滑塌过程中, 滑塌体不同部位受力复杂多样, 既有拉张应力形成的布丁构造、阶梯断层, 又有挤压应力形成的滑塌褶皱, 还有局部剪切力形成的地层错位, 在多种应力作用下形成了一系列不同种类的变形构造。

2.1.1 滑塌褶皱

滑塌褶皱转折端以挤压应力为主, 转折端地层的内部及地层之间大量发育次级同沉积滑塌微褶皱构造。图3-a和3-b所示小褶皱位于滑塌体枢纽内部, 图3-a枢纽处10, cm厚地层由毫米级砂泥岩互层组成, 中间夹有塑性黑色泥岩, 在挤压应力下, 首先弯曲形成褶皱。地层并未固结, 持续受力的过程中, 毫米级砂泥岩吸收部分挤压应力, 形成微褶皱。这种小褶皱还可以通过显微镜观测识别, 图3-c、图3-d是利用图3-a轴翼不同部位磨制薄片的扫描图片。50倍镜头镜下观测图3-c, 得到图3-e、图3-f, 卷曲尺寸小于1 mm, 但是微褶皱和微剪切错位现象清晰可见。砂岩主要成分为长石、石英, 少量为云母, 杂基胶结, 统计得出砂岩粒径0.02~0.1 mm, 平均0.04 mm。图3-b由2~3, cm厚砂岩夹黑色泥岩互层组成, 同图3-a一样, 在层内部形成了次级滑塌微褶皱构造。

滑塌体的尖端处, 较厚砂岩层中间夹有薄层砂岩与塑性泥岩形成的次级滑塌褶皱构造(图 3-g)。未固结的砂泥岩层间摩擦力小, 导致了滑动时泥岩层与砂岩层之间变形并不同步。未固结泥岩具有一定的塑性, 在外力影响下, 容易发生触变, 与夹带的薄砂岩形成层间滑塌褶皱构造。

砂岩层挤入厚泥岩层(大于30 cm)中, 被厚层泥岩包住, 形成了孤立的揉皱变形(图 3-h)。这种岩性混杂的现象也是滑塌构造的一大特点。综合考察层内、层间和孤立的滑塌褶皱构造, 发现这3种变形与滑塌体密切相关, 受到滑塌体控制, 属于滑塌过程中形成的。

2.1.2 滑塌中形成的其他变形构造

泥岩层中常见一些圆形、条带形或不规则形砂球体, 砂球体大小不一, 分布位置、密度杂乱无序, 与常见的球— 枕构造分布特征区别明显。此类砂球体应该是滑塌体形成时砂层破碎后随机挤入泥岩层形成的。

图3-i所示一段砂岩层被剪切力错断形成了2个相对的剪切褶皱。地层滑动过程中, 如果上下层位速度不同, 那么砂岩层的相对运动产生2个方向的力。图3-i砂岩段相对下层运动快, 下部岩层对其产生运动方向相反的摩擦力, 相对上层运动速度慢, 上部岩层对其产生运动方向相同的摩擦力。最终岩层无法承受2个相反方向的剪切力, 形成岩层的错位。变形过程中岩层并未固结, 形成的变形构造与脆性地层在构造运动中形成的断层容易区别。

图3-j所示滑塌体中间部位, 这个部位主要承受地层滑塌产生的拉张力。船厂滑塌剖面可以见到在拉张力作用下形成的10多层布丁构造, 规模大小不一, 尺寸范围1~10 cm。布丁构造通常呈菱形, 中间被微断层分开, 互相不连接。吕洪波等(2011)描述了本区的布丁构造特征, 并命名为“ 同沉积布丁构造” 。作者还发现一种特殊现象, 个别层布丁构造之间由1, cm厚、3~5, cm长的细长喉颈状砂岩连接, 没有完全断开。这种情况应该当时砂岩具有一定塑性, 发生部分液化, 拉伸过程中持续拉长减薄, 未发生脆性断裂, 通过细长喉颈连接相邻的布丁构造(图 3-k)。在野外考察时, 吕洪波教授还给大家指出一层非常特别的软布丁构造, 这层构造也是呈菱形排列, 但是2个菱形体之间没有分开, 而是完全连接的。吕洪波教授认为是此层先形成了普通的布丁构造, 布丁之间的砂局部液化, 造成布丁之间并无裂隙保留。

滑塌体内部变形构造种类多样(图 4), 可以清楚地观察到槽模、沟模等底面指示构造(图4-c, 4-f), 利用图4-c槽模向上可以辅助判断地层已经翻转。滑塌前形成的变形构造已经具有稳定的形状, 在滑塌过程中, 基本上不会随着所在地层的变形而改变原来的形状, 并基本不会受到后期滑塌变形的影响(图 5)。

图4

Fig.4

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	图4 山东灵山岛滑塌体内部滑塌前变形构造 a、b— 船厂滑塌体南端宏观剖面, 多个滑塌褶皱叠合在一起; c— 滑塌体内部地层翻转, 负载构造和槽模随地层翻转而翻转; d— 滑塌褶皱中3层厚砂岩, 中间发育球— 枕构造; e— 地堑地垒式层内微断层; f— 槽模Fig.4 Preceding slump deformation structures inside slump body in Lingshan Island of Shandong Province

2.2.1 负载构造

负载构造是判断地震触发形成变形构造的有利证据, Moretti 和 Sabato(2007)认为负载构造宽度大于1, cm时地震成因概率最大。负载构造层上表面平直, 两侧变薄, 变形中心最厚, 下表面形成圆润“ 凹” 型。Moretti 和 Ronchi(2011)提出变形层的上地层一般是均一液化下颗粒充填或者下一期侵蚀、重新沉积的过程, 是未变形的水平层。

作者将其称为负载构造的主要原因是沉积物自身的重力是变形的根本驱动力, 地层密度倒置(上大下小)是形成负载构造的前提条件(Morreti et al., 2001; Moretti and Sabato, 2007; 乔秀夫和李海兵, 2008; Van loon, 2009)。灵山岛浊积岩层快速沉积, 下层低密度泥岩还未固结, 上层就沉积了高密度砂岩, 形成反密度沉积。在古地震触发下, 高密度砂岩在重力作用下沉入低密度泥岩中, 形成负载构造。负载构造如果受到横向剪切力分量影响, 导致负载构造变形, 形成不对称负载构造。负载构造的主要驱动力是重力, 不论什么条件, 变形主方向应向下。观察图4-c, 负载构造宽度大于5 cm, 下表面平直, 上表面呈凸形侵入上方泥岩当中, 这与理论相悖。综合考察, 利用滑塌轴面和槽模底面指示构造确定这是地层翻转造成的, 轴面对称下方发现了同层位负载构造。在滑动过程中无法形成向上的负载构造, 所以这层负载构造应该是滑塌以前就已经形成, 在图4-a滑塌体内部共找到3层负载构造。

图5

Fig.5

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	图5 山东灵山岛滑塌前形成的负载构造在滑塌过程中的示意图Fig.5 Sketch map of preceding slump load structures during slump process in Lingshan Island of Shandong Province

2.2.2 球— 枕构造

球— 枕构造是地震诱发形成的, 是地层中古地震记录的证据(乔秀夫和李海兵, 2008)。球— 枕构造概念最早由Smith提出, 就其形成机理和形成条件, 前人做了大量研究(Owen, 1987, 1996, 2003; Morreti et al., 2002; 乔秀夫和李海兵, 2008, 2009; Suter et al., 2011), 并通过实验进行了模拟验证(Kuenen, 1958; Owen, 1996)。滑塌体剖面的3层厚砂岩(60~80 cm)大量发育球— 枕构造(图 4-d), 顺层追踪都会发现球— 枕构造有规律多个出现, 无孤立出现特例。球— 枕构造以扁平椭球体为主, 长轴/短轴在2~3之间。同一层内的球— 枕构造规模相当, 长轴在5~30, cm之间, 长轴顺层展布。球— 枕构造为上覆粗砂岩沉入下伏液化细砂粉砂岩之中形成, 上覆母岩完全消失。球— 枕构造与围岩的粒度和颜色不同, 在差异风化作用下, 非常容易识别。Morreti等(2002)通过野外统计发现球— 枕构造长轴与短轴比与沉降深度有关, 下降越深, 球— 枕构造越扁平。根据球— 枕构造的特征及分布状况, 判定是滑塌体滑塌前形成的。

2.2.3 阶梯断层

在滑动过程中形成了多层同沉积布丁构造, 这些布丁构造形态随着地层变形而变形, 受地层滑塌控制。作者发现一层地堑地垒式阶梯断层(图 4-e), 由一系列相向或相背的正断层组成, 厚度3 cm, 断层倾角范围50° ~70° , 上下层位平行未变形。地层发生了滑塌变形时, 阶梯断层依然保持了原来固有的形态, 不因地层滑塌褶皱变形而改变, 推断这一层阶梯断层在滑动前已经形成。

粒序断层发育限定在一个岩层内部, 是层内断层的一种。浊积岩沉积初期, 颗粒杂乱堆积, 粒序为点状接触, 含有大量水和孔隙。地震震动促使砂岩液化加速沉积物脱水, 粒序由点接触变为面接触, 体积收缩, 产生差异性下沉形成微断层。下伏泥岩触变流动, 体积不均匀变化, 弱固结砂岩受力不均, 也可以形成被动张裂缝。塑性粒序断层断面通常是弯曲的, 下部凹面向上, 形成的驱动力是液化后自身重力。发现粒序断层下降盘沿斜坡下滑, 朝NW方向, 倾向SE方向(图 6-a, 6-b)。

固结较好的砂岩受到剪应力或者张应力时被拉伸, 以致拉断, 上盘相对向下滑动, 形成布丁构造或石香肠构造。布丁构造主要发育在砂岩中, 仅局限于单一地层(图 6-c)。布丁构造断面倾角变化大, 平均45° ~70° , 个别高角度或近似垂直于地层, 断距小于3 cm, 甚至无断距, 断层内无充填或充填同时期沉积物, 表现出大致相互平行的正断层性质。应力形成的布丁构造断面相对平直, 形成的驱动力主要是上覆地层形成的横向剪切力分量, 以张裂为主, 变形性质应属脆性变形。绝大多数多米诺布丁构造倒向与剪切力方向一致, 布丁块体(石香肠构造)之间倾斜的微型小断层之倾向代表其滑塌源头方向, 而倒向斜坡的下方方向(Ben and Cess, 2003; Mandal et al., 2007)。测量布丁构造断层朝NW方向倒, 向SE方向倾, 说明古斜坡SE高, NW低。粒序断层与布丁构造形成原理和驱动力不同, 导致两种构造形成了相反的倾向。

图6

Fig.6

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	图6 山东灵山岛滑塌体下伏地层中的滑塌前变形构造 a— 滑塌褶皱下部地层, 发育阶梯断层, 断层上下层位平直未变形; b— 重力作用形成的粒序断层, 断面呈凹形弯曲状, 笔长15 cm; c— 应力作用形成的布丁构造, 脆性张裂, 断面平直Fig.6 Preceding slump deformation structures inside underlying bed of slump body in Lingshan Island of Shandong Province

图7

Fig.7

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图7 山东灵山岛滑塌体形成示意图 a— 滑塌前阶段, 虽未发生引起滑塌的强地震, 但是已经有多次小级别古地震发生, 且形成多层软沉积物变形构造, ①布丁构造, ②不对称负载构造, 此时古斜坡角度也可能较小, 不足以引起滑塌变形; b— 强地震发生, 引起地层滑塌变形, 部分在滑塌前已经形成软沉积物变形构造的地层被卷入到滑塌褶皱中, 导致滑塌褶皱内部含有滑塌前变形和滑塌过程中形成变形2个变形期次, 滑塌褶皱不同部位特征不同, 由上到下分别对应图7-c、图7-d和图7-e; c— 老虎嘴南部剖面, 位于滑塌褶皱层上部, 以拉断、杂乱堆积为主; d— 船厂滑塌褶皱剖面, 位于滑塌褶皱层中部, 褶皱轴面逐渐变得有序; e— 滑塌褶皱杂乱堆积剖面, 位于滑塌褶皱层下部, 褶皱轴面杂乱无序Fig.7 Sketch map of slump body forming in Lingshan Island of Shandong Province

图8

Fig.8

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	图8 山东灵山岛老虎嘴剖面变形构造 a— 上部为熔岩底面, 具有流动构造, 下部约2 m厚浊积岩; b— 层内震皱岩; c— 层内阶梯微断层; d— 液化角砾岩, 角砾岩次棱角状, 无磨圆; e、f— 镜下观察到的阶梯微断层, 暗色泥质纹层厚度小于0.2 mm, 微断层断距平均小于0.3 mm, 微断层可以连续切穿几个纹层Fig.8 Deformation structures of Laohuzui section in Lingshan Island of Shandong Province