重庆云阳地区沙溪庙组软沉积物变形构造及其地质意义

2021-04-12朱利东杨文光周羽漩李德亮张洪亮

成都理工大学学报（自然科学版） 2021年2期

钟摇,朱利东,杨文光,周羽漩,,熊璨,肖明,李德亮,3,张洪亮

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059；2.重庆地质矿产勘查开发局 208水文地质工程地质队(重庆市地质灾害防治工程勘查设计院)，重庆市地质遗迹保护与研究实验室，重庆 400700；3.重庆地质调查院，重庆 401122)

软沉积物变形是在沉积物沉积之后、固结之前，由于差异压实、液化、滑移、滑塌等形成的变形构造[1]，包括液化砂脉、液化砂席、液化卷曲变形与混滑层、负载构造及球枕构造等[2-7]。因能量注入，孔隙流体克服颗粒重量，进而自身强度完全丧失形成的液化现象，是软沉积物变形的前提之一[5,8-9]。液化现象多发生在碎屑岩和碳酸盐岩中[10]，其中又以粗粉砂和细砂为最[11]，可由地震、火山喷发、海啸、沉积物负载、底辟等作用触发[12-13]。大量研究者将液化沉积物变形构造作为识别构造事件的标志，是分析沉积盆地大地构造背景及构造活动的重要基础[14-15]。此外，有研究人员认为液化软变形构造可能与生物相关[16]，特别是与甲烷以及油气释放密切相关[3,17-20]，是深部物质活跃的反映[21]。因此，正确认识软沉积物形成与变形过程，对盆地充填样式、岩相以及地层序列的研究，乃至油气勘探等方面都具有指导意义[22]。

2016年，重庆云阳普安乡沙溪庙组下段发现大规模恐龙化石(以下简称“化石墙”)，为四川恐龙化石研究提供了新资料的同时，也提出了大量古生物学、埋藏学等方面的科学问题。野外地质调查过程中，笔者于化石墙附近识别出大量作为构造事件标志的软沉积物变形构造及管状钙质结核，这可能暗示恐龙化石埋藏与这些软沉积物变形构造、构造事件有密切关系。正确认识研究区内软沉积物变形形成过程对解释恐龙化石的埋藏机理具有重要意义。本文以野外资料为基础，结合镜下微观特征，详细描述了区内各地质构造特征，探讨其形成机制、地质意义以及与恐龙化石埋藏的关系。

1 区域地质概况

四川盆地位于扬子板块西部，北接秦岭造山带，西邻羌塘-三江造山系，东南部以钦杭对接带与华夏造山系相接，是多方位上冲推覆构造背景下的挤压性构造盆地[23]。晚三叠世末期以来，四川盆地海相沉积背景结束，进入陆相盆地演化阶段。研究区位于重庆市云阳县，区内主要出露中生代地层，以褶皱构造为主[24](图1)。恐龙化石埋藏于中侏罗统新田沟组(J2xt)及沙溪庙组下段(J2s1)。新田沟组主要为一套河流-滨浅湖相沉积，底部为青灰色中细粒长石石英砂岩夹紫色粉砂质泥岩，下中部为灰色页岩，上部为暗紫红色泥岩。沙溪庙组下段为典型的河流-三角洲相沉积，主要为紫红色厚块状泥岩、钙质泥岩夹黄灰色粗中粒至细粒长石石英砂岩、长石砂岩及粉砂岩；沙溪庙组上段(J2s2)由灰、黄灰色厚层至块状中粗粒长石石英杂砂岩与紫红色泥岩组成多个韵律，泥岩中普遍含钙质或钙质结核[25]。

图1 四川盆地地质简图Fig.1 Geological sketch map of Sichuan Basin(据Li等[24]修改)

2 软沉积物变形构造类型与特征

软沉积物变形构造可表现为沿裂隙侵入形成砂脉构造、砂侵蘑菇构造、丘槽构造等[21,26-27]。

区内沙溪庙组中发现大量软沉积物变形构造，根据液化沉积物侵位关系、规模及形态特征，大致可分为液化变形(负荷构造、火焰构造)、液化砂岩脉等。

2.1 液化变形

研究区内液化变形现象多发育于上下未变形岩层之间(图2)，显示为地质事件控制的变形[27]。变形层内部青灰色砂质与紫红色(粉砂质)泥岩均不显示层理，在液化背景下混杂交融呈杂色(图2)。个别地方发育阶梯状小型断裂，断裂未错断上下层(图2-A)。图2-C显示紫红色泥质岩沿砂质岩裂隙灌入，呈弥散状分布，说明区域内的液化现象不仅发生在砂质层，泥质岩也发生了高度液化。液化砂泥由于自身比重特性，出现负荷构造以及火焰构造(图2-D，图3-B)。

图2 沙溪庙组下段的液化变形构造Fig.2 Pictures showing liquefied deformation structures in J2s1(A)液化变形与小型层间断裂;(B)液化变形构造示意图;(C、D)弥散状混杂砂泥岩

液化泥质岩一方面形成火焰构造，同时伴生泥拱(图3-A)、液化底劈构造(图3-B)。液化泥质岩具有较强流动性，在上覆不规则砂岩的边界处发生底侵及底蚀，泥岩呈脉状、楔状侵入，并常伴随底蚀砂岩形成的砂质角砾(图3-C、D)。

图3 沙溪庙组下段的液化泥质岩底劈Fig.3 Diapir of liquefied mud in J2s1(A)液化泥拱现象;(B)液化泥岩底劈;(C、D)液化泥岩底侵及捕获砂质角砾

2.2 液化砂岩脉

砂岩脉是发育在砂泥岩互层沉积物中的砂质岩脉或岩墙，常沿着地层薄弱处不规则延伸[3,5,7,17]。液化砂岩脉多呈现复杂的空间几何形态，如直板状、墙状或不规则状等[17,27]。在本研究区内，上述几种形态均有出现，各类型特征简述如下。

板状液化脉广泛发育在沙溪庙组下段紫红色(泥质)粉砂岩中(图4)，产状与层面基本平行，个别夹于泥质岩层之间的平行脉体可由垂直脉连通(图4-D)。脉体本身矿物成分均一，主要为中-粗粒石英砂以及少量钙质胶结物。脉体呈灰白色直板状，大多数砂脉体宽度为1 cm左右，个别可达5 cm；侧向延伸长度不定，较短者约10 cm，长者达40～50 cm(图4-C、D)。个别板条状砂岩脉体中包含大量泥质角砾，颜色、成分与围岩相同。砾石无明显棱角，砾石长轴方向与脉体延伸方向近一致(图4-A、B)。

图4 沙溪庙组下段的板状砂岩脉Fig.4 Slatted sandstone veins in J2s1(A)板状液化脉;(B)液化砂岩脉中富含泥质角砾;(C)细板条状砂脉;(D)板条状砂脉，其间以垂直脉相通

图5所示的墙状砂岩脉与岩层面垂直，脉体宽度不大，多数在1～2 cm，该类充填砂脉体可能为液化砂沿裂隙灌入充填形成。不同脉体垂向延伸长度各异，或数厘米，或数米，但大多数未穿透上下岩层，发育于某一岩层内部。局部地方可见液化母岩层，脉体及母岩层主要为灰白色中-粗粒石英砂岩，脉体与围岩界线明显。液化的砂岩脉在垂向挤入过程中如遇脆弱部位，可发生顺层横向挤入(图5-E)，但延伸性较差。

图5 沙溪庙组下段的墙状砂岩脉Fig.5 Wall-like sandstone veins in J2s1(A)墙状砂岩脉侵入紫红色围岩;(B)墙状砂岩脉与岩层垂直关系;(C)砂岩脉沿裂隙发育;(D)液化母岩层;(E)砂岩脉顺层横向挤入

不规则砂岩脉多呈枝状、肠状，砂脉与围岩接触边界明显但极不规则，脉宽约数厘米，侧向延伸较差，基本不可见液化母岩层(图6)。砂质脉体矿物成分主要为石英，少量长石、岩屑。矿物之间胶结程度较差。同时，灰白色砂质脉中含有少量紫红色泥质围岩成分(图6-A)，这可能是液化砂质从深部捕获的泥质角砾或是侵位过程中对围岩的捕虏。

图6 沙溪庙组下段的不规则状砂岩脉Fig.6 Irregular sandstone veins in J2s1(A)含泥屑不规则状砂岩脉;(B)不规则灰白色液化粉-细砂的液化砂脉

2.3 泥屑砾岩

前人研究认为，液化砂向上逃逸过程必然伴随对低渗透黏土围岩的侵蚀作用，形成泥质角砾，泥质角砾常随砂体一起上涌、喷出并沉积[10,28]。在研究区识别出大量泥屑砾岩，从新田沟组到沙溪庙组上段均有发现，但新田沟组相对较少，发育层位主要在沙溪庙组。新田沟组泥屑砾岩砾石成分相对沙溪庙组而言较为复杂，泥屑主要包括青灰色以及紫红色泥质岩两类，泥屑粒径从数毫米到数厘米，泥屑形态多为椭球形，多数泥屑呈现明显“拖尾”现象(图7-A)，且椭球体长轴方向具有定向性，反映泥屑受到应力拉长。沙溪庙组泥屑砾岩(图7)中泥屑成分相对单一，主要为紫红色泥质岩。沙溪庙组下段泥屑多呈椭球状、长条状以及钩状，粒径大小不等，泥屑排列具有定向性(图7-B、C)，多为半塑性角砾和具软变形特征的塑性角砾。沙溪庙组上段泥屑砾岩大规模产出，与上下层位产状一致，呈面状分布。图7-D可见2层泥屑砾岩，每层宽度大约1.5 m，夹于正常沉积厚砂体中，因覆盖严重，横向延续性未知。该处泥屑成分为紫红色泥质岩，粒径小者约数厘米，而大者可达40～50 cm。泥屑砾石形态各异，钩状、撕裂状、球状、板状以及其他不规则形态均有发育。与新田沟组以及沙溪庙下段泥屑相比，沙溪庙组上段中泥屑砾基本未见定向性(图7-E、F)。上述泥屑砾岩与普通棱角分明的脆性角砾组成的构造角砾岩不同，泥屑砾岩砾石成分单一，大小悬殊，塑性变形特征更加显著，这可能暗示泥屑砾岩的非构造成因[27]。

图7 泥屑砾岩Fig.7 Pelitomorphic conglomerates(A)新田沟组泥屑砾岩;(B、C)沙溪庙组下段泥屑砾岩;(D、E、F)沙溪庙组上段泥屑砾岩

3 钙质结核

本次研究涉及的钙质结核颜色主体呈浅紫红色，形态多呈圆柱状或串珠状(图8)。除形态规则的柱状外，个别柱体膨大狭缩现象明显，形成下粗上窄的囊状(图8-B)。不同钙质结核大小不等，短者在20 cm左右，长者可达1～2 m，直径3～25 cm。各钙质结核均与岩层面垂直，或与水平砂质层连接相通，或独立分布。个别钙质结核内部岩性均一、致密、无纹理，但大多结核中心出现青灰色钙质胶结砂(图8-F)，呈贯通形式出现在整个柱体核部，具有管状结构。

图8 管状钙质结核特征Fig.8 Field characteristics of tubular calcareous nodules

4 镜下微观特征

沙溪庙组下段化石墙的岩石薄片显示出明显的粉砂质与泥质液化混合现象，主要呈平行板状或弯曲变形样式(图9-A、B)。在微观尺度下同样可见液化砂质侵入泥质层形成的微小砂脉(图9-B)，这与野外宏观现象一致。图9-C中暗色泥质围岩内部“包含”光性更明显的砂质成分，呈近圆形(黄线区域)，内部出现不规则孔洞，围绕中心孔洞出现近放射状裂隙。同时，为探究研究区内钙质结核成因，本次选取典型样品进行薄片磨制。薄片鉴定结果显示大多数结核主要包括两种成分：钙质内核以及粉砂质边，核部主要为方解石结晶颗粒，与周围粉砂部分呈渐变过渡，由核部至边部依次出现钙质、钙(砂)质过渡层、砂(泥)质边(图9-D)。图9-E和F则表现出更明显的同心纹层状圈层结构，多圈层结构由不同物质体现，“管状”通道口明显，其中方解石呈径向排列，所有管道结构边缘以及管内局部发现数微米宽的暗色条带，推测可能含大量泥质或有机质成分。

图9 沙溪庙组下段化石墙显微特征Fig.9 Microscopic characteristics of the J2s1 samples(A)液化变形现象，单偏光;(B)液化砂脉，单偏光;(C)孔洞及放射状裂隙，正交偏光;(D)含碎屑钙质结核，正交偏光;(E、F)钙质结核核部显微特征，正交偏光

5 讨论

5.1 软沉积物变形构造成因

引起软沉积物变形的机制主要分为地震与非地震两大类[1]，后者常包括冰融作用、水合物泄漏、水力破裂等。由于软沉积物变形常常需要瞬时、突发的动力触发，地震无疑是造成盆地内液化变形现象的优先考虑因素。国内外诸多学者论述和总结了与地震有关的软沉积物变形特征[6-7,10,20,22,29-31]：具有固定层位[32]并发育地震同生软沉积物变形。杜远生等[1]认为，当地震同生软沉积物变形(地裂缝、同沉积断裂、同沉积褶曲以及同生角砾岩化等)与其他软沉积物变形共生时，基本可以确定为地震引发的软沉积物变形。地震引发的软沉积物识别标志主要表现为液化角砾岩、液化卷曲变形、火焰构造、枕状构造、球枕构造、负荷构造等[33-38]，这些构造在研究区内均大量发育。同时，地震引发的同沉积断裂(图2-A，图10-B)、地裂缝(图8-A、B、C)等同生期软沉积物变形也被有效识别。因此，本文认为地震是触发区内软沉积物变形的重要因素。中侏罗世，太平洋板块俯冲作用及华南地块与华北地块碰撞拼合、秦岭大型陆内俯冲[39]多重挤压背景下，盆地构造活动强烈[40]，本次识别出的古地震事件可能是对板块运动的响应。地震波引起砂土、粉土结构性的丧失，发生失稳运动，沉积物孔隙结构逐步收缩，激发的超孔隙水压力引起土骨架解体，形成液化泥流[41]。区内负荷构造、火焰构造以及液化变形现象即是化石墙围岩的不同成分砂土泥流在液化背景下发生不均匀混合的结果。

图10 震积岩野外典型照片Fig.10 Typical field photographs of seismites(A)砂球构造;(B)小型同沉积断裂

研究区泥屑砾岩的砾石成分单一，以紫红色泥屑为主，呈大小各异的不同形态“漂浮”在砂质基质内，表现出极差的分选性和磨圆度；此外，未见明显叠瓦状及其他构造，指示砾石基本未经搬运。砾石层发育于特定层位内部及层间，上下岩层面均未见明显风化侵蚀和沉积间断。新田沟组与沙溪庙组下段泥屑砾岩发育于层内，表明是在准同生期半固结状态下经破碎、胶结形成[42]，可能是地震成因的液化角砾岩。沙溪庙组上段泥屑砾岩呈溢流状披盖于砂岩层之上，砾石成分均为泥质岩，分选性、磨圆度均较差。前人研究提出，地震引发的液化沉积物喷发溢流相沉积中可含大量单一泥质成分砾岩[6,43-44]。结合区域上沉积物液化背景，本文认为沙溪庙组上段泥屑砾岩的成因很可能是液化砂土携带泥屑喷出溢流的结果。

综上，研究区内主要软沉积物变形构造可由如下成因模式图解释(图11)：地震背景下，未(半)固结沉积物在深部流体上涌背景下发生液化，液化的软沉积物或沿地震裂隙或沿岩层软弱处发生纵向上涌或横向侵位，形成多种形态砂岩脉。液化沉积物侵位过程中，捕获大量围岩(泥质或砂质)形成泥屑砾岩。液化沉积物喷出地表，压力的骤降让捕获的泥屑角砾四处溢流披盖，产状与下层岩层几近一致且其中砾石不再具有定向特征。

a.液化层;b.席状砂岩脉;c.火焰构造、负荷构造;d.碎屑岩柱;e.含泥屑板状砂岩;f.不规则状(蠕虫状)砂岩脉;g.墙状砂岩脉;h.泥屑;i.液化沉积物流图11 软沉积物变形构造成因模式图Fig.11 Structural genetic pattern of soft-sediment deformation structures(据E.Braccini等[44]修改)

5.2 钙质结核成因

5.3 地质意义

前人研究认为，含有大量恐龙化石的地层不可能是正常沉积，而是在短时间内快速形成的“事件沉积”[51]。对于埋藏恐龙化石的巨大“事件沉积体”，有学者将其归于突发洪流以及泥石流沉积物快速埋藏，而古地震事件常被作为触发机制[52-56]。本研究区大规模恐龙化石围岩为泥质粉砂岩，其中见大量液化软沉积物变形构造，具泥流沉积特征。云阳地区沙溪庙组下段及相邻层位的泥流沉积中泥屑成分均一，未见来自山地复成分碎屑砾石，区域上的横向变化特征也不支持研究区位处山前影响带的结论，这显然缺乏山前泥石流的外环境和沉积特点[57]。前文识别出的大量液化沉积物变形构造是识别古地震事件的重要标志，同时也是地下水上涌造成沉积物液化的体现，盆地内低渗层圈闭液化沉积物并形成局部超压。管状钙质结核的发育暗示下伏地层有大量甲烷的生成、运移与排放。水的积聚、烃类的聚集和构造负荷的增加，致使超压进一步加强，最终在地震触发下，液态泥与甲烷、岩石碎屑和砂从地表喷出形成泥火山。液化泥浆对周围物体乃至生物体会产生掩埋作用，若喷发方式为猛烈爆炸式则更甚[58]。基于上述讨论，本文认为区内恐龙“化石墙”可能是泥火山液化沉积物喷出溢流，并快速埋藏的结果。