灵山岛早白垩世复理石中滑塌沉积与软沉积物变形构造解析

The Early Cretaceous flysch in the Lingshan Island, identification of slump deposits and soft sediment deformation structures

前两篇分别介绍了灵山岛岩石露头概况和复理石的结构特征，今天则重点介绍灵山岛早白垩世复理石中的滑塌沉积和相关软沉积物变形构造，然后接着介绍构造变形研究及灵山岛段的苏鲁造山带构造演化，共包括六、七、八三节。

前两篇的链接如下：

https://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=39040&do=blog&id=1416807

https://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=39040&do=blog&id=1417594 

六、滑塌沉积及多种软沉积物变形构造解析

Slump deposits and the interpretation of some related soft sediment deformation structures

第六节包括的主要内容如下：

滑塌沉积是灵山岛复理石中的重要组成部分，或者说灵山岛复理石层序中夹杂着各种滑塌沉积。滑塌沉积时海底滑坡的最终结果，而海底滑坡的触发因素以地震为主。下面这张幻灯片介绍了海底滑坡和滑塌沉积的定义和描述：

为了便于大家阅读，这里将简单的中文定义重新叙述一下：

滑塌沉积是原来的远洋或陆源沉积物通过块体运动沿着海底滑动而再沉积的过程，也指这种过程形成的沉积体。搬运过程中滑塌体的一致性被打乱，产生断裂、扭曲、紊乱层及内部变形构造。通过侧扫声呐、地震等手段揭示的海底剖面显示：滑塌沉积在高沉积速率的陆坡非常普遍。滑塌沉积包含轻度弹性变形的滑块和发育各种塑性变形的滑塌体…

前人总结了海底滑坡和滑塌沉积的基本模型。举例如下：

其中被广泛引用的模型是根据陆上滑坡描绘的：

其弱点是陆上坡度太陡，滑塌体滑动距离过短，无法表述海底滑坡的特征。为此，我自己绘制了一个简单的剖面示意图：

滑塌沉积可以形成各种软沉积物变形构造，其中滑塌褶皱规模最大且容易识别。我用面团模拟了滑塌褶皱的形成及其动向。照片及方向判别标注如下：

下面就先看看滑塌褶皱露头吧：

   滑塌褶皱层内常保留多种变形构造。需要注意的是，滑塌体搬运方向要根据宏观褶皱判定其运动方向，不要被局部小的变形构造所误导。

   滑塌褶皱与构造褶皱的区别：滑塌褶皱的规模大小不等，但每一层滑塌褶皱层都是一次事件沉积，因此褶皱变形仅限于滑塌体内，与下伏层和上覆层都无关。即使上下层都是滑塌褶皱层，其变形也都是各自为政，互不影响。然而，构造褶皱会影响上下一个构造层内的所有地层，反映出统一的构造应力场和受力方向。倘若发现推覆构造等引发的构造滑动面附近褶皱变形，也必然伴随着其他构造变形甚至相关的变质作用。

   有经验的地质学家不会将滑塌褶皱与构造褶皱相混淆，这是必备的基本功。

下面看看滑塌褶皱层内的某些微小构造：

判别滑塌沉积动向的方法是：根据滑塌褶皱的轴面判别其动向。记住：宏观上一次滑塌沉积形成的滑塌褶皱总体上规模一致（不考虑其内部的次级小褶皱），褶皱的轴面总是倾向上游（物源区方位）而倒向下游（搬运方向）。下面看看灵山岛南端灯塔下方海边的小型滑塌褶皱，显示的搬运方向是：SEàNW，来自东南，滑向西北。这揭示了盆地水体东南方浅而西北侧深的古地理格局。

下面展示一套灵山岛南端灯塔下方基岩海滩露头显示的薄层紧闭滑塌褶皱层，厚度不足一米，但方向稳定，根据褶皱轴面判定：滑塌体从东南向西北搬运。同时注意：滑塌褶皱仅限于这一层内，其上覆层和下伏层都不受影响。

滑塌体内各种小型软沉积物变形构造繁杂多样，尽量不用其判别方向，因为已经旋转脱落混合了。如下这个：砂中有泥，泥中有砂。

滑塌褶皱不仅见于复理石中，也见于多种沉积环境，国外也有很著名的露头。如：

下面展示滑塌体内一些平时很少介绍的软沉积物变形构造。可以借助于构造地质学中的应力分析手段判别局部应力状况，但不是构造应力。如：砂泥交互的情况下，泥质层是弱岩层，表现为塑性变形，而砂岩层为强岩层，表现为脆性变形（注意早期中文构造地质教材中的“能干”或“不能干”岩层属于翻译不当，别再使用），形成特殊的变形构造。夹在泥层中的薄层砂岩沉积时由于重力作用而发育了剖面X型共轭剪面，进而形成微型地垒地堑组合（见辅助线）：

在滑塌基本停止后，滑塌体下方不动而上方继续向前蠕动，二者产生运动速率差，则原来的剖面共轭剪面形成的砂岩块体受到水平方向的错动而发生旋转，形成同沉积布丁构造，可以用来判别滑塌体蠕动的方向。

砂泥交互的小型滑塌褶皱进一步发展，因为砂层偏脆而断裂，于是形成叠瓦状重复堆积，这便是同沉积双重构造，也可用来判别搬运方向：

在砂泥交互之界面上，还可以看见滑塌体受重力作用而发生的同沉积逃逸构造：同沉积拉伸线理：

滑塌体内也可见局部微型小褶皱，其方向与总体运动方向相反。仔细分析，仍能判别其形成机理。但别用其作为滑塌体运动方向的证据。如：船厂剖面的微型褶皱。用刨床刮削木片或者镐头从软泥中刮削泥片一样形成叠瓦状构造机理一致：

再看几张大型滑塌褶皱构造，有的已经成为倒转、平卧甚至翻卷褶皱。此时仍可以判别其动向，标准是：背斜轴面倒向下游！

有朋友将船厂这个大型滑塌褶皱当作构造平卧褶皱，进而推测有一次大型水平推覆构造运动，显然是误判。后来还有人将这类褶皱与灵山岛南端的构造褶皱放在一起分类，获得完全不一样的推论。请这些朋友仔细看看本博文，并找到自己的关键证据，然后发文讨论。

下图是我在一次古地理学会议后带领大家考察灵山岛时的作秀，活跃一下气氛：

滑塌断崖 Slump scarp

滑塌断崖是我的研究生董晓朋（后在地科院博士毕业留所工作）在灵山岛北端率先发现的。灵山岛北端比南端复理石层位高，相当于复理石沉积的晚期，盆地显然变浅，而变浅的原因不是大约二百米左右的沉积作用，而是来自于盆地下部板块俯冲的底侵作用（相当于在底下垫板抬升），属于构造抬升迅速变浅。原来的堆积区转变成近源沉积同时发生滑塌侵蚀，而且滑动方向已经转变，揭示了此时的盆地古地貌格局：西南浅而东北深。下图是董晓朋与张星同学当时在野外记录断崖露头并分别测量岩层和断崖产状。董晓朋进行了赤平投影操作，将砂岩岩层恢复水平，判别出断崖倾向北东。意义是：发生断崖的砂层，其消失的部分当时已经滑向东北了。

地震液化脉Seismogenic liquefaction dike

  地震时，已经沉积的含泥片砂层发生液化，向上突破覆盖的几层软沉积物而上涌，形成地震液化脉。后来盖上新的沉积层。

滑塌堆积 Olistostrome

滑塌堆积与滑塌沉积是不一样的概念。滑塌沉积是软沉积物再次搬运后的沉积体，主要包括滑塌褶皱等构造，来自于浅水区的二次、三次乃至 N次搬运的再沉积。然而，滑塌堆积来自于早已成岩的固体岩石在岸边崩塌滑落到海底软泥中，其中最大的岩块就是滑积岩块，而围绕滑积岩块形成同心层状变形晕。看看国际上的定义和实例：

下面是灵山岛南端老虎嘴南的露头：

我在仔细研究了这个露头后发表了一篇中文短文（见地质论评，后附文献），揭示了其滑塌堆积的特征。后来有研究生将这个露头当作陆相河流砾岩看待并成文。显然是个误判。河流砾岩无论粒径多大，都必须有成层的特征，其露头必然有规律地延伸，但这里没有。

七、早白垩世晚期构造变形与应力场恢复

        自从 Pollard（1988）发文否认剪节理后，构造地质学界就废弃了剪节理一词。想象一下：两组共轭剪面一开始先形成张节理，然后明显位移了就转变成剪切断裂了。转变的标志是什么？为什么要转变性质？难以令人信服。

        野外实践中借助于共轭剪节理恢复应力场效果极佳，因此我在这里还用“剪节理”这个称呼！

        根据复理石砂岩层发育的早期平面X剪节理判别岩层褶皱前的应力场和宏观褶皱判别褶皱阶段应力场，因为从早期平面X剪节理到后期褶皱就是递进变形的结果，二者在恢复古应力场工作中都是重要的变形构造。

       7.1早期平面X剪节理（Early stage X type shear joints）：岩层在地下处于水平状态时遭受到水平方向（σ1）的挤压，产生两组共轭剪面。因两组剪面都垂直于岩层，故从上方看呈X形，这两组节理就叫早期平面X剪节理，是在岩层褶皱之前形成的，故属于早期变形阶段。根据野外所测岩层产状和两组共轭剪面产状，将岩层通过赤平投影恢复到水平状态，其最大主应力（ σ1 ）就代表早期应力场水平挤压方向。需要注意的是：最大主应力（ σ1 ）方向必须野外判别，而不能用“锐夹角象限包含最大主应力轴”来判别，更不能到室内计算完毕后推测，因为共轭剪面在递进变形中可以发生旋转，有时恰恰是钝角象限包含最大主压应力。

       7.2后期褶皱构造：根据灵山岛南端千层崖岩层非对称褶皱特征判别，其上流纹岩喷发前的复理石岩层褶皱是受到扬子板块向北西侧的华北板块俯冲所形成的构造变形，与早期平面X剪节理所指示方向一致，属于一套递进变形体系。

       参考文献：Pollard, D.D., and Aydin, A. 1988. Progress in understanding jointing over the past century. Geological Society of America Bulletin, 100: 1181—1204.

我绘制的早期平面X剪节理恢复构造应力场示意图：

看看灵山岛船厂附近的露头吧！非常漂亮的剪节理：两组共轭剪面近乎垂直，而且同时与岩层层面垂直。从上方看，岩层层面被 X型剪节理均匀切割成方块，是岩层褶皱前的破裂变形，因此叫早期平面 X型剪节理。

野外判别最大主应力的方法：如果两组共轭剪面某两个相对的象限发育钝头，说明这个方向上发生了缩短，就是最大主应力方向。分别测量岩层和共轭剪面产状，然后到室内进行赤平投影，就可恢复古应力场。下图就是一个很好的野外实例：

当年有个本科生在灵山岛测量了几组共轭剪面就直接投稿，我审稿提出需要进行赤平投影，建议他重新测量并修改。但那位同学还没学过构造地质学，更不知道赤平投影，打电话让我教他，我无法课后教他一门课啊。后来我在科学网上专门撰写了一篇博文提及此事，建议他打牢基础。估计现在那位同学的赤平投影技术肯定很熟练了。

下面是灵山岛南端的非对称褶皱，这是典型的构造变形，反映了南东侧的扬子板块向北西侧的华北板块俯冲的构造历史。这是非同轴褶皱，应该是南东侧在下而北西侧在上：

八、苏鲁造山带的构造演化及灵山岛地质发展史

根据灵山岛几套岩石发育的先后顺序和后期构造变形恢复的应力场，大致可以将苏鲁残余洋盆à苏鲁造山带à现今状态作一个简要的归纳：

  1、早白垩世（可能包括晚侏罗世）为苏鲁残余洋盆，伴随着扬子板块向华北板块俯冲，堆积了厚超1300m复理石沉积体。复理石层序中包含着大量的滑塌沉积（来自东南）、滑塌堆积（来自西北）等，其中滑塌沉积体内保留着大量的软沉积物变形构造，揭示了其搬运方向和物源区方位。

  2、早白垩世晚期，苏鲁造山带从西南向东北呈剪刀式闭合，扬子板块与华北板块包含灵山岛段碰撞隆起，部分复理石建造以逆冲片形式被保留到造山带中而出露地表遭受剥蚀。苏鲁造山带深部地壳重熔，产生酸性岩浆，部分喷出到地表，形成覆盖灵山岛南段复理石侵蚀地表之上，而后苏鲁造山带喷发了大量的中性岩浆（相当于青山期火山岩）。紧接着十多千米深处的酸性岩浆逐渐侵入冷凝而形成花岗岩（不代表张性环境）。同期的胶莱盆地也遭受SEàNW 方向的挤压作用，伴随着郯庐断裂的大型左行走滑。

  3、大约一亿年后的今天，受欧亚板块和太平洋板块相互作用的影响，苏鲁造山带大规模隆起并遭受侵蚀（也是造山带地壳均衡演化的必然结果），地下的花岗岩体出露地表，形成了崂山、小珠山、大珠山等海岸花岗岩山体和灵山岛等诸多小岛。

        现借用一幅剖面示意图展示苏鲁残余洋盆基本特征...

我绘制了几幅平面和剖面构造演化示意图展示上述大地构造演化过程。

再看几张大自然的独特造型吧：

下面是我在灵山岛的另一个发现：盐风化穴。2017年我带头发表论文介绍了中国大陆不同地点的盐风化地貌，深入探讨了盐风化作用，纠正了过去几十年来地学界的错误。盐风化作用作为我最近十几年来的一个突破方向，正在地学界、地质旅游行业乃至公众视野中逐渐普及开来，产生良好的社会影响。为什么灵山岛可以作为世界级的地学探索和科学普及的代表性场所？看了我的介绍自然就明白了。

再欣赏几张其他露头吧！

受地质系邱隆伟教授提议，中国石油大学电教中心与我在灵山岛专门拍摄野外视频一周，然后我和张勇波老师花费一个暑假（义务劳动）在电教中心制作成科普教学片，被中国高校电视网评为一等奖，也宣传了灵山岛的地质旅游。然而，疫情期间高校电视网崩塌了，我后来将视频上传到抖音平台。感兴趣的朋友可以点击观看：

https://www.douyin.com/user/self?modal_id=7222897540604120381&showTab=post

上图是一次野外工作的瞬间。我断断续续到灵山岛不下大几十次，跑遍了几乎每一处可以攀爬和观看的露头，与大自然亲密接触并发现了其秘密。对灵山岛十几年来的野外研究让我体会到，尽管地学科研需要大量的资金，但最关键的问题还得靠野外露头识别来解决。地质学是一门综合性学科，牢固的专业基础、宽广的知识面和丰富的野外工作经验才是值得传承的。现在年轻的地学人才读书能力都很强，但缺乏野外基本功训练，常常在野外地质现象判别阶段出现误判，大前提错了，后面的论文就没有意义了。希望我的这三篇博文对年轻的学子们有所帮助，对地学爱好者也有所裨益。

最后用苏德辰老师拍摄的照片作结尾。请朋友们到灵山岛欣赏大自然的风光，揭示其更多的秘密吧！

附录：我与合作者们发表的部分论文

我的几位学生现在都在地学科研第一线工作，他们正在撰写灵山岛的相关论文，还有新的成果与大家见面。我这几篇博文上的材料和认识，很多都尚未发表，如果有朋友成文引用，或者转发到其他平台，请注明：来自科学网吕洪波的博客，并附上链接。

再次感谢大家阅读和分享！

2024.01.15