负载构造是在诸城上白垩统王氏群砂岩层、砂岩与砾岩层中最为广见的一种软沉积变形构造, 在库沟— 龙骨涧均有发现(图 2)。负载构造的形成机制与地震触发成因、负载体的尺度与地震触发已有详细的讨论与模拟实验(Kuenen, 1958; Moretti et al., 2002; Moretti and Sabato, 2007; 鄢继华等, 2007; 乔秀夫等, 2008; 乔秀夫和李海兵, 2009)。负载构造是一种小型的横宽的构造体, 其上、下均发育有未变形层。负载构造个体大小差异较大, 一般大的高20~30 cm, 宽60~80 cm; 小的负载构造是厘米级的。在广泛的洪积平原沉积环境中, 近水平层状沉积的尚未固结或半固结的粗碎屑, 如辫状河流相的杂色砾岩、砂岩, 受到振动、构造作用, 在重力作用下, 向下沉落入下伏洪泛平原相较细粒的砂岩、细砂岩中, 形成负载体。负载体与母岩层相连; 继续下沉, 形成独立的个体, 其立体形态有球形、枕状、袋状等(图 2-C), 称为球— 枕构造(图 2-C, 2-D)。负载构造中表现出明显的震动作用下的重力分异效果, 这与水道滞留砂质砾岩沉积明显不同, 即水道滞留砂质砾岩中的细颗粒均匀地充填在粗颗粒间的孔隙中; 但在负载体内, 受震动力和重力联合作用下, 饱和砂质砾岩中的细颗粒从大孔隙中向下流出且下沉更快, 形成下细上粗的粒序特征(图 2-A, 2-E), 没有明显的层理; 负载构造个体分离, 延伸不远; 这与河道沉积明显不同。

图2

Fig.2

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图2 山东诸城库沟— 龙骨涧上白垩统王氏群红土崖组负载、火焰及球— 枕构造（A— 库沟剖面东部负载构造, 镜头向北; B— 库沟剖面西部负载及火焰构造, 镜头向北; C— 龙骨涧中部负载及球— 枕构造, 镜头向北(照片中地质学家身高为1.80 m); D— 显示负载构造的立体面貌, 经挖掘后显示出袋状与球状形态, 无水道流向性特点, 镜头向北西, 记号笔长14 cm, 后文图中记号笔与此相同; E— 砾岩负载构造的母源层及负载构造内部砾石分布特征; ①— 负载构造; ②— 挤入构造(火焰构造); ③— 球— 枕构造）Fig.2 Load structure, flame structure and ball-pillow structure of the Hongtuya Formation of Upper Cretaceous Wangshi Group at Kugou-Longgujian of Zhucheng, Shandong Province

挤入构造(图 2-B)在库沟及龙骨涧王氏群红土崖组较为常见, 常伴随负载构造发生。它是由下部黏土含量高的紫红色粉砂岩、细砂岩组成, 偶含砾岩组成, 明显区别于上覆的杂色、灰黄色砾岩、含砾砂岩; 反映由于受到异常压力下伏细粒物质向上挤入、但未刺穿上覆砾岩或粗砂岩层而形成的软沉积物变形构造, 挤入体的尖端不规则, 向上挠曲、收敛, 有时似火焰状(称为火焰构造, 图2-B, 2-C)。火焰构造术语的使用比较混乱, 多解释为负载体下沉陷落时, 对下伏泥沉积物挤压, 使之向上侵位; 也有的表述下部沙层受震动后液化向上底劈成因, 而挤入构造术语是一个形态描述, 包括了液化(泥层不会液化)与负载挤压两种成因。

液化砂岩脉主要是由沉积物液化流动侵位形成的脉状构造(乔秀夫等, 1994; Obermeier, 1996; 乔秀夫和李海兵, 2009)。液化砂砾岩脉在库沟及龙骨涧王氏群红土崖组可见, 有垂向的液化砂砾岩柱、顺层的液化砂岩脉等。龙骨涧西还见到垂向液化砂砾岩柱 (图 3-A, 3-B), 它是一个宽约5 cm、长约10 cm的柱体, 是偶见的、陡倾、长而窄的凹槽型砂砾岩体(Rossetti 等称为pebbly pocket, 2010), 柱与上覆母岩层连接, 具有向下垂向、液化、流动、侵位特征, 即灰白色粗碎屑物向下伏紫红色细碎屑物液化流动侵位, 柱中砾岩近垂直于母岩层, 砾石的长轴平行于柱壁及液化流动方向。顺层砂岩脉为水平沿层的侵位产物(图 4-C), 剖面上分叉现象较普遍, 平面上无统一走向, 脉体的结构及成分特征基本相似, 砂岩脉在穿切围岩时可见围岩纹层随之发生弯曲, 尤其在脉体两端弯曲迫使纹层围绕脉端形成上拱或下凹弯曲。

混插沉积构造(plunged sediment mixtures)主要是来自于两种不同沉积单元的砂岩, 发生在两种沉积单元的上下垂向的叠置面上或发生在侧向彼此之间的混合侵位(Rossetti et al., 2010)形成的软沉积变形构造。库沟恐龙化石埋藏层之上的覆盖层即存在此类变形构造(图 3-D, 3-E), 上覆为深褐色的松散、脆性的砂质沉积物, 下伏为灰绿色、半固结(比上覆地层坚硬)的砂质沉积物, 震动事件发生时相互作用, 下伏较坚硬的沉积层表面产生裂隙及碎裂块, 而上覆较粗的松散沉积物向下沉降, 并充填下伏的裂隙, 造成变形发生在两个软沉积单元的接触部位, 形态呈多样性, 具有周期性的凹槽、凸起、砂球— 椭球体、大型不规则波状块体等。在下伏灰绿色沉积层内, 还可形成来源与上覆沉积层的深褐色砂球— 椭球体, 直径约5~10 cm。

图3

Fig.3

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图3 山东诸城库沟— 龙骨涧上白垩统王氏群辛格庄组和红土崖组液化脉及挤入构造（A— 龙骨涧西部变形构造概貌, 镜头向北(照片中地质学家身高为1.80 m); B— 垂直液化砂砾岩柱(触溶楔), 杂色砂砾岩向下液化, 注意脉中砾石的长轴排列, 平行于柱壁, 与其母源砾石走向近垂直; C— 负载及挤入构造, 上覆为灰黄色砂砾岩, 下伏为浅棕色含砾细砂岩岩, 粒度明显较上覆沉积物小, 且黏土含量高, 当上覆粗碎屑物发生负载时, 挤压下伏较细粒沉积物, 迫使向上、向侧向流动; D-E— 混插沉积构造, 具有下伏的灰黄色沉积物顶面裂隙被充填, 多为楔形, 局部下伏的灰黄色较坚硬的碎块漂浮在上覆松散粗沉积物中, 向上置换红褐色沉积物, 沿库沟东恐龙化石层之上砂岩液化变形; ①— 液化砂砾岩柱; ②— 负载构造; ③— 挤入构造; ④— 松散的砂; ⑤— 岩化(或半固结)的砂）Fig.3 Liquefied vein and squeezing structures of the Xingezhuang and Hongtuya Formations of Upper Cretaceous Wangshi Group at Kugou-Longgujian in Zhucheng, Shandong Province

卷曲、波状变形在库沟剖面和龙骨涧剖面上均有发育(图 4-A)。卷曲变形(包括水塑性变形或有液化作用参与的变形)是沉积物最顶部的软沉积变形, 地震后在间震期往往被剥蚀, 由新的沉积物覆盖, 可形成震积不整合(梁定益等, 1991, 1994; 乔秀夫等, 2008; 杨剑萍等, 2008; 乔秀夫和李海兵, 2009)。卷曲变形由震积不整合面与下伏未变形层所限(图 4-B)。

波状变形构造则是由侧向邻近的一系列无序褶皱构成(Montenat et al., 2007; Rossetti et al., 2010)。库沟和龙骨涧的红土崖组内波状变形是在水平状态下原地水塑性挤压变形结果, 波状变形是由向形弯曲和背形弯曲构成, 向形弯曲相对背形弯曲要宽一些, 一般波长为10~50 cm, 振幅约8~20 cm, 轴面无序并无一定产状, 其两翼可是对称或不对称(图 4-C, 4-D), 是小尺度的褶皱, 夹持在未变形层之间。岩性为砂岩或砂砾岩, 变形层和未变形层岩性没有明显差异。

图4

Fig.4

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	图4 山东诸城库沟— 龙骨涧上白垩统王氏群红土崖组卷曲、波状变形构造（A— 库沟剖面西部卷曲变形、顺层液化; B— 局部放大的卷曲变形、顺层液化, 浅棕色砂向灰黄色砂沉积物液化, 侵位了部分灰黄色沉积物, 镜头向北; C— 库沟西部波状变形, 镜头向北; D— 龙骨涧东波状变形构造, 其上下有未变形层, 镜头向北(人比例尺高1.7 m); ①— 卷曲变形; ②— 液化砂岩脉; ③— 波状变形构造）Fig.4 Convolution and wavy deformation structures in the Hongtuya Formation of Upper Cretaceous Wangshi Group at Kugou-Longgujian of Zhucheng, Shandong Province

地震正断层在库沟及龙骨涧有发育(图 5)。库沟东部地震断裂是由一系列具有断距较小、同向或反向的小正断层组成, 也可形成共轭断层(Seilacher, 1969, 1984; 杜远生和韩欣, 2000)。紧邻断层部位的下降盘地层厚度大于上升盘地层厚度(图 5-A, ③), 且断层或裂缝不断开上部地层, 在图5-A反映了3期地震正断层的发育。

图5

Fig.5

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图5 山东诸城库沟— 龙骨涧剖面上白垩统王氏群红土崖组地震断裂（A— 库沟剖面东正在挖掘的防水槽, 剖面NNE向, 剖面长41 m, 高24 m, 发育多期小地震断层, 断距30~80 cm, 至少有3个活动期, 照片中①、②、③分别代表3期活动期断裂, 其中有的②、③期均有活动, 镜头向NNW; B— 龙骨涧剖面东部地震断裂, 下部红褐色粉砂岩顶部中可见一系列北东倾正断层, 断距10~30 cm, 断层的下降盘可见碎裂的、崩落的沉积物, 大的可见有旋转、拖曳现象, 照片左下角可见断层上下盘层理(S)的变化; 照片中①、②分别为2期地震断裂, ③为2期断裂的叠加, 断裂的后期活动延续在先存的断层上, 断裂下盘可见崩落的未完全固结的沉积物。照片中C为断层在早期断裂活动后发生的顺层(水平)液化部分; 箭头指示断层下盘活动方向, 镜头向南）Fig.5 Minor seismic fault in the Hongtuya Formation of Upper Cretaceous Wangshi Group at Kugou-Longgujian of Zhucheng, Shandong Province

图6

Fig.6

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	图6 山东诸城地区上白垩统综合柱状图与古地震序列（①— 张岳桥等, 2008; ②— 胡志承和程政武, 1986; ③— 邱检生等, 2001; ④— 陈文等, 2002; ⑤— 宋明春等, 2002; ⑥— 柳永清等, 2010; ⑦— 闫峻等, 2005。本文地层划分方案采用中国地质调查局区域地质调查报告日照幅1:25万(宋明春等, 2002)）Fig.6 Comprehensive column and palaeoearthquake sequences in the Upper Cretaceous Wangshi Group at Zhucheng, Shandong Province

龙骨涧剖面东部发育了一组东北倾、倾角50° ~60° 的高角度地震断层(图 5-B), 断层向北东东方向断距逐渐变小, 切割了一套具有水平层状、红褐色与浅灰色交替的粉砂岩、细砂岩(含砾)互层的洪泛平原沉积层, 该套地层在龙骨涧东恐龙化石埋藏层之上。龙骨涧东剖面可见典型的地震断层, 它是由一系列NEE小正断层组成(断距10~30 cm), 而后期断层不断在先存的地震断层上发育, 多期活动, 构成了层内同沉积断层(断距50~110 cm), 具有下降盘地层厚度大于上升盘地层厚度的特点, 在下降盘紧邻断裂附近发育有崩落的沉积物碎块和较粗的砾石。在龙骨涧粒序断层组北东东的末端发现小断块崩落及旋转的现象。另还可见到断层带附近的顺层液化现象(图 5-B中C), 断层活动时, 含水的浅灰、黄绿色含砾沉积层与红褐色较细粒的沉积层接触, 向细粒层发生侵位, 形成了沿断面顺层的液化现象。

诸城上白垩统王氏群恐龙化石埋藏地位于胶东半岛胶莱盆地诸城断陷的西南部, 盆地内主要发育白垩纪至新生代地层(宋明春等, 2002; 施炜等, 2003; 宋明春和王沛成, 2003; 殷秀兰和杨天南, 2005; 张岳桥等, 2006, 2008; 柳永清等, 2010)。白垩系主要由陆相碎屑岩、火山碎屑岩及火山岩构成, 自下而上依次划分为下白垩统莱阳群和青山群以及上白垩统王氏群(图 6)。

上白垩统王氏群下伏地层为下白垩统青山群和莱阳群。下白垩统莱阳群是河流— 湖相沉积, 盆地中心走向为NEE— SWW, 厚可达1700 m, 与五莲断裂平行, 与NNE走向的郯庐断裂带斜交。具有两大旋回, 由山麓洪积相— 河流相— 湖相— 河流相组成。莱阳群下部粉砂岩和泥岩地层中的薄层玄武质火山岩年代学分析表明, 角闪石⁴⁰Ar-³⁹Ar 坪年龄和反等时线年龄分别为129.7± 1.7Ma 和131± 2 Ma, 4 粒锆石SHRIMP U-Pb测年给出的年龄平均值为129.4± 2.3Ma(张岳桥等, 2008)。下白垩统青山群为一套火山岩和火山碎屑岩, 诸参1井钻遇厚度为700 m(张岳桥等, 2008)。火山岩岩性复杂, 包括酸性到基性多种火山岩, 主要有灰紫色火山集块岩、灰紫色流纹岩和灰绿色凝灰岩, 玄武质安山岩、英安岩等, 火山岩的年龄集中于120~105 Ma, 时代为早白垩世中晚期(邱检生等, 2001; 陈文等, 2002)。

上白垩统王氏群包括林家庄组、辛格庄组和红土崖组, 以洪积扇、冲积扇和泛滥平原沉积为主, 研究区东北见滨浅湖沉积。林家庄组以粗碎屑岩为特征, 主要岩石组合为灰紫色复成分砾岩夹紫红色细、粉砂岩, 厚130 m, 与下伏青山群方戈庄组为角度不整合接触。辛格庄组具有相对细碎屑岩的特征, 厚约270~720 m, 主要岩性为黄绿色、青灰色和紫灰色细粉砂岩夹页岩(泥岩), 底部夹砾岩凸镜体, 含有腹足类和双壳动物化石, 为浅湖相沉积。红土崖组为浅灰色、红色的粗、细碎屑岩互层, 构成了河流相二元结构, 其主要岩石组合为灰紫色复成分砾岩、砂砾岩、砖红色细砂岩、粉砂岩夹玄武岩层, 厚度700~4000 m, 变化范围大, 研究区的西南枳沟厚度最大(宋明春等, 2003)。红土崖组顶部零星出露玄武岩, ⁴⁰Ar-³⁹Ar 坪年龄为73.5 Ma(闫峻等, 2003, 2005)。

已发现的上白垩统恐龙化石集群埋藏在王氏群的中、上部, 即辛格庄组顶部浅湖相砂岩、粉砂岩及红土崖中下部冲积扇— 辫状河相砂岩、砾岩中(图 6)。

在库沟发掘剖面上白垩统王氏群辛格庄组顶部, 恐龙化石埋藏层面之上, 发现了不等厚分布的软沉积物变形构造, 主要分为4套(图 6), 中间为厚层、近水平层状的未变形层, 剖面总厚度为8~10 m。从下向上第1套变形层为混插的不规则体、液化砂岩脉, 厚40~60 cm, 未变形层厚80~100 cm(图 3-B, 3-C); 第2套变形层主要为负载构造, 偶见球枕构造, 厚15~30 cm, 未变形层厚80~120 cm(图 2-A); 第3套变形层为地震断裂, 断距20~50 cm, 断切厚约2~4 m; 第4套变形层类型丰富, 有负载构造、卷曲变形、波状构造、液化砂岩脉等 图 2-B; 图4-A), 变形层厚15~50 cm; 未变形层厚1.0~2.5 m。

在龙骨涧剖面上白垩统王氏群红土崖组下部, 共发现古地震记录3套(图 6)。紧邻恐龙化石埋藏层面之上即发育了典型的地震断层(图 5-B), 波及地层厚约6 m, 断距0.1~1.1 m。在龙骨涧北缘剖面上发现了2套变形层, 第1套主要是负载构造、球枕构造、液化砂岩脉组成(图 2-C, 2-D; 图3-A; 图4-C), 变形层厚20~60 cm, 未变形层厚1.5~2.2 m。第2套主要分布在龙骨涧北缘东部, 以卷曲变形为主(图 4-D)。

从观察的库沟剖面和龙骨涧剖面可以看出, 在上白垩统诸城地区震积构造主要以负载构造、挤入构造、卷曲变形、液化砂岩脉及地震断裂等为主, 包含了脆性、塑性变形软沉积物变形构造, 且在厚度不大(8~10 m)地层中, 就有3~4次的变形层出现, 可见构造活动频繁。

库沟恐龙骨骼化石的展布具有方向性 (图 7-A), 对发掘剖面中顺层面分布的45根棒状恐龙长骨(股骨、肱骨)化石延伸方向进行了分析, 根据洪积物、冲积物及泥石流堆积物的砾石长轴延伸方向多与流向平行的原理, 恐龙长骨的延伸方向以北北东— 南南西向为最多, 其次是北西— 东南向, 总体延伸方向为北北东— 南南西向, 这显示古水流的流向为北偏东向或南偏西向。测得上白垩统红土崖组冲— 洪积砾岩的斜层理的9个产状数据, 倾向平均值为21° , 倾角为46° ; 结合恐龙长骨化石显示的古水流方向, 确定古水流是从南偏西向北偏东方向流动的。

图7

Fig.7

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	图7 山东诸城晚白垩世王氏群红土崖组沉积时古水流方向及主要物源（A— 诸城库沟恐龙骨骼化石走向玫瑰图(走向数n=45, 最大花瓣8个, 占全部数据的17%); B— 泥石流中砾岩的砾石来源统计数据直方图）Fig.7 Palaeocurrent direction and main provenance during the deposition of Late Cretaceous Hongtuya-Xingezhuang Formation at Zhucheng, Shandong Province

根据上述古流水的流向分析, 加之埋藏恐龙化石的埋藏物中多为次棱角的砂砾石, 认为集群恐龙化石埋藏的物质来源于库沟以南相距不远的区域。而库沟— 龙骨涧以南(0~10 km以上), 由近到远依次分布着上白垩统王氏群、下白垩统青山群和莱阳群、新元古界粉子山群, 燕山期闪长玢岩、二长斑岩及花岗斑岩的小型岩体侵入到青山群和莱阳群中, 中元古界片麻状花岗闪长岩体侵入粉子山群。上白垩统王氏群相距最近, 但由于其本身是恐龙化石产出层位, 显然, 不是埋藏物质的来源。库沟— 龙骨涧埋藏点以南4~10 km范围内其他地质体, 均可能是当时外力地质作用的对象, 从而成为恐龙化石埋藏的物质来源。

从库沟和龙骨涧剖面的砾岩中, 各采2个砾石成分鉴定样, 经破碎筛选粒径2 cm以上的砾石, 鉴定其原岩性质; 对照库沟以南4~10 km范围内地质体的主要岩性, 将物源划归4类, 其中片麻状侵入岩划归为前震旦系, 获得各物源归类的砾石重量百分比(图 7-B), 可见集群恐龙化石埋藏的物质大多来源于库沟南4 km以外的青山群、莱阳群; 少量物质源于燕山期侵入岩和前震旦系变质岩。

根据该区沉积相及埋藏学研究, 恐龙化石多埋藏于冲积扇泥石流相和洪泛平原相(柳永清等, 2010)。库沟— 龙骨涧的恐龙化石埋藏区距苏鲁造山带约30 km, 早白垩世末— 晚白垩世初由于苏鲁造山带快速隆升(张建新等, 1997; 殷秀兰和杨天南, 2005), 使青山群、莱阳群抬升剥蚀, 固结或半固结的莱阳群、青山群地层暴露地表, 遭受强烈风化剥蚀, 提供了大量松散的残坡积物, 为冲洪积泥石流形成提供了物质条件, 埋藏恐龙化石的砂砾岩层物源分析主要来源于莱阳群和青山群, 及由南偏西向北偏东的古水流向表明, 大规模的洪积发育于盆地南缘造山带。

诸城断陷是受3组断裂围限而形成的一个面积约900 km²的三角形断陷(图 8), 其西缘为北北东向的郯庐断裂中段的昌邑— 大店走滑断裂, 南缘为北东东向五莲反转断层, 北缘为近东西走向的百尺河南倾正断裂。诸城断陷所属的胶莱盆地在白垩纪— 古新世之间, 经历了伸展— 挤压— 走滑应力体制的交替演化。早白垩世早期经历了NW-SE向伸展和晚期近W-E向伸展; 早白垩世末期至晚白垩世初期, 盆地遭受NW-SE向挤压及郯庐断裂带的左旋走滑活动作用影响(许志琴, 1984; 陆克政和戴俊生, 1994)。晚白垩世— 古新世时期, 构造应力场转变为S-N向伸展, 以及郯庐断裂带NNE向的右旋走滑活动及其拉分作用; 至古新世末期转换为NE-SW向挤压(张岳桥等, 2008)。诸城库沟— 龙骨涧晚白垩世王氏群的恐龙化石埋藏应形成于S-N的区域拉张应力场下。

图8

Fig.8

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	图8 山东诸城及邻区构造地质略图(据张岳桥等, 2008, 修编)（ZCD— 诸城凹陷; GMD— 高密凹陷; CGU— 柴沟隆起; LYD— 莱阳凹陷。断裂:F1— 昌邑— 大店断裂; F2— 安邱— 莒县断裂; F3— 唐吾— 葛沟断裂; F4— 沂水— 汤头断裂; F5— 五莲断裂; F6— 百尺河断裂; F7— 胶县断裂; F8— 平度断裂; F9— 五龙河断裂; F10— 茂支场断裂; F11— 东陡山断裂; F12— 郭城断裂; F13— 朱吴断裂; F14— 海阳断裂; F15— 青岛断裂）Fig.8 Tectonic geologic outline of Zhucheng and its adjacent area in Shandong Province (modified from Zhang et al., 2008)

诸城库沟— 龙骨涧的古地震记录— — 软沉积物变形构造发育特征, 表明该区晚白垩世古地震事件具有多期次性、脉动性。该区的古地震记录多以负载构造、地震(正)断层和层内同沉积断层、液化砂岩脉(或混插不规则体)为主, 是拉张构造背景的产物(乔秀夫等, 1994; Rossetti et al., 2010)与区域构造应力场相匹配。负载、粒序断层、枕状构造所反映的古地震强度达5~8级(Rodriguez-Pascua, 2000; 田洪水等, 2006), 而混插沉积体、软沉积布丁、跌落的角砾则是较弱能量震动产生的结果(Ferreira et al., 1998, 2008; Bezerra et al., 2007; 何碧竹等, 2010; Rossetti et al., 2010)。从库沟及龙骨涧震积岩发育的垂向序列看, 紧邻诸城库沟恐龙化石层(泥石流、洪泛平原层)之上的古地震记录为混插沉积体, 之后发育了负载构造等; 龙骨涧恐龙化石层之上为液化脉, 其上发育3期地震断裂; 反映了地震活动的脉动性, 即反映了与地震事件相关的强能量与弱能量震动的间隔性、间歇性, 也进一步反映了频发性。

从诸城晚白垩世王氏群古地震记录, 尤其是负载构造, 往往沿地层走向(近东西向)有一定的连续性、稳定性, 且地层区域北倾, 推断发震断裂应平行于古地震记录的展布走向, 即诸城断陷的南缘断裂— — 五莲断裂可能是主要发震断裂。