黃河下游與黃河三角洲現(xiàn)代非地震變形層理的研究

鐘建華，宋冠先，倪良田，孫寧亮，郝兵，葛毓柱，薛純琦，孫景耀，劉闖，曹夢(mèng)春

1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島 266580 2.海洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266071 3.中國(guó)海洋石油總公司渤海分公司，河北唐山 063000

0 引言

軟沉積變形構(gòu)造是19世紀(jì)30年代通過研究冰川沉積發(fā)現(xiàn)的，但直到一個(gè)世紀(jì)后這種概念一直被混用，直到20世紀(jì)30年代通過模擬實(shí)驗(yàn)才支持了軟沉積變形構(gòu)造確實(shí)可以發(fā)生。軟沉積物變形構(gòu)造重要的事件當(dāng)屬1973年Sims在Science發(fā)表了地震成因的軟沉積物變形構(gòu)造論文[1]，Seilacher[2]提出一個(gè)構(gòu)造活動(dòng)區(qū)未固結(jié)的水下沉積物受到地震活動(dòng)改造再沉積的沉積層，從而建立了震積巖，使軟沉積物變形構(gòu)造逐漸受到廣泛關(guān)注。馮增昭等[3]總結(jié)道“在近三十年(1987年—2016年)中，中國(guó)的中文期刊共刊出了約140篇軟沉積物變形構(gòu)造及地震巖的論文，也有一些專著出版，但是，在這些論文和專著中，關(guān)于軟沉積物變形構(gòu)造的成因，卻幾乎是一個(gè)觀點(diǎn)，即軟沉積物變形構(gòu)造幾乎都是地震引起的，即具軟沉積物變形構(gòu)造的巖層幾乎都是震積巖”。但他又指出“軟沉積物變形構(gòu)造是多成因的”。變形層理是軟沉積變形構(gòu)造中的重要元素之一。有時(shí)候研究軟沉積變形構(gòu)造多半主要集中在變形層理上，事實(shí)上，很多時(shí)候人們已把變形層理(包括褶皺)與軟沉積變形構(gòu)造等同起來[4]。變形層理的研究還有許多問題懸而未決：一是這種構(gòu)造難以精確描述、分類和進(jìn)行成因解釋；二是這種構(gòu)造有時(shí)難以與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的構(gòu)造區(qū)分開來；三是這種可以廣泛的分布在多種環(huán)境的多種巖性中，給研究成因帶來了多解性。變形層理多半被認(rèn)為是地震成因的，所以多用來作為古地震存在的依據(jù)[5-6]。事實(shí)表明，很多變形層理并非地震作用形成的。通過詳細(xì)地研究現(xiàn)代非地震成因和地震成因變形層理，建立起識(shí)別地震成因與非地震成因的篩析和判別標(biāo)準(zhǔn)是非常重要的。

變形層理的幾何學(xué)特點(diǎn)與其成因動(dòng)力學(xué)和形成環(huán)境密切相關(guān)，所以必須把沒有經(jīng)過構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)代變形層理的幾何學(xué)特點(diǎn)進(jìn)行嚴(yán)格的解析、同時(shí)對(duì)其成因動(dòng)力學(xué)進(jìn)行深入分析，再把它們與形成環(huán)境對(duì)應(yīng)起來，這樣才能把復(fù)雜的變形層理的科學(xué)意義闡明清楚。通過二十余年的考察，筆者發(fā)現(xiàn)在黃河下游和黃河三角洲上變形層理非常發(fā)育，而且其成因肯定與地震毫無關(guān)系，所以了解和認(rèn)識(shí)這些變形層理對(duì)于我們識(shí)別地震成因變形層理與非地震成因變形層理具有較重要的意義。之前筆者對(duì)黃河下游的變形層理進(jìn)行過相關(guān)研究[7-8]，但隨著近年來研究的深入，新發(fā)現(xiàn)了一些不同類型的變形層理和對(duì)老的變形層理獲得了一些新的認(rèn)識(shí)，故寫成此文供討論。此外，由于包卷層理的幾何形態(tài)和成因特殊，本文將對(duì)其作為重點(diǎn)討論。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

本次研究的重點(diǎn)地區(qū)在黃河下游濟(jì)南大橋至黃河口河段，包括黃河三角洲分流河道，長(zhǎng)約220 km(圖1)。該河段邊心灘發(fā)育很好，由于黃河水量冬季很小，導(dǎo)致邊心灘廣泛出露，尤其是在上個(gè)世紀(jì)九十年代黃河斷流導(dǎo)致下游河道干涸，為研究創(chuàng)造了很好的條件。該河段沉積物極細(xì)，以細(xì)粉砂和黏土為主[9]。粉砂的成分以石英為主，其次為長(zhǎng)石，還有少量其他礦物[10]。冰成沉積構(gòu)造在該區(qū)域有廣泛的發(fā)育[11]。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location of study area

2 變形層理分類

黃河下游發(fā)育了大量變形層理，按成因分類可分為：牽引變形層理、河口潮汐作用變形層理、滑動(dòng)滑塌變形層理、波浪作用變形層理、泄水變形層理和冰作用變形層理6種類型，牽引變形層理又可分為高速水流牽引變形層理和沉積物牽引變形層理。

2.1 牽引變形層理

牽引變形層理的形成動(dòng)力包括水流、移動(dòng)沉積物和移動(dòng)冰塊三種。黃河是一條很特殊的河流，每年夏天洪水期便會(huì)漫灘，河水在邊心灘上奔流，形成特殊的水文現(xiàn)象：沉積物集中成堆，在河水的作用下整體推移向前，在其底部與沉積物接觸的界面上形成剪切力，使其下的松軟沉積物發(fā)生變形，形成變形層理。冰塊在軟沉積物上移動(dòng)也會(huì)使沉積物變形。通過仔細(xì)觀察，以這種方式形成的變形層理總體有如下幾個(gè)特點(diǎn)：一是具有很好的、但有時(shí)不連續(xù)的條帶性和成層性；二是變形層理不規(guī)則；三是變形層一般較??；四是一般發(fā)育在邊心灘上。又可將其進(jìn)一步分為三種，冰層或冰塊拖移變形層理在后文中詳述，本節(jié)僅介紹兩種：

(1) 高速水流牽引變形層理

理論上水流是難以形成牽引變形層理的，因?yàn)槠漯ざ葮O小，很難在沉積面上形成有效剪切力而使沉積物發(fā)生變形形成變形層理[12]。但考慮到黃河下游現(xiàn)代沉積是以黏土和細(xì)粉砂為主的、并被水充分飽和的細(xì)粒沉積物，其內(nèi)黏結(jié)力極低，洪水期的河水、尤其是波浪起伏的高速河水也很容易形成沉積物變形(圖2)。筆者對(duì)黃河下游剛沉積下來的細(xì)粒沉積物進(jìn)行了觀察，發(fā)現(xiàn)剛沉積下來的細(xì)粒沉積物含水量極高，黏度極低，與稀的面糊糊或豆腐腦一樣，用手插進(jìn)這種細(xì)粒沉積物中基本感覺不到有固體物質(zhì)，用手也很難撈起成團(tuán)或成塊的沉積物，而是一手泥漿。所以這種細(xì)粒沉積物在高流速的作用下發(fā)生變形也是不難理解。其一般特點(diǎn)是頂部沒有層理或?qū)永砗軄y，底部層理呈囊狀，其上一般為沒有絲毫變形的水平層理(圖2a)，有時(shí)可以形成多個(gè)變形層理被沒有變形的水平層理分隔的層系組(圖2b)，揭示了頂部水平層理是在靜態(tài)條件下形成的，而下部的變形層理無疑是在高能條件下形成的，兩者的突變關(guān)系揭示了水動(dòng)力的突變更迭。整個(gè)變形層沒有垂向運(yùn)動(dòng)或垂向變形的痕跡，揭示了底部高能變形層不是泄水和密度差異形成的，非常平整的接觸面揭示了極有可能是上部高速水流牽引形成的。很明顯，這種變形層理不是由地震作用形成的，其間的毫米級(jí)厚的非變形紋層是非地震成因的可靠標(biāo)志。

(2) 沉積物牽引變形層理

除了洪水期高速水流在極軟的沉積物上流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致其下的沉積物變形外，呈團(tuán)塊狀移動(dòng)的沉積物在極軟的沉積物上移動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致其下的沉積物發(fā)生變形(圖3)。據(jù)實(shí)際觀察，在黃河汛期大量沉積物會(huì)涌上邊心灘，在河面形成特殊的涌水現(xiàn)象。團(tuán)塊狀沉積物在軟沉積物上移動(dòng)時(shí)也會(huì)對(duì)下部的軟沉積物形成剪應(yīng)力，進(jìn)而使其下的軟沉積物發(fā)生變形，形成變形層理。其特點(diǎn)如下：1)變形層理形態(tài)較復(fù)雜，有時(shí)呈囊狀，傾斜35°左右，常常具有一定的方向性(圖4a，b)。其成因系推移的堆狀沉積物在移動(dòng)的過程中對(duì)其下部的松軟粉砂形成了水平方向的剪切，使其下的粉砂發(fā)生變形(圖3)，形成了這種開口朝泥礫層移動(dòng)方向的囊狀變形層理。這種囊狀變形層理的規(guī)模一般很小，直徑在2.5 cm，長(zhǎng)7～8 cm；2)變形層理之上常有一層以細(xì)泥礫為主的塊狀薄層(圖4)，是形成變形層理的作用層，為河流侵蝕形成的底部滯留沉積，系高速的河水沖蝕、類似于濁流底部的高密度部分。3)變形層之上多為凹凸不平的作用面(圖3，4)；4)總的規(guī)模一般較小，尺度多在10 cm以下。

圖2 水流牽引變形層理a.頂部因水流作用較強(qiáng)無層理呈塊狀，底部層理呈向左傾斜或傾伏的囊狀，水流自左流向右；b.三層水流作用形成的變形層理，特點(diǎn)都相同：頂部沒有層理或?qū)永砗軄y，底部層理呈囊狀，中間被毫米級(jí)厚的紋層分隔，揭示了強(qiáng)水流過后水體呈靜止?fàn)睢Ｋ髯宰罅飨蛴褾ig.2 Current-draped deformation bedding

2.2 河口潮汐作用變形層理

在黃河口水文站以下1 km左右發(fā)育了大面積的中型變形層理，其主要特點(diǎn)如下： 1)連片連續(xù)出現(xiàn)，極不規(guī)則，或少數(shù)呈褶皺狀，長(zhǎng)軸大部分垂直或大角度斜交河流方向。2)規(guī)模相對(duì)較大，寬度在30～40 cm，表面高度可達(dá)5～10 cm，內(nèi)部深度也可以達(dá)到10～20 cm。變形紋層較厚，約3～4 mm。所以表面差參不齊，且起伏較大。3)常與侵蝕溝槽一起發(fā)育，其表面也常被侵蝕，揭示了水流速度極大，進(jìn)而也可能揭示了變形層理的成因與高速水流牽引有關(guān)。4)發(fā)育在河口，大面積出現(xiàn)。5)與沖蝕坑穴共生，揭示了其形成時(shí)水流速度很大。這種變形層理的成因可能與退潮有關(guān)，退潮引起河水快速向海流動(dòng)，使得軟沉積物發(fā)生變形，形成了大量規(guī)模相對(duì)較大的變形層理(圖5)，關(guān)于這種變形層理的具體成因還有待深入研究。

2.3 滑動(dòng)滑塌變形層理

在黃河下游比較常見，因?yàn)辄S河下游滑動(dòng)滑塌非常頻繁(圖6a,b)。黃河下游的沉積物以細(xì)粉砂和黏土為主，這種物質(zhì)孔隙度較大，也極易液化，在很弱的波浪或流水的作用下便會(huì)液化，使其上的沉積物(有時(shí)厚度可達(dá)2 m以上，圖6a)失去原來固定的支撐力而產(chǎn)生滑動(dòng)滑塌，形成滑動(dòng)滑塌變形層理。特點(diǎn)是： 1)沿邊心灘內(nèi)灘緣順河道分布，長(zhǎng)軸平行河道(圖6c,d)； 2)規(guī)模相對(duì)較大，高度可達(dá)10～40 cm，沿河道延長(zhǎng)數(shù)米到數(shù)十米，甚至更長(zhǎng)； 3)形態(tài)多較復(fù)雜(圖6e)。長(zhǎng)軸多順河道分布；4)頂部突變?yōu)榛瑒?dòng)滑塌的脆性變形，包括滑塌角礫。

圖3 沉積物牽引形成變形層理示意圖Fig.3 Sketch of sediment-draped deformation bedding

這種變形層理有時(shí)連續(xù)性非常好，圖6f就是一個(gè)很好的實(shí)例，從圖6f可以看出這種層理的向斜和背斜等勢(shì)發(fā)育，細(xì)層或紋層在較長(zhǎng)的距離內(nèi)保持厚度變化不大，僅在局部有折斷尖滅現(xiàn)象，恢復(fù)其原始長(zhǎng)度大概在80 cm，目前縮短到不到30 cm，側(cè)向縮短系數(shù)達(dá)3左右，可見其縮短量非常之大，在如此之大的縮短情況下還能保持細(xì)層的連續(xù)完整，要求細(xì)層要有很好的塑性和保持細(xì)層連續(xù)變形的外部條件。所以，本文推測(cè)變形是在一種在完全液化的狀態(tài)下受到了較強(qiáng)的側(cè)向牽引下進(jìn)行的，即變形層在一種完全液化內(nèi)部失去黏結(jié)力的條件下發(fā)生變形，否則難以形成這種大尺度的連續(xù)和諧變形。根據(jù)其頂部一個(gè)毫米級(jí)的紋層貫徹整個(gè)變形層理的頂部，就可以推測(cè)，變形是發(fā)生在上部紋層沉積之前的一個(gè)“開放”沉積系統(tǒng)中，即變形發(fā)生在上部未接受沉積之前。卷入變形的細(xì)層只有30層左右，其原始厚度約4 cm多，因?yàn)樽冃螌?dǎo)致側(cè)向縮短而垂向加厚，最大達(dá)14 cm，加厚率也在3倍以上。

圖5 潮汐作用形成的變形層理a.大面積的潮汐作用變形層理，保持了表面較高的起伏和與沖蝕溝槽一起發(fā)育；b.像皺布一樣的變形層理，形態(tài)很不規(guī)則；c.面包狀凸起的變形層理，表面被沖蝕了5-6層；d.被沖蝕強(qiáng)烈的極不規(guī)則變形層理Fig.5 Deformation bedding affected by tidal action

黃河下游的滑動(dòng)滑塌構(gòu)造與斜坡沒有關(guān)系，而是一種在近于水平或極微傾斜的條件下形成的，我們觀察到在濟(jì)南濼口邊灘坡度小于1°的情況下也能形成滑動(dòng)滑塌構(gòu)造。前期主要機(jī)理是波浪的震蕩使邊心灘腳發(fā)生液化，失去了支撐力，導(dǎo)致上部的沉積體發(fā)生滑動(dòng)滑塌(圖7)。所以，滑動(dòng)滑塌的本質(zhì)也是液化，而不是斜坡或陡坡的重力作用。

2.4 波浪作用變形層理

波浪的上下起伏引起沉積物表面或淺層反復(fù)顛簸，也會(huì)使剛沉積下來的沉積物發(fā)生液化而形成變形層理。這種作用形成變形層理的機(jī)制有兩點(diǎn)：1) 使沉積物液化，使沉積物內(nèi)部的顆粒之間失去黏結(jié)力，變成與水一樣的狀態(tài)，在很小的作用力下就會(huì)變形形成變形層理；2) 波浪作用，一方面使沉積物液化，另一方面使沉積物排出其中過多的水分變得致密，這種變化與液化程度密切相關(guān)，液化越大致密化就越強(qiáng)烈，而液化又隨深度增加而減弱，所以就會(huì)導(dǎo)致沉積物發(fā)生密度倒置，使靠近頂部的沉積物密度變大，形成“自激”密度倒置而發(fā)生軟變形形成變形層理。這種機(jī)制形成的變形層理以包卷層理多見。包卷層理的紋層由等厚的細(xì)粉砂和黏土組成，看上去沒有明顯的由物質(zhì)組成不同而引起的密度倒置。在西班牙Guadalquivir Basin盆地也有風(fēng)暴波浪作用形成的變形層理[13-15]，那些層理(文獻(xiàn)[14]圖2)也與包卷層理非常相像。

變形層理中有一種既特殊又非常重要的類型，即“包卷層理”，也可以稱為“滑動(dòng)層理(sliding beddings)”、“層內(nèi)扭曲(intra-stratal contortions)”或“皺痕層理(crinkled bedding)”[16]，可見這是一種非常復(fù)雜的層理。這種層理往往認(rèn)為是濁流形成的，是濁積巖第三段(Tc)的產(chǎn)物，但作者在黃河下游和黃河三角洲上也發(fā)現(xiàn)了很典型標(biāo)準(zhǔn)的包卷層理。因?yàn)槟壳皩?duì)這種層理的成因還存在諸多爭(zhēng)論，所以本文將重點(diǎn)介紹和討論這種層理，以便今后大家對(duì)這種層理成因和環(huán)境有個(gè)新的視角。這種層理以其較規(guī)則的幾何特點(diǎn)而引人注目。Dzulynskietal.[17]認(rèn)為“包卷層理”是一種“負(fù)載包卷”，其類型復(fù)雜，包括含水塑性變形。這種變形可以有中斷，但不會(huì)完全破壞原來的層理。由于波痕引起的沉積表面的起伏和內(nèi)部物質(zhì)的不均一、泥帽(mud capping)及差異壓實(shí)會(huì)派生出側(cè)向運(yùn)動(dòng)。所以，大家通常認(rèn)為，“包卷層理”是在一種部分液化、在泄水過程中強(qiáng)度變小的過程中形成的[18]。公認(rèn)的機(jī)制是沉積層孔隙壓力的增加，多由地震引起的突然固結(jié)造成，包括由大浪拍打或地震震動(dòng)引起的所謂旋回性負(fù)載導(dǎo)致沉積密度倒置[19-20]，使碎屑顆粒的接觸關(guān)系變化而失去強(qiáng)度，孔隙壓力暫時(shí)增大，超壓使沉積物液化。

圖6 波浪作用形成的滑動(dòng)滑塌變形層理a.滑動(dòng)滑塌構(gòu)造。規(guī)模較大,滑塌高度近2 m，但滑塌寬度很小，不到1 m，主要是滑塌塊體大部分已被河水沖走。同樣僅保留了上部滑塌帶，中部的滑流帶和下部的流動(dòng)帶均被河水沖走?；婧芏?，近直立，甚至向內(nèi)凹陷(因?yàn)閷永砘驅(qū)用娴娜踅Y(jié)合)，使邊灘上部呈突出的屋檐狀。從圖片中人物腳下的水位線痕可以看出曾經(jīng)受到流水的作用；b.正在形成中的滑動(dòng)滑塌構(gòu)造，發(fā)育在一個(gè)侵蝕溝槽的側(cè)壁上。規(guī)模不大，寬不足2 m，高40余厘米。僅保留了上部滑塌帶，中部的滑流帶和下部的流動(dòng)帶均被河水沖走?；婊⌒?，自右向左傾角逐漸增大，從20°～30°增大到50°左右。可以分為3～4個(gè)主要滑動(dòng)帶，在滑動(dòng)帶內(nèi)不同滑塌塊體或滑塌板片的滑動(dòng)量不大，僅形成一些內(nèi)部撕裂，在表面顯示出一系列相對(duì)較小的裂縫。在滑動(dòng)帶之間滑動(dòng)量較大，落差可達(dá)6～7 cm，滑塌面呈弧形。由河水沖蝕邊灘灘緣形成。黃河下游勝利大橋橋下；c.變形層理?？梢姴糠殖时承睜?，背斜寬圓，未挖掘而未見到背斜之間的向斜；規(guī)模較大，最大寬度多在10～20 cm，可見高度在4～5 cm；其延長(zhǎng)方向與河流一致，由邊灘滑動(dòng)滑塌牽引形成；d.變形層理。上圖某背斜層理的局部放大圖片,可見呈寬圓不對(duì)稱背斜狀，上側(cè)較陡，下側(cè)較緩，較陡一側(cè)面向河岸，正對(duì)邊灘滑動(dòng)方向。頂部因河流侵蝕而不完整，暴露了內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，其最大寬度近20 cm，可見高度在5 cm；其延長(zhǎng)方向與河流一致，由邊灘滑動(dòng)滑塌牽引形成；e.大型不規(guī)則滑動(dòng)滑塌變形層理，可見高度達(dá)40～50 cm，形態(tài)極不規(guī)則，有脆性斷裂發(fā)育；f.滑動(dòng)形成的較大的連續(xù)緊閉軟變形褶皺狀變形層理。規(guī)模較大，高度在10～14 cm，呈非常連續(xù)的褶皺狀，細(xì)層可以從最左側(cè)開始一直延續(xù)到最右側(cè)Fig.6 Slump deformation bedding affected by wave action

圖7 滑動(dòng)滑塌變形層理的形成過程(據(jù)鐘建華等[13])Fig.7 Formation process of sliding collapse deformation bedding (after Zhong et al.[13])

包卷層理是一種很常見的變形層理，但也是一種定義不明，名稱混亂的層理。有人把包卷層理嚴(yán)格的定義為規(guī)則褶曲狀，但其向下凹的向斜必須發(fā)育較好，形態(tài)上寬圓或底部平坦，而向上突的背斜發(fā)育不如向斜，形態(tài)上尖窄(圖8)，相當(dāng)于Allen[21]的類型D層理。所以有人又把“包卷層理”稱為“包卷褶皺”[22]。但也有不少人把一般的變形層理歸為包卷層理，而把典型的包卷層理視為碟狀構(gòu)造[23]。de Boer[24]還把斜歪的變形層理或斜歪的微型褶皺稱為“包卷層理”。

在黃河下游和黃河三角洲上，包卷層理非常發(fā)育(圖8)，估計(jì)占整個(gè)變形層理的一半以上。具有如下特點(diǎn)：1)形態(tài)一般較好，呈對(duì)稱的向斜寬闊、背斜尖窄的褶皺狀；向斜的底部寬圓或平坦。底部和下部的紋層一般連續(xù)性較好，而上部或核部的紋層連續(xù)性差，往往為極其紊亂的紋層或砂團(tuán)。2)規(guī)模較小，高寬多在3～5 cm。3)層位很穩(wěn)定，側(cè)向延伸可達(dá)數(shù)十到數(shù)百米。4)一般發(fā)育在毫米級(jí)厚的粉砂黏土互層中，且經(jīng)常成多層疊置狀，每一個(gè)變形層理是一次洪峰的產(chǎn)物。成層性極好，頂部界限非常整一，可能是一個(gè)浪基面。其上部的紋層非常平坦，很明顯是在包卷層理形成之后靜水條件下垂向加積沉積的。底部界限不如頂部清晰，有明顯的穿層現(xiàn)象。其間的隔層可以很薄，最薄可達(dá)1～2 mm，而且沒有絲毫變形(圖8a，b)，是區(qū)別于地震成因的關(guān)鍵特征。5)另一個(gè)重要的特點(diǎn)是，頂面呈侵蝕接觸，或有時(shí)頂面可見向斜和背斜的核部隆起成脊?fàn)?圖8b)，脊寬5～6 mm，脊高3～4 mm，縱向連續(xù)延伸長(zhǎng)度在3～5 cm，如果再考慮到隆脊有可能還會(huì)向外延伸，那么有理由推測(cè)包卷層理在其軸向上延伸長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于其寬度。圖片的剖面方向是平行河流的，所以包卷層理的隆脊垂直于河水，與波浪的延伸方向一致，很可能與波浪作用動(dòng)力方向有關(guān)(波浪作用多數(shù)情況下垂直水流方向)。因此本文認(rèn)為，包卷層理是受波浪動(dòng)力控制形成的，而不是一個(gè)簡(jiǎn)單的隨機(jī)重力均衡成因。

圖8 小型包卷層理(背斜寬闊，向斜尖窄，軸面直立)a. 6層變形層理疊置，自上而下厚度逐漸增加。上部四層為包卷層理，最下一層為不規(guī)則變形層理。山東東營(yíng)黃河勝利大橋，現(xiàn)代沉積。中間的一層發(fā)育完善，其寬高接近，連續(xù)性和和諧性較好，“向斜”發(fā)育較好，而“背斜”發(fā)育不完善，多呈低幅背斜狀。山東東營(yíng)黃河勝利大橋，現(xiàn)代沉積；b.包卷層理。左側(cè)4～5個(gè)為規(guī)則的包卷層理，右側(cè)2～3個(gè)為不規(guī)則的包卷層理。規(guī)則包卷層理主要特點(diǎn)：向斜寬圓、背斜尖窄，寬高近于相等，在2～3 cm，細(xì)層在1～2 mm。下部泥質(zhì)紋層略多，上部砂質(zhì)紋層略多；c.層面上可見向斜和背斜的核部隆起成脊?fàn)睿箤?～6 mm，脊高3～4 mm，縱向連續(xù)延伸長(zhǎng)度在3～5 cm，如果再考慮到隆脊有可能還會(huì)向外延伸，那么有理由推測(cè)包卷層理在其軸向上延伸長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于其寬度。圖片的剖面方向是平行河流的，所以包卷層理的隆脊垂直于河水，與波浪的延伸方向一致。下部囊狀變形層理是水流作用形成的；d.不規(guī)則包卷層理。注意右側(cè)的平臺(tái)層面上有非常纖細(xì)的平行縱肋。揭示了包卷層理在形成過程中沿該層面有側(cè)向“收縮”，把下面的粉砂“收縮”成了縱肋；e.圖d包卷層理右側(cè)平臺(tái)的放大圖。可見一系列近于平行的縱肋Fig.8 Small-scale convolute bedding (Note the wide syncline and narrow anticline. The axial plane is mostly upright)

以上簡(jiǎn)要地介紹了黃河下游包卷層理的幾何學(xué)特點(diǎn)，以下再簡(jiǎn)要地分析一下其形成過程和形成動(dòng)力。據(jù)觀察，不是所有的砂泥沉積序列都能形成密度倒置并發(fā)育包卷層理，據(jù)在黃河三角洲上的觀察，只有滿足下列幾個(gè)條件才能發(fā)育包卷層理：1)快速沉積。據(jù)實(shí)際觀察，沉積速度大概每小時(shí)在5～10 cm以上。因?yàn)橹挥羞@樣，剛沉積下來的泥才能呈絮狀或酸奶狀，沒有足夠的時(shí)間來固結(jié)形成具有一定強(qiáng)度的粉砂黏土層以支撐其上的砂泥層。因?yàn)闈岱e巖一般也是快速沉積的，所以在濁積巖中也可以發(fā)育這種包卷層理。2)要發(fā)育出完好的包卷層理(高寬比大于1/2)，泥砂均要達(dá)到一定的厚度，在下部泥紋層的累積厚度要略大于砂紋層的累積厚度，而在上部砂紋層的累積厚度要大于泥紋層的累積厚度，或者兩者厚度相等，但上部泥紋層的累積厚度不能大于下部砂紋層的累積厚度。純砂和純泥都不利于發(fā)育包卷層理。3)包卷層理的底部往往有一個(gè)易于滑動(dòng)的面，在這個(gè)面上有時(shí)有一系列與“背、向斜”軸平行或垂直的微小脊突，這些脊突高、寬多在毫米級(jí)、長(zhǎng)數(shù)厘米(如圖8f，g)。這些脊突是包卷層理形成過程中沿側(cè)向滑動(dòng)形成的。在鄂爾多斯盆地的侏羅系延安組中也發(fā)育了大型的包卷層理，其底部也有明顯的由側(cè)向滑動(dòng)形成的一系列滑動(dòng)面和脊，但脊的方向與包卷層理的“背、向斜”軸垂直，脊寬1 mm左右，高也在1 mm左右；滑動(dòng)面的寬在3～5 mm。4)在泥沙紋層等勢(shì)發(fā)育的情況下要形成這種包卷層理的最重要前提是，必須有波浪的作用，在波浪的作用下上部的密度才會(huì)高于下部(圖9b)，而且發(fā)生液化易于塑性流變，否則就難以形成這種對(duì)稱性極好的變形層理。前人早已發(fā)現(xiàn)包卷層理的成因與密度倒置有關(guān)[24]，并認(rèn)為密度倒置與某種外部的沖擊(external shocks)有關(guān)，而這種沖擊來自于地震。此外，水下滑動(dòng)滑塌和層內(nèi)的流體作用也可能形成這種包卷層理[23]。當(dāng)然，許多學(xué)者認(rèn)為包卷層理的成因與濁流有關(guān)[23]。

從黃河三角洲和其他地方的實(shí)例來看，包卷層理主要發(fā)育在邊、心灘上，三角洲也是包卷層理發(fā)育的良好場(chǎng)所。本研究認(rèn)為，包卷層理一般是洪水期的產(chǎn)物，每一個(gè)包卷層理層都是一次洪峰的產(chǎn)物，形成包卷層理過程非常迅速。包卷層理的軸面一般垂直河道。黃河三角洲上的包卷層理非常和諧的形態(tài)和組構(gòu)特點(diǎn)揭示其成因有種很和諧完美的機(jī)制，筆者認(rèn)為，除了與沉積物本身高度均一和諧外，還與邊、心灘上和諧的波浪作用有關(guān)，波浪作用的正弦波性決定了包卷層理的美妙對(duì)稱和等間距性(圖9a)。波浪的波峰和波谷在波動(dòng)時(shí)對(duì)其下的沉積物具有不同的壓力(圖9b，c)，尤其是波浪上下起伏使得其下的被水飽和的沉積物遭受循環(huán)的應(yīng)力作用，這種作用使得顆粒旋轉(zhuǎn)和上下(甚至左右)移動(dòng)，失去原先的顆粒支撐，被水懸浮起來形成液化，進(jìn)而形成自上而下的緊密堆積和密度倒置(圖9b，c)，最終形成包卷層理而達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)(圖9d)。實(shí)際觀察也表明，波浪的作用可以使沉積物發(fā)生緊密堆積，密度加大，同時(shí)還可以使沉積物發(fā)生液化，內(nèi)摩擦降低，塑性和流動(dòng)性增強(qiáng)，為形成包卷層理創(chuàng)造了條件。在包卷層理的向斜中心沉積物密度最大，向兩側(cè)降低，所以包卷層理的中心是沉降最大的地方，而兩側(cè)沉降幅度最小。但de Boer[24]發(fā)現(xiàn)反向密度差(或負(fù)密度差(negative density gradient))也能形成包卷層理，但形成動(dòng)力與泄氣有關(guān)。在黃河三角洲我們也觀察到了這種現(xiàn)象[8]。Owen[25]也認(rèn)為波浪作用可以形成液化，從另一個(gè)側(cè)面表明軟沉積物變形可以由波浪作用形成。從包卷層理的變形幅度看，其最大變形幅度可達(dá)1.5(連續(xù)紋層的長(zhǎng)度除以包卷層理的寬度)以上，即變形層理在保持其連續(xù)完整性的條件下伸長(zhǎng)一倍多，表明了它們?cè)谧冃螘r(shí)黏塑性非常好。我們?cè)?jīng)做過一個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)，在玻璃盒子里用手拍擊水面形成波浪，成功的在沉積物中獲得了與包卷層理非常相似的變形構(gòu)造[8]。許多學(xué)者探討過包卷層理的成因，結(jié)論都是由泄水形成的[26]，但也有人認(rèn)為泄氣也能形成包卷層理[24]。

多數(shù)人認(rèn)為包卷層理的成因與地震密切相關(guān)，有人甚至認(rèn)為只有6～7級(jí)以上的地震才能形成包卷層理[27]。從上可以看出黃河下游和黃河三角洲上包卷層理的成因與地震沒有任何聯(lián)系，只是一種簡(jiǎn)單的沉積過程加上波浪作用和重力調(diào)整的產(chǎn)物，機(jī)制與波浪的震蕩液化和形成密度倒置密切相關(guān)(圖9c，d)，筆者用模擬實(shí)驗(yàn)證明了這一點(diǎn)[8]。Dalrymple[28]在加拿大的新斯科舍島Cobequid灣也發(fā)現(xiàn)由波浪作用形成的包卷層理。從上可知，多種證據(jù)表明非地震可以形成包卷層理。無疑地震和濁流也會(huì)形成包卷層理，但不是所有的包卷層理都是地震形成的，甚至有可能大多數(shù)包卷層理都是沉積形成的。最后我們想提及一下，既然包卷層理在幾何形態(tài)和成因上與一般的變形層理有別，再加上有相當(dāng)一部分學(xué)者認(rèn)為它是一種特殊的變形層理，而愿意給予它一個(gè)特殊的名稱“包卷層理”，我們認(rèn)為應(yīng)該接受這個(gè)名稱，把它從一般的變形層理區(qū)別開來。

圖9 波浪作用形成包卷層理過程示意圖a.砂泥互層；b.受波浪作用發(fā)生密度倒置和液化(僅表示波峰向上和波谷向下的波動(dòng)過程的一瞬間，而不是靜止?fàn)顟B(tài))；c.在波浪的誘發(fā)下密度倒置失穩(wěn)；d.重力調(diào)整形成包卷層理Fig.9 Schematic of the formation process of wave-triggered convolute bedding

2.5 泄水變形層理

這種變形層理極不發(fā)育，比較典型的是發(fā)育在泥沙火山中的伴生構(gòu)造。規(guī)模很小，尺度多在3～5 cm以下，形態(tài)也極不規(guī)則，連續(xù)性也很差(圖10)。

圖10 泄水變形層理a.泄水管，頂面視圖；b.泥沙火山，非常扁平；c.泥沙火山的豎截面，可見極不規(guī)則的小型變形層理；d.泥沙火山的豎截面，可見極不規(guī)則的小型變形層理Fig.10 Water-escape deformation bedding

2.6 冰作用變形層理

冰的地質(zhì)作用(冰融冰凍，freezing and thawing)也是一種常見的地質(zhì)現(xiàn)象，只要不是在熱帶特高海拔(乞力馬扎羅山)，冰的地質(zhì)作用就能發(fā)生，在溫帶和寒帶，冰的地質(zhì)作用應(yīng)該是一種常見的地質(zhì)現(xiàn)象，但直到目前為止國(guó)內(nèi)對(duì)冰成沉積構(gòu)造的研究還很少[6,8,29-33]，許多基本的現(xiàn)象還沒有得到充分認(rèn)識(shí)和必要總結(jié)。只要暴露和淺層沉積物含水，冰的地質(zhì)作用就不可避免會(huì)發(fā)生，最為常見的一個(gè)自然現(xiàn)象是凍土。當(dāng)沉積物被冰作用后多多少少會(huì)發(fā)生一些變化，有的變化會(huì)很大，甚至?xí)羁痰母脑斐练e物，使其面目全非。所以，本文認(rèn)為，大陸內(nèi)部的沉積物(河流、濱淺湖)大多數(shù)都經(jīng)歷了冰的地質(zhì)作用，有的甚至留下了記錄，以往對(duì)此重視不夠。在黃河下游和黃河三角洲上冰融化及冰層、冰塊作用形成的變形層理非常發(fā)育，廣泛地分布在邊心灘上。

(1) 冰層或冰塊拖移變形層理

黃河下游和黃河三角洲上最常見的冰作用現(xiàn)象是冰工具痕(圖11a，b，c)。移動(dòng)冰工具痕是由冰塊在未固結(jié)沉積物上移動(dòng)形成的痕跡(圖12)，其主要特點(diǎn)是線狀、粗細(xì)深淺均勻(圖11a，b，c)。在黃河下游勝利大橋附近這種冰工具痕非常普遍。規(guī)模大小不一，大者寬1 m多，長(zhǎng)數(shù)百米，深1～2 m；小者寬數(shù)厘米，長(zhǎng)10余厘米。冰工具痕總體呈直線、近直線、弧線或折線狀?？傮w順河道延伸，但在邊灘邊緣則向河道中心彎延。有的冰工具痕末端可以見到一冰塊或有該冰塊融化形成的特殊印?；蛴杀诨纬傻奶厥獬练e和特殊沉積構(gòu)造。有兩個(gè)重要特點(diǎn)：1) 冰工具痕是由冰塊在水流的作用下沿軟沉積物表面運(yùn)動(dòng)形成的，因此冰工具痕會(huì)破壞原有沉積構(gòu)造的連續(xù)完整性，而形成自己特有的構(gòu)造，如皺痕、刻劃溝脊或平滑溝槽。由于冰塊滑移過軟沉積物，使沉積物液化形成緊密堆積，進(jìn)而使沉積物塌陷形成溝槽(圖11a，b，c)；2) 冰工具痕最頂部由于冰塊作用強(qiáng)烈而破壞了層理，呈致密狀，而下部則發(fā)育變形層理。一般說來，形成冰工具痕的冰塊長(zhǎng)軸垂直水流方向。此外，在冰層發(fā)育的沉積界面上往往會(huì)發(fā)育大面積的變形層理(圖11d，e，f)，但由于冰層或冰塊融化消失，這種變形層理的成因往往會(huì)被解釋成其他的成因。三是變形層理在順流方向多呈向下游斜歪的褶皺狀(圖12B)，在橫向則為不規(guī)則的包卷層理狀(圖10)。

圖11 冰工具痕及其變形層理a.大型圓槽狀冰工具痕。外觀上類似于圓槽，長(zhǎng)16.3 m，寬40～60 cm，深3～5 cm，脊高2～3 cm。延伸方向斜交邊灘延伸方向或河流流向。背景為黃河勝利大橋；b.左圖的橫豎截面。可見極小型的不規(guī)則變形層理，尺度在3～5 cm，最表層被強(qiáng)烈擾動(dòng)層理完全消失呈塊狀，其下則為變形層理帶；c.大型的冰塊滑移痕，向下游呈微階梯狀。寬近1m。在中后部有兩個(gè)冰融塌陷坑穴(紅色箭頭所指)，兩側(cè)為小型流水波痕，揭示了冰工具痕形成于波痕之后。心灘?，F(xiàn)代。遠(yuǎn)處為勝利大橋。垂直水流和垂直冰塊滑移方向。變形層理厚近20 cm。頂部有10 cm左右擾動(dòng)強(qiáng)烈，呈塊狀，幾乎以一個(gè)近水平的不規(guī)則裂縫分開兩者，表明冰塊作用強(qiáng)度沿此面發(fā)生了分異。平行冰工具痕作用面的變形層理多呈不規(guī)則圓形或橢圓形，揭示了大多數(shù)變形層理呈丘形隆起狀；d～f.大型的冰塊滑移痕豎直橫截面。可見不大規(guī)則的包卷層理和其他變形層理Fig.11 Ice tool mark and related deformation bedding

不像前者成因那么明顯，有些冰作用形成的變形層理可能與冰凍冰融作用有關(guān)。如圖中的變形層理發(fā)育在一個(gè)冰作用面上，具有明顯的不連續(xù)層控性。規(guī)模很小，高度多在10 cm以下，可見管狀或鞘狀變形層理(圖13a, b)，可能與冰塊沿軟沉積物移動(dòng)形成的剪切作用有關(guān)。但大多為包卷狀變形層理(圖13c, d)，與前述的冰塊滑移形成的變形層理類似，但總體特征又有不同，如少見脆性斷裂，規(guī)模也明顯偏小，可能與冰塊大小有關(guān)。在沒有發(fā)現(xiàn)其他冰川構(gòu)造，尤其是沒有發(fā)現(xiàn)冰作用面(圖13d)時(shí)要識(shí)別出這種類型的層理是非常困難的。這種變形層理還有待深入研究。

(2) 冰壓刻變形層理

冰層或冰塊壓在細(xì)粒的松軟沉積物上會(huì)形成冰壓刻變形層理，但這種層理規(guī)模一般不大，形態(tài)也極不規(guī)則(圖14)，連續(xù)性也很差，但以表明的洼形為重要特點(diǎn)。在沒有發(fā)現(xiàn)其他冰成構(gòu)造時(shí)這種冰壓刻變形層理一般不易識(shí)別。所以在古代巖層里很難識(shí)別出這種變形層理。

(3) 冰融塌陷變形層理

這種層理也比較多見(圖15)，但過去一直未得到識(shí)別而受到忽視。這種層理的形成動(dòng)力學(xué)過程也與冰層或冰塊融化消失形成的塌陷擠出或塌陷下沉有關(guān)，這種變形層理的成因往往會(huì)被解釋成其他的成因。往往呈孤立的點(diǎn)狀或團(tuán)狀發(fā)育在邊心灘表面，規(guī)模都不大，尺度多在5～10 cm；變形極不規(guī)則，不連續(xù)層控性明顯，多與其他冰成構(gòu)造共生或伴生發(fā)育在邊心灘上。該項(xiàng)工作有待今后深入。

圖12 冰塊滑動(dòng)拖拽形成的變形層理a.冰塊未移動(dòng)時(shí)的狀態(tài)；B.冰塊移動(dòng)后形成的(拖拽)變形層理Fig.12 Deformation bedding induced by dragging a block of ice

圖13 冰作用面上的變形層理a.規(guī)模極小，呈橢圓形，很像管褶皺，可能與冰塊與沉積面滑移剪切有關(guān)；b.呈管狀，成因可能也與冰塊與沉積面滑移剪切有關(guān)；c.冰作用面上的變形層理，有點(diǎn)類似于包卷層理；d.注意后面的坑穴為冰融化后形成的，其底與變形層理是同一界面，說明了兩者之間有一定關(guān)系Fig.13 Deformation bedding on ice surface

圖15 冰融塌陷變形層理a.在冰作用面上還有一塊未完全溶化的小殘冰塊(紅色箭頭所指)，當(dāng)這塊冰消融后會(huì)導(dǎo)致其上的沉積物發(fā)生變形，形成變形層理；b.冰消融后形成塌陷，導(dǎo)致其上的沉積物發(fā)生變形，形成變形層理；c.發(fā)育在砂蘑菇內(nèi)的特殊變形層理，極不規(guī)則；d.發(fā)育在冰融擠出構(gòu)造(冰成開花饅頭)中的變形層理，極不規(guī)則Fig.15 Ice-melt collapse deformation bedding

以上簡(jiǎn)要地介紹了黃河下游和黃河三角狀上的非地震成因變形層理，我們把它們的特征、形成動(dòng)力機(jī)制及其形成環(huán)境總結(jié)在表1中，以便分析對(duì)比。

3 結(jié)語

綜上所述，黃河下游和黃河三角洲上發(fā)育了豐富的變形層理，具有多類型、多尺度和多成因的“三多”特點(diǎn)。通過觀察，作者認(rèn)為變形層理首先都是從簡(jiǎn)單的(不規(guī)則)褶皺變形開始的，然后逐漸加強(qiáng)，直到其強(qiáng)烈變形到極其不規(guī)則、甚至褶斷，是一種不斷遞進(jìn)的連續(xù)變形過程。所以像構(gòu)造變動(dòng)形成的一般褶皺一樣，可以找到兩個(gè)重要的參數(shù)來表征其從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的演化過程，這兩個(gè)參數(shù)是軸面產(chǎn)狀和翼部的對(duì)稱性。以規(guī)則的包卷層理為代表的軸面直立和兩翼近于對(duì)稱的變形層理與垂直密度調(diào)整有關(guān)，多半是波浪震動(dòng)形成的密度倒置形成的；而軸面斜歪和兩翼不對(duì)稱的變形層理多半與水流牽引、沉積物牽引、滑動(dòng)滑塌和冰塊滑動(dòng)牽引形成的順層剪切有關(guān)。形成軟沉積物變形層理的作用力也可以歸納為兩種：一是與橫彎褶皺形成的應(yīng)力相同的密度倒置，由波浪震動(dòng)引起；二是與縱彎褶皺形成的應(yīng)力相同的側(cè)向作用力，順層擠壓或沿上下層面剪切。所以，與地震無關(guān)的軟沉積物的變形動(dòng)力和過程也是非常復(fù)雜的。簡(jiǎn)單總結(jié)認(rèn)為，黃河下游和黃河三角洲分流河道上的變形層理以規(guī)模小、液化弱、垂向多層疊置和被極薄(數(shù)毫米)未變形層相隔為特點(diǎn)，可以與地震成因變形層理相區(qū)別。縱觀黃河下游的變形層理，還會(huì)與滑動(dòng)滑塌形成的斷層伴生產(chǎn)出，這些斷層經(jīng)常會(huì)被后期的泥沙充填(甚至風(fēng)成沙充填)，形成砂泥脈，在古代巖層里這種組合也會(huì)呈現(xiàn)出地震成因的假象。但要密切關(guān)注變形層理本身的一些特點(diǎn)，尤其是堆疊變形層理之間的薄砂泥紋層的存在可以作為可靠的非地震成因證據(jù)。最后需要強(qiáng)調(diào)的是包卷層理的成因與環(huán)境是多樣性的，濁流僅是其中的一種，所以不能把這種層理作為濁流的指相構(gòu)造。通過對(duì)現(xiàn)代非地震成因的變形層理和軟沉積變形構(gòu)造的研究，建立起辨識(shí)依據(jù)是識(shí)別古代地震與非地震的重要途徑，應(yīng)該受到重視。本研究還有許多問題還不明了，有待今后深入。

表1 不同成因變形層理的特征及形成動(dòng)力機(jī)制與產(chǎn)出環(huán)境Table 1 Features, dynamic mechanisms and environments of deformation beddings having a different genesis

致謝 感謝共同參加野外考察的冷淑濱、吳孔友、李理、朱光有、朱明春、李勇(李俊廷)；感謝審稿人的杰出工作；感謝編輯的辛勤勞動(dòng)。感謝馮增昭教授的關(guān)心鼓勵(lì)，他一直讓我好好研究和總結(jié)SSDS，尤其是非地震成因的SSDS。另外，要非常感謝地科系馬在平老師，是他把我領(lǐng)進(jìn)了黃河現(xiàn)代沉積的研究大門。他多次帶我考察黃河，寒暑無阻、任勞任怨?？上觳患倌辏蚬视⒛暝缡?。每當(dāng)我撰寫黃河方面的論文時(shí)腦海里總浮現(xiàn)他的音容笑貌。借此機(jī)會(huì)向天堂里的馬在平老師致以深深謝意。