丘状和似丘状交错层理成因机制研究进展

丘状交错层理多和风暴沉积相关,似丘状交错层理多和浊流沉积相关,随着研究的深入,早已打破了丘状(似丘状)交错层理分别只存在于浅水(深水)沉积环境中的界线,故近年来丘状(似丘状)交错层理在作为沉积环境判别标志方面出现了很大的争议和混淆,究其原因则在于对丘状交错层理和似丘状交错层理的成因机制缺乏明确的认识。在详细总结丘状(似丘状)交错层理的结构、形态特征和垂向序列的基础上发现:(1)丘状交错层理底界常为剥蚀面,内部削切关系发育且与洼状交错层理关系密切;垂向序列常出现层段缺失和丘状交错层理叠置。(2)似丘状交错层理纹层厚度变化多样;丘状层可镶嵌于平行层理或小型交错层理之中,且为连续沉积;垂向序列往往出现高流态沉积构造与低流态沉积构造交替叠置。依据这些特征并结合水槽实验的相关研究成果,从流体力学角度可将丘状(似丘状)交错层理的形成机制分为水动力机制和沉积机制两部分。两者的水动力机制完全相同,即为立轴漩涡形成,在自然界中一般为斜压波动引起。两者的沉积机制完全不同:丘状交错层理为剥蚀悬砂沉积机制,而似丘状交错层理则为悬砂降落沉积机制。由于2种沉积机制所形成的沉积物悬浮浓度及其对沉积流体能量的要求不同,故形成丘状和似丘状交错层理各自不同的沉积特征。这对于从流体演化方面判断沉积环境具有非常重要的意义。

基于驻波理论解释丘状交错层理——以徐州地区贾园组风暴沉积为例

丘状交错层理作为鉴别风暴沉积重要的标志之一,是最能反映风暴作用的沉积构造。本文基于驻波理论对丘状交错层理成因进行了新的解释,提出了丘状交错层理形成于驻波波节部位,形成丘状交错层理(或驻波)的动能近似恒定的观点。通过理论计算解释了丘状交错层理随水深变浅波长逐渐变长,波高逐渐减小,波长/波高逐渐增大的趋势,解释了徐州地区贾园组风暴沉积序列中丘状交错层理随水深的变化规律,从而验证了理论的可行性,对沉积环境具有一定的指示意义。

丘状交错层理的成因探讨

为探讨丘状交错层理的成因,在室内通过涡流运动的试验,发现在水盆中心区形成微微上凸、向四周缓缓倾斜的丘状沉积体。因此,提出丘状交错层理成因的新观点;同时,还应用圆周运动理论解释了风暴岩沉积序列的形成机理。

丘状交错层理研究述评

过去的几十年间在沉积物记录中发现了大量的丘状交错层理,它广泛形成于近滨——陆架之间,但在河口湾、潮坪以及三角洲等环境乃至深水浊积岩中也发现了它的存在,然而,人们对于它的形成环境和影响因素以及成因仍然存在着争论。通过近年来的研究,认为丘状交错层理是由振荡水流和单向水流联合作用所产生的观点逐渐得到了人们的认可。综合Simone Dumas(2006)的波洞实验以及前人的研究观点,影响丘状交错层理发育的因素主要有沉积物的粒度、风暴浪强度、地形坡度和水体密度、温度、粘度等。丘状交错层理对于恢复沉积物记录中的古沉积环境和古地理条件具有指导意义。

陆架砂岩和丘状交错层理:一种风暴成因沉积的新认识

1 关于风暴沉积作用的争论多年来,关于浅海风暴沉积作用问题是激烈争论的焦点。Walker(1984)等对激化这一争论的一些观测结果,进引过概括,代表性的主要争议点是下面一系列的问题: 1.何种水流形成丘状交错层理? 许多学者(女Harms等,1982;等)提出,是在强大的波浪轨道运动为主的水流下才形成了丘状交错层理。其他作者(如Swift等,1983;等)则强调叠加在波浪运动之上的强烈的地转流作用下形成。

河南鲁山下寒武统辛集组丘状层理类型及环境意义

河南鲁山县下寒武统辛集组含磷层段中发现了典型的丘状交错层理。其主要类型有两种:包括复合型(削顶式、生物扰动式)和叠加型。它的发现,说明辛集组含磷层段为非正常沉积,而属于风暴事件的产物,剖面序列特征表明此风暴沉积物应属远源风暴沉积。根据丘状交错层理的类型和特点,否定了前人对辛集组含磷层段沉积环境为沙坝-障壁滩的认识,重新确认其沉积环境为受风暴作用明显的陆棚环境。

鄂东黄石地区下三叠统大冶组风暴沉积

鄂东黄石地区下三叠统大冶组灰岩中发育了典型的风暴沉积,风暴岩由砾屑灰岩、颗粒灰岩和泥灰岩组成,其中风暴沉积构造包括丘状交错层理、递变层理、砾屑的撕裂构造及水平层理等,不同层位具有不同的风暴沉积构造类型和组合特征。根据风暴沉积的岩石特征、构造类型、规模、组合特点,并结合沉积背景分析,风暴沉积序列可进一步分为深水远源型、过渡型和浅水近源型。大冶组一段风暴沉积具有深水远源特点,沉积环境为水体较深的外陆棚;大冶组二段风暴沉积具有过渡型特点,沉积环境为向上变浅的内陆棚;大冶组三、四段风暴沉积具有浅水近源特点,沉积环境为浅水陆棚至滨岸。大冶组沉积序列具有向上变浅的特点,沉积环境由深水陆棚逐渐向滨岸转变。风暴沉积的识别对重建鄂东黄石地区早三叠世古地理具有重要意义。

徐州地区震旦系贾园组的风暴沉积

徐州地区震旦系下部的贾园组具有丰富典型的风暴沉积标志 ,包括各种冲刷 -充填构造、丘状交错层理、碎屑流沉积、粒序层理及卷曲层理等。通过详细的野外观测及室内研究 ,根据风暴沉积标志的组合可划分出 6种风暴沉积序列类型。其中 ,类型Ⅰ为具粒序层理的薄层含粉砂灰岩 ,形成于风暴浪基面以下的远源风暴浊流的末梢 ;类型Ⅱ以渠模与丘状交错层理的组合为特征 ,出现在风暴浪基面与晴天浪基面之间 ;类型Ⅲ为风暴流成因的碎屑流沉积内碎屑灰岩与底面的冲刷沟槽、丘状交错层理的组合 ,是形成于晴天浪基面附近的槽道碎屑流型风暴沉积 ;类型Ⅳ为具颗粒流沉积特征的内碎屑灰岩与冲刷面构造及丘状交错层理的组合 ,丘状纹层段中常见卷曲层理 ,形成于滩前陆棚斜坡的上部 ;类型Ⅴ为夹于湖相薄层灰岩中的鲕粒砾屑灰岩 ,为风暴水流冲越鲕滩 ,在滩后湖近滩一侧的风暴沉积 ;类型Ⅵ为湖相风暴岩 ,由冲刷面构造、薄层内碎屑灰岩及丘状交错层理的组合 ,顶部具晴天沉积。各种序列在垂向上叠置 ,构成向上变浅序列。

塔北地区三叠系黄山街组湖相风暴沉积

通过岩心观察及粒度分析,对塔北地区黄山街组湖相风暴沉积进行研究。研究结果表明:本区风暴岩以中细砂岩、粉砂岩为主,缺乏粗粒的砂砾岩体,局部见泥砾,发育冲刷面、丘状交错层理、递变层理、浪成沙纹层理、波状交错层理、变形构造以及生物逃逸迹等沉积构造;粒度概率曲线呈两段式,以跳跃总体为主;本区理想风暴沉积垂向序列可归纳为"似鲍马序列",自下而上为递变层理段(Sa)、平行层理段(Sb)、丘状层理段(Sc)、浪成沙纹或波状层理段(Sd)、泥页岩段(Se),其中Sabde,Sace,Scde及Sde 4种沉积序列常见。风暴沉积物源来自于西北部的柯坪隆起以及东北部的库鲁克塔格隆起,按照其沉积特征以及与物源的关系,判定本区发育的风暴岩为过渡型和远源型风暴岩。

江苏北部全新世风暴沉积研究

研究了苏北潮滩 SMK孔中的全新世风暴沉积 ,对其沉积相序、沉积构造及保存特性作了分析 ,重点剖析了全新世各沉积亚旋回的风暴沉积特征 ,建立了苏北潮滩全新世的风暴沉积模式。 SMK中风暴沉积保存较好 ,相对厚度在 40%以上 ,其沉积相序表现为从块状层到平行纹层 ,再到丘状交错层理 ,并表现出正韵律的沉积特征 ,是典型的风暴沉积。

岷江上游晚更新世湖相沉积的古地震及物源分析

青藏高原东缘是中国大陆内部最显著的地貌梯度带,也是青藏高原周缘新构造与活动构造最为复杂、活动断裂发育密度最高的区域。岷江上游地处"南北向地震构造带"中段,受岷江断裂、虎牙断裂及龙门山逆冲推覆构造带的影响,不仅强震及大震活动非常频繁,而且崩滑流等外动力地质灾害也极为显著,是内外动力作用耦合最为显著的地区。自2008年汶川MS8.0强震以来,随后又发生了2010年玉树MS7.1、2013年芦山MS7.0、2017年九寨沟MS7.0等4次7级以上地震,使得了解青藏高原东缘在地质和历史时期的地震活动成为迫切的科学需求。然而,岷江上游地区多为高山峡谷地貌,侵蚀作用强烈,滑坡、泥石流等地质灾害频繁,人为破坏严重,使得探槽开挖困难,古地震研究程度偏低。已有的少数古地震研究多数集中在全新世,揭露的古地震事件次数也相对较少。区域广泛分布的古堰塞湖湖相沉积连续性好、分辨率高,可能记录更多的地震事件,使得湖相沉积古地震研究受到越来越多的关注。本论文在整理前人资料的基础上,对岷江上游晚更新世湖相沉积出露点展开了详细的野外地质调查、剖面测量和系统采样等工作。首先,通过沉积学手段进行岩性描述、地层划分、层理识别,分析和划分沉积环境与沉积相。其次,对湖相沉积记录的宏观软沉积物变形和层理构造(丘状交错层理)进行研究,重点对软沉积物变形的类型划分、形态描述、成因厘定、变形过程和演化模型进行分析;然后对软沉积物变形的类型、形态和强弱变化与地震震级和震中位置关系进行讨论。再次,利用地球物理(粒度、磁化率)、地球化学等微观指标,并结合端元模型,对湖相沉积记录的事件层和非事件层进行分析和解释,以期获得湖相沉积中连续的构造和气候信息。采用OSL和14C相结合的方法,建立湖相沉积年代,获得古地震活动历史、大致震级等参数。最后采用主微量元素和碎屑锆石U-Pb定年,探讨青藏高原东缘到四川盆地碎屑物质的释放、搬运过程和路线等,以及青藏高原东缘构造活动造山带是如何影响四川盆地的?通过上述研究,得到如下认识:(1)通过OSL和14C测年,初步获得了岷江上游新磨村Ⅰ(XMCⅠ)、新磨村Ⅱ(XMCⅡ)和太平(TP)3个湖相沉积剖面的年代,沉积年龄属于末次冰盛期向全新世过渡时期;沙湾(SW)湖相沉积剖面的时代应属末次冰消期到全新世时期。(2)XMCⅠ、XMCⅡ、SW和TP 4个湖相沉积剖面中,共发现17个变形层,7种类型的软沉积物变形,分为韧性变形(负载构造、火焰构造、假结核构造、球枕构造和液化卷曲)和脆性变形(微断层和液化角砾)两种。软沉积物变形最可能的触发机制为地震作用,代表强液化或(和)流化作用。另外,4个湖相剖面中有12个中厚层向上变细的粉砂层,其成因与地震引起的滑坡、碎屑物质及细颗粒粉尘等被风力或流水搬运到湖泊中并快速沉积有关。(3)当沉积物中记录的软沉积物变形(负载、球枕构造)为地震成因时,其代表的震级可能为6.0～7.0级,震中距约为20～70 km。同等变形强度的负载、球枕构造,地震震级最强的为湖相沉积,其次是河湖相沉积和海相沉积。负载、球枕构造变形的宽度和厚度与地震震级具有正相关关系:即变形层宽度越大、厚度越厚,其记录的震级就越大。球状体变形尺度及球状半径大小,也与震级大小有一定的正相关关系,即球状半径越大,其震级越大。而岩性与地震震级大小没有直接的对应关系。利用软沉积物变形所对应的地震震级估算距震中距离,或者采用软沉积物变形距断层距离估算地震震级的方法都是可行的。(4)根据软沉积物变形类型、变形强弱、扰动厚度、累积厚度、最大液化距离等方法进行古地震震级估算。SW剖面可能记录了6次6.0～7.0级和1次7.0级以上地震;XMCⅠ剖面可能记录了3次5.0～6.0级和2次6.0～7.0级地震;XMCⅡ剖面可能记录了2次5.0～6.0级和3次6.0～7.0级地震;TP剖面可能记录了1次6.0～7.0级地震。(5)基于粒度的粒径分布、频率及累积曲线、岩性三角图、C-M图、粒度象限及萨胡判别公式对XMCⅠ、XMCⅡ和TP 3个湖相沉积剖面进行成因厘定,沉积物多为粘土、粉砂和极细砂沉积,均显示风成成因特点,多为近距离风力搬运并迅速堆积到湖泊中;而SW湖相沉积剖面则为风成和水成两种成因特点。通过对XMCⅠ、XMCⅡ、XMCⅢ和TP 4个剖面粒度数据的端元模拟显示,均可以分离出2个粒径端元,其中EM1为非地震期间的湖泊沉积;EM2为极端灾变(地震、滑坡等)期间的湖泊沉积。SW剖面可以分离出3个粒径端元,EM1代表非地震期间的湖泊沉积,EM2和EM3代表极端灾变(地震、滑坡等)期间的湖泊沉积。结合粒度、磁化率、地球化学及端元模型,XMCⅠ、XMCⅡ、XMCⅢ、TP和SW 5个湖相沉积剖面分别识别出22次,18次,26次,23次和12次可能的地震事件层。地震事件层与非地震事件层区别明显,虽然各个事件层所处的演化阶段(AB、BC和CD段)不太一样,但事件层都具有相同或类似的演化模式,即粒度突然变粗,向上缓慢变细,进而逐渐变细到以粉砂质粘土为主的正常沉积。基本对应于地震发生时粗颗粒碎屑物质的突然释放;地震短时间尺度内粗碎屑颗粒与细颗粒物质充分混合阶段;震后长时间尺度,以分选好的细颗沉积阶段。(6)根据宏观软沉积物变形层、微观粒度和磁化率识别的地震事件层,并对这两种方法识别的地震频次、震级大小进行对比分析和相互校正,初步获得了古地震发生的频次和震级大小。其中,XMCⅠ剖面初步识别了15次5.0～6.0级,5次6.0～7.0级,2次7.0～8.0级,共22次地震事件。XMCⅡ剖面初步识别了11次5.0～6.0级,5次6.0～7.0级,2次7.0～8.0级,共18次地震事件。XMCⅢ剖面初步识别了4次5.0～6.0级,18次6.0～7.0级,4次7.0～8.0级,共26次地震事件。SW剖面初步识别了4次5.0～6.0级,5次6.0～7.0级,3次7.0～8.0级,共12次地震事件。TP剖面初步识别了6次5.0～6.0级,15次6.0～7.0级,2次7.0～8.0级,共23次地震事件。(7)新磨村剖面(XMC)共发现227层丘状交错层理,其中XMCⅠ剖面为135层,XMCⅡ剖面为76层,XMCⅢ剖面为16层。二维形态测量显示:长度为1.7～24 cm,平均8.40 cm;厚度仅0.1～2.7 cm,平均0.56 cm,长度与厚度比为10～20;三维形态为波浪的薄板状,波长2.6～10 cm,平均5.9 cm;波高0.4～6 cm,平均2.3 cm;波长与波高比在2～5之间,并有明显的铁锈氧化圈。丘状交错层理的粒度测量显示,沉积物颗粒较细,多为粉砂和极细砂,显示风成成因特点。进一步的地球化学数据表明,沉积物多为近距离风力搬运并迅速堆积到湖泊中。丘状交错层理明显受水流作用影响,作为一种非常重要的沉积构造,常出现在正常的浪基面与风暴浪基面之间,可能为极端气候条件下的风暴波浪成因。类似的变形构造在堰塞湖中也可以保存。(8)从青藏高原东缘的岷江上游到四川盆地,采集8个样品(基岩、湖相沉积物、现代河砂、风成沉积物)进行碎屑锆石U-Pb定年及粒度测量,结果显示,岷江上游的基岩(XMC15-08、DL15-03和LX15-01),现代河砂(WC15-01)和风成沉积物(DY15-01)的锆石颗粒较粗;而湖相沉积(XMC15-01、DL15-02和LX-14)锆石颗粒较细。有趣的是,河砂样品与风成沉积碎屑锆石颗粒度参数很相似。碎屑锆石主要有5个年龄组分,分别是180～350 Ma(早侏罗纪—石炭纪);350～550 Ma(泥盆纪—寒武纪);700～1 000 Ma(新元古代);1 600～2 200 Ma(中元古代—古元古代);2 200～2 600 Ma(古元古代—新太古代),大致对应于长江流域5次花岗岩岩浆事件的年龄(印支—震旦系/燕山期、海西、加里东期、晋宁期、吕梁期)。基于碎屑锆石年龄分布和非计量多元尺度模拟(MDS)显示:岷江连接着理县的湖相沉积;汶川、乐山、宜宾和大渡河的现代河砂及大邑砾岩,暗示着大邑砾岩是由河流搬运堆积,而非冰川侵蚀搬运。伴随着青藏高原东缘频繁的地震活动,诱发了大量的滑坡等碎屑物质,随后经过河流搬运到四川盆地西部,堆积形成厚的沉积物,并有2个巨厚的沉积中心,而相对较细的沉积物又被地形风或者阵风搬运至四川盆地北部,例如德阳地区。因此,岷江搬运的碎屑物质是四川盆地西部主要的物质来源,同时也为四川盆地北部提供大量的粉尘物质。而嘉陵江和大渡河对四川盆地西部的物质贡献较小。

波-流相互作用机制与复合流的沉积构造鉴别标志

波—流相互作用是复杂水动力条件下流体相互作用的主要方式之一,由波—流相互作用形成的复合流沉积是目前沉积学在流体相互作用这一领域研究较多的一种沉积类型。以已有的文献为基础,对波—流相互作用下细砂级颗粒的运动机制进行了综述,预测了波—流相互作用的沉积特征,总结了复合流的沉积构造鉴别标志。取得的主要认识有:(1)波—流相互作用总体上属于衰弱流(waning flow)悬浮沉积,其微观的沉积机制可分为5种:越过崩落点的喷射沉积(S1)、残余涡动沉积(S2)、未到崩落点的喷射沉积(S3)、背流面的崩落沉积(S4)、垂直降落沉积(S5);(2)波—流相互作用的沉积过程总体上受悬砂量和沉积时间的控制,5种微观沉积机制在不同的悬砂量和沉积时间条件下可形成不同的沉积机制组合,从而导致不同的底床形态;(3)复合流沉积构造鉴别标志主要有:复合流波痕、复合流层理、爬升型复合流层理、不对称丘状交错层理、准平行层理和频繁交替的不能充分发育的浪成波纹层理与流水层理等6类。上述认识对于复杂水动力条件下的沉积学研究及对深水、浅水沉积环境的识别均具有重要的意义。

豫西焦作中奥陶统马家沟组沉积构造及其环境解释

豫西焦作缝山针公园中奥陶统马家沟组灰岩中沉积构造尤为发育,究其成因而言,可分为物理、生物、化学三种。不同的沉积构造发育在不同的沉积环境中,特殊的沉积构造更能代表特定的沉积环境。如丘状交错层理出现在正常浪基面以下的风暴沉积中,代表了动荡的高能环境;Chondrites生物遗迹扰动构造常出现在缺氧的极端环境中等。

北京周口店雾迷山组碳酸盐岩风暴沉积序列研究

北京周口店地区中元古界雾迷山组以含硅质条带的白云岩为主,发育不规则硅质砾屑。这些硅质砾屑形态各异,具有强烈扰动的迹象,目前对其成因解释一直存在争议,如泄水构造、冲刷构造、震积岩、风暴岩等。文中选择北京周口店地区黄山店村恒顺厂剖面为研究对象,通过野外精细的沉积学分析,系统描述了岩性及沉积构造特征,确定了该套沉积地层发育典型的碳酸盐岩风暴沉积序列。该风暴沉积序列自下往上可分为5段:A段,为风暴前正常沉积的中厚层状泥晶白云岩;B段,具口袋构造的侵蚀冲刷面及硅质砾屑,为风暴高潮期产物;C段,灰色硅质条带白云岩,普遍发育平行层理和波状、丘状、洼状交错层理,是风暴衰减期产物;D段,灰白色薄层状泥晶白云岩,代表了风暴间歇期的正常沉积;E段,含硅质团块白云岩,为正常天气下海水局部扰动形成。该剖面上递变层理几乎不发育,结合侵蚀冲刷面特征、砾屑高含量以及杂乱堆积方式,认为该套沉积为典型的近原地风暴沉积。结合古地理资料,推测研究区在雾迷山组沉积时期可能处于热带海洋环境,热带气旋引发的频繁风暴潮导致了近原地碳酸盐岩风暴沉积的形成。上述研究成果不仅补充了燕山地区雾迷山组的风暴沉积记录,而且为该时期华北板块的古地理、古纬度和古气候研究提供了重要的沉积学证据。

鄂尔多斯盆地延长组风暴沉积特征及意义——以环江地区长8油层组为例

为了解决环江油田浅水三角洲沉积相地质认识与生产实践之间日益突出的矛盾,通过岩心资料系统分析,发现鄂尔多斯盆地环江地区三叠系长8油层组除发育三角洲沉积相砂体外,还发育典型的风暴岩沉积。岩心上可见突变底界、冲刷充填构造、丘状交错层理和洼状交错层理、生物成因构造等。岩性与粒度分析表明,研究区沉积具有牵引流与密度流的双重属性。在此基础上,借鉴前人建立的延长组风暴岩沉积模式,建立了更加贴合环江地区长8油层组的风暴岩纵向沉积模式,形成了研究区长8油层组浅水湖泊三角洲沉积与风暴沉积共同作用的认识。

鄂尔多斯盆地志丹—富县地区三叠系延长组长8油层组风暴沉积特征及意义

根据露头勘查和岩心观察描述,系统分析了鄂尔多斯盆地志丹-富县地区延长组长8油层组风暴沉积的特征及沉积模式。分析表明,风暴岩的岩性以细砂岩和泥质粉砂岩为主,缺乏粗粒沉积,沉积构造主要包括截切构造、"V"字形泥砾、泥岩撕裂屑、冲刷面、丘状和洼状交错层理、浪成沙纹层理、波状交错层理、准同生变形构造等。风暴沉积序列在垂向上具备"似鲍马序列"的特征,自下而上可划分为底面侵蚀构造段(A段)、平行层理段(B段)、丘状和洼状交错层理段(C段)、浪成沙纹层理段(D段)、波状层理段(E段)和泥岩段(F段)。沉积序列主要包括5种类型,其中Ⅰ型的层理构造(A段-F段)发育齐全,Ⅱ型缺失丘状和洼状层理段、Ⅲ型缺失平行层理段、Ⅳ型缺失底面侵蚀构造和平行层理段、Ⅴ型仅发育浪成沙纹层理、波状层理段和泥岩层段。志丹-富县地区半深湖相的主要物源来自其NE方位的三角洲前缘沉积,根据风暴岩的沉积特征和搬运距离,可将志丹-富县地区发育的风暴岩划分为近源型和远源型2种类型。风暴岩的发现完善了志丹-富县地区沉积体系和沉积演化的认识,并可为古纬度与古环境的恢复、地层的划分与对比提供依据,拓展志丹-富县地区延长组油气勘探的新思路。