碟状构造是一种不常见但可识别的沉积构造, 首先是被Wentworth(1966, 1967)描述和命名的。但Kuenen(1951)更早的时候就观察和描述了这种构造, 并把这种构造称之为皱痕层理(crinkled bedding)。这种构造通常发育在砂岩中, 在横截面上多由暗色富含黏土的纹层显现。纹层的厚度不及1, mm, 近水平到微上凹, 宽度变化介于数厘米到50, cm。其尺度较小, 规模多在厘米级。它们通常被称之为“ 柱子” 的块状砂岩中的垂直条纹分隔。碟状构造通常表现出在一个单独的岩层中向上凹度的增加和宽度的减小。一般发育在细粒的浊积岩中(Lowe, 1974; Stanley, 1974; Nilsen, 1977; Busch, 1978)。关于碟状构造的成因目前尚无定论。Lowe和 LoPiccolo(1974)认为碟状构造的形成与成岩固结时期的泄水有关或者与砾岩、砂岩和粉砂岩的快速沉积(quicks bed)有关, 而Busch(1976)对加利福尼亚州三叠系下部浊积岩研究后认为碟状构造的形成与流体过程有关。

文中讨论的类碟状构造与一般的碟状构造除了在几何形态和成因上相似之外, 在很多方面都有所不同, 主要表现在4个方面: 一是文中的类碟状构造发育在中厚层的砂砾岩中, 而一般的碟状构造发育在纹层状的细粒岩中, 如毫米级厚的泥质纹层或泥质粉砂纹层, 类碟状构造的围岩也是细碎屑岩; 二是文中的类碟状构造边缘为强烈的泥、粉砂泄水混合物, 而一般的碟状构造的泄水不大明显; 三是文中的类碟状构造规模极大, 尺度以米计算, 而一般类碟状构造规模很小, 尺度以厘米计算; 四是文中的类碟状构造形成于浅水环境的辫状河河道, 而一般碟状构造形成于深水的浊流环境, 少数可以形成于河流环境。所以, 文中的类碟状构造并不是“ 标准” 的碟状构造, 但是从几何形态和成因上与一般碟状构造最为相近, 所以笔者把这种软变形构造也称之为类碟状构造。碟状构造对于沉积过程和环境(可以从沉积构造得到解释的)的解释具有重要意义(Rautman and Dott, 1977), 所以笔者拟通过对鄂尔多斯盆地北部下白垩统中的类碟状构造的研究来探讨相关地质问题。

鄂尔多斯盆地是中国中部一个大型的克拉通盆地, 面积约3.7× 10⁵, km², 周缘均是构造活动带。该盆地自早古生代起一直处于稳定阶段, 古生界发育了一套浅海相碳酸盐岩、碎屑岩及煤系, 中生界发育了一套碎屑岩和煤系。中生界的碎屑岩以湖泊、河流、三角洲及泥炭沼泽相为主, 北部有沙漠相。本次研究的对象是下白垩统, 主要出露在鄂尔多斯盆地北部东胜— 乌海— 鄂托克旗一带, 面积约3× 10⁴, km²( 图 1)。该套地层以湖泊、河流、三角洲和沙漠沉积为主。在鄂尔多斯盆地北部河流相以辫状河沉积为主, 湖泊相以滨浅湖沉积为主, 三角洲相以浅水沉积为主, 并发育沙漠沉积( 图 1)。

图1

Fig.1

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	图1 鄂尔多斯盆地北部早白垩世古地理图及类碟状构造发育位置图(原图来自地质矿产部第三普查勘探大队①, 1983)Fig.1 Palaeogeography of the Early Cretaceous and location of dish-like structures in northern Ordos Basin (after Third Geological Exploration Census Team, Ministry of Geology and Mineral Resources, 1983)

鄂尔多斯盆地中生界广泛发育软变形沉积构造, 前人已做过报道(田媛等, 2015), 但盆地北部下白垩统中的类碟状构造还未曾见报道过。该地区下白垩统中发育大量类碟状构造( 图 2, 图3, 图4, 图5), 规则者在竖直面上呈典型碟状, 不规则者呈碗状或砂球砂枕状, 所以严格地说, 这些类碟状构造并非标准的碟状构造, 只是在几何特征和成因动力学上接近碟状构造, 笔者定义这种构造为“ 类碟状构造” 。

图2

Fig.2

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	图2 鄂尔多斯盆地北部下白垩统大型平底类碟状构造Fig.2 Photos showing dish-like structures with large-scale flat bottom of the Lower Cretaceous in northern Ordos Basin

1— 中间平坦, 呈平底碟状, 仅边缘翘起; 2— 碟状形态较好, 边缘翘起明显, 左侧中等倾斜, 右侧近直立, 中部平坦、呈平底锅状, 发育在上部灰白色砾岩和下部含砾砂岩中, 底部为棕红色泥岩和粉砂质泥岩, 宽近9, m、高1.5, m左右, 两侧见有明显的液化泥上涌形成的漏斗(箭头所指); 3— 小型半平底类碟状构造和斜歪泥柱, 边缘翘起较强烈, 甚至向内翻卷, 底部下凹对称斜列, 具有等间距性; 4— 不规则类碟状构造, 边缘翘起呈不规则状, 泥柱斜歪, 类碟状构造两侧边缘不对称; 5— 呈斜歪狭缝状, 狭缝两侧的厚层砂砾岩层明显翘起, 根部斜插剖面内侧; 6— 2个小型类碟状构造与液化泥(柱), 形态极不规则, 右侧者近于砂球, 左侧者下凹强烈, 类似于碗, 下部泥强烈液化流动变形, 在类碟状构造之间上涌, 形成泥柱; 7— 2个小型的类碟状构造, 形状不规则, 其间的液化泥柱很清晰, 呈柱状, 显示了强烈的上涌, 两侧的类碟状构造边缘也强烈上翘; 右侧的液化泥柱呈狭缝状, 中上部有一定程度的膨大, 使两侧的类碟状构造边缘也强烈上翘; 8— 不规则小型类碟状构造、斜歪泥柱及液化泥层, 右侧类碟状构造上翘边强烈向内翻卷, 使得类碟状构造呈砂球状; 左侧类碟状构造不完整、连续性很差, 液化泥柱呈向右斜歪柱状, 砾岩层之下的液化泥岩层呈斑驳块状、显示有流动变形, 图中的人正在挖液化泥柱的根部, 追踪其与液化泥层之间的联系; 9— 盘状泥柱, 高近1, m, 口宽2.5, m, 呈浅盘状, 液化红色泥岩层厚50, cm; 10— 合并的2个斜歪泥柱, 泥柱向两侧斜歪, 呈对称斜列, 两类碟状构造间距70, cm

图3

Fig.3

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	图3 鄂尔多斯盆地北部下白垩统类碟状构造边缘砾石长轴顺流动变形方向的优势排列Fig.3 Predominant arrangement of gravels in edge of dish-like structures of the Lower Cretaceous in direction of liquefaction flow-induced deformation in northern Ordos Basin

图4

Fig.4

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	图4 鄂尔多斯盆地北部下白垩统类碟状构造液化泥岩上涌剖面形态特征Fig.4 Profile morphological characteristics of upwelling liquefied mudstone of dish-like structures of the Lower Cretaceous in northern Ordos Basin

1— 类碟状构造翘起边和宽大的液化泥柱。左侧的翘起边呈中等倾斜, 右侧的翘起边近直立, 其中的层理变形较强烈。液化泥柱呈斜歪梯形状, 左侧倾斜, 右侧直立, 底部宽2.3, m, 高1.25, m。液化泥贯穿其中, 从左侧的类碟状构造底部可以看出, 红色的泥岩在砂砾岩层之下急剧减薄, 右侧类碟状构造底部的红色泥岩减薄不明显, 呈块状; 2— 酒杯状和斜歪楔状泥柱。左侧泥柱竖直, 开口较窄, 呈酒杯状; 右侧泥柱向右斜歪。两个类碟状构造边缘均翘起; 3— 箕状泥柱。泥柱左侧陡立, 右侧斜缓, 呈箕状, 左侧边缘翘起明显, 右侧轻缓; 4— 半穿透的类碟状构造和近直立软变形褶皱, 揭示了类碟状构造的形成过程; 5— 类碟状构造剖面。可见顶部黄褐色的砂砾岩层中发育了8~10个不完整的类碟状构造, 底部的棕红色泥岩明显上隆, 是泥岩液化上涌的结果; 液化的泥岩穿透了砂砾岩层, 向上扩展成漏斗状, 使相邻的砂砾岩层上隆发生软变形, 形成类碟状构造。在液化泥岩上隆部位的底部还向下扩展成尖窄的裂缝状, 揭示了泥岩下部的地层也有液化上涌的流体作用; 6— 小型类碟状构造。左侧较规则, 连续性和 对称性较好; 右侧连续性和对称性很差。可见其下的泥岩呈灰绿棕红斑驳状, 系液化流动的结果

图5

Fig.5

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	图5 鄂尔多斯盆地北部下白垩统特殊沉积组合的类碟状构造Fig.5 Dish-like structures with special sedimentary combination of the Lower Cretaceous in northern Ordos Basin

1— 小型微弱的类碟状构造。砾石层呈断续低幅凹陷, 边缘微翘, 变形微弱, 但形态更接近类碟状构造。下覆泥液化不强烈; 2— 风成砂丘之上发育的中型类碟状构造, 形态不规则, 底部未见泥岩, 直接与风成砂岩接触; 3— 类碟状构造近直立的翘起边和酒杯状泥柱, 类碟状构造的边缘被泥柱向上牵引变形, 形成了近直立的翘起边。泥柱呈酒杯状, 向上的膨大加剧了类碟状构造边的翘起; 4— 类碟状构造翘起边及液化泥柱。左侧的类碟状构造翘起边呈复杂的向外翻卷状, 形成了一个檐状构造, 由原先直立的翘起边在泥柱支撑力不够时向外的塌陷; 右侧的翘起边呈近直立状。液化泥柱呈酒杯状, 基部未见与下部泥岩有联通, 这一现象 揭示了液化泥柱有时可能是沿着某个洞或某个断缝向上涌的

鄂尔多斯盆地北部下白垩统中的类碟状构造规模总体较大, 宽度为1~10, m, 高度为0.5~2.0, m。一般来说, 大型的类碟状构造仅边缘翘起, 中间平坦( 图 2-1, 2-2), 呈平底碟状; 而小型类碟状构造边缘翘起较强烈, 甚至向内翻卷, 底部下凹呈碗状、甚至砂球状( 图 2-3, 2-4, 2-5, 2-6, 2-7)。小型类碟状构造的宽度一般为1~3, m, 高度多为0.5~1.0, m; 中型的宽度类碟状构造一般为3~5, m, 高度为1.0~1.5, m; 大型类碟状构造的宽度一般在5, m以上, 最大可近10, m( 图 2-2), 高度多为1~2.0, m, 少数可达2, m以上。不规则者一侧呈碟状, 另一侧变形很小或基本没有变形( 图 2-10)。类碟状构造两侧翘起程度不同, 有倾角小于45° 的倾斜边, 有倾角为45° ~75° 的陡斜边, 还有倾角为75° ~90° 的直立边, 甚至有大于90° 的向内翻卷边。有的强烈扰动变形看不出类碟状构造的特点, 有的两侧强烈翻卷呈砂球砂枕状( 图 2-6)。

类碟状构造边缘翘起部分的砾石随着变形程度发生位态变化, 砾石的长轴与变形层理一起倾斜、直立, 甚至向后倒转( 图 3)。砾石的长轴也可以平行泥柱壁排列, 这种现象在研究区非常常见。砾石的变位与液化流动变形轨迹一致, 长轴顺变形方向规则排列, 形成明显的(流动)变形轨迹( 图 3), 可见液化流动的黏性很小、流动很大, 否则扁平或条状砾石的排列不可能与液化流动轨迹一致, 而会形成与流动轨迹有一定夹角的叠瓦状排列。值得注意的是, 有的砾石在没有液化之前与层面或层理有一定的夹角(或呈叠瓦状排列), 但液化流动后其长轴完全平行流动轨迹排列, 进一步表明液化流动的强度和距离均很大。此外, 从砾石长轴的定向排列也可以看出, 当时的砾石层已被完全液化了, 否则其中的砾石不可能“ 自由” 流动, 形成这种与液化流动轨迹一致的定向排列。

从 图3可以看出, 砾石层不是简单地发生了脆性“ 拱裂” , 确实也发生了软化流动。富含水的松散泥的液化比较容易, 但松散的砾石层的液化则相对较难, 因为其不仅需要非常强烈的地震触动, 而且需要地震的长时间作用。所以, 从砾石的排列角度看, 当时的地震强度很大。该问题后文还有详细讨论。

3.3 类碟状构造之间的液化体特征

类碟状构造之间为泥遭受液化后泄水充填的特殊沉积体— — 泥柱。在一般的碟状构造中也有这种地质现象, 但不像鄂尔多斯盆地北部复杂:一般的碟状构造仅是一些具有向上流动痕迹的、与碟状构造主体岩性相同或相似的粉砂或细砂等砂级物质; 而鄂尔多斯盆地北部的类碟状构造之间的液化充填物与类碟状构造的主体岩性截然不同, 主体岩性是砾岩或砂砾岩, 液化充填体则为棕红色的泥岩和砂质泥岩, 风化后成为非常松散的、极细的土黄色粉砂岩。由于目前还没有见到有相关的报道, 所以这种(沉积)构造还没有现成的名称, 文中暂将其称为“ 泥柱” 。

泥柱的形态在竖直面上非常复杂( 图 2, 图3, 图4, 图5), 多呈漏斗形或倒三角形, 少数呈狭缝形、花瓶形、柱形、盘形或浅盘形( 图 2-9)。有的相邻泥柱连通合一; 有的泥柱非常宽大, 呈梯形或板状, 把其上的砂砾岩层都“ 吞噬” 了, 形成了一个泥岩的大缺口( 图 5-1)。泥柱宽度多为数十厘米, 大者可达2~3, m, 甚至4~5, m。一般来说, 泥柱上部扩膨越大, 类碟状构造的边缘则翘起约强烈, 反之相反。在平面上对泥柱进行了挖掘跟踪, 发现其为长条状条带( 图 6-1)。竖直面上, 泥柱呈直立( 图 2-7, 2-11; 图4-5)或倾斜( 图 2-2, 2-3, 2-4)。

初步研究发现, 这种泥柱的产出位置不是随机的, 而是具有一定分布规律: 首先具有近等距性( 图 4-5; 图3); 其次是具有一定的方向性, 如类碟状构造之间的泥柱可能是沿着一个先期就存在的共轭剪裂破裂面发育的。在白家大院附近的类碟状构造之间的泥柱明显具有优势方向: 一组沿220° ~260° 方向延伸, 另一组沿150° ~170° 方向延伸, 两者的共轭剪裂角分别为70° ~80° , 压应力(主应力σ ₁)方向应为南北方向和近南北方向。这个数值与鄂尔多斯板块向北运动与阴山造山带挤压碰撞的动力学过程比较吻合。斜立板片状的液化泥柱等间距性现象则更明显。有的泥柱在竖截面上呈同向斜列( 图 2-2)或对称斜列( 图 2-3, 2-10), 前者可能是同一组剪切破裂面控制的泥柱, 而后者是两组共轭剪切破裂面控制的泥柱。总之, 鄂尔多斯盆地北部下白垩统类碟状构造之间的泥柱大多数都受到了构造破裂面的控制, 而非简单的液化上涌。此外, 在塔然高勒附近观察到一个底部未被泥柱“ 刺穿” , 而上部被泥柱“ 刺穿” 的特殊类碟状构造( 图 2-4), 值得进一步研究。

3.4 类碟状构造的产出方式

类碟状构造成群出现在鄂尔多斯盆地北部的下白垩统中( 图 4-5; 图3)。这是一套以湖泊相、浅水三角洲相、河流相及风成砂丘相(东部)为主要类型的泥砂砾岩组合。岩性以棕红色泥岩(少数灰绿色)、灰白色— 棕红色砂岩、黄褐色砾岩和含砾中粗砂岩及棕红色粉砂岩为主。类碟状构造主要发育在黄褐色中厚层的砾岩或含砾中粗砂岩中, 其下一般为棕红色块状泥岩, 少数为灰绿色块状泥岩, 具有流动痕迹, 极易碎, 与类碟状构造个体之间的上涌通道相连( 图 2-6, 2-7, 2-8; 图5-5, 5-6), 表明泥也是经过液化流动改造的。

鄂尔多斯盆地北部砂砾岩中的类碟状构造几乎均是成群成组出现, 到目前为止仅偶尔看到孤立产出者(因剖面太短), 揭示了这种构造是在一种大面积背景下由一个统一的地质动力和过程形成的。在同一个层位, 如果没有发育类碟状构造, 一般是砂砾岩底部缺少泥岩层或泥岩层太薄。但也见到1处例外: 在鄂尔多斯西109国道805, km处发育类碟状构造的砂砾岩之下没有泥岩, 而是一套十几米厚的风成砂岩层( 图 4; 图6-2), 推测在剖面的内部可能存在有一定厚度的泥岩层。这个实例今后还需深入研究。

图6

Fig.6

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	图6 鄂尔多斯盆地北部下白垩统类碟状构造伴生的软变形褶皱Fig.6 Soft￣deformation folds associated with dish-like structures of the Lower Cretaceous in northern Ordos Basin

1— 图5-4的近剖面视图, 可以看出酒杯状的液化泥柱呈长条状或缝隙状, 但其中仍未见与基部液化泥层联系的通道; 2— 不规则软变形褶皱或软变形层理, 发育在类碟状构造之下的红色泥岩中, 系液化泥柱的发源地; 3— 环状或管状软变形褶皱, 系滑动剪切形成的, 可能与上部发育类碟状构造的砾石层的短距离滑动有关; 4— 变形层理, 显示出强烈的软变形, 揭示了发育类碟状构造的砾岩层下部的泥岩层发生过强烈的变形和变位; 5— 大型软变形褶皱, 与类碟状构造和液化泥层的层位相当, 发育在夹灰色 薄层砂岩的棕红色泥岩中, 揭示了强烈的软沉积物变形作用

图7

Fig.7

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	图7 鄂尔多斯盆地北部下白垩统类碟状构造的伴生构造Fig.7 Associated structures of dish-like structures of the Lower Cretaceous in northern Ordos Basin

1— 中厚层砂砾岩层底面的大尺度火焰构造, 高、宽多为20~30, cm, 有小型砂岩岩脉和小型砂岩岩球、砂岩岩团构造; 2— 砂岩岩球和砂岩岩脉, 砂岩岩球的直径为10 cm× 20 cm左右、内部比较均一, 砂岩岩脉规模很小、宽3~5, cm, 高20, cm; 3— 砂岩岩球, 形态较好, 内部无典型的同变形层理; 4— 砂岩岩团, 无确定形态, 由一系列砂岩岩块组成, 内部发育不典型的同形变形层理; 5— 多米诺骨牌构造, 一系列小型左倾正断层切割; 6, 7— 砂条构造, 近圆柱状, 直径为10~20, cm, 斜列于泥岩中, 前端有变形层理, 尾端与上部砂岩相连

3.5 类碟状构造的共生伴生构造特征

3.5.1 原生构造 以与辫状河相关的沉积构造和浅湖沉积构造为主, 主要有平行层理、低角度交错层理、多尺度槽状交错层理和板状层理、正粒序层理、块状层理、侵蚀冲刷面、泥裂、水平层理、虫迹及火焰构造。在同一地层中的风成砂岩中, 沉积构造以大型的交错层理、粒序层理和再作用面为主( 图 3; 图5-2)。

3.5.2 软变形沉积构造 与鄂尔多斯盆地下白垩统中的大型类碟状构造共生伴生的其他软变形沉积构造, 概括起来有8种:

1)软变形褶皱。在大型类碟状构造发育的砂砾岩层之下的泥岩或砂质泥岩中普遍发育有软变形褶皱。以精神病院和塔然高勒发电厂所见到的软变形褶皱最为典型, 尺度也最大, 其高度为数十厘米, 最大可达1, m, 宽度达数十米( 图 6-2, 6-3)。在巴拉贡东的风力发电站见到的软变形层高度超过3.5, m, 长度超过20余米, 其由一系列尺度在数十厘米到米级的、不规则的软变形褶皱组成( 图 6-5), 但这种褶皱发育在薄层粉砂岩与泥岩的互层中, 被认为是浅水三角洲前缘亚相的滑动滑塌沉积, 但又看不出软变形褶皱轴面的产状有明显的方向性, 表明软变形褶皱可能是以垂直变形为主。发育软变形褶皱的泥岩以棕红色为主, 少量浅灰色, 厚度多为1~2, m, 是浅湖沉积的产物。在其他地方可以见到直立和近直立的尖棱状背斜, 宽度近1, m, 高度为数十厘米, 可能是液化充填体上拱形成的。

2)变形层理。很常见( 图 6-4), 多与软变形褶皱一起发育, 也有独立发育者, 规模总体较小。

3)火焰构造。比较常见, 在砂砾岩底部经常可以看到, 以杭锦旗北高速公路路北最为典型( 图 7-1)。规模总的来说不大, 高、宽多为十余厘米到数十厘米。其成因与砂砾岩层沉积后对下部未固结的泥岩的压实有关, 但也可能叠加了很强地震的影响。

4)砂岩岩脉( 图 7-1, 7-2)。有时可以见到大型类碟状构造发育的砂砾岩层之下的泥岩或砂质泥岩中发育了砂岩岩脉。砂岩岩脉规模普遍较小, 宽度多为数厘米, 高度多为20~40, cm, 直立或近直立; 多有2组, 在平面上交织成网状。初步研究发现, 砂岩岩脉充填在2组共轭剪切裂缝(节理)中。共轭剪切裂缝(节理)很可能是地震压缩波形成的, 地震形成的液化粉砂顺势充填在几乎同时形成的裂缝(节理)中。据观察, 岩脉一般是沿着裂缝充注的, 即沿着一个原先的破裂面。这个破裂面最有可能是地震形成的破裂面(剪裂面), 因为明显存在着优势分布和共轭性。岩脉大多垂直于层理或层面, 这与在埋藏早期上覆沉积物形成的重力压实有关, 此时的最大主应力(σ ₁)是重力, 垂直于层面; 而水平方向属于应力松弛状态, 可以认为是最小主应力方向(σ ₃)。地震压缩波是一种很特殊的应力: 在地震影响下松散的沉积物在瞬时受到压缩波的作用, 瞬时最大主应力及最小主应力(弹性波)与地震压缩波方向一致, 重力则为瞬时中间应力(σ ₂), 张性裂隙容易顺主应力(σ ₁)方向发育。

5)砂球砂枕( 图 7-3)。有时可见, 规模普遍较小, 尺度多为十余厘米到数十厘米。

6)液化砂团( 图 7-4)。在与类碟状构造相同的层位或下部砂岩中有时可以看到液化的砂岩团块或岩脉, 特点是内部的层理完全消失, 从构造上看岩石特点与周围的围岩截然不同, 但岩性还是一样的。岩团呈明显的多角团块状, 直径多为20, cm左右。液化岩脉呈不规则条带状, 边缘多参差不齐, 一般宽数厘米到十余厘米, 长数十厘米。这种液化岩脉与一般的岩脉不同, 前者没有任何流动、与围岩的岩性相同, 而后者则是由流动形成的、岩性与围岩截然不同。这种岩体和岩脉的成因不好确定。

7)多米诺骨牌构造( 图 7-5)。在与类碟状构造层相连或相近的具水平层理的粉砂岩中有时可以见到多米诺骨牌构造, 推测是由薄层的砂岩在泥岩强烈变形过程中被一些列非常小型的正断层拉断形成的。

8)砂条砂板( 图 7-6, 7-7)。这种构造是笔者首次发现和命名的一种新的软变形沉积构造。在红色的泥岩或砂质泥岩中, 有时可以看到一种斜插的砂条或砂板。砂条的直径为20, cm左右, 长近1, m, 与层面的夹角约30° 。在砂条内部有时可以见到变形层理。砂条与上部的砂岩多数情况下相连, 表明成因上与上部砂岩有关, 极可能是上部砂岩层“ 掉” 到下部泥岩中的。

3.6 沉积环境

类碟状构造发育在一套黄褐色或灰白色的中厚层砂砾岩中( 图 2, 图3, 图4, 图5)。砂砾岩的厚度多为1~6, m, 最厚可达十余米; 发育的主要原生构造包括平行层理、板状交错层理、槽状交错层理、叠瓦构造和冲刷充填面, 底部多发育火焰构造和砂丘砂枕, 具高能浅水快速沉积的特点, 推测是辫状河沉积。砂体多呈席状, 少数呈透镜状, 揭示出侧向约束很差、没有长期固定河道的辫状河开阔面状沉积的环境特点: 枯水期只有主河道内有极浅水流、甚至多数时候干涸, 洪水期河水可以轻易漫过河道和天然堤(极不发育), 先发生底蚀和侧蚀, 后随河水流速和流量的减小大量沉积物又迅速沉积充填, 形成了中厚层、分选很差的砂砾层。砂砾岩底部的侵蚀面相当于层序的五级界面, 在区域上具有较好的稳定性, 基本可以在较大范围内对比。

从柴达木盆地都兰县关角牙附近现代辫状河的实例看, 其在横向上可达2, km以上, 纵向可达十几千米, 甚至更长; 如果把废弃的古河道也考虑进来, 则都兰辫状河的宽度和长度均可以超过10, km。从垂直古流向的剖面看, 砂砾岩层与底部基准面(basal bounding surfaces)构成向下凸的轮廓, 显示了下蚀的特点。砂砾岩层中广泛发育的平行层理和低角度交错层理反映了水流在很浅的情况下的快速流动, 河床底形还不足以有足够的水流深度来发育大型波痕, 形成板状和槽状交错层理, 这是侧向限制很差的片状洪泛沉积的特点。频繁的下蚀作用面和常见的平行层理(上部流动区)及块状正粒序砂砾岩(hyperconcentrated flows)的频繁出现意味着快速、间歇的高搬运能力的辫状河流。在康巴什以西十几至二十余千米的109国道往南至青银高速的公路两侧可以见到同套岩层则发育了更多的板状、槽状交错层理及砂波纹层发育的砂砾岩层, 可以看成是辫状河向南水深逐渐加大的结果。这些河道沉积以垂向加积占优势, 砂体具有下凸底形。在这种干旱地区暂时性河流形成了网状浅水河道系统(远程的、片状水流、砂质河流), 从都兰可以清楚地看到这一点: 网状水系非常发育, 枯水期几乎所有的河道都干涸, 洪水期极浅的水流呈面状快速流淌, 大量的砂砾被搬运, 在水流速度稍缓的部位沉积下来, 形成微上凸的底形; 中水期浅而宽的河道缓慢的淌水, 极少量砂级沉积物被搬运。所以, 干旱气候条件下的辫状河沉积主要发生在洪水期, 以快速和间歇的垂向加积方式形成的。

鄂尔多斯盆地北部在早白垩世为干旱气候, 因为同一套地层发育了大量的风成砂( 图 3; 图5-2), 泥裂也常见, 有时可以见到砂砾岩层被白云岩胶结, 总体呈棕红色色调。所以, 该时期洪水期的地理和沉积景观决定了下白垩统的岩性及其组合, 浅水湖泊形成的泥和快速沉积的米级厚辫状河砂砾层是类碟状构造发育的物质基础。

类碟状构造一般发育在砾岩之下有泥岩的剖面中, 但在鄂尔多斯市以西10余千米的109国道南侧有几个剖面可以看到风成砂丘之上也发育了类碟状构造( 图 3; 图5-2)。这与研究区大多数类碟状构造的岩性组合大不相同(下泥上砂), 值得今后深入研究。

初步研究认为, 鄂尔多斯盆地北部下白垩统主要为一套湖泊— 三角洲— 河流— 风成砂丘(沙漠)沉积。类碟状构造主要发育在一套浅水三角洲分流河道沉积中。由于水太浅, 这种分流河道具有辫状河性质: 宽河面、主河道极浅、极易漫滩, 但其底部多为浅湖相红色泥岩。从野外观察结果看, 辫状河砂砾岩的厚度多在1~2, m到3~4, m, 这个厚度可以近似地看成是湖泊的深度。此外, 泥岩中经常可以见到泥裂, 从另一个侧面表明了湖泊是浅水环境。

鄂尔多斯盆地北部在早白垩世是一个以干旱气候为主的内陆环境, 北部为鄂北隆起和阴山( 图 1)。洪水期河流具有非常大的搬运能力, 把大量的砂砾从风化壳上聚集在河水中。当河水流出山口进入湖泊边缘后坡度骤减、湖面骤然变宽, 河流的搬运能力也骤减, 其中的大量(泥)砂砾便迅速沉积下来, 堆积在湖缘。由于雨季大幅降雨, 湖泊水位骤然上涨, 湖岸线快速推进到山前或山缘, 形成浅水湖泊。所以, 从山口泄出的河水在流出山口后便直泄到山前或山地边缘的浅水湖泊边缘中, 形成浅水三角洲; 河流中的大量砂砾快速堆积到湖缘的红色泥之上, 形成厚层的砂砾直接覆盖在红色的泥之上, 同时形成了密度相对较大的砂砾覆盖在密度较小的红色泥之上, 为此后的泄水变形奠定了物质基础。

早白垩世鄂北隆起和阴山处于中生代燕山构造活动期, 强烈的构造运动引起鄂尔多斯盆地北部发生强烈的地震。地震引起未固结的沉积物发生液化, 砂砾层底部的泥层液化后在上覆砾石层重力的作用下产生了“ 高压” , 液化泥的压强可以由下列公式获得: P_泥=P_静水+P_砂砾层; P_砂砾层=ρ _砂砾层× h_砂砾层。所以液化泥的压强大小与上覆砾石层的厚度呈正比, 即上覆砂砾层厚度越大, 液化泥的压强也越大。从区域上看, 发育叠瓦构造的砂砾层厚度多为1.5~2.0, m, 取砂砾层无孔隙时的密度2.65 g/cm³, 孔隙度假定为35%, 所以干燥密度约为1.72 g/cm³; 故液化泥之上的压强约为2.58~3.44kg/cm²。笔者估算了一下40, cm²面积上的压力(该面积与成人双脚的面积接近)为103.2~137, kg, 这一数值与2个较瘦成年人的体重比较接近。据观察, 刚沉积下来的辫状河河道砂砾岩完全可以支撑这一重量, 也就是说, 2个瘦小的成人站在沉积下来的辫状河河道砂砾岩上不会发生液化下沉。所以, 如果砂砾层不发生液化就不可能有液化泥的上涌发生, 也就不可能形成类碟状构造。故形成类碟状构造不完全是砂砾层下部泥的液化的问题, 而是泥之上砂砾层也要同时液化。

砂砾层液化必须具备2个条件: 一是强烈的扰动, 二是持续强烈的扰动。据实验, 刚沉积下来的辫状河砂砾层需要成人(75, kg)在原地“ 践踏” 25~28次才能完全液化(以砂砾层渗出多余水, 且砂砾层几乎失去剪切力可以流动为准)。所以, 鄂尔多斯盆地北部下白垩统砂砾岩中的类碟状构造必须是在强烈、持续的地震作用下形成的。无法直接模拟出松散砂砾层要经受多少级的地震才会发生液化, 更无法直接模拟出松散砂砾层要经受多久的持续的地震扰动才会完全液化。但从前人的研究成果和笔者做的模拟实验可以进行推测。Rodrí guez等(2000)建立了地震等级与软变形沉积构造的关系( 图 8中的8级地震以下为其所建), 他们认为在砂层中形成0.5, m厚的包卷层理需要7级左右的地震, 形成1, m厚左右的砾石侵入或砾石层断裂需要8级左右地震( 图 8)。此外, Horowitz(1982)发现6级地震只能在一个相对小的范围内(距震中50, km)引起液化, 可以形成直径0.3, m的岩脉和地表移动。而鄂尔多斯盆地北部的类碟状构造之间的泥砂柱(岩脉)直径多在60~70, cm, 最大可达数米, 所以可以推测当时的地震强度远高于6级。再加上液化范围较大(> 100, km)、液化高度(1.5~2.0, m)较大和砂砾岩被液化等特征, 所以从这个角度推测当时的地震也应该在8级以上(图8)。鄂尔多斯盆地北部下白垩统砂砾岩中的类碟状构造的厚度在1.5~2.0, m, 砾石层明显发生了液化流动, 所以笔者认为形成鄂尔多斯盆地北部导致砾石层类碟状构造形成的地震至少要比8级高, 推测应为9~10级( 图 8)。这是文献中第1次提到的最高级别古地震, 可信度还有待验证。另外, 从笔者所做的砂砾层液化实验看, 跳塌作用30次、历时20, s才能完全液化, 所以据此推测强烈地震的持续时间必须在20 s以上, 否则砂砾层无法完全软化和液化流动。

笔者提出了一个鄂尔多斯盆地北部类碟状构造的成因模式: 首先是发生了强烈地震, 扰动松软沉积物( 图 9-A), 持续的地震作用使泥液化和砂砾层软化和部分液化( 图 9-B); 液化的泥发生上涌, 使上部沉积物隆起形成尖棱褶皱( 图 4-4), 进一步发展将形成如 图9-C的砂泥火山; 由于砂砾层也发生了软化和部分液化, 在泥浆向砂砾层顶部扩散流动过程中, 把软化或部分液化的砂砾层也带着发生了卷曲( 图 9-D), 结果形成了类碟状构造。如果以类碟状构造及软变形沉积构造的规模大小和分布密度大小来判定地震的震中, 那么塔然高勒一带应该是震中。

图8

Fig.8

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	图8 软沉积物变形构造与地震震级关系(据Rodrí guez et al., 2000, 有修改)Fig.8 Relationship between soft￣sediment deformation structures and earthquake magnitude (modified from Rodrí guez et al., 2000)

图9

Fig.9

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	图9 鄂尔多斯盆地北部下白垩统类碟状构造的形成模式Fig.9 Model for formation of dish-like structures of the Lower Cretaceous in northern Ordos Basin

图10

Fig.10

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	图10 鄂尔多斯盆地北部下白垩统大型类碟状构造与液化泥之间的变形和位移关系Fig.10 Relationship of deformation and displacement between a large-scale dish structure and liquefaction mud of the Lower Cretaceous in northern Ordos Basin

再来讨论一下泥液化的动力问题。泥液化是类碟状构造形成的根本动力, 从野外露头看泥液化形成的泥柱相对类碟状构造来说尺度较小, 一般只有类碟状构造宽度的1/5~1/10, 表明泥柱上突的动力还是很大。如果采用前面获得的砾石层底部泥的压强2.58~3.44, kg/cm², 那么液化泥的突破压强则为12.9~17.2 kg/cm²至25.8~34.4 kg/cm²。这是从目前类碟状构造形成后的静止状态获得的参数, 如果再考虑类碟状构造形成时是从一个狭缝开始上涌的话, 这一参数将会更大。不妨做一个估算, 假设液化泥上涌是沿一条宽1, cm的狭缝开始的, 取类碟状构造的宽度为5, m, 那么这个狭缝上的液化泥压强将是1290~1720 kg/cm²。这个数据可以视作液化泥的上涌突破压强, 而这么强的压力要撕裂砾石层是完全有可能的。但随着液化泥上涌扩展后压强会迅速降低, 有关问题今后讨论。

在距杭锦旗不远的公路北侧, 笔者还看到了一个大型的泥液化现象( 图 10), 其底部最大宽度可近6, m, 上涌高度约65, cm, 把整个砾石层向上“ 托举” 了65, cm, 并在2处形成了突破( 图 10), 可见液化泥的动力非常之大。

鄂尔多斯盆地北部下白垩统砂砾岩中的大型类碟状构造的发现揭示了该地区早白垩世发生了强烈的地震, 这些地震与该区及相邻地区的强烈构造运动有关, 是中国北部强烈的燕山运动在该区的反映, 可能与鄂尔多斯板块向北漂移对阴山造山带的挤压有关。同一地层中的风成砂研究揭示, 鄂尔多斯盆地在白垩纪初位于北纬15° 左右, 后迅速向北漂移至北纬40° 附近, 向北漂移了近25° 和1300, km(有关问题另文详述), 可见其运动速度和距离都相当大, 所以它与北部造山带发生强烈碰撞也势在必然, 并产生强烈地震, 并在这种强烈地震的作用下形成大型类碟状构造。

1)鄂尔多斯盆地北部下白垩统的中厚层砂砾岩中广泛发育大型类碟状构造。这些类碟状构造宽度多为2~3, m到7~8, m, 最大可达10, m; 高度多为1~2, m; 边缘翘起, 中部平坦或下凹, 与碟状非常形似; 其间被液化泄水形成的泥柱和泥质粉砂柱隔断。泥柱的形态非常复杂, 尺度变化也较大, 多受共轭剪切破裂面控制。

2)发育大型类碟状构造的黄褐色中厚层砂砾岩中, 多发育平行层理、低角度交错层理、多尺度板状和槽状交错层理、冲刷充填面及叠瓦构造, 空间上呈席状, 厚度多为2~4, m, 是一套典型的辫状河河道沉积。

3)鄂尔多斯下白垩统主要是一套干旱气候条件下的浅湖、辫状河、浅湖三角洲和沙漠沉积, 间歇性洪水造成了沉积物的快速沉积充填, 有利于辫状河砂砾岩快速直接堆积到浅湖的泥层之上, 形成“ 上重下轻” 的密度倒置叠合关系, 为之后形成类碟状构造奠定了物质和力学基础。

4)大型类碟状构造是底部泥层液化上涌形成的。大型类碟状构造的底部为棕红色(块状)泥岩, 在地层接触关系上可以见到明显的向上侵入; 类碟状构造边缘的翘起部分中的砾石也多显示了与泥岩上侵流动相一致的长轴优势排列现象。

5)大型类碟状构造常与其他软变形构造共生和伴生, 以软变形褶皱、变形层理、砂岩岩脉、砂条砂板构造和砂球砂枕最为典型。

6)鄂尔多斯盆地大型类碟状构造是由该区或邻区强烈地震导致的, 间接与该区或邻区强烈的构造运动有关。从类碟状构造的尺度较大推测, 地震的震级可达9~10级。强烈的地震与鄂尔多斯微板块在白垩纪初向北运动引起的强烈构造运动有关。

文中对鄂尔多斯盆地北部下白垩统砂砾岩中的大型类碟状构造进行了介绍, 无疑是初步的, 可以预计在不久的将来会有更多的人关注它, 更可以预计将来会有更多的相关成果问世。所以作者只是抛砖引玉。