青島靈山島早白堊世遠源濁積巖的發(fā)現(xiàn)及其地質(zhì)意義

青島靈山島早白堊世遠源濁積巖的發(fā)現(xiàn)及其地質(zhì)意義

靈山島位于山東省青島膠南市東南海域，距膠南市珠山約10公里。海島面積不足8km2,但最高點卻達到513.6m,為僅次于臺灣島和海南島的中國第三高島,也是中國北方的第一高島(圖1),最新的研究將其劃歸為構(gòu)造成因島嶼(欒光忠等,2010)?？赡苡捎诮煌ú槐?靈山島基礎(chǔ)地質(zhì)研究程度很低。最新的地質(zhì)圖顯示靈山島有兩套地層:上部的青山群八畝地組(K1b)火山巖不整合覆蓋于下部的萊陽群法家塋組(K1f)之上(山東省第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,2003)。但實際上要復(fù)雜得多,從地層分布到構(gòu)造變形等都需要加強研究。從南北黃海之間經(jīng)山東的膠南向西南延伸到蘇北地區(qū)是著名的蘇魯造山帶(蔡乾忠,2005;張岳橋等,2007;Zhuetal.,2009),而靈山島恰恰位于這條重要的縫合帶上。雖然島嶼面積有限,卻記錄著揚子板塊和華北板塊拼合前后重要的沉積與大地構(gòu)造信息。因此,對該島的基礎(chǔ)地質(zhì)研究就顯得非常重要了。本文作者于2010年夏、秋季數(shù)次登上靈山島,進行了地層學(xué)、沉積學(xué)與構(gòu)造地質(zhì)學(xué)等方面的研究(圖2),獲得了豐富的第一手資料。其中,滑塌沉積就是重要的發(fā)現(xiàn)之一。1下白堊統(tǒng)沉積變形地層的初步研究靈山島上主要出露兩套地層:下部為灰黃色薄層砂巖與灰黑色至黑色泥巖互層,未見底;上部不整合覆蓋著一層巨厚的流紋質(zhì)熔巖,其上直至山頂主要為各種火山碎屑巖和熔巖。在山東省地質(zhì)圖上顯示為:下部為下白堊統(tǒng)萊陽群的法家瑩組沉積巖(K1f),而上部為下白堊統(tǒng)青山群的八畝地組火山碎屑巖(K1b)(山東省第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,2003)。筆者野外初步觀察發(fā)現(xiàn):兩套地層的具體時代還有待于研究,而其出露也不是簡單的不整合關(guān)系,因為在不整合面之上的火山巖出露區(qū)仍有一些典型的砂頁巖露頭?？梢姾髞淼臉?gòu)造變形非常復(fù)雜,需要進行詳細的地層學(xué)和構(gòu)造地質(zhì)學(xué)研究。下部的砂泥巖互層段外觀上可以看做復(fù)理石,主要表現(xiàn)為灰黃色薄層砂巖、粉砂巖與黑色的泥巖構(gòu)成良好的韻律層。其中砂巖層多由塊狀粉砂構(gòu)成,局部有紋層,見微弱的粒序?qū)永?而泥質(zhì)單元主要為灰黑色的泥巖,局部含有黑色而細小的植物碎片(主要見于滑塌體中的泥質(zhì)單元)。砂巖薄片顯示:碎屑顆粒主要為長石、巖屑和石英,膠結(jié)物主要為方解石和泥質(zhì)。因為具有良好的韻律性,符合海相復(fù)理石或遠源濁積巖的特征(圖3,圖版Ⅰ-1、2)。這套地層與膠萊盆地中的下白堊統(tǒng)萊陽群明顯不同,泥巖中的孢粉初步分析結(jié)果顯示該套地層應(yīng)為侏羅紀,具體時代有待于進一步研究。筆者所發(fā)現(xiàn)的滑塌沉積構(gòu)造在下部砂泥互層的碎屑沉積巖中。主要表現(xiàn)為下部的某些薄層砂巖和泥巖作為整體向更深處滑塌并產(chǎn)生同沉積變形,而其上部地層因為是變形后才沉積的而不受影響。主要變形類型為同沉積滑塌褶皺,而在同沉積褶皺內(nèi)部還發(fā)育有小規(guī)模的同沉積變形構(gòu)造,如:同沉積布丁構(gòu)造、同沉積拉伸線理、同沉積雙重構(gòu)造等。1.1滑塌褶皺層厚度滑塌褶皺是靈山島發(fā)現(xiàn)的最主要的同沉積變形構(gòu)造。在靈山島西側(cè)海邊以及島嶼南端老虎嘴景區(qū)之下的海蝕崖都有廣泛出露。如:在海島西側(cè)潮間帶與潮上帶露頭區(qū),至少有幾十層滑塌褶皺層。其中每個滑塌褶皺層厚度規(guī)模差異較大:薄層滑塌層僅幾十厘米厚,而厚的滑塌褶皺層可以達到4m以上(圖3)。同沉積滑塌褶皺層中的強巖層為鈣質(zhì)膠結(jié)的薄層粉砂巖,而弱巖層為碳質(zhì)泥巖。在海岸帶附近露頭進行的野外測量顯示:滑塌體之下的巖層產(chǎn)狀為:127°∠28°,整體向南東傾斜,傾角較緩。野外現(xiàn)場將這些巖層產(chǎn)狀恢復(fù)水平,進而恢復(fù)滑塌層堆積時的原始產(chǎn)狀:同沉積滑塌褶皺的樞紐延伸方向為NE—SW方向,而其軸面基本上向北西傾倒,說明滑塌體是從南東向北西方向滑塌而堆積的,這就揭示了當時的盆地古斜坡方向:南東高而北西低,沉積物的物源區(qū)來自南東側(cè)。1.2同沉積布丁構(gòu)造布丁構(gòu)造是順層拉伸背景中的典型變形構(gòu)造。在軟硬相間的巖層受到順層拉伸的應(yīng)力作用時,相對硬的巖層被拉斷,在韌性剪切帶中相對脆性的薄巖層容易形成這種構(gòu)造,也就是通常所指的石香腸構(gòu)造(DavisandReynolds,1996)。盡管這類構(gòu)造主要見于變質(zhì)巖中,特別是韌性剪切帶中,但近年來在沉積巖中也有發(fā)現(xiàn)。呂洪波等在白云鄂博地區(qū)黑腦包古生代碳酸鹽巖同沉積滑塌構(gòu)造中識別出同沉積布丁構(gòu)造,認為是同沉積滑塌體中局部拉伸造成的次級沉積構(gòu)造(呂洪波等,2006;LuHongboetal.,2006)。靈山島中生代碎屑巖地層中的同沉積布丁構(gòu)造發(fā)育于滑塌褶皺體的翼部,為夾于泥巖層中相對硬的薄層長石石英砂巖受到滑塌體的重力作用(相當于σ1)以及滑塌體運動的近水平拉伸(相當于σ3)而產(chǎn)生的變形構(gòu)造(圖版Ⅰ-5)。其中薄的砂巖層由于近水平拉伸而產(chǎn)生一系列小斷層,形成長軸大致與同沉積褶皺樞紐一致的同沉積布丁構(gòu)造,而每個單個的布丁塊體由于滑塌體上方相對于下方產(chǎn)生的向前的剪切作用而發(fā)生旋轉(zhuǎn),最終形成一個個橫截面為菱形的柱狀塊體?？梢?同沉積布丁構(gòu)造是滑塌體向前運動過程中形成的,因而,在與布丁(即:石香腸)延伸方向垂直的剖面上看,布丁塊體之間傾斜的微型小斷層之傾向代表其滑塌源頭方向,而倒向斜坡的下方方向。根據(jù)野外測量的同沉積布丁構(gòu)造的排列方向判斷:滑塌體來自南東方向,與滑塌褶皺所指示的方向吻合。1.3同沉積拉伸線理與滑塌體運動方向垂直線理(lineation)是一系列非常復(fù)雜的原生或變形構(gòu)造,其原始定義并不具有成因意義(Garyetal.,1973),在沉積巖(如:剝離線理)、火成巖(如:繩狀熔巖的流動線理)和強烈變形的變質(zhì)巖中都可以見到(DavisandReynolds,1996)。其中在變質(zhì)巖的韌性剪切變形過程中與鞘褶皺一起形成的線理構(gòu)造是典型的拉伸線理(stretchinglineation)。然而,近年來對拉伸線理的研究發(fā)現(xiàn)這個詞匯往往容易引起歧義,因此建議“拉伸線理”應(yīng)該僅僅用于那些顆粒組合處于有限應(yīng)變橢球體X軸方向的情況(PasschierandTrouw,2005),也就是由最大張應(yīng)力(σ3)形成的線理。靈山島中生代滑塌沉積體中也保留了拉伸線理構(gòu)造,而且主要在滑塌沉積體的褶皺樞紐部位(即褶皺變形彎曲度最大的地方)發(fā)育,表現(xiàn)為砂質(zhì)單元的表面出現(xiàn)與褶皺樞紐相平行的拉伸線理。盡管在巖石薄片中并未發(fā)現(xiàn)與線理相一致的礦物顆粒定向排列現(xiàn)象,與經(jīng)典的拉伸線理定義(PasschierandTrouw,2005)有別,但卻與最大張應(yīng)力(σ3)相一致,因此筆者將其命名為同沉積拉伸線理(synsedimentarystretchinglineation)(圖版Ⅰ-4)。這種同沉積拉伸線理是砂頁巖互層的沉積巖在砂質(zhì)層尚未完全成巖的階段形成的。變質(zhì)巖的拉伸線理是在韌性變形過程中礦物沿著拉伸應(yīng)力方向生長形成的線理構(gòu)造(DavisandReynolds,1996),而靈山島滑塌沉積中的拉伸線理卻是軟沉積物的機械變形之一,是滑塌體中砂質(zhì)單元在重力的作用下發(fā)生水平側(cè)向逃逸的結(jié)果。需要注意的是,在多期應(yīng)變過程中,晚期的變形往往可以掩蓋早期的變形,因此造成早期的線理構(gòu)造被晚期的變形事件所掩蓋或誤解(Duebendorfer,2003),因此一定要注意區(qū)分先后變形。David(1974)早就注意到:在遞進應(yīng)變過程中早晚不同期次的布丁構(gòu)造方向可以不一樣,布丁構(gòu)造和拉伸線理都可以平行或垂直于褶皺的樞紐。鑒于此,筆者在此對上述兩種同沉積變形構(gòu)造進行簡單的分析:盡管本文所介紹的同沉積變形構(gòu)造都屬于一次滑塌沉積的結(jié)果,而且都發(fā)育于一個滑塌褶皺層中,與后期構(gòu)造變形相比其形成時間非常短暫,卻仍然有先后次序:同沉積拉伸線理就屬于晚期的變形構(gòu)造,而同沉積布丁構(gòu)造則屬于相對較早的變形構(gòu)造,不同階段的應(yīng)力狀態(tài)也會發(fā)生轉(zhuǎn)變。同沉積布丁構(gòu)造發(fā)育于滑塌褶皺的翼部,而且同時受到重力和滑塌體前方向前運動的水平拉力,因此其主應(yīng)力方位特征為:最大主壓應(yīng)力(σ1)為鉛垂的重力,而拉伸應(yīng)力(σ3)與滑塌體運動方向平行。然而,同沉積拉伸線理是滑塌堆積體不再運動后繼續(xù)變形的結(jié)果。其動態(tài)應(yīng)力狀態(tài)表現(xiàn)為:最大主壓應(yīng)力(σ1)仍然為鉛垂的重力,而拉伸應(yīng)力(σ3)卻不再是與滑塌體運動方向一致的水平方向,而是與滑塌褶皺樞紐平行的水平方向。因此,同沉積拉伸線理與滑塌沉積體的運動方向垂直。據(jù)此在野外測量判斷:靈山島的同沉積滑塌體來自南東方向,與同沉積布丁構(gòu)造所示的方向一致。1.4同沉積雙重構(gòu)造擠壓雙重構(gòu)造最常見于坡坪組合的疊瓦狀逆沖帶中,根據(jù)其產(chǎn)狀可以判斷頂?shù)装宓南鄬酉?DavisandReynolds,1996)。而在靈山島中生代滑塌沉積體中也發(fā)現(xiàn)了類似的雙重構(gòu)造(圖版Ⅰ-3),因非構(gòu)造變形,本文筆者將其命名為同沉積雙重構(gòu)造(Synsedimentaryduplex)。該雙重構(gòu)造是同沉積滑塌體向前運動過程中由于受到阻力而致某些相對硬的砂層產(chǎn)生疊瓦狀逆沖斷裂而形成的,形成原理與擠壓背景下的雙重構(gòu)造是一樣的,只不過這種擠壓來自滑塌體后部的向前慣性沖力,而且此雙重構(gòu)造在空間上局限于滑塌體內(nèi)。根據(jù)這個特征可以在野外測量并判別滑塌體的運動方向:滑塌體源頭來自東南方向,與同沉積拉伸線理、同沉積布丁構(gòu)造所指示的方向是一致的。1.5沉積相與基礎(chǔ)上述同沉積變形構(gòu)造都是滑塌層在二次搬運與沉積過程中形成的,主要反映了滑塌過程中的古斜坡方向和滑塌體的來源方向。而后期的構(gòu)造變形卻能反映出該套沉積層在完全沉積以后受到的構(gòu)造擠壓事件,是板塊構(gòu)造活動的記錄。在與滑塌沉積層互層的“正常”沉積砂巖層中普遍發(fā)育有與層面垂直的早期平面X型剪節(jié)理。根據(jù)野外簡單赤平投影操作顯示:早期的水平擠壓方向(σ1)為120°~300°。根據(jù)碳酸鹽巖中的垂直縫合線可以借助于早期平面X剪節(jié)理發(fā)育的現(xiàn)象判斷:早期平面X剪節(jié)理在沉積巖的成巖過程中即可發(fā)育(呂洪波,2009),因此推測靈山島中生代滑塌沉積層理在砂巖開始成巖到開始褶皺之間的時間段內(nèi)遭受了來自SE—NW方向的水平擠壓作用。在靈山島南端千層崖景區(qū),有一個大型的不對稱向斜(圖版Ⅰ-6),其樞紐走向為N30°E并向NE傾伏,向斜的南東翼產(chǎn)狀較為平緩,而北西翼近乎直立。這一現(xiàn)象說明該套地層遭受了來自北西向南東方向的逆沖作用而造成褶皺的形成,而且后來南端比北端抬升更高。靈山島南端老虎嘴景區(qū)有一層灰白色巨厚層流紋質(zhì)熔巖低角度不整合覆蓋在韻律層砂泥巖之上(圖版Ⅰ-7),筆者尚未見有更詳細的研究。欒光忠等(2010)在討論青島海域島嶼成因的最新論文中提供了一張靈山島地質(zhì)簡圖,圖中從島的南端向西直到海岸附近有一條“花崗細晶巖巖床”。筆者考察沒有發(fā)現(xiàn)所示的巖床,而根據(jù)其分布特點判斷應(yīng)該指的就是這層火山巖。根據(jù)老虎嘴景點所暴露的熔巖底部流動構(gòu)造顯示(圖版Ⅰ-8),這層巖石不僅應(yīng)該是火山熔巖,而且當時熔巖流是從南向北流動的,而其下的砂泥巖已經(jīng)隆起到海面之上并遭受了剝蝕。熔巖流的厚度在南端的老虎嘴最厚(15m以上),向西向北逐漸變薄(東部被斷層錯斷)。這也揭示了另一個信息:如果該層火山巖確屬下白堊統(tǒng)青山組,當白堊紀早期火山噴發(fā)時,靈山島地區(qū)地貌特征是南高北低,而且該層熔巖的火山口在靈山島以南的某處。2靈山島滑塌巖地質(zhì)意義同沉積構(gòu)造有狹義與廣義之分。狹義的同沉積構(gòu)造(syndepositionalstructure)是松散的沉積物在沉積過程中形成的原生沉積構(gòu)造,如:前積層構(gòu)造(Selley,2000),而本文所討論的同沉積構(gòu)造是廣義的同沉積構(gòu)造(synsedimentarystructure,呂洪波等,2003),是指部分沉積物已經(jīng)沉積之后(某些部分甚至開始成巖)遭受某種變形而形成的沉積構(gòu)造,屬于次級沉積構(gòu)造(secondarysedimentarystructure)或軟沉積物變形構(gòu)造,如:滑塌沉積層(Selley,2000)?，F(xiàn)代海底調(diào)查發(fā)現(xiàn):滑塌沉積最容易發(fā)生于大陸坡下部到大陸隆等深海區(qū);而古代深海沉積巖主要為灰黑色到黑色的細粒砂頁巖,如典型的復(fù)理石或濁積巖類(Boggs,2001)。靈山島中生代滑塌沉積層整套巖石為薄的韻律層,其中砂質(zhì)單元為灰色的細砂巖或粉砂巖,鈣質(zhì)膠結(jié),以塊狀或少量弱粒序?qū)永頌橹?而泥質(zhì)單元為黑色的頁巖,在滑塌體中的泥質(zhì)層中局部含有少量已碳化的植物碎片(已成煤)。這說明沉積物既由陸源碎屑組成,又符合深海沉積的特征。盡管植物碎片常堆積于海陸交互相,卻可遭受濁流二次搬運而沉積于大陸隆附近。雖然陸相湖盆中也可以有濁流沉積,但其在橫向上穩(wěn)定性遠不如海相好,而且滑塌的規(guī)模也不如海相大。靈山島濁積巖橫向上延伸穩(wěn)定,滑塌層規(guī)模巨大,因此筆者認為其屬于半深海到深海的陸隆環(huán)境。近年來對滑塌沉積的研究顯示:滑塌體前方以同沉積褶皺變形為主,而后方則以斷裂為主(Tisljaretal.,1998),而且總長度至少數(shù)百米長(Kangietal.,2010);有的滑塌體厚度超過300m,長度超過100km(Boggs,2001)。由此可見滑塌沉積影響范圍是非常大的。很多研究都顯示:包括同沉積布丁構(gòu)造等軟沉積物變形往往是地震觸發(fā)的(Knaust,2002;Vliet-Lanoeetal.,2009;HoffmannandReicherter,2011),而且往往是很強的地震才能造成軟沉積物中的變形記錄(Moneckeetal.,2007)。靈山島中生代滑塌沉積層每個單層厚度穩(wěn)定,小型的不足1m,而大型的則超過4m;順層延伸特征穩(wěn)定,至少在上百米的野外露頭上沒看到明顯的厚度和特征變化。這說明其影響范圍很大。在剖面上自下而上頻繁出現(xiàn)滑塌層則說明當時沉積盆地處于地震頻發(fā)的構(gòu)造環(huán)境。而滑塌體的移動方向揭示了其源頭位于盆地的南東側(cè),沉積物的物源區(qū)也來自南東側(cè)。據(jù)此可以對盆地的古地理進行簡單的推測:從靈山島向東南水體變淺,陸源碎屑來自南東側(cè)的揚子板塊。作者采集了幾組巖石樣品在南京地質(zhì)古生物研究所進行孢粉分析,因分析出的孢粉量太少,不能確定精確的時代,但推測中晚侏羅世的可能性最大。據(jù)此推測:其時代可能屬于中侏羅世到早白堊世之間。而該階段靈山島地區(qū)正處于揚子板塊和華北板塊之間。剖面上密集的滑塌沉積層展示了地震頻發(fā)的構(gòu)造特征,揭示了當時揚子板塊向華北板塊俯沖的背景。前人的很多研究都揭示:同沉積滑塌變形構(gòu)造是盆地基底構(gòu)造活動的反映(Fodoretal.,1992;Chakraborty,2011;Zouaghietal.,2011),顯然其根本原因是板塊的運動。Einsele(2000)在總結(jié)沉積盆地構(gòu)造類型時歸納了殘余盆地的重要特征:盆地為兩個已經(jīng)開始碰撞的大陸塊體之間殘留的狹長洋盆,一側(cè)為造山帶,而另一側(cè)則為被動的大陸邊緣,沉積物以濁積巖(即:復(fù)理石)為主。侏羅紀和白堊紀時期,靈山島沉積層恰恰位于揚子板塊和華北板塊之間,盡管目前還不知道滑塌沉積層之下是否有代表洋殼的玄武巖作為基底,但據(jù)其沉積和構(gòu)造特征推測:當時在揚子板塊和華北板塊之間很可能存在著一個殘余盆地。前人研究顯示:五蓮-青島斷裂以北為華北板塊東部的膠北地體,其與揚子板塊之間夾著的就是蘇魯造山帶,蔡乾忠(2005)稱其為蘇膠造山帶,向黃海中延伸為千里巖隆起,而到朝鮮半島則為臨津造山帶,其北側(cè)的北黃海盆地基底屬于華北地塊,而南側(cè)的南黃海盆地基底則為下?lián)P子地塊,兩大地塊在220~223Ma(三疊紀早期)時發(fā)生碰撞。也有研究認為華南陸塊自中三疊世開始向華北陸塊俯沖,而到侏羅紀才開始碰撞,同時郯廬斷裂開始左行走滑(Vergelyetal.,2007)。Zhu等(2009)認為:郯廬斷裂為同碰撞轉(zhuǎn)換斷層,其左旋錯動發(fā)生于中三疊世末到晚三疊世初,華南板塊與華北板塊碰撞后,蘇魯造山帶繼續(xù)因郯廬斷裂的左旋走滑而向北錯動到現(xiàn)今的位置。中晚侏羅世蘇魯造山帶遭受了NW—SE向的擠壓作用,而郯廬斷裂則表現(xiàn)為左行走滑活動(張岳橋等,2007)。這些研究顯示:靈山島處于揚子板塊和華北板塊的碰撞帶中,構(gòu)造位置非常重要。當然,也有研究認為:揚子板塊的上地殼在“蘇魯造山帶”附近仰沖于華北板塊之上,而巖石圈的深部卻俯沖于華北板塊之下,其真正的縫合線遠在南京以東一線(Li,1994)。還有研究認為:蘇魯造山帶缺少中生代大洋組分且與華南地塊有諸多的相似性,因而華南與華北板塊的界限應(yīng)該位于蘇魯造山帶之北(Faureetal.,2001)。無論如何,靈山島上發(fā)現(xiàn)的中生代遠源濁積巖滑塌沉積既宣告了中生代海相地層的存在,