fā)育的褶皺變形構(gòu)造描述為同沉積滑塌（軟沉積變形）構(gòu)造。隨后，大批學(xué)者開始了關(guān)于靈山島褶皺變形構(gòu)造的成因討論。董曉朋等［5］、王安東等［6］、周雄杰［7］、周瑤琪等［89］、邵珠福等［10］、葛毓柱等［11］、孫福寧等［12］、梁釗等［13］、LIANG Z et al.［14］分別從變形特征、變形期次、沉積環(huán)境、觸發(fā)機(jī)制、成因等方面論述了靈山島下白堊統(tǒng)中的褶皺變形構(gòu)造屬于軟沉積物變形構(gòu)造。雖然李杰等［15］認(rèn)為靈山島褶皺變形是在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場作用下形成的，但仍然認(rèn)為這些褶皺變形屬于同沉積滑塌褶皺的軟沉積變形。張振凱等［16］、許克民等［17］通過斷裂、節(jié)理、褶皺、巖墻的構(gòu)造應(yīng)力場分析，認(rèn)為靈山島的褶皺變形是受后期區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場作用形成的。為了探討靈山島褶皺變形構(gòu)造的成因，筆者在靈山島地質(zhì)填圖工作的基礎(chǔ)上，通過對褶皺構(gòu)造要素的觀察、測量以及構(gòu)造應(yīng)力場的分析，提出關(guān)于靈山島褶皺變形構(gòu)造成因的認(rèn)識。

1 地質(zhì)背景

靈山島出露的地層自下而上分別為中生代早白堊世萊陽群楊家莊組和青山群八畝地組［1819］（圖1），二者為微角度不整合接觸［17］。楊家莊組主要巖性以灰黃色、灰綠色—深灰色薄層細(xì)砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、頁巖為主，夾少量中厚層礫巖、含礫砂巖、中細(xì)粒砂巖，偶見有黃色沉凝灰?guī)r，總體具有自下而上的由細(xì)至粗的旋回性變化，為淺湖—半深湖相、扇三角洲相［20］沉積，含有與膠萊盆地生物面貌相同的葉肢介、狼鰭魚、中村蚌及植物等化石。根據(jù)其中沉凝灰?guī)r夾層的年齡，地層形成時代為127.27Ma［17］，與膠萊盆地楊家莊組年齡大致相當(dāng)［21］。八畝地組主要巖性為灰—深灰色、紫灰色玄武粗安質(zhì)、粗安質(zhì)集塊巖、集塊角礫巖、火山角礫巖，少量角礫凝灰?guī)r、氣孔—杏仁狀熔巖等火山巖，組成厚度不等的集塊巖—火山角礫巖—角礫凝灰?guī)r噴發(fā)韻律和集塊角礫巖、火山角礫巖—熔巖的爆發(fā)—噴溢韻律。

侵入巖以粗安斑巖、流紋斑巖等次火山巖為主，少量輝綠巖脈和煌斑巖巖床。粗安斑巖主要呈次火山巖巖株狀侵位于青山群八畝地組火山碎屑巖中，構(gòu)成火山噴發(fā)中心，被后期流紋斑巖、輝綠巖脈侵入。流紋斑巖呈巖床侵入萊陽群和青山群地層，局部可見切層現(xiàn)象，其形成時代為（119.2±2.2）Ma［8］。輝綠玢巖呈脈狀產(chǎn)出，產(chǎn)狀較陡至近直立，侵入萊陽群、青山群火山碎屑巖、次火山巖和流紋斑巖。

2 褶皺樣式

靈山島褶皺變形構(gòu)造發(fā)育于楊家莊組—八畝地組中，特別是由于海蝕作用，褶皺變形構(gòu)造在楊家莊組中出露現(xiàn)象更為清晰直觀。在手標(biāo)本和露頭尺度，發(fā)育多種樣式的褶皺構(gòu)造形式（圖2）。

按照褶皺軸面的產(chǎn)狀，靈山島上的褶皺類型包括直立褶皺（圖2a）、歪斜褶皺（圖2b）、倒轉(zhuǎn)褶皺（圖2c）、平臥褶皺（圖2d），軸面產(chǎn)狀變化較大。

根據(jù)組成褶皺的巖層厚度變化可分為：相似褶皺（圖2e）和平行褶皺（圖2f）。多數(shù)小型褶皺表現(xiàn)出相似褶皺的特征，而大型褶皺則表現(xiàn)出平行褶皺特征。

根據(jù)褶皺巖層兩翼夾角大小，萊陽群楊家莊地層所表現(xiàn)出來的褶皺變形以緊閉—同斜褶皺為主（圖2d、e），開闊、中常褶皺少見（圖2g）。

按照巖層的彎曲形態(tài)，所觀察的褶皺多表現(xiàn)出圓弧褶皺特征（圖2e），偶見箱狀褶皺（圖2h）、扇形褶皺（圖2i）、尖棱褶皺、撓曲褶皺（圖2j）、鉤狀褶皺（圖2k）。

伴隨著褶皺的形成，常伴有斜切層理的剪切面（圖2o）的形成，同時還發(fā)育布丁構(gòu)造（圖2n）、褶紋線理、窗棱構(gòu)造（圖2m）等線理構(gòu)造，局部褶皺的軸面發(fā)育軸面劈理構(gòu)造（圖2 l）。

楊家莊組多表現(xiàn)為砂巖和粉砂巖、泥巖或頁巖互層或者砂巖呈夾層分布于粉砂巖、泥巖內(nèi)部，由于2種巖性層之間的能干性差異，往往導(dǎo)致砂巖之間的軟弱巖層表現(xiàn)出明顯的層間褶皺變形特征（圖3），因此褶皺現(xiàn)象特別發(fā)育。而在單一強(qiáng)硬巖層發(fā)育區(qū)，則僅表現(xiàn)出單一強(qiáng)硬層的彎曲褶皺現(xiàn)象（圖4）。圖3 能干性差異導(dǎo)致的層間褶皺（據(jù)參考文獻(xiàn)［22］）

由于楊家莊組強(qiáng)弱互層的碎屑巖組合與八畝地組不顯層理的火山巖之間能干性的差異，二者的褶皺變形型式有較大變化。青山群褶皺總體表現(xiàn)為寬緩的褶皺形態(tài)，這根據(jù)不整合界面的產(chǎn)狀可以判斷出來。在區(qū)域上，根據(jù)地層疊置關(guān)系、地層產(chǎn)狀等，繪制的圖切剖面可以發(fā)現(xiàn)靈山島上地層整體上構(gòu)成了NE向展布的大型背向斜構(gòu)造（圖5）。

3 構(gòu)造應(yīng)力分析

軟沉積物變形構(gòu)造是指沉積物沉積之后、固結(jié)之前尚處于塑性狀態(tài)時，在液化作用和各種驅(qū)動力作用下發(fā)生不同程度變形的一系列構(gòu)造［12］。軟沉積變形常局限于一定層位或一定巖層中［24］，上下均為不變形層。呂洪波等［25］提出軟沉積變形構(gòu)造與后期構(gòu)造形成的變形構(gòu)造的識別：一是軟沉積物變形構(gòu)造局限于特定的與構(gòu)造褶皺無關(guān)的沉積地層，而構(gòu)造形成的變形構(gòu)造會涉及不同的地層。二是軟沉積變形構(gòu)造分布是不均勻的，并且沒有明顯的統(tǒng)一構(gòu)造方向，而構(gòu)造成因的變形構(gòu)造是在特定構(gòu)造應(yīng)力場作用下形成的，具有統(tǒng)一的構(gòu)造方向。

3.1 小褶皺軸跡產(chǎn)狀的一致性

楊家莊組內(nèi)部褶皺構(gòu)造發(fā)育，對其中可以直接進(jìn)行產(chǎn)狀測量的小褶皺樞紐進(jìn)行測量，統(tǒng)計104個露頭尺度的小褶皺的樞紐產(chǎn)狀，極密圖整體上表現(xiàn)出樞紐具有統(tǒng)一的傾伏向和傾伏角，樞紐的極密產(chǎn)狀20°∠15°（圖6）。這種統(tǒng)一的樞紐產(chǎn)狀，反映了具有明顯受后期統(tǒng)一的構(gòu)造應(yīng)力場作用的結(jié)果。

3.2 小褶皺與大褶皺關(guān)系

通過露頭尺度觀察，小褶皺與大褶皺具有統(tǒng)一的幾何關(guān)系，在大褶皺的翼部的不對稱小褶皺呈“S”型和“Z”型，在大褶皺的轉(zhuǎn)折端的小褶皺呈“M”型，并且符合縱彎褶皺作用形成的次級褶皺軸面與層面之間的銳夾角指示相鄰層的運(yùn)動方向（圖7）［22］的特點，這反映了大褶皺派生的次級褶皺是在統(tǒng)一的構(gòu)造應(yīng)力場作用下形成的。

3.3 共軛節(jié)理反映的構(gòu)造應(yīng)力場

節(jié)理的產(chǎn)狀測量表明，靈山島楊家莊組碎屑巖和八畝地組火山巖、次火山巖中的節(jié)理構(gòu)造主要為 NE、NW向，但是在局部多以單一方向的節(jié)理構(gòu)造發(fā)育為特征。對老虎嘴、千層崖、羊礁洞、船廠、溝南崖幾處共軛節(jié)理進(jìn)行統(tǒng)計分析，最大主壓應(yīng)力的方向均表現(xiàn)出NE—SW方向（表1），這與通過千層崖褶皺軸面分析的結(jié)果是一致的。

對其中最能代表區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場特征的千層崖剖面（圖8）的褶皺進(jìn)行軸面分析，軸面產(chǎn)狀為305°∠72°，293°∠51°，反映了縱彎褶皺作用主壓應(yīng)力的方向約為300°。

3.4 具有構(gòu)造成因特征的現(xiàn)象

3.4.1 軸面劈理

在一些小褶皺中，性質(zhì)較軟的粉砂質(zhì)泥巖內(nèi)部發(fā)育明顯的劈理構(gòu)造，而在強(qiáng)硬的砂巖內(nèi)部則發(fā)育與前者劈理產(chǎn)狀一致的節(jié)理構(gòu)造（圖2 l）。軸面劈理是典型的擠壓應(yīng)變面，它與最大主壓應(yīng)力方向垂直。

3.4.2 剪切面

在強(qiáng)變形層底部所發(fā)育的“滑移面”具有明顯的剪切作用特征，往往切割層理（圖2o），這明顯是在后期構(gòu)造作用下形成的，并且在滑移面之下的“未變形層”，其實也是發(fā)育著變形構(gòu)造，只是由于剪切面上下不同巖性能干性的差異，表現(xiàn)出不同的構(gòu)造樣式。靈山島上整個楊家莊組的產(chǎn)狀都存在變化，包括山頂?shù)臍庀笳靖浇牡貙樱从沉诉@種褶皺成因更應(yīng)該是構(gòu)造作用形成的涉及整個楊家莊組的結(jié)果。

3.4.3 布丁構(gòu)造

在楊家莊組中發(fā)育較多的布丁構(gòu)造，這些布丁構(gòu)造表現(xiàn)為2種不同的成因，一種是在剪切作用下，形成了類似多米諾骨牌式排列的布丁（圖9a）；另一種是在強(qiáng)烈褶皺變形巖層中，由于砂巖能干性強(qiáng)，造成砂巖的拉斷形成了透鏡狀或者鉤狀的布丁（圖9b），均是在擠壓—剪切力偶的作用下的結(jié)果。

褶皺變形過程中所伴生的次級褶皺、軸面劈理、共軛節(jié)理、剪切面、窗欞構(gòu)造、布丁構(gòu)造等面理、線理構(gòu)造反映了區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場作用的結(jié)果，其形成機(jī)制、運(yùn)動學(xué)方向，表明其形成于統(tǒng)一的構(gòu)造應(yīng)力場。

4 討論

根據(jù)青山群火山巖和明顯切穿褶皺變形構(gòu)造的輝綠巖脈的形成時代可以限制褶皺變形的時代。周騰飛等［26］對靈山島上的青山群的粗面安山巖進(jìn)行鋯石LAICPMS測年，年齡為（119.8±4.9）Ma和（119.6±2.6）Ma。敖文昊等［27］對切穿褶皺變形構(gòu)造的輝綠巖脈進(jìn)行鋯石UPb測年，其中最年輕的鋯石年齡為（109±3）Ma。基性巖由于Zr含量普遍較低，導(dǎo)致鋯石含量很少，因此挑選的鋯石可能為巖漿從圍巖中捕獲的鋯石［28］。結(jié)合膠萊盆地普遍發(fā)育的火山巖形成年齡，輝綠巖脈的形成年齡可能與王氏群基性火山巖年齡一致（73Ma左右）［29］。這表明靈山島褶皺變形的時代可能形成于早白堊世末期至晚白堊世初期，這段時間膠萊盆地及鄰區(qū)遭受了NW—SE向擠壓，是古太平洋板塊與亞洲陸緣俯沖碰撞的響應(yīng)［30］。

在NW-SE向擠壓構(gòu)造應(yīng)力場的作用下，地層內(nèi)部發(fā)育共軛剪節(jié)理（圖10a），進(jìn)而形成褶皺構(gòu)造（圖10b），總體表現(xiàn)為一系列NE向展布的背斜和向斜。同時，由于楊家莊組碎屑巖組合之間及其與八畝地組火山巖之間的能干性的差異，以及巖漿作用［31］，導(dǎo)致褶皺變形型式和強(qiáng)度有較大差異；后期由于幔源巖漿的上侵，利用共軛剪節(jié)理形成追蹤張節(jié)理充填了輝綠巖脈（圖10c），最終，由于巖性抗風(fēng)化剝蝕程度的不同形成了目前“向斜成谷背斜成山的地貌”（圖10d）。

a—地層內(nèi)部發(fā)育共軛剪節(jié)理；b—應(yīng)力作用下進(jìn)一步形成褶皺構(gòu)造；c—沿追蹤張節(jié)理充填輝綠巖脈；d—最終形成向斜成谷背斜成山的地貌。1—萊陽群；2—青山群；3—輝綠巖脈；4—地層中褶皺；5—張性斷裂；6—剪節(jié)理；7—應(yīng)力方向；8—運(yùn)動方向。圖10 靈山島地質(zhì)構(gòu)造形成過程示意圖

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Analysis on Fold Style and Mechanical Characteristics of Lingshan Island in Qingdao City in Shandong Province

WANG Youping， WANG Lijuan， ZHU Xueqiang， XU Kemin， XU Lixianyang， QIN Jie， DAI Guangkai

（Shandong Institute of Geological Surveying， Shandong Ji'nan 250014， China）

Abstract： The fold tectonics in Lingshan island is developed and the types show various forms. Its origin type is still debated. Through geological mapping， based on the observation ， measurement and analysis of of fold structural elements in Lingshan island ， the origin of the fold structures in Lingshan Island has been discussed. The consistency of the occurrence of the folding hub in Lingshan Island， the consistency of the principal stress direction reflected by conjugate joints and folding axial planes， the geometric relationship between large and small folds， and the obvious structural origin of axial plane cleavage， window edge structure， pudding structure and other planar and linear structures reflect that Lingshan island folds belong to structural origin. Based on comprehensive regional data analysis， it is believed that the folding structure of Lingshan island is the result of compression tectonic stress field with the trend of NW—SE. It is a response to the subduction collision between the ancient Pacific plate and the Asian continental margin.

Key words： Fold； tectonic origin；stress field；Lingshan island；Qingdao city