柱状构造保存在义马地区油房庄组细砂岩及粉砂岩中, 在岩层面上、剖面上甚至是侧面上都能发现该构造, 其丰富的保存信息揭示了较为完整的形态学特征。相比于其他几种软沉积物变形构造, 柱状构造在现有的文献中少有报道, 下文重点阐述。

根据岩性特征和平面上的出露形态, 共可发现两种类型的柱状构造。类型1表现为半球形, 突出于岩层面之上(图 3-A), 直径在10~20 cm之间, 在有些球面上, 可以看到一些被方解石充填的裂痕。与围岩相比, 该类柱状构造的固结程度要高得多, 在成分上也存在差异, 野外初步判断其钙含量非常高。该类柱状构造的分布并不杂乱, 在纵向上(SN)和横向上(EW)大致可以分别连接成一条直线, 且其中的SN向直线指向位于盆地南部边缘的秦岭造山带, 而另外一条EW向直线则与秦岭造山带的走向平行。类型2是一些在层面上表现为圆饼形的构造, 其直径范围较大, 为10~30 cm, 成分与围岩相似, 有些稍微突出于层面(图 3-B), 有些与层面大致平行(图 3-E)。该类柱状构造出现在岩层面上的个数或密度要比类型1大得多, 且分布较为杂乱, 但有些也表现出一定的定向性, 其连线大致指向SN方向。同时, 在一些饼形构造的表面, 可以观察到遗迹化石的踪迹(图 3-B, 3-F), 根据回填纹构造和较厚的衬壁特征, 初步定为Beaconites(胡斌等, 2009)。虽然已发现的遗迹化石组合单一, 但可以推测它们形成在沉积物表层, 也就是水和沉积物的界面处, 而不是上覆岩层下陷或掉落到下伏岩层中的产物。

剖面上, 类型1以不规则球形或团块状有机地串联在一起, 形成“ 串珠状” 结构(图 3-C)。团块与围岩之间以及团块与团块之间的顶部接触面向上弯曲, 呈弧形, 形成一个个相对独立的团块。团块弯曲的方向就是其受力的方向, 表明其由下向上, 慢慢被挤到上覆砂岩中。侧面上, 类型1也具有类似的形态特征(图 3-D), 证明团块不仅可以被向上挤出, 还可以向侧面流动, 形成液化沉积物通道。类型2整体表现为砂岩结构, 与围岩成近直角相交, 砂柱在运动的过程中迫使围岩向下弯曲(图 4-A), 说明其运动的方向自下而上。

图3

Fig.3

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	图3 豫西义马地区中三叠统油房庄组中上部软沉积物变形构造（A— 柱状构造(类型1)平面形态; B, F— 柱状构造层面上的遗迹化石; C— 柱状构造(类型1)的剖面形态; D— 夹在岩层中的柱状构造; E— 柱状构造(类型2)平面形态）Fig.3 Soft-sediment deformation structures of middle and upper parts of the Middle Triassic Youfangzhuang Formation in Yima area, western Henan Province

图4

Fig.4

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	图4 豫西义马地区三叠系油房庄组与椿树腰组软沉积物变形构造（A— 柱状构造(类型2)的剖面形态; B— 上覆泥岩的回填现象; C, D— 枕状构造; E— 砂岩负载构造; F— 卷曲层理。A、B、C见于油房庄组中上部; D、E、F见于椿树腰组中下部）Fig.4 Soft-sediment deformation structures of the Triassic Youfangzhuan and Chunshuyao Formations in Yima area, western Henan Province

为了了解 “ 串珠状” 柱状构造的团块成分及结构特征, 对采集的两个样品进行了镜下分析, 结果表明:一个样品含有少量细小石英颗粒(图 5-A), 粒径在50 μ m左右; 另外一个样品石英含量高(图 5-B), 颗粒也较大, 粒径约为200 μ m, 颗粒之间也没有太多的直接接触, 钙化特征明显, 且大颗粒石英的排列具有一定的定向性, 显示为45° 方位角, 这是流动的特征。图5-C显示了围岩的镜下特征, 其由石英和长石颗粒组成, 粒径在400 μ m左右, 颗粒与颗粒之间表现为线接触。两者相比, 可以看出柱状构造的团块在颗粒支撑方式上发生过改变, 而这种变化便是沉积物液化的结果。

图5

Fig.5

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	图5 “ 串珠状” 柱状构造与围岩的镜下岩石学特征（A— 柱状构造的成分为细小石英颗粒, 粒径50 μ m左右; B— 柱状构造的石英含量较高, 颗粒较大, 粒径约200 μ m, 定向排列; C— 围岩由石英和长石颗粒组成, 粒径约400 μ m, 呈线接触）Fig.5 Characteristics of beads-strings cylindrical structures and surrounding rocks under microscope

液化是软沉积物变形构造产生的一种基本方式, 它是由于大量颗粒的倒塌或孔隙流体压力的增加, 破坏了颗粒之间的接触关系, 使之暂时转换成黏性流体, 进而形成各式各样的软沉积物变形构造。液化改变了沉积物颗粒的支撑结构, 使软沉积物变形构造在物质组成或结构上可能会与围岩存在差异。根据压力的变化特征, 液化可以分为3种, 分别是静态的液化(static liquefaction)、周期性液化(cyclic liquefaction)和冲击性液化(impulsive liquefaction)。静态的液化是沉积物液化的最初形式; 当压力周期性增加, 便产生周期性液化; 在大量松散沉积物受到干扰时, 被称为冲击性液化(Owen and Moretti, 2011)。在这3种液化方式中, 周期性液化最有可能形成义马地区中三叠统油房庄组柱状构造。

根据上述柱状构造特征, 结合地质背景, 认为柱状构造的形成模式如下:河流相的快速沉积使沉积物富含水分, 此时, 颗粒之间的支撑方式也并不稳定, 液化作用产生水溶液与沉积物的黏性流体, 当流体受到向上的挤压力不够大时, 只能保存在岩层中, 稳定后, 在这个封闭的空间里, 沉积物与水溶液便会发生分离, 较大颗粒下沉形成新的颗粒支撑方式, 分离后的水溶液溶解了围岩中的钙质成分, 并夹杂一些细小的石英颗粒形成碳酸钙的饱和体, 在四周压力较为均衡的情况下, 固结成性质与石灰岩非常相似的球状构造。而周期性液化促使这些球状构造串联成“ 串珠状” 柱状构造。当压力足够大时, 流体直接被挤出到沉积面之上, 在这个开放的空间里, 如果是粘性较强的流体或者流体刚到达沉积表面, 压力就消失, 便形成稍微突出于层面的饼状构造, 如果不是, 则很容易发生流体的流失, 当水溶液流失后, 流体中剩余的沉积物充填于流体形成的柱状空间, 在层面上形成性质与围岩相似的饼状构造。但当流体流失过多, 剩余沉积物无法补给流体流失产生的空间时, 便会发生上覆沉积物的回填现象, 形成类似于砂火山或泥火山构造(杜远生和韩欣, 2000)(图 4-B)。上述表明导致产生这些不同阶段构造的一个主要因素是流体受到的压力大小不同。

砂岩负载构造主要出现在上三叠统椿树腰组中, 它保存在下伏粉砂质泥岩、泥质粉砂岩与上覆细砂岩之间, 呈直角或高角度与岩层相交, 直径在10~20 cm之间, 深度不一, 最短的为30 cm左右。其内部充填物与上覆岩层岩性一致, 可知充填物来自上覆松散的沉积层, 底部呈向下凸起的弧形, 表明其是沉积物充填后重力压实的结果(图 4-E)。虽然负载体内部纹层并不清晰, 但根据上覆岩层底部层面向下弯曲并与砂岩负载构造底部层面连接这一特征判断, 负载体内部纹层很有可能和与其相连结的上覆岩层纹层相连。

枕状构造在油房庄组粉砂质泥岩夹细砂岩和椿树腰组细砂岩中都有分布, 二者具有相同的特征:(1)枕状体向上弯曲, 原始纹层平行于枕状体的底面弯曲; (2)枕状体之间被下伏向上穿刺液化的泥质粉砂岩或砂岩脉分割, 沿走向将各枕状体串联在一起; (3)枕状体上下岩层基本平直或无太大变形。但也存在明显的差异, 油房庄组枕状体呈椭圆状, 其长轴约为30 cm、短轴约为20 cm, 被下伏向上穿刺液化的粉砂质泥岩完全分割成孤立的个体(图 4-C), 而椿树腰组枕状体为向上开口的半椭圆形, 下伏向上穿刺液化的砂岩没有完全贯穿枕状体, 枕状体在走向上依旧连在一起(图 4-D)。

关于枕状构造的形成过程与触发机制, 乔秀夫和李海兵(2008)进行过详细的探讨, 它是地震过程中由于地震颤动引起砂质沉积物下陷到泥质沉积物中形成的。

椿树腰组含有大量的卷曲层理, 有些形状复杂、难以辨认, 也有些具有清晰可辨的向斜和背斜纹理(图 4-F), 其中产生变形的岩层厚度为20 cm左右, 上覆和下伏岩层处于弱变形状态。Taş gin和Tü rkmen(2009)在研究土耳其东部新近系Ç aybaı 组河— 湖相沉积中的软沉积物变形时, 提到一种类似的卷曲层理构造, 认为其是由于砂岩的液化流动, 穿过已成层的砂层进行拖拽形成。

由于受到研究区域的限制, 区域延展性并不是很明显, 但在义马地区有地层出露的地方都可以见到这些软沉积物变形构造, 且它们出现的层位以及构造类型都非常相似。如果要进行大区域的对比, 可以去登封大金店、伊川、宜阳等地的中— 上三叠统寻找类似的沉积构造。各种软沉积物变形构造在垂向上的重现性存在一些差异, 如柱状构造在油房庄组中垂向重现性明显, 但在椿树腰组中却消失; 枕状构造在油房庄组和椿树腰组中具有很好的垂向重现性; 而砂岩负载构造、卷曲层理在椿树腰组中垂向重现性较好, 这可能与椿树腰组发育厚层砂岩以及秦岭造山带造山强度的增加有关。

软沉积物变形构造本身的一些特征也同样可以成为判断它的触发者的有效依据。如组成柱状构造的团块与团块相互独立地串联在一起, 即说明了它们不是一次液化的结果, 同时也说明了各次液化之间又存在一定的联系。地震波传播产生的周期性压力, 导致了沉积物的不完全液化, 水和沉积物受到压力, 间歇性向上涌出, 类似于砂火山的形成过程, 而Owen和Moretti(2011)认为砂火山的形成与地震作用有关。再者, 一些柱状构造在平面上的连线呈近NS向, 如果位于盆地南缘的板块活动引发了古地震, 那么地震波传播的方向与这些连线表现出很好的一致性。枕状构造地震成因的观点已被多数地质学家所接受, 乔秀夫和李海兵(2008)指出沿走向在一定距离内分布的枕状构造层应是地层记录中的古地震证据; Moretti和Sabato(2007)认为小型的负荷构造也许可以由快速沉积所导致的孔隙水压力的增加而产生, 但是他所描述的小型负荷构造长仅为3 cm, 高4~5 cm, 因而将大型的负荷构造解释为地震触发是值得信赖的。杜远生等(2007)认为夹在平整的上、下岩层中的卷曲构造为地震成因, 而非后期构造成因。

济源地区和义马地区一样, 同是南华北盆地的一部分, 在中— 晚三叠世与义马地区具有相似的古环境背景, 但在济源地区中— 上三叠统中并没有发现类似的软沉积物变形构造, 其地层保存相当完好, 沉积物原始沉积序列基本上没有被打乱, 因而可以推测与沉积作用相关的极端事件, 并不是形成义马地区这些软沉积物变形构造的主因。这可能与济源地区所处的古地理位置有关, 相比于义马地区, 济源地区更远离秦岭造山带, 因此由板块活动引起的古地震可以有效影响到义马地区的中— 上三叠统沉积物, 但并不能影响到济源地区的中— 上三叠统沉积物。

综上所述, 与沉积作用有关的极端事件沉积可以为豫西义马地区中— 上三叠统软沉积物变形构造的形成创造条件, 但古地震活动才是触发它们形成的原动力。