安徽巢北早三叠世南陵湖灰岩中的灰涌构造及其成因意义.doc

安徽巢北早三叠世南陵湖灰岩中的灰涌构造及其成因意义迟元林钟建华周瑶琪陈书平王绍兰朱光有孙国忠摘要安徽巢北早三叠世南陵湖组的灰岩中发育了一种非常特殊的构造,我们将其称为“灰涌”(lime blow),因为它们在形态、结构及成因上非常类似于由地震喷沙形成的砂涌(sand flow)。这种灰涌形态上呈蘑菇状或伞状,由涌道、涌盘及涌口三部分组成,但后者有时可以不发育。涌道呈直立圆柱状,高3050cm,直径0.22cm,但常因灰泥的流动而“愈合”;涌道之上为涌盘,大部分呈铁饼形,直径在540cm,高18cm,多数在35cm。部分中心有一凹坑(涌口),凹坑直径在13cm,深度一般不超过1cm。涌盘内部具有纹层结构,由黄褐色泥灰纹层和浅灰色泥晶灰岩纹层交互所形成的。研究表明,前者系沉积所形成,而后者系地震喷涌所形成。结合模拟实验推测灰涌的成因可能与地震有关。通过对1号灰涌层的研究发现,有的灰涌是由二十次左右(5个幕)地震形成的。关键词灰涌；地震；巢北中图法分类号P584The lime blow in the Nanlinghu limestone of early Triassic period in north Chaohu,Anhui:Its genesis and significanceChi Yuanlin（Changchun Science and Technology University,Changchun,130026）Zhong Jianhua Zhou Yaoqi Chen ShupingWang Shaolan Zhu Guangyou and Sun Guozhong（Resource and Environment Institute,China University of Petroleum,Dongying,257062）AbstractA kind of unusual sedimentary structure developed in the Nanlinghu limestone of early Triassic period in north Chaohu,Anhui province,which is called as “lime blow”,because it resembles the sand blow in shape,structure and genesis.The sand blow was formed by earthquakes.The lime blow in north Chaohu has the appearance like mushroom or umbralle and consists of three parts: blow channel(duct), blow dish and blow mouth, but the latter does not often emerge. The blow channel is like a cylinder,with 3050cm height and 0.22cm in diameter,nevertheless,the blow channel often appears to be close.Over the blow channel there is a blow dish,most of which are like discus,being 540cm in diameter and 18cm in height.Parts of blow dish have one or two to three blow mouthes in their centers or near their centers.The blow mouth is among 13cm in diameters and not more than one centimeter in depth.The blow dish has laminae structures,which was formed by alternation of yellowish brown argillaceous limestone laminae and light grey micrite limestone laminae. Based on the studies, the argillaceous limestone laminae is thought to be formed by normal deposition,nevertheless,the micrite limestone laminae by effusion formed by earthquakes.The study of lime-blow-layer has suggested that it had been formed by about 20 times earthquakes (5 earthquake episodes).Key wordsLime blow,Earthquake,Chaobei地震导致沉积物流体化,同时形成异常孔隙压力,使地下松散砂喷出地表形成砂涌(sand blow)及一些相关的构造,人们对此已做了大量的研究,取得了不少成果(Seed and Idriss,1967;Sins,1973,1975;Saucier,1989,1991;Obermeier,1991,1995;Sims,1995;Lin et al.,1995a,1995b；Liu and Uda,1996;Lin,1997;Russ,1997)。在安微巢北三叠纪南陵湖灰岩中发育了一种非常特殊的沉积构造,它非常类似于砂涌(sand blow),所以我们将其称为“灰涌”(lime blow),并认为它们的成因与砂涌相同,均是地震活动的产物,可以作为一种地质历史时期地震活动的证据。1巢北三叠系的一般特征巢北位于安徽省中部的巢湖市以北。区内发育了自震旦纪至侏罗纪的一套厚达数千米的地层。 三叠纪地层仅发育了中、下统,自下而上分别称为殷坑组和龙山组、南陵湖组和东马鞍山组,主要为一套碳酸盐岩。 中三叠世末,巢北遭受印支运动影响而隆起,海水退出,到早侏罗世再度沉降,但接受的却是河湖相沉积,形成了以磨山组为代表的一套砂砾岩。本次研究的灰涌就发育在下三叠统的南陵湖组中。南陵湖组总厚约180m,可分为三个岩性段,均以灰岩为主体(图1),岩性自上而下简要描述如下。图1巢北简化三叠系及部分侏罗系岩性柱状图1.钙质页岩或钙质泥岩;2.碳质页岩;3.页岩;4.砂质泥岩;5.中粗砂岩;6.砾岩;7.砾屑灰岩;8.灰岩;9.瘤状灰岩;10.泥灰岩;11.白云岩;12.灰涌;13.燧石结核;14.不整合面.Fig.1Simplified column of Triassic system and part of Jurrassic system in north Chaobei1. 磨山组(侏罗纪)：灰白或黄褐色砾岩,含砾中粗砂岩,各种粒度砂岩,夹多层灰白色粘土；不整合于东马鞍山组之上；厚78.0m。2. 东马鞍山组：灰绿色(风化后黄褐色)砾屑灰岩夹47层钙质泥岩、钙质页岩及薄层泥灰岩和泥晶灰岩，灰岩砾屑直径最大可达1m，偶见直径12cm的石英砂岩砾石, 好象来自于五通组；靠底部有数米厚的浅肉红色白云岩和薄、中层状灰岩,其中有大量变形层理；总厚约95.8m。3. 南陵湖组上段：可分为两部分，上部为一套灰黑色薄层灰岩夹黑色沥青质或炭质页岩,其顶部有燧石结核及火山碎屑沉积，下部为灰黑色薄层灰岩夹黄绿色钙质页岩,产巢湖龙和安徽龙化石；厚64m。4. 南陵湖组中段：主要为一套紫红色、灰绿色或黄褐色的中、薄层瘤状灰岩、泥灰岩、中厚层灰岩及钙质页岩；厚约47m。5. 南陵湖组下段上部：主要为灰、深灰色块状灰岩夹灰黄色中薄层瘤状灰岩、钙质页岩及同生角砾状灰岩；厚32.3m。6. 南陵湖组下段中部：灰色薄、中层状灰岩夹厚层状灰岩、瘤状灰岩和黄褐、灰绿色钙质页岩、砂质页岩；有四层灰涌,每一灰涌顶部均有一厚2040cm的页岩,最底部的灰涌发育最好,为双凸形;上部两层灰涌规模较小,部分为顶凸底平形,中心或边部多有铁质结核及淋蚀孔洞；厚4.2m。7. 南陵湖组下段下部：灰色、灰绿、微红色薄层瘤状灰岩夹灰色灰岩及砾屑灰岩；中上部的瘤状灰岩中有大型波痕；厚12.5m8. 和龙山组：灰黄色、紫红色夹灰色薄层状瘤状灰岩、钙质泥岩、中厚层灰岩、灰岩及页岩，厚21.0m。9. 殷坑组：可粗略地分为三段，上段灰绿色钙质泥(页)岩夹灰、深灰色泥灰岩及薄层云质灰岩，中段:黄绿、灰黄色砂质泥岩夹泥质灰岩、薄层云质灰岩，下段灰绿、黄绿色钙质泥岩、砂质泥岩与黄绿、棕灰泥灰岩。总厚约84m。2灰涌的特征灰涌仅发育于南陵湖组下段,共有4个层位(图1)。最显著的特点是每一灰涌层之上均有一层厚约2030cm的钙质页岩及砂质页岩,页理未变形,无任何浊流成因证据。概括起来,南陵湖灰岩中的灰涌具有下列几个特征。2.1形态与大小灰涌在形态上呈蘑菇形或伞形,由涌道、涌盘及涌口(部分可以无涌口)组成(图2)，与地震形成的砂涌(图2a)和泥砂火山非常相似。但有的涌口发育。涌道呈直立圆柱状,直径多在0.22cm,高3050cm,位于涌盘中心或近中心以下,状如蘑菇脚,但由于灰泥喷涌后灰泥的“愈合”常使涌道消失。但在与地震或其它成因引起的与泄水有关构造中如砂涌、砂沸、砂疗、砂火山或沸砂泉等,涌道(通过砂管或砂柱反映出来)是非常发育的(Dzylynski and Walton,1965;Dionne,1973; Daily,1973; Pickerill and Harris,1979; Henderson et al.,1986;Saucier,1989;Obermeier,1991,1995;Sims and Gavvin,1995)。对少数灰涌来说,有时可以由二至三个涌道共同喷涌形成一个涌盘。从照片1中的三涌坑涌盘可以推测,其下可能有三个涌道。有时可见二到三个涌盘相邻侧叠产出。图2砂涌、灰涌的形态及内部结构a.砂涌的横剖面图(据Obermeier,1995);b.灰涌的横剖面图.Fig.2Sketch of the internal structures and forms of the sand low and lime blow涌盘呈铁饼形,中间厚,边缘薄,直径多大于10cm,大者直径可达3040cm,中间厚度多在35cm,少数可达78cm。中心或靠中心有一圆形或近圆形凹坑,我们将其称为“涌口”(图2及照片3)。涌口边缘陡峭或平缓倾斜,深数mm,深者可达1cm,直径多在13cm,少数可达5cm。偶然可见有的饼状构造有两个甚至三个涌口(照片3)。有的涌口中有圈环构造(照片1),表面常有细小简单的虫迹,照片3。涌盘总体上呈铁饼形,但根据上下表面的形态及其形态组合,又可分为底平顶凸形(图2b)、扁平双凸形(图2a)、尖锐双凸形及双凸边翘形四种。扁平双凸形涌盘的直径介于数厘米至2030cm,直径与厚度比值约为510;尖锐双凸形上表面靠中部尖锐地向上突起,突起倾斜角可达3040,直径多在十几、二十余厘米;直径与厚度的比值约为26。圆滑双凸形上、下表面均圆滑外凸,直径也多在十余厘米,直径与厚度的比值也约为48。2.2内部结构、构造灰涌的内部具有独特的结构、构造,与砂涌非常相似,如具纹理、变形层理及微断裂(照片4、5)。纹理呈“八”字形,中部高,两侧低。按颜色、成分和厚度可以分为三类:一类是由黄褐色泥质物质形成的,厚0.21mm,稳定性非常好(照片2)；另一类也是由黄褐色泥灰质物质形成的,厚度仅为0.10.3mm,稳定性也非常好(照片2),我们认为这两类纹层是由正常沉积形成的,后文中详述；第三类是由浅灰色泥晶、微晶灰岩形成的,厚度为0.33.5mm,总体中部厚,边缘薄(照片5),我们将其称为灰泥纹层,并认为系地震喷流所形成。后文还将进行讨论。在涌口或涌盘中心一般无纹理,但有时在涌盘中心的下部见到少量非常紊乱的纹理。许多涌盘内发育有变形构造和微断裂构造(图3a及照片5)。变形构造主要是变形层理(纹层),有如下4个最大特点。 变形层理是一种同沉积变形(图3a)。 仅发育于涌盘的特定部位和特定层位。 在涌盘上凸斜坡下缘最易产变形层理;一般发育在涌盘中下部的纹层中。 一般发育在规模较大,尤其是上凸强烈的涌盘中。 变形层理一般外缘朝上,内侧朝下。微断裂构造不如变形层理发育,仅发育在厚度较大和变形强度较大的涌盘中,常与变形层理一道产出,图3a,其发育特点与变形层理相同。很明显,这些(微)变形层理和微断裂与涌盘上部纹层的重力向下压迫有关,因此是一种特殊的重力滑塌构造。图3两种不同类型涌盘内部结构及构造a.双凸型灰涌,两侧有微变形和微断裂;b.顶凸底平型灰涌,无微变型和微断裂Fig.3Sketch of the internal structure in the blow dishs of two different types规模较小,顶部缓凸和底平型的涌盘中一般不发育变形和微断裂构造(图3b及照片4)。在规模较大的涌盘中,涌道的上部有弱变形层理,估计是涌道在这些部位缩小的缘故,也可能是灰泥沿涌道上升对周围产生的(动力)扰动形成的,并叠加了涌盘在重力驱动下产生下沉带来的扰动。在上部两层灰涌中经常可以看到铁质结核状物,其直径一般数毫米。它们风化以后呈锈铁色, 并形成溶蚀孔洞(照片4)。这些物质一般产在涌盘的涌道中,少数在涌盘上部的纹层中(照片4及图3)。这些铁质结核可能是由海底火山喷气或喷流形成的,在巢湖水泥厂西北角等处的南陵湖组下部的薄中层灰岩的裂缝中发现了大量晶粒粗大(单晶直径14mm)的黄铁矿集合体,其成因很可能与热液有关,时间也有可能在早三叠世。灰涌与黄铁结核形成时间相同,但有待于今后深入研究。灰涌在形态和内部结构上非常类似于Missisippi峡谷18111812年地震所形成的砂涌(图2a),两者之间的差别只是物质不同和规模不同。但从成因上看这些区别不是本质的,我们认为在成因上它们是相同的,均是地震导致地下未固结沉积物流体化,形成异常孔隙压力而向地表喷涌,如同砂泥火山的形成过程,但也有差异,后文中还将详细讨论。2.3垂向序列在巢北马鞍山,从出露的南陵湖组中可以见到4个层位发育有灰涌(图1及照片4)。 最底部的灰涌发育得最为完好和典型;下部第二层灰涌个体最大,但中心一般无凹坑;上部两层灰涌个体相对较小,但常有直径数毫米的铁质结核。无论是那一层灰涌,其顶部均为钙质页岩或砂质页岩(图1,2),且页理非常完好,未变形。出露较好的最底部灰涌的分布是面状的,不受任何裂缝的影响和控制。产灰涌的整个剖面有两大特点:经常出现高能环境,如南陵湖组靠底部有发育大型波痕的瘤状灰岩,靠中上部有砾屑灰岩和由砾屑构成的瘤状灰岩;沉积环境变化大,以薄层灰岩为主,常夹钙质页岩和砂质页岩。3灰涌的成因及其意义巢北早三叠世南陵湖组中的灰涌是一种非常特殊的沉积构造,目前在国内外还未见有报道。它们的形态及内部结构、构造与砂涌非常相似。因此,我们认为它的成因与砂涌一样,均是地震作用的产物。地震(S波)使刚沉积不久的灰泥发生流体化(此处的液化指的是被水饱和的碳酸盐软泥由准固态转变成易流动的“液态”)。泄水形成密度倒置,导致重力失稳及产生异常孔隙压力。液化的灰泥便“喷”出地表,形成灰泥“火山”类似于砂泥火山的形成过程,这就是灰涌形成的可能过程。一个简单的模拟实验可以帮助我们推测灰涌的形成过程。取一个一定大小(长宽高为60cm30cm30cm)的玻璃养鱼缸(以下简称玻璃缸),将其盛满水,在静水条件下每隔一断时间分别轻轻沉入粉砂和粘土。沉积物达到一定厚度(约10cm)后用手轻拍水面或摇动玻缸使水体动荡,这时我们可以看到沉积物也随水体一道动荡,沉积物的顶面渐渐向下微略沉陷。上面的砂层和粘土层渐渐变薄,变薄幅度自上而下减小,顶部的砂层和粘土层的变薄幅度可达20%以上,向下变薄幅度逐渐减小,至67cm深度幅度为零。显然这种变薄是由于震荡使沉积物的颗粒发生了旋转运动而产生紧密堆积所致。这一结果势必使沉积物发生密度倒置。与此同时,紧密堆积使顶部的沉积物变成了隔水层。由于顶部隔水层阻挡,其下沉积物中的水分不易泄出,但这些水分是一种“超高压”流体(因其不仅承载静水压力,同时也承载了顶部隔水层的重量。),很容易压穿上覆隔水层而形成砂泥火山。这一点很快就在实验中观察到了。在早期的一段时间内,每震荡一次玻璃缸便会发育一次泥砂火山喷涌,形成一层砂泥喷发物。静止后又使沉积水体中因震荡而搅起的粘土,在砂泥火山上形成一层非常薄的粘土层。往复多次便会形成类似巢北灰涌内部的纹层结构。从灰涌内部的纹层结构及模拟实验可以推测其形成的大致过程,我们用图4表示。灰泥纹层(LML)系地震将下部的灰泥“压”到地表喷涌形成的。这种纹层在手标本上为浅灰色,在薄片中为比较纯净的泥晶方解石;而泥质和泥灰纹层(ML)则是由地震引起海啸,搅动滨海中的泥质物质成悬浮体“漂移”到碳酸盐沉积海域,与碳酸盐物质混合形成的,因此,它又代表震后短暂间歇时形成的“静”水沉积,类似于模拟实验震荡间隙时形成的粘土薄层。这种纹层在手标本上为黄褐色,在薄片中为粘土矿物与泥晶方解石混合层,很容易与灰泥纹层相区别,见照片4、5。这种“静”水沉积物泥质或泥灰质物质均匀地沉积在所有雏型灰涌涌盘上,形成第一泥质、泥灰纹层(ML),图3(b)。这种泥质、灰泥纹层(ML)在灰涌中非常薄,厚度约在0.11mm之间,但单层的泥质、灰泥纹层在灰涌涌盘非常稳定。因此,它不是地震涌出的,从两个方面可以作出这种推测:一是提供形成灰涌的灰岩源层中没有(黄褐色)泥质、泥灰物质;二是即使是有泥质、泥灰物质,它们也不可能作为独立的源层与灰泥源层组成两个完全隔绝的两极源层,在地震作用下交互独立向灰涌涌盘提供源物质,它们会与灰泥混合一道喷涌出,而不会形成这种厚度极薄(0.11mm)的稳定泥灰纹层(ML)。我们用图4来帮助说明灰涌涌盘的部分形成过程。图4仅表述了两个灰泥纹层(LML)和两个泥灰纹层(ML)的形成过程。图4巢北灰涌涌盘及内部纹理的部分形成过程a.第一次地震喷涌;b.第一次震后沉积;c.第二次地震喷涌;d.第二次震后沉积.Fig.4Sketch of the partial formation process of the dish and its internal laminae of the lime blow from north Chaobei如果上述分析推测是正确的,那么,我们可以根据从1号灰涌层(最底部的灰涌层)采集到的一个灰涌涌盘(照片5)的内部纹层结构来推测当时地震的活动情况(图5)。基本的技术思路是这样的:一个灰泥纹层表示一次地震活动(喷涌),地震越强,其厚度越大;而泥质、泥灰纹层则表示震后的“正常”沉积。图5巢北南陵湖1号灰涌层反演的可能地震活动图谱1.灰泥(岩)纹层;2.泥灰(岩)纹层Fig.5Pattern of possible earthquake process inversed from lime blow layer I of Nanlinghu,north Chaobei从图5可以看出,1号灰涌层的灰涌涌盘是由二十次地震活动所形成的,这二十次地震又构成了五个地震幕。很奇怪,每个地震幕均由4次地震组成,这可能完全是一种偶合。Johnston(1996)根据Mississipi河流域低地的砂涌推测当时的地震强度可达8.1级,但我们无法根据巢北南陵湖组中的灰涌直接估测当时的地震强度,但可以从沉积环境的变化间接推测:前已叙及,每一灰涌层之上均有一厚2030cm厚的钙质或砂质页岩,页岩之上又为灰岩。这一点表明了每一次地震之后沉积环境发生了巨大变化,巢北从“清”水的碳酸盐环境变成了“混浊”的碎屑环境,从这一点可间接地推测当时的地震强度比较大。最后非常有必要说明一点的是,以上从涌盘内部纹层组合特点推测当时地震活动情况是“管中窥豹”,其主要原因有下列几点。一是涌盘最下部的纹层对应的很可能不是第一次地震,它对应的可能是强度较大,足以使碳酸盐软泥产生流体化喷涌的那次地震,而在此之前的“小”地震则未记录下来,因为它们的强度不够,能量不足以使碳酸盐软泥产生流体化喷涌。二是涌盘顶部的最后一个纹层对应的也不是最后一次地震,而是后期一次强度较大的地震。因为碳酸盐软泥随地震震荡液体化喷涌“失水”过多而逐渐固化,渐渐失去流动能力,以后就很难随地震喷涌,因而也就难以从涌盘纹层来记录地震了。从有些涌盘的顶部形态可以看出这一点，即如果喷涌的灰泥不是很稠,就难以形