靈山島下白堊統(tǒng)軟沉積物變形構(gòu)造類型劃分及其地質(zhì)意義

孫福寧，楊仁超，樊愛萍，尤靖茜

1.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210023 2.山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266590 3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司數(shù)字化與信息管理部，西安 710021

0 引言

軟沉積物變形構(gòu)造作為一種特殊的沉積構(gòu)造類型引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，并就其形態(tài)特征[1-2]、成因機(jī)制[3-5]、分類方案[1,6-7]等方面展開了深入研究。地震固然是引起軟沉積物發(fā)生變形的一種重要因素[4-16]、但風(fēng)暴[17-18]、海嘯[19-21]、滑塌[22-26]、火山活動(dòng)[27]、冰凍或冰融[28-30]、沉積物快速堆積[31]、地外天體撞擊[32]等也是不容忽略的成因[7-8,11,33-35]。由于不同事件可誘發(fā)相同的變形類型，故按照誘發(fā)事件的分類方案在同種事件中較為適用，而在具有“多成因、同現(xiàn)象”的變形中，難以區(qū)分其真正的成因，故基于觸發(fā)機(jī)制的分類常具有較大的局限性。

Owenetal.[36]指出軟沉積物變形構(gòu)造的形成必須同時(shí)滿足三個(gè)條件：驅(qū)動(dòng)力改變沉積物的原始沉積特征；變形機(jī)制使得沉積物處于可變形狀態(tài)；觸發(fā)機(jī)制引發(fā)大多數(shù)變形機(jī)制的發(fā)生。驅(qū)動(dòng)力直接作用于軟沉積物，驅(qū)動(dòng)力的種類、大小、作用方式和持續(xù)時(shí)間是影響軟沉積物變形構(gòu)造類型、形態(tài)和規(guī)模的重要因素，驅(qū)動(dòng)力的研究對(duì)軟沉積物變形構(gòu)造的野外識(shí)別、形成環(huán)境和成因機(jī)理的分析判定等具有重要意義。因此，本文結(jié)合靈山島下白堊統(tǒng)軟沉積物變形構(gòu)造發(fā)育情況，探討了基于驅(qū)動(dòng)力的軟沉積物變形構(gòu)造分類方案，以期為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供參考。

1 軟沉積物變形構(gòu)造研究背景和現(xiàn)狀

軟沉積物變形構(gòu)造(soft-sediment deformation structures)是沉積物沉積之后、固結(jié)成巖之前尚處于塑性狀態(tài)時(shí)，在液化作用和各種驅(qū)動(dòng)力作用下發(fā)生不同程度變形的一系列構(gòu)造。觸發(fā)軟沉積物發(fā)生變形的事件有很多，例如地震、風(fēng)暴、海嘯、重力滑塌、流體作用、火山活動(dòng)、沉積物快速堆積等都可以引起未固結(jié)沉積物發(fā)生液化和變形，并在成巖和后生作用過(guò)程中得以保存，形成地層中常見的軟沉積物變形構(gòu)造。地震是引起軟沉積物發(fā)生變形的一種最常見的觸發(fā)機(jī)制。早在19世紀(jì)中葉，就有對(duì)軟沉積物變形構(gòu)造研究的相關(guān)記載[37]。1969年，Seilacher[38]將未固結(jié)的軟沉積物被地震改造之后的再沉積層定義為地震巖(seismites)，開啟了軟沉積物變形構(gòu)造研究的新篇章。此后，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)軟沉積物變形構(gòu)造的研究逐漸成為地質(zhì)學(xué)科的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一，并在形態(tài)特征、成因機(jī)制、種類劃分、實(shí)驗(yàn)?zāi)M等方面做了大量工作，并取得了很多重要成果[1-37,39-46]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者越來(lái)越注重軟沉積物變形構(gòu)造的多成因性，闡述了“seismites”和“soft-sediment deformation structures”之間的聯(lián)系和區(qū)別[4,16,34-35,44-45]。2016年9月24日，第14屆全國(guó)古地理學(xué)及沉積學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議召開了“多成因的軟沉積物變形構(gòu)造及地震巖”專題研討會(huì)，對(duì)軟沉積物變形構(gòu)造、地震巖、震積巖等問(wèn)題進(jìn)行了討論和爭(zhēng)鳴[45]。不可否認(rèn)的是，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)軟沉積物變形構(gòu)造的地震解釋有一種擴(kuò)大的趨勢(shì)[34,45]。地震巖中的變形構(gòu)造不全是軟沉積物變形構(gòu)造，軟沉積物變形構(gòu)造也并非全部由地震形成的。

地層中往往發(fā)育有不同尺度、不同形態(tài)、不同期次、不同成因的軟沉積物變形構(gòu)造，對(duì)其系統(tǒng)描述和分類無(wú)疑是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)?，F(xiàn)有的分類主要是依據(jù)軟沉積物變形構(gòu)造的形態(tài)特征、形成機(jī)理或成因，或結(jié)合形態(tài)和成因?qū)ζ溥M(jìn)行綜合分類[46]，而對(duì)直接作用于軟沉積物的驅(qū)動(dòng)力的關(guān)注較少。引起軟沉積物發(fā)生變形的最直接因素是各種驅(qū)動(dòng)力，因此，從驅(qū)動(dòng)力角度對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)劃分具有科學(xué)性、適用性和可行性。

2 地質(zhì)概況

靈山島位于山東省青島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)黃海近海海域，距離最近的陸地大珠山約9.8 km，距離積米崖港約16.7 km，島型狹長(zhǎng)，南寬北窄，面積約7.66 km2，島內(nèi)最高峰歪頭頂海拔513.6 m(圖1)。欒光忠等[47]將其成島類型歸為構(gòu)造掀斜型。從大地構(gòu)造位置上看，靈山島位于靈山島凹陷內(nèi)，西北方向因膠南隆起與膠萊盆地相隔，東南方向?yàn)榍Ю飵r隆起，正好處于蘇魯造山帶的中部地帶，受揚(yáng)子板塊與華北板塊碰撞控制，多條區(qū)域性斷層也呈NE—SW向平行展布，大地構(gòu)造位置十分關(guān)鍵(圖1a)。

圖1 靈山島區(qū)域地質(zhì)(a.據(jù)文獻(xiàn)[51]修改)與地質(zhì)簡(jiǎn)圖(b.據(jù)文獻(xiàn)[47]修改和Google Earth)Fig.1 Location and simplified geologic map of Lingshan Island(a. modified from reference [51]; b. modified from reference [47] and Google Earth)

山東省第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘察院[48]和欒光忠等[47]認(rèn)為靈山島出露兩套地層：上部的青山群(K1q)八畝地組火山巖不整合于下部的萊陽(yáng)群(K1l)法家塋組沉積巖之上(圖1b)，是膠萊盆地陸相沉積在盆地邊緣的露頭。呂洪波等[22,49]認(rèn)為下部的沉積巖實(shí)為一套海相復(fù)理石沉積，張海春等[50]為此建立了一新的巖石地層單位——靈山島組，是與膠萊盆地中廣泛分布的下白堊統(tǒng)萊陽(yáng)群法家塋組同期異相的地層。對(duì)靈山島老虎嘴處流紋巖進(jìn)行LA-ICP-MS測(cè)年，獲得鋯石U-Pb年齡為119.2±2.2 Ma，地質(zhì)時(shí)代為早白堊世[51]。流紋巖之下的沉積層是本文研究的目的層位，其中發(fā)育有多種類型的軟沉積物變形構(gòu)造。

3 驅(qū)動(dòng)力分類原則和分類方案

Owenetal.[36]認(rèn)為引起軟沉積物發(fā)生變形的驅(qū)動(dòng)力主要包括五種類型：1)斜坡上的重力；2)不規(guī)則地形引起的不均勻負(fù)載；3)密度倒置引起的重力不穩(wěn)定；4)水或其他流體產(chǎn)生的剪切力；5)生物和化學(xué)因素。在相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研基礎(chǔ)上，結(jié)合靈山島下白堊統(tǒng)軟沉積物變形構(gòu)造野外觀察資料，并參考前人的分類方案，借鑒其中的部分方法與思路，本文提出了一個(gè)基于驅(qū)動(dòng)力的軟沉積物變形構(gòu)造分類方案(表1)。分類的基本原則是：1)以形態(tài)特征為基礎(chǔ)，以驅(qū)動(dòng)力為分類依據(jù)；2)多種驅(qū)動(dòng)力共同作用時(shí)，取最主要的、最能反映其形態(tài)特征的驅(qū)動(dòng)力作為分類依據(jù)；3)當(dāng)有應(yīng)力作用時(shí)，首先根據(jù)驅(qū)動(dòng)力劃分至大類，再根據(jù)應(yīng)力類型劃分至亞類；4)考慮形態(tài)特征，對(duì)由相似作用力而具有不同形態(tài)的類型予以區(qū)分，以便于在野外進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別；5)盡量沿用現(xiàn)有且最流行的沉積學(xué)術(shù)語(yǔ)，并對(duì)同種現(xiàn)象、不同說(shuō)法的變形類型進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)；6)在科學(xué)與系統(tǒng)分類基礎(chǔ)上，避免繁瑣，能簡(jiǎn)不繁。

根據(jù)以上原則，將靈山島下白堊統(tǒng)軟沉積物變形構(gòu)造劃分為斜坡上的重力驅(qū)動(dòng)、密度倒置條件下的重力驅(qū)動(dòng)、孔隙流體作用下的剪切力驅(qū)動(dòng)等三種類型。此外，靈山島下白堊統(tǒng)發(fā)育有多套重力滑塌體，其內(nèi)部軟沉積物變形構(gòu)造復(fù)雜多樣。滑塌體及其相關(guān)的軟沉積物變形構(gòu)造形成于斜坡環(huán)境，整體受重力驅(qū)動(dòng)，但滑塌體內(nèi)部的在滑塌過(guò)程中形成的軟沉積物變形構(gòu)造的類型、形態(tài)等受重力影響有限。在綜合分析滑塌體內(nèi)部軟沉積物變形構(gòu)造發(fā)育情況和分布特征等基礎(chǔ)上，認(rèn)為在滑塌過(guò)程中形成的軟沉積物變形構(gòu)造與沉積物在滑塌過(guò)程中所遭受的應(yīng)力狀態(tài)有著直接關(guān)系，故根據(jù)其形成時(shí)所遭受的應(yīng)力類型，將斜坡上重力驅(qū)動(dòng)的(滑塌引起的)軟沉積物變形構(gòu)造進(jìn)一步分為擠壓型、拉伸型和剪切型等三個(gè)亞類。

4 基本類型和特征

靈山島下白堊統(tǒng)沉積巖中發(fā)育有多尺度、多形態(tài)、多層位、多期次、多成因的軟沉積物變形構(gòu)造，本文在詳細(xì)的野外考察和室內(nèi)研究基礎(chǔ)上，共識(shí)別和劃分出斜坡上的重力驅(qū)動(dòng)、密度倒置條件下的重力驅(qū)動(dòng)和孔隙流體作用下的剪切力驅(qū)動(dòng)等三大類10余種軟沉積物變形構(gòu)造，現(xiàn)將其主要類型介紹如下：

4.1 斜坡上的重力驅(qū)動(dòng)

斜坡環(huán)境的沉積物在某種觸發(fā)機(jī)制的作用下發(fā)生滑塌，產(chǎn)生一系列的軟沉積物變形構(gòu)造[25,52-53]。沉積物沿斜坡向下滑動(dòng)過(guò)程中整體受重力驅(qū)動(dòng)，與滑塌相關(guān)的軟沉積物變形構(gòu)造(褶皺、斷層等)也均受重力驅(qū)動(dòng)，并且被認(rèn)為能夠很好地體現(xiàn)古斜坡的方位[52]。重力作為該類軟沉積物變形構(gòu)造的驅(qū)動(dòng)力，對(duì)整個(gè)滑塌體及其滑塌引起的軟沉積物變形構(gòu)造具有控制作用，但對(duì)其具體類型和形態(tài)等影響有限。影響斜坡上重力驅(qū)動(dòng)的軟沉積物變形構(gòu)造的最直接因素是沉積物在滑塌過(guò)程中所遭受的各種應(yīng)力。

表1靈山島下白堊統(tǒng)基于驅(qū)動(dòng)力的軟沉積物變形構(gòu)造分類方案

Table1Classificationofsoft-sedimentdeformationstructuresbasedondrivingforcesofLowerCretaceousinLingshanIsland

滑塌體內(nèi)部在滑塌過(guò)程中的應(yīng)力狀態(tài)非常復(fù)雜，并在各種應(yīng)力作用下形成了多種類型的軟沉積物變形構(gòu)造。其中，船廠剖面滑塌體及其內(nèi)部的軟沉積物變形構(gòu)造最為發(fā)育，既包括滑塌過(guò)程中形成的軟沉積物變形構(gòu)造，也包括滑塌前形成的軟沉積物變形構(gòu)造，前者即為斜坡上重力驅(qū)動(dòng)的軟沉積物變形構(gòu)造，后者包括密度倒置條件下重力驅(qū)動(dòng)的軟沉積物變形構(gòu)造和孔隙流體作用下剪切力驅(qū)動(dòng)的軟沉積物變形構(gòu)造。根據(jù)滑塌體內(nèi)部因滑塌引起的軟沉積物變形構(gòu)造形成時(shí)所遭受的應(yīng)力類型，將斜坡上重力驅(qū)動(dòng)的軟沉積物變形構(gòu)造進(jìn)一步分為擠壓型、拉伸型和剪切型等三個(gè)亞類。

4.1.1 擠壓型

(1) 同生逆斷層

斷層不限于固結(jié)巖層中，在飽和水的、未固結(jié)沉積物中也可發(fā)育[54]。在滑塌體中，當(dāng)沉積物沿斜坡下滑過(guò)程中，隨著坡度減緩，滑塌體前緣的沉積物遭受擠壓可形成同生逆斷層。圖2a中的同生逆斷層位于船廠剖面的滑塌體前緣，斷層面不明顯，傾角約20° 左右，平緩彎曲，切穿互層的薄層砂巖、泥巖。斷層面兩側(cè)沉積物牽引彎曲，形成牽引小褶曲。薄層砂巖破碎較為嚴(yán)重，砂質(zhì)團(tuán)塊多呈橢球形疊置狀分布；薄層泥巖連續(xù)性良好。該同生逆斷層顯然是沉積物沿斜坡向前滑動(dòng)過(guò)程中受阻擠壓形成的。

(2) 混雜的擠壓變形

滑塌體前緣以擠壓應(yīng)力為主，軟沉積物在擠壓應(yīng)力作用下，原始沉積物特征遭受破壞，表現(xiàn)為混雜變形的特征。圖2b中所示的混雜的擠壓變形位于船廠剖面滑塌體前緣，沉積物沿斜坡向前滑動(dòng)過(guò)程中遭受擠壓應(yīng)力，泥質(zhì)沉積物彎曲形成揉皺變形，紋層較為連續(xù)；砂質(zhì)沉積物發(fā)生擠壓形成砂質(zhì)團(tuán)塊和彎曲變形。其中，揉皺變形表現(xiàn)為極不協(xié)調(diào)狀；砂質(zhì)團(tuán)塊以球形、橢球形為主，被泥質(zhì)沉積物包圍。

4.1.2 拉伸型

(1) 同沉積布丁構(gòu)造

呂洪波等[22]最早將沉積巖中的布丁構(gòu)造命名為同沉積布丁構(gòu)造，常見于砂泥交互的薄層砂巖層中[22,53,55-56]。靈山島船廠剖面滑塌體中的同沉積布丁構(gòu)造最為典型。布丁構(gòu)造主要發(fā)育在滑塌體近底部的薄層砂巖中，在10～20 cm的中層砂巖中也偶有發(fā)育。砂巖層在順層拉伸力作用下表現(xiàn)為局部厚度減薄(圖3a)，進(jìn)而發(fā)育成布丁塊體，布丁塊體間為較薄的喉頸狀砂巖，連接處可見牽引的痕跡，表明為沉積物部分液化后的塑性變形(圖3b)；塑性的砂巖層進(jìn)一步在拉伸力作用下，布丁塊體完全分隔成紡錘形的砂質(zhì)團(tuán)塊，被泥質(zhì)沉積物完全包圍，一般呈群體出現(xiàn)(圖3c)。此處的布丁構(gòu)造是在滑塌體向前滑動(dòng)過(guò)程中砂巖層遭受拉伸所致，疊置狀的布丁塊體同時(shí)受到一定的剪切力作用。布丁塊體傾倒方向指示滑塌下坡方向，即塊體間同生微型正斷層的傾向指示滑塌源頭。圖3b中的布丁塊體間的微斷層傾向SE，表明沉積物由SE向NW方向滑塌。布丁塊體指示滑塌方向具有一定的局限性，滑塌方向只能代表所在層位的局部滑塌方向。

(2) 階梯狀斷層和多米諾骨牌構(gòu)造

階梯狀斷層[57-58]，又稱作粒序斷層[13]或韻律斷層[43]，是限于層內(nèi)發(fā)育的一組斷距很小的小型或微型正斷層[13,56,59]。階梯狀斷層的斷層面傾角往往較大，且呈階梯狀排列。圖3d中的階梯狀斷層位于船廠剖面滑塌體內(nèi)的濁積巖中，尺度很小，斷距約1 cm左右，斷層面傾角約40° 左右，切穿部分砂泥紋層，且限于巖層內(nèi)部發(fā)育。沉積物快速堆積，顆粒間含有大量的水和空隙，在滑塌過(guò)程中脫水收縮、差異下沉遭受拉伸所致。圖3e中的階梯狀斷層與多米諾骨牌構(gòu)造相伴生，砂巖層被完全拉斷，表現(xiàn)為一系列菱柱狀的呈疊瓦狀排列的塊體，中間被同生微型正斷層隔開，近于平行的多條正斷層呈階梯狀排列，傾角約45°左右。多米諾骨牌構(gòu)造可以與同沉積布丁構(gòu)造相伴生，但前者表現(xiàn)為一定的脆性變形，是較強(qiáng)硬砂層在受到強(qiáng)烈的順層拉伸作用下形成的。

圖2 斜坡上重力驅(qū)動(dòng)的擠壓型軟沉積物變形構(gòu)造a.同生逆斷層，鏡頭蓋：7 cm；b.混雜的擠壓變形，包括揉皺變形、砂質(zhì)團(tuán)塊等，鉛筆：8 cmFig.2 Soft-sediment deformation structures of compression types driven by gravity acting on slopes

圖3 斜坡上重力驅(qū)動(dòng)的拉伸型軟沉積物變形構(gòu)造a.厚度局部減薄的砂巖層，直尺：15 cm；b.同沉積布丁構(gòu)造，布丁塊體間以較薄的喉頸狀砂巖連接，直尺：10 cm；c.布丁塊體完全分隔成紡錘形的砂質(zhì)團(tuán)塊，硬幣：22.5 mm；d.階梯狀斷層，直尺：4 cm；e.階梯狀斷層和多米諾骨牌構(gòu)造，直尺：15 cm Fig.3 Soft-sediment deformation structures of tension types driven by gravity acting on slopes

4.1.3 剪切型

(1) 軟雙重構(gòu)造

軟雙重構(gòu)造[60]，又稱作同沉積雙重構(gòu)造[22,53]或滑疊構(gòu)造，是由一系列S形、Z形或板片狀砂泥巖相互疊置所形成的軟沉積物變形構(gòu)造[55]。逆沖塊體呈疊瓦狀排列，但與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)，屬于沉積成因，一般認(rèn)為是在水下滑塌體中遭受牽引剪切形成的[7,52]。圖4a中所示的軟雙重構(gòu)造位于船廠剖面滑塌體內(nèi)部，砂巖塊體以反S形呈疊瓦狀排列，厚不足15 cm，上下均為連續(xù)的層狀泥巖。軟雙重構(gòu)造的疊置關(guān)系可以反映局部的滑塌方向，該處表明滑塌由SE向NW方向。

圖4 斜坡上重力驅(qū)動(dòng)的剪切型軟沉積物變形構(gòu)造a.軟雙重構(gòu)造，直尺：13 cm；b.剪切褶皺與剪切斷裂，硬幣：22.5 mmFig.4 Soft-sediment deformation structures of shear types driven by gravity acting on slopes

(2) 剪切力作用的褶皺和斷裂

滑塌體內(nèi)部在剪切力作用下形成的褶皺和斷裂現(xiàn)象非常常見。沉積層沿斜坡向下滑動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)相鄰層具有不同的滑動(dòng)速度時(shí)，沉積物就會(huì)遭受剪切力作用，當(dāng)剪切力大于沉積層的屈服強(qiáng)度時(shí)就會(huì)發(fā)生斷裂或褶皺變形。由于沉積物尚未完全固結(jié)，變形中可見塑性牽引的痕跡。圖4b位于船廠剖面的滑塌體內(nèi)部，極薄層的砂泥層在剪切應(yīng)力作用下形成若干相互疊置的平臥褶皺，局部紋層被剪切錯(cuò)斷。滑塌體內(nèi)部發(fā)育有大量的次級(jí)褶皺，多為水平褶皺和斜歪褶皺，形態(tài)多樣，尺度不一，多是沉積物在滑塌過(guò)程中受到局部剪切應(yīng)力作用下形成的。

4.2 密度倒置條件下的重力驅(qū)動(dòng)

所謂密度倒置條件下重力驅(qū)動(dòng)的軟沉積物變形構(gòu)造，就是以沉積物密度倒置為前提條件[4-5,15,31,39,61-62]，即密度大的粗粒沉積物在上，密度小的細(xì)粒沉積物在下(例如，砂級(jí)沉積物在上，粉砂級(jí)沉積物在下；砂質(zhì)沉積物在上，泥質(zhì)沉積物在下)，由于強(qiáng)烈震動(dòng)，未固結(jié)的、飽和水的砂質(zhì)沉積物會(huì)發(fā)生不同程度的液化作用(liquefaction)[13,32,39,61-62]，使得沉積物孔隙流體壓力增加，顆粒重量被轉(zhuǎn)移到孔隙流體壓力之上，導(dǎo)致沉積物強(qiáng)度變低，上覆沉積物因重力作用而下沉、變形，主要是發(fā)生垂向上的運(yùn)動(dòng)。該類軟沉積物變形構(gòu)造在靈山島下白堊統(tǒng)分布十分廣泛，主要包括負(fù)載構(gòu)造、火焰構(gòu)造和球—枕構(gòu)造等。

4.2.1 負(fù)載構(gòu)造和火焰構(gòu)造

上下密度倒置的軟沉積物在液化后強(qiáng)度降低，上覆密度大的沉積物在重力驅(qū)動(dòng)下發(fā)生下沉形成負(fù)載構(gòu)造，下伏密度小的沉積物向上擠入形成火焰構(gòu)造[11,15,20,31,39,61-63]，負(fù)載構(gòu)造和火焰構(gòu)造通常伴生在一起，其中，砂質(zhì)下沉形成的負(fù)載構(gòu)造和泥質(zhì)向上擠入形成的火焰構(gòu)造最為常見。負(fù)載構(gòu)造和火焰構(gòu)造在靈山島多個(gè)剖面中的多個(gè)層位均有發(fā)育，一般規(guī)模較小，多為中—細(xì)砂下沉、泥質(zhì)沉積物向上擠入形成的。同一層位的負(fù)載構(gòu)造和火焰狀構(gòu)造形態(tài)相似，規(guī)模相近，側(cè)向連續(xù)性較好，在層內(nèi)連續(xù)分布；不同層位的負(fù)載構(gòu)造和火焰狀構(gòu)造形態(tài)、規(guī)?？上嗖钶^大(圖5a, b)。

圖5 密度倒置條件下重力驅(qū)動(dòng)的軟沉積物變形構(gòu)造a.負(fù)載構(gòu)造和火焰構(gòu)造，火焰狀的泥質(zhì)向上擠入并刺穿上覆砂巖層，硬幣：22.5 mm；b.負(fù)載構(gòu)造和火焰構(gòu)造，負(fù)載體漸與母巖層分隔，硬幣：22.5 mm；c.球—枕構(gòu)造，中砂下沉至細(xì)砂沉積物中所致，位于滑塌褶皺上翼，圖片旋轉(zhuǎn)了180°，硬幣：22.5 mm；d.不對(duì)稱球—枕構(gòu)造，中砂下沉至細(xì)砂中所致，位于滑塌褶皺下翼，硬幣：22.5 mmFig.5 Soft-sediment deformation structures of driven by gravity due to a reverse density gradient

4.2.2 球—枕構(gòu)造

負(fù)載體進(jìn)一步下沉，形成具有同心紋層的球狀體或枕狀體，即球—枕構(gòu)造[9,13,32,39,62,64]。Morretietal.[9]通過(guò)野外測(cè)量和統(tǒng)計(jì)，認(rèn)為球—枕構(gòu)造的形狀與負(fù)載體的沉降深度有關(guān)，即深度越大，形狀更扁。球—枕構(gòu)造一般不會(huì)單獨(dú)出現(xiàn)，而是平行于層面成組、成群出現(xiàn)。圖5c, d所示的球—枕構(gòu)造規(guī)模均較小，沿長(zhǎng)軸方向順層展布，且大致下降到同一深度，是中砂下沉到細(xì)砂中形成的，分別位于滑塌褶皺的上翼和下翼，均是在滑塌前就已經(jīng)形成，滑塌只是改變了其產(chǎn)狀，但并未對(duì)其形成過(guò)程和具體形態(tài)產(chǎn)生較大影響。圖5c所示的球—枕構(gòu)造近于對(duì)稱狀，多呈圓球形，上覆母巖層底部可見砂質(zhì)負(fù)載體。圖5d所示的球—枕構(gòu)造呈不對(duì)稱狀，邊部可見牽引拉長(zhǎng)的痕跡，多呈橢球形。

4.3 孔隙流體作用下的剪切力驅(qū)動(dòng)

孔隙流體流經(jīng)粒間孔隙時(shí)產(chǎn)生向上的剪切力可以抵消顆粒的重量，使沉積物暫時(shí)處于弱化狀態(tài)，該過(guò)程沉積物發(fā)生流體化作用(fluidization)[7,36,39,65]。流體化作用使沉積物處于可流動(dòng)狀態(tài)，形成的軟沉積物變形構(gòu)造一般具有一定的方向性，是沉積物流動(dòng)的反映。該類型的軟沉積物變形構(gòu)造主要發(fā)生在泥質(zhì)巖層所夾的砂質(zhì)巖層中[14]，其驅(qū)動(dòng)力是沉積物孔隙流體作用下的剪切力。

4.3.1 底劈構(gòu)造

下部砂質(zhì)沉積物在強(qiáng)烈震動(dòng)下發(fā)生流體化作用，沉積物向上流動(dòng)并彎曲變形；上覆具有觸變特性的泥質(zhì)沉積物只是受到下部砂質(zhì)層的壓力而向上穹凸，而未被穿透，這種構(gòu)造稱為底辟構(gòu)造[12-13,66]，一般呈錐形、蘑菇形、柱形、穹形、三角形等形態(tài)[13]。燈塔剖面多個(gè)底劈構(gòu)造沿同一層位成組出現(xiàn)。圖6a所示的底劈構(gòu)造呈三角形，規(guī)模不大，長(zhǎng)40 cm左右，最大高度約22 cm左右，下部為未變形的互層的薄層砂泥巖，中部為彎曲的薄層細(xì)砂巖構(gòu)成的三角形，上部為穹凸的薄層泥巖。

4.3.2 泄水構(gòu)造

當(dāng)沉積物中的孔隙水壓力超過(guò)圍巖承受力時(shí)[15,55,67-68]，孔隙水向上泄出并引起顆粒的重新排列[64,68]，形成泄水構(gòu)造，多發(fā)生在富含水的砂質(zhì)沉積物中。有時(shí)紋層受到向上排出水的牽引而彎曲變形，剖面上呈現(xiàn)向形，又被稱作碟狀構(gòu)造[12-13,36,40]。泄水構(gòu)造可表現(xiàn)為火焰狀、漏斗狀和脈狀等不同的形態(tài)。圖6b所示的泄水構(gòu)造發(fā)育在船廠剖面濁積巖內(nèi)部，形成于滑塌之前，呈三角形，似火焰狀，規(guī)模較小，最高處不足3 cm。濁流攜帶的沉積物快速堆積，沉積物松散而富含水分，在震動(dòng)下發(fā)生流體化作用，孔隙流體向上逃逸牽引砂質(zhì)和泥質(zhì)紋層向上彎曲，呈現(xiàn)向形。

圖6 孔隙流體作用下剪切力驅(qū)動(dòng)的軟沉積物變形構(gòu)造a.底劈構(gòu)造，直尺：13.5 cm；b.泄水構(gòu)造(泄水嘴)，直尺：5 cm(據(jù)文獻(xiàn)[56])；c.包卷層理，直尺：15 cm；d.砂巖脈，直尺：5 cmFig.6 Soft-sediment deformation structures driven by shear due to pore fluid

4.3.3 包卷層理

包卷層理[36,42,69-70]，也有人把它稱作震褶層[11,13,33,64,66]、微褶皺紋理[42]或包卷褶皺[71]等，是發(fā)生流體化作用的沉積物在層內(nèi)流動(dòng)產(chǎn)生的小褶皺或微褶皺。圖6c所示的包卷層理位于碼頭南側(cè)，變形層分布穩(wěn)定，延伸較遠(yuǎn)，上下巖層均未變形，毫米級(jí)厚的砂質(zhì)沉積物紋層彎曲成一系列規(guī)模相近的規(guī)則褶曲形態(tài)，紋層連續(xù)彎曲而未有錯(cuò)斷。單個(gè)褶曲寬8～12 cm，高5 cm左右，具緊閉的背斜和寬緩的向斜；多個(gè)褶曲間彼此相連，緊密發(fā)育，是沉積物發(fā)生流體化作用后，在孔隙水剪切力作用下卷曲變形而成。

4.3.4 砂巖脈

沉積物(通常為砂質(zhì)、泥質(zhì)或碳酸鹽類)發(fā)生流體化作用之后常具有流動(dòng)的特征，可充填先前形成的裂隙[8,11,13]、注入或刺穿其他層位[22,32,66]形成液化脈。根據(jù)成分，液化脈又可分為砂巖脈、泥巖脈和泥晶脈[8,13,22,32,42]。圖6d所示的砂巖脈發(fā)育在船廠剖面滑塌體下部的正常沉積層中，呈直帶狀，長(zhǎng)可達(dá)數(shù)十厘米，寬不足1 cm。砂巖脈形態(tài)受裂隙控制，表明形成時(shí)泥質(zhì)沉積物已固結(jié)，并產(chǎn)生裂隙，是流體化的砂質(zhì)沉積物后期沿該裂隙充填形成的。

5 地質(zhì)意義

作為一種常見的沉積構(gòu)造，軟沉積物變形構(gòu)造的研究是近年來(lái)沉積構(gòu)造研究中最為活躍和熱門的內(nèi)容之一[69]，也取得了很多重要進(jìn)展，但引起軟沉積物發(fā)生變形的因素是復(fù)雜多樣的，對(duì)其形成機(jī)制和識(shí)別依據(jù)仍缺乏認(rèn)識(shí)。軟沉積物變形構(gòu)造多為事件作用的產(chǎn)物，其發(fā)育狀況能夠很好地反映事件的發(fā)生時(shí)間、期次、類型和規(guī)模，系統(tǒng)歸納總結(jié)軟沉積物變形構(gòu)造的類型對(duì)恢復(fù)盆地充填史和構(gòu)造演化史等具有重要意義。從驅(qū)動(dòng)力角度對(duì)靈山島下白堊統(tǒng)軟沉積物變形構(gòu)造類型進(jìn)行劃分，對(duì)深入研究其形態(tài)特征、組合特征、成因機(jī)理、沉積環(huán)境和構(gòu)造背景等具有重要意義。

靈山島下白堊統(tǒng)發(fā)育有多尺度、多形態(tài)、多層位、多期次、多成因的軟沉積物變形構(gòu)造。橫向上，雖然靈山島面積僅為7.66 km2，沉積巖出露面積不足1/2，但軟沉積物變形構(gòu)造分布十分廣泛，且連續(xù)性較好；縱向上，在80余米的沉積層中共識(shí)別出三大類10余種軟沉積物變形構(gòu)造，各種變形類型反復(fù)出現(xiàn)，每個(gè)剖面也都具有其獨(dú)特特征及占主導(dǎo)地位的變形類型。

前人研究認(rèn)為靈山島滑塌體和豐富的軟沉積物變形構(gòu)造的觸發(fā)機(jī)制為地震[22-24,49,53,56,66]。靈山島下白堊統(tǒng)從滑塌、砂質(zhì)碎屑流到濁流等重力流沉積反復(fù)出現(xiàn)，軟沉積物變形構(gòu)造種類非常豐富。五蓮—煙臺(tái)斷裂活躍時(shí)間為早白堊世，與靈山島直線距離不足40 km，與兩側(cè)沉積盆地(靈山島凹陷和膠萊盆地)中大量發(fā)育的軟沉積物變形構(gòu)造在時(shí)間和空間上均能夠形成良好的匹配(圖1a)[66,72]。種種跡象表明，靈山島早白堊世地震活動(dòng)非常頻繁。

本文根據(jù)引起軟沉積物發(fā)生變形的主要驅(qū)動(dòng)力類型，將靈山島下白堊統(tǒng)軟沉積物變形構(gòu)造劃分為滑塌引起的變形和地震引起的變形兩類，前者為斜坡上重力驅(qū)動(dòng)的軟沉積物變形構(gòu)造，后者包括密度倒置條件下重力驅(qū)動(dòng)的軟沉積物變形構(gòu)造和孔隙流體作用下剪切力驅(qū)動(dòng)的軟沉積物變形構(gòu)造。同種驅(qū)動(dòng)力作用下的軟沉積物變形構(gòu)造的形態(tài)具有相似性或繼承性。同一層位的軟沉積物變形構(gòu)造表現(xiàn)為相同的變形類型和相似的變形特征；同一類型的軟沉積物變形構(gòu)造在不同層位呈周期性反復(fù)出現(xiàn)，但形態(tài)可略有差異，規(guī)?？上嗖钶^大，其具體形態(tài)的差異反映了沉積物特性及驅(qū)動(dòng)力大小、持續(xù)時(shí)間和作用方式的不同。靈山島下白堊統(tǒng)基于驅(qū)動(dòng)力的軟沉積物變形構(gòu)造分類能夠?qū)⒒练e層與正常沉積層中的軟沉積物變形構(gòu)造區(qū)分開來(lái)，能夠?qū)⒒^(guò)程中形成的和地震過(guò)程中形成的軟沉積物變形構(gòu)造區(qū)分開來(lái)(表1)，明確了軟沉積物變形構(gòu)造形成的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，對(duì)進(jìn)一步分析其形成機(jī)理具有重要意義。

6 討論

6.1 與驅(qū)動(dòng)力的關(guān)系

軟沉積物變形構(gòu)造可能是在多種驅(qū)動(dòng)力[36]和應(yīng)力(擠壓力、拉伸力和剪切力)共同作用下形成的，這也就造成了基于驅(qū)動(dòng)力分類的復(fù)雜性，為避免繁瑣，當(dāng)多種驅(qū)動(dòng)力共同作用時(shí)，取最主要的、最能反映其形態(tài)特征的驅(qū)動(dòng)力作為分類依據(jù)；當(dāng)應(yīng)力作用于軟沉積物時(shí)，首先根據(jù)驅(qū)動(dòng)力類型劃定到大類，其次再根據(jù)應(yīng)力類型劃分到亞類。例如，同沉積布丁構(gòu)造整體受重力驅(qū)動(dòng)，應(yīng)力包括順層的拉伸力和垂直于沉積層的擠壓力，但以拉伸力為主，故將其歸為斜坡上重力驅(qū)動(dòng)的拉伸型軟沉積物變形構(gòu)造；負(fù)載構(gòu)造、火焰構(gòu)造和球—枕構(gòu)造等受到橫向剪切力作用時(shí)會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)或表現(xiàn)為不對(duì)稱狀，形成向剪切力方向傾倒的形態(tài)，按照驅(qū)動(dòng)力分類原則，可以將該類型劃分為密度倒置條件下重力驅(qū)動(dòng)的剪切型亞類，但避免繁瑣，本文并沒有將這類變形單獨(dú)分出，但這類軟沉積物變形構(gòu)造在分析滑塌方向、古地形等發(fā)面發(fā)揮著尤為重要的作用[31,39,63]，在野外觀察分析時(shí)需格外注意。

根據(jù)靈山島下白堊統(tǒng)軟沉積物變形構(gòu)造的驅(qū)動(dòng)力類型，將其劃分為斜坡上的重力驅(qū)動(dòng)、密度倒置條件下的重力驅(qū)動(dòng)和孔隙流體作用下的剪切力驅(qū)動(dòng)等三大類。三角洲前緣沉積物在自身重力驅(qū)動(dòng)下沿水下斜坡發(fā)生滑塌，形成了滑塌體。滑塌體內(nèi)部的在滑塌過(guò)程中形成的軟沉積物變形構(gòu)造受斜坡上的重力驅(qū)動(dòng)；滑塌體內(nèi)部的滑塌前形成的軟沉積物變形構(gòu)造和正常沉積層中的軟沉積物變形構(gòu)造受密度倒置條件下的重力驅(qū)動(dòng)和孔隙流體作用下的剪切力驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)力是引起軟沉積物發(fā)生變形的最直接因素，控制著軟沉積物變形構(gòu)造的具體類型和形態(tài)。

6.2 與觸發(fā)機(jī)制的關(guān)系

地震是引起軟沉積物發(fā)生變形的最常見的一種觸發(fā)機(jī)制，許多學(xué)者對(duì)地震巖中的變形構(gòu)造進(jìn)行過(guò)詳細(xì)的描述與分類[4-16]。然而，軟沉積物變形構(gòu)造可以由多種事件觸發(fā)，并不限定于地震這一種成因，而且其本身也不是任何特定觸發(fā)機(jī)制的判別標(biāo)準(zhǔn)[10,36]。目前的分類主要是依據(jù)成因機(jī)制，而不同類型的變形在不同成因事件中是有交錯(cuò)的，基于驅(qū)動(dòng)力分類在一定程度上可以解決這一問(wèn)題；此外，類似的軟沉積物變形構(gòu)造可以是不同事件作用下的產(chǎn)物，對(duì)其觸發(fā)機(jī)制的識(shí)別是非常困難的[7,32]。觸發(fā)機(jī)制是引起軟沉積物發(fā)生變形的先決條件，但非直接關(guān)系；驅(qū)動(dòng)力和沉積物特性決定變形的類型和形態(tài)特征。不同驅(qū)動(dòng)力作用下所產(chǎn)生的不同類型的軟沉積物變形構(gòu)造的組合和分布特征等有助于確定觸發(fā)機(jī)制的類型及規(guī)模。

靈山島下白堊統(tǒng)密度倒置條件下重力驅(qū)動(dòng)的軟沉積物變形構(gòu)造和孔隙流體作用下剪切力驅(qū)動(dòng)的軟沉積物變形構(gòu)造在滑塌體內(nèi)部和正常沉積層均有分布，是在滑塌前或滑塌后形成的，橫向上分布十分廣泛，縱向上反復(fù)出現(xiàn)，結(jié)合研究區(qū)早白堊世構(gòu)造環(huán)境，判斷是由地震觸發(fā)形成的。在強(qiáng)烈的震動(dòng)下，沉積物發(fā)生液化(廣義)，孔隙流體壓力增加，強(qiáng)度減低。而斜坡上重力驅(qū)動(dòng)的軟沉積物變形構(gòu)造僅限于滑塌體內(nèi)部發(fā)育，是在滑塌過(guò)程中形成的，雖然當(dāng)時(shí)的沉積和構(gòu)造環(huán)境更傾向于地震的發(fā)生，但并不能排除非地震觸發(fā)的可能性，豐富的碎屑物質(zhì)供給、快速堆積的重力流沉積環(huán)境為沉積物在沉積坡度控制下、在自身重力作用下發(fā)生滑塌提供了可能。

6.3 與變形機(jī)制的關(guān)系

在多數(shù)情況下，砂泥沉積物表現(xiàn)為黏性的流體或塑性的固體，砂質(zhì)沉積物會(huì)發(fā)生不同程度的液化(廣義)[13,32,39,61-62]，較弱的驅(qū)動(dòng)力就可以促使其發(fā)生變形。廣義的液化(liquidization)包括發(fā)生在無(wú)黏著力沉積物中的液化(liquefaction)、流體化(fluidization)和發(fā)生在黏著力沉積物中的觸變(thixotrophy)[61]。對(duì)于未固結(jié)的富含孔隙水的沉積物而言，液化作用(liquefaction)和流體化作用(fluidization)是最常見和最重要的變形機(jī)制[7,36,39,65]。原本顆粒支撐的沉積物在遭受強(qiáng)烈的震動(dòng)下，顆粒發(fā)生位移和旋轉(zhuǎn)[60]，改變其排列結(jié)構(gòu)，并趨于密實(shí)[7,39-40]，使得孔隙流體壓力大于或等于顆粒自重，原始沉積構(gòu)造遭受破壞[67]。沉積物可液化(廣義)的粒徑在0.02～1 mm之間，黏土一般不液化[13,73]。

不可否認(rèn)的是，軟沉積物變形構(gòu)造形成過(guò)程中沉積物發(fā)生了液化(廣義)，但液化的程度可能存在較大的差異。靈山島下白堊基于驅(qū)動(dòng)力的統(tǒng)軟沉積物變形構(gòu)造分類方案能夠較好的區(qū)分軟沉積物變形時(shí)的液化程度和液化方式。斜坡上重力驅(qū)動(dòng)的軟沉積物變形構(gòu)造(滑塌引起的變形)形成時(shí)沉積物液化程度較低，主要表現(xiàn)為應(yīng)力作用下的變形形態(tài)，該類型形成時(shí)沉積物尚未完全固結(jié)，因此屬于軟沉積物變形構(gòu)造的范疇。密度倒置條件下重力驅(qū)動(dòng)的和孔隙流體作用下剪切力驅(qū)動(dòng)的軟沉積物變形構(gòu)造(地震引起的變形)形成時(shí)沉積物液化程度較高，前者主要以液化作用(liquefaction)為主，后者主要以流體化作用(fluidization)為主。

7 結(jié)論

(1) 軟沉積物變形構(gòu)造作為一種常見的沉積構(gòu)造，對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)分類和總結(jié)具有重要意義。本文以形態(tài)特征為基礎(chǔ)，以驅(qū)動(dòng)力為分類依據(jù)，提出了一個(gè)基于驅(qū)動(dòng)力的軟沉積物變形構(gòu)造分類方案，將靈山島下白堊統(tǒng)軟沉積物變形構(gòu)造劃分為斜坡上重力驅(qū)動(dòng)的軟沉積物變形構(gòu)造、密度倒置條件下重力驅(qū)動(dòng)的軟沉積物變形構(gòu)造和孔隙流體作用下剪切力驅(qū)動(dòng)的軟沉積物變形構(gòu)造等三大類。此外，根據(jù)沉積物在滑塌過(guò)程中所遭受的應(yīng)力類型，將斜坡上重力驅(qū)動(dòng)的軟沉積物變形構(gòu)造進(jìn)一步劃分為擠壓型、拉伸型和剪切型等三個(gè)亞類。

(2) 靈山島下白堊統(tǒng)發(fā)育的軟沉積物變形構(gòu)造具有多尺度、多形態(tài)、多層位、多期次、多成因的特點(diǎn)，分布十分廣泛，橫向上連續(xù)性好，縱向上反復(fù)出現(xiàn)，共識(shí)別和劃分出三大類10余種軟沉積物變形構(gòu)造。其中，密度倒置條件下重力驅(qū)動(dòng)的和孔隙流體作用下剪切力驅(qū)動(dòng)的軟沉積物變形構(gòu)造能夠明確指示地震成因，而斜坡上重力驅(qū)動(dòng)的軟沉積物變形構(gòu)造與滑塌過(guò)程中的各種應(yīng)力密切相關(guān)，很可能是由地震觸發(fā)的，但不能排除非地震觸發(fā)的可能。靈山島豐富的重力流沉積和類型多樣的軟沉積物變形構(gòu)造表明該地區(qū)早白堊世地震活動(dòng)非常頻繁。

(3) 靈山島下白堊統(tǒng)基于驅(qū)動(dòng)力的軟沉積物變形構(gòu)造分類方案能夠?qū)⒒练e層與正常沉積層中的軟沉積物變形構(gòu)造區(qū)分開來(lái)，能夠?qū)⒒^(guò)程中形成的與地震過(guò)程中形成的軟沉積物變形構(gòu)造區(qū)分開來(lái)，明確了軟沉積物變形構(gòu)造形成的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，因此，從驅(qū)動(dòng)力角度對(duì)軟沉積物變形構(gòu)造進(jìn)行系統(tǒng)劃分具有科學(xué)性、適用性和可行性，對(duì)其野外識(shí)別等具有科學(xué)價(jià)值，對(duì)深入研究其形態(tài)特征、組合特征、成因機(jī)理、沉積環(huán)境和構(gòu)造背景等具有重要意義，但同時(shí)也存在一些不足之處，還需要進(jìn)一步補(bǔ)充與完善。

致謝 衷心地感謝山東科技大學(xué)李陽(yáng)、廖晨和孫斌同學(xué)在野外考察過(guò)程中提供的幫助。衷心地感謝審稿專家提出的建設(shè)性意見，為本文的修改和完善提供了寶貴的思路。