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灵山岛早白垩世复理石和滑塌沉积与软沉积物变形构造识别(1)

已有 2353 次阅读 2024-1-5 21:05 |个人分类:地学探讨|系统分类:论文交流

灵山岛早白垩世复理石和滑塌沉积与软沉积物变形构造识别(1)

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

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一、引言:2010年灵山岛地质发现的意义(沉积环境与构造格局)

        2010年夏天我们在灵山岛率先发现早白垩世复理石及其中的滑塌褶皱层,引发了持续至今的研究热潮。

        灵山岛复理石及滑塌沉积的发现意义何在?要点如下:

        灵山岛虽然不在陆上,但却位于苏鲁造山带中。由于交通不便,岛上的沉积岩主体在2010年以前一直被看作早白垩世莱阳期的陆相沉积。吕洪波等率先识别出该套复理石,并在其中发现大量的滑塌沉积层,其时代为大约120Ma的早白垩世。滑塌沉积层内保留着各种软沉积物变形构造,大型者以滑塌褶皱为主,而小型构造有多种是首次命名,如:同沉积布丁构造、同沉积拉伸线理、同沉积双重构造等。滑塌褶皱体的排列方向揭示了其物源早期来自东南方向,晚期来自西南方向。复理石韵律层主要由具有粒序层理的砂质单元与黑色的泥质单元互层为特征:下部露头的砂岩粒度为细砂到粉砂,反映出远源浊积岩的特征;而上部露头的砂岩则明显变粗,由含砾砂到细砂组成,具有近源浊积岩标志。根据滑塌体运移方向判断:盆地早期的古水流自东南向西北,而晚期的古水流则从西南向东北。复理石发育的早白垩世盆地为介于扬子板块和华北板块之间的残余洋盆(可称为“苏—鲁残余洋盆”)。发育于砂质单元中的早期平面X剪节理指示了其在褶皱之前受到了SE—NW向的动态挤压,而后期的不对称褶皱构造记录了扬子板块自南东向北西的华北板块之下俯冲的历史。

        灵山岛地质发现的重要意义主要体现在下述两点:

        一、灵山岛早白垩世复理石是典型的深海沉积,这个发现改变了中国东部缺少中生代海相地层的历史。

        二、灵山岛复理石和滑塌沉积的发现揭示了早白垩世“苏—鲁残余洋盆”的存在,将扬子板块与华北板块在中国东部的碰撞时间从主流观点的三叠纪(220Ma)向后推迟了一亿年,修改为早白垩世莱阳期末。

        2010年以前,灵山岛的研究程度很低,专门介绍灵山岛地质情况的研究文献很少。灵山岛上的沉积岩依照胶莱盆地的划分方法划归为河湖相沉积(栾光忠等,2010)。

        而苏鲁造山带的碰撞与隆起时间也被学界主流根据变质岩中的测年数据限定在三叠纪(如:郑永飞,2008;Zheng Y.F. et al., 2005)。

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       显然,2010年的地质发现和新认识与主流观点差别巨大。我先后两次以灵山岛的地质发现为研究内容而申请国家自然科学基金都未成功。令人欣慰的是,十多年过去了,很多地学同行逐渐认同我的观点,认为灵山岛这套地层确实为海相沉积,而中国东部南北两大板块的碰撞与苏鲁造山带的隆起更符合剪刀式闭合的规律,而非一下子全部焊接在一起。

二、灵山岛复理石与滑塌沉积层的发现过程(偶然中的必然)

       灵山岛位于青岛市黄岛区近岸海域中,与积米崖码头相距18千米。岛屿面积7.66平方千米,最高处歪头顶海拔513.6米,为中国北方第一高岛。因为交通不便,地学界对灵山岛的研究几近空白,山东省地质志将岛上的砂泥岩划归为莱阳群,属于山东半岛胶莱盆地的一部分。

       2010年夏天,我带领新疆油田培训班学员到灵山岛进行地质考察,那是我第一次登上灵山岛。依据有限的资料,我准备为他们介绍灵山岛的“莱阳群”地层。然而,岛上的岩石露头让我惊奇:那套沉积岩与胶莱盆地早白垩世河湖沉积完全不一样,而是一套标志性海相地层--复理石。要知道:当时的研究认为中国东部没有中生代海相沉积岩。巧合的是,我在南大地质系读研时就开始跟随导师夏邦栋教授研究复理石,先后详细考察了浙西晚奥陶世复理石、南盘江中三叠世复理石、皖南前寒武纪复理石,对这类海相韵律层十分敏感。后来,我又开始研究软沉积物变形构造,为灵山岛的发现和破解奠定了理论基础和实践经验。

       中午在农家乐吃过午饭后,随队司机说有个地方岩层弯弯曲曲很奇怪,希望我跟他看看,于是我随他到岛屿西部船厂附近的海蚀崖,那巨大的滑塌褶皱层太震撼了!感谢这位对大自然抱有兴趣的司机师傅,让我幸运地发现了灵山岛的奥秘!。

       一周后,我带着研究生王俊同学登岛一周,悄悄地对灵山岛上几乎所有露头进行了较为详细的考察和观测,后来又邀请南京古生物研究所的张海春研究员专程到岛上采集微体古生物化石样品进行分析,完成了第一篇灵山岛地质研究论文:

    吕洪波,王俊,张海春,2011,山东灵山岛晚中生代滑塌沉积层的发现及区域构造意义初探。地质学报,85(6):938—946.

       论文要点:灵山岛位于著名的苏鲁造山带内,而苏鲁造山带为中国东部量大板块的碰撞边界,南边是扬子板块,北边是华北板块。地学界主流认识是:根据造山带内变质岩中锆石测年判两大板块在中三叠世(即220Ma)就碰撞了。然而,灵山岛复理石为早白垩世(120Ma,深层可能还有晚侏罗世)深海沉积,其构造背景为残余洋盆。也就是说,在120Ma以前的早白垩世,在南边的扬子板块和北边的华北板块之间尚存在着一个残余洋盆,接受了巨厚的复理石沉积,而两大板块至少在复理石沉积以后才完全闭合而连接在一起,而碰撞后的造山带迅速遭受剥蚀,并在新的侵蚀面上覆盖了巨厚层流纹岩。再后来则有大量的火山岩覆盖在灵山岛及周边地区(这部分岩石构成了灵山岛上部主体)。

        2011年论文的发表一下子让灵山岛成为地学研究的热点,我们地质系的同事钟建华教授、周瑶琪教授、操应长教授等专设团队持续研究。操应长教授率先开钻提取了一百多米的岩心,周瑶琪教授则成功申请到了地调局的重点基金,在灵山岛的钻井深度超过1300米,揭示了本层复理石厚超千米尚未见底的事实。国内地学界众多学者纷纷带队到灵山岛进行野外地质考察,灵山岛更成为国际地学会议的指定考察路线,国外同行也参与了沉积学和大地构造学的探讨。十多年来已经发表中外文论文一百几十篇,目前仍然继续着火热的趋势。近几年甚至有“地质文化村”项目在灵山岛安装了一批科普解说牌,让灵山岛成了真正集地学研究、实践教学和地质旅游的综合基地。这一研究热潮彻底带火了灵山岛的旅游,以至于长假期间连游客的住宿都成了稀缺资源。

        然而,这个研究热潮也出现了令人担忧的一面:一个典型的地质现象却有着五花八门的冠以“科学”的解释,而且都发表在正规的学术期刊上。关键认识分歧举例如下:

        A、 灵山岛下部主体的早白垩世沉积岩到底是深海沉积还是陆相的河湖沉积?

        B、 被广泛报道的船厂剖面典型的变形构造是滑塌褶皱还是构造褶皱?

        C、 老虎嘴上的火山岩到底是流纹岩还是浅成侵入岩脉?

        D、 老虎嘴南路边的巨大岩块和周围的碎屑是滑积岩块还是河流砾岩?

        E、 滑塌沉积体内诸多软沉积物变形构造是如何形成的?机理如何?

        这些本来通过野外观察就能准确判定的地质现象,却成了众说纷纭甚至争论不休的话题。而随着研学旅游的进一步火热,各种错误说法纷纷灌输给青少年,对下一代贻害无穷。

        有一种流行说法:多几种观点总比一种观点好!然而,地质学的目的是求真,而真相只有一个。各种说法的存在显然不是“百花齐放、百家争鸣”的繁荣景象,而是我们地学界整体研究水平过低的真实体现,反映了研究队伍理论基础不扎实、野外基本功不足、知识面过窄的现状。就灵山岛地质问题的争议而言,主要聚焦于岩石种类的野外判断和软沉积物变形构造识别,不仅需要岩石学基础,更需要构造地质学和沉积学知识的融会贯通,因为一个知识面过窄的学者无法解决综合性地质问题。

        作为灵山岛地质研究热潮的“始作俑者”,我有义务将这些问题讲述明白,特别是供那些有不同认识的朋友们参考,同时为众多研学旅游团队和地学爱好者提供一个有据可依的学术版本,这就是本篇博文的意义所在。

       下面就针对上述几个明显争议的问题进行简单的科普解释,典型问题配以野外照片。因为篇幅过长,本文分为两部分。第一部分在介绍完灵山岛地质概况后,将展示灵山岛流纹岩的基本特征,让读者知道为何不是侵入的岩床而是酸性喷出岩:流纹岩,为后面的重点讨论做好铺垫。

三、吕洪波归纳的灵山岛主要地质单元

       2.1、地理位置:灵山岛位于青岛市黄海近岸海域中,面积7.66km2,海拔513.6m,为中国北方第一高岛。

       2.2、大地构造位置:属于苏鲁造山带,即南部的扬子板块与北部的华北板块在晚中生代碰撞形成的造山带。

       2.3、最老地层构造背景:不再属于胶莱盆地,而应属于早白垩世苏—鲁残余洋盆。

灵山岛早白垩世复理石简介.jpg

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       2.4、自下而上出露四套地层:

       第一套:下部为早白垩世复理石(地表出露一百余米,钻孔揭示地下1300米未见底),厚度巨大,时代相当于莱阳期(上部最小年龄120Ma),分布在岛屿周缘海蚀崖带,为灵山岛下部主体。2010年以来的重要发现都出于这套地层。

       第二套:早白垩世晚期流纹岩单层,不整合覆盖在复理石之上,主要出露于岛屿南部、东南、西南,从老虎嘴(厚近20米)向东北和西北逐渐变薄甚至尖灭,为青山期单次火山喷发结果。

       第三套:富含火山碎屑的河流相砾岩,厚度一百余米,判定为磨拉石建造,沉积覆盖在流纹岩之上,主要出露于岛屿东部的洋焦洞附近。时代暂定为早白垩世晚期的青山期。

       第四套:火山角砾熔岩(局部火山集块岩)及少量火山碎屑岩,占据灵山岛上部主体,总厚度超过300m。该套火山岩是多次喷发的结果,其最早的喷发可能比上部的河流相砾岩还早。因而,灵山岛上部主体火山岩可能由上下两部分组成,中间夹着以火山碎屑为主的河流相砾岩(即本区第三套岩层),推测其时代为早白垩世晚期的青山期。这套地层虽然占据灵山岛上部主体,但岩性细节和喷发时代还需要研究。

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四、流纹岩还是浅成侵入岩?

        灵山岛南端老虎嘴巨厚层流纹岩不整合覆盖在复理石侵蚀面之上。流纹岩的判别标志:

        第一、底部随着古地形起伏可见明显的流动痕迹,指示由南向北的流动方向。

        第二、剖面上,在复理石侵蚀面之上半米左右范围内可见随着地表起伏的流纹构造。

        第三、本段流纹岩为单次连续喷发所致,在老虎嘴处流纹岩厚度最大,可达近20米,向东北到洋焦洞附近明显减薄至不足10米,而向西北减薄更甚。这说明古火山口在灵山岛南端以外的海洋中(早已侵蚀殆尽)。

        第四、在洋焦洞南流纹岩露头上层面可见规则排列的流动线理,而流纹岩之上则沉积了一套富含火山碎屑的河流相沉积岩。

        这些证据都说明,该层酸性火山岩是陆表喷发的流纹岩,而非“顺层侵入”的岩床。因此,流纹岩的冷凝时代就代表着苏鲁造山带在灵山岛附近已经隆起成陆之后的时代。

        敬请等待第二部分:复理石、滑塌沉积、软沉积物变形构造等精彩内容。

谢谢!

        吕洪波

2024.01.05

附:吕洪波和合作者发表的部分灵山岛相关论文:

        吕洪波,王俊,张海春,2011,山东灵山岛晚中生代滑塌沉积层的发现及区域构造意义初探。地质学报,856):938—946.

        吕洪波,张海春,王俊,张素菁,董晓朋,张星,2012. 灵山岛晚中生代浊积岩中发现巨大滑积岩块。地质论评,581):80—81.

        吕洪波,张海春,王俊,张素菁,董晓朋,张星.2013.灵山岛早白垩世复理石不是陆内三角洲沉积答钟建华教授。地质论评,591):11—14.

        董晓朋,吕洪波,张星,张海春,王俊,张素菁. 2013. 山东灵山岛早白垩世复理石软沉积物变形期次解析。地质论评,596):1060—1067.

        张海春,吕洪波,李建国,王俊,张素菁,董晓朋,张星,黄振才,舒云超,任星民. 2013. 山东青岛早白垩世新地层单位灵山岛组。地层学杂志,372):216—222.

        董晓朋,吕洪波,张星,张海春,王俊,张素菁. 2014. 灵山岛北端早白垩世复理石中的滑塌断崖。地质论评,604):771—779.

        Wang Jun, Chang Su-Chin, Lu Hong-Bo, and Zhang Hai-Chun, 2014. Detrital zircon U-Pb age constraints on Cretaceous sedimentary rocks of Lingshan Island and implications for tectonic evolution of Eastern Shandong, North China. Journal of Asian Earth Sciences, 96: 27—45.

        Wang Jun, Chang Su-Chin, Lu Hong-Bo, and Zhang Hai-Chun, 2015. Detrital zircon provenance of the Wangshi and Laiyang Groups of the Jiaolai Basin: evidence for Early Cretaceous uplift of the Sulu Orogen, Eastern China. International Geology Review, (DOI: 10.1080/00206814.2015.1105728)



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