黃河下游與黃河三角洲現代非地震變形層理的研究

鐘建華，宋冠先，倪良田，孫寧亮，郝兵，葛毓柱，薛純琦，孫景耀，劉闖，曹夢春

1.中國石油大學(華東)地球科學與技術學院，山東青島 266580 2.海洋國家實驗室海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室，山東青島 266071 3.中國海洋石油總公司渤海分公司，河北唐山 063000

0 引言

軟沉積變形構造是19世紀30年代通過研究冰川沉積發現的，但直到一個世紀后這種概念一直被混用，直到20世紀30年代通過模擬實驗才支持了軟沉積變形構造確實可以發生。軟沉積物變形構造重要的事件當屬1973年Sims在Science發表了地震成因的軟沉積物變形構造論文[1]，Seilacher[2]提出一個構造活動區未固結的水下沉積物受到地震活動改造再沉積的沉積層，從而建立了震積巖，使軟沉積物變形構造逐漸受到廣泛關注。馮增昭等[3]總結道“在近三十年(1987年—2016年)中，中國的中文期刊共刊出了約140篇軟沉積物變形構造及地震巖的論文，也有一些專著出版，但是，在這些論文和專著中，關于軟沉積物變形構造的成因，卻幾乎是一個觀點，即軟沉積物變形構造幾乎都是地震引起的，即具軟沉積物變形構造的巖層幾乎都是震積巖”。但他又指出“軟沉積物變形構造是多成因的”。變形層理是軟沉積變形構造中的重要元素之一。有時候研究軟沉積變形構造多半主要集中在變形層理上，事實上，很多時候人們已把變形層理(包括褶皺)與軟沉積變形構造等同起來[4]。變形層理的研究還有許多問題懸而未決：一是這種構造難以精確描述、分類和進行成因解釋；二是這種構造有時難以與構造運動形成的構造區分開來；三是這種可以廣泛的分布在多種環境的多種巖性中，給研究成因帶來了多解性。變形層理多半被認為是地震成因的，所以多用來作為古地震存在的依據[5-6]。事實表明，很多變形層理并非地震作用形成的。通過詳細地研究現代非地震成因和地震成因變形層理，建立起識別地震成因與非地震成因的篩析和判別標準是非常重要的。

變形層理的幾何學特點與其成因動力學和形成環境密切相關，所以必須把沒有經過構造運動的現代變形層理的幾何學特點進行嚴格的解析、同時對其成因動力學進行深入分析，再把它們與形成環境對應起來，這樣才能把復雜的變形層理的科學意義闡明清楚。通過二十余年的考察，筆者發現在黃河下游和黃河三角洲上變形層理非常發育，而且其成因肯定與地震毫無關系，所以了解和認識這些變形層理對于我們識別地震成因變形層理與非地震成因變形層理具有較重要的意義。之前筆者對黃河下游的變形層理進行過相關研究[7-8]，但隨著近年來研究的深入，新發現了一些不同類型的變形層理和對老的變形層理獲得了一些新的認識，故寫成此文供討論。此外，由于包卷層理的幾何形態和成因特殊，本文將對其作為重點討論。

1 區域地質概況

本次研究的重點地區在黃河下游濟南大橋至黃河口河段，包括黃河三角洲分流河道，長約220 km(圖1)。該河段邊心灘發育很好，由于黃河水量冬季很小，導致邊心灘廣泛出露，尤其是在上個世紀九十年代黃河斷流導致下游河道干涸，為研究創造了很好的條件。該河段沉積物極細，以細粉砂和黏土為主[9]。粉砂的成分以石英為主，其次為長石，還有少量其他礦物[10]。冰成沉積構造在該區域有廣泛的發育[11]。

圖1 研究區位置圖Fig.1 Location of study area

2 變形層理分類

黃河下游發育了大量變形層理，按成因分類可分為：牽引變形層理、河口潮汐作用變形層理、滑動滑塌變形層理、波浪作用變形層理、泄水變形層理和冰作用變形層理6種類型，牽引變形層理又可分為高速水流牽引變形層理和沉積物牽引變形層理。

2.1 牽引變形層理

牽引變形層理的形成動力包括水流、移動沉積物和移動冰塊三種。黃河是一條很特殊的河流，每年夏天洪水期便會漫灘，河水在邊心灘上奔流，形成特殊的水文現象：沉積物集中成堆，在河水的作用下整體推移向前，在其底部與沉積物接觸的界面上形成剪切力，使其下的松軟沉積物發生變形，形成變形層理。冰塊在軟沉積物上移動也會使沉積物變形。通過仔細觀察，以這種方式形成的變形層理總體有如下幾個特點：一是具有很好的、但有時不連續的條帶性和成層性；二是變形層理不規則；三是變形層一般較?。凰氖且话惆l育在邊心灘上。又可將其進一步分為三種，冰層或冰塊拖移變形層理在后文中詳述，本節僅介紹兩種：

(1) 高速水流牽引變形層理

理論上水流是難以形成牽引變形層理的，因為其黏度極小，很難在沉積面上形成有效剪切力而使沉積物發生變形形成變形層理[12]。但考慮到黃河下游現代沉積是以黏土和細粉砂為主的、并被水充分飽和的細粒沉積物，其內黏結力極低，洪水期的河水、尤其是波浪起伏的高速河水也很容易形成沉積物變形(圖2)。筆者對黃河下游剛沉積下來的細粒沉積物進行了觀察，發現剛沉積下來的細粒沉積物含水量極高，黏度極低，與稀的面糊糊或豆腐腦一樣，用手插進這種細粒沉積物中基本感覺不到有固體物質，用手也很難撈起成團或成塊的沉積物，而是一手泥漿。所以這種細粒沉積物在高流速的作用下發生變形也是不難理解。其一般特點是頂部沒有層理或層理很亂，底部層理呈囊狀，其上一般為沒有絲毫變形的水平層理(圖2a)，有時可以形成多個變形層理被沒有變形的水平層理分隔的層系組(圖2b)，揭示了頂部水平層理是在靜態條件下形成的，而下部的變形層理無疑是在高能條件下形成的，兩者的突變關系揭示了水動力的突變更迭。整個變形層沒有垂向運動或垂向變形的痕跡，揭示了底部高能變形層不是泄水和密度差異形成的，非常平整的接觸面揭示了極有可能是上部高速水流牽引形成的。很明顯，這種變形層理不是由地震作用形成的，其間的毫米級厚的非變形紋層是非地震成因的可靠標志。

(2) 沉積物牽引變形層理

除了洪水期高速水流在極軟的沉積物上流動會導致其下的沉積物變形外，呈團塊狀移動的沉積物在極軟的沉積物上移動也會導致其下的沉積物發生變形(圖3)。據實際觀察，在黃河汛期大量沉積物會涌上邊心灘，在河面形成特殊的涌水現象。團塊狀沉積物在軟沉積物上移動時也會對下部的軟沉積物形成剪應力，進而使其下的軟沉積物發生變形，形成變形層理。其特點如下：1)變形層理形態較復雜，有時呈囊狀，傾斜35°左右，常常具有一定的方向性(圖4a，b)。其成因系推移的堆狀沉積物在移動的過程中對其下部的松軟粉砂形成了水平方向的剪切，使其下的粉砂發生變形(圖3)，形成了這種開口朝泥礫層移動方向的囊狀變形層理。這種囊狀變形層理的規模一般很小，直徑在2.5 cm，長7～8 cm；2)變形層理之上常有一層以細泥礫為主的塊狀薄層(圖4)，是形成變形層理的作用層，為河流侵蝕形成的底部滯留沉積，系高速的河水沖蝕、類似于濁流底部的高密度部分。3)變形層之上多為凹凸不平的作用面(圖3，4)；4)總的規模一般較小，尺度多在10 cm以下。

圖2 水流牽引變形層理a.頂部因水流作用較強無層理呈塊狀，底部層理呈向左傾斜或傾伏的囊狀，水流自左流向右；b.三層水流作用形成的變形層理，特點都相同：頂部沒有層理或層理很亂，底部層理呈囊狀，中間被毫米級厚的紋層分隔，揭示了強水流過后水體呈靜止狀。水流自左流向右Fig.2 Current-draped deformation bedding

2.2 河口潮汐作用變形層理

在黃河口水文站以下1 km左右發育了大面積的中型變形層理，其主要特點如下： 1)連片連續出現，極不規則，或少數呈褶皺狀，長軸大部分垂直或大角度斜交河流方向。2)規模相對較大，寬度在30～40 cm，表面高度可達5～10 cm，內部深度也可以達到10～20 cm。變形紋層較厚，約3～4 mm。所以表面差參不齊，且起伏較大。3)常與侵蝕溝槽一起發育，其表面也常被侵蝕，揭示了水流速度極大，進而也可能揭示了變形層理的成因與高速水流牽引有關。4)發育在河口，大面積出現。5)與沖蝕坑穴共生，揭示了其形成時水流速度很大。這種變形層理的成因可能與退潮有關，退潮引起河水快速向海流動，使得軟沉積物發生變形，形成了大量規模相對較大的變形層理(圖5)，關于這種變形層理的具體成因還有待深入研究。

2.3 滑動滑塌變形層理

在黃河下游比較常見，因為黃河下游滑動滑塌非常頻繁(圖6a,b)。黃河下游的沉積物以細粉砂和黏土為主，這種物質孔隙度較大，也極易液化，在很弱的波浪或流水的作用下便會液化，使其上的沉積物(有時厚度可達2 m以上，圖6a)失去原來固定的支撐力而產生滑動滑塌，形成滑動滑塌變形層理。特點是： 1)沿邊心灘內灘緣順河道分布，長軸平行河道(圖6c,d)； 2)規模相對較大，高度可達10～40 cm，沿河道延長數米到數十米，甚至更長； 3)形態多較復雜(圖6e)。長軸多順河道分布；4)頂部突變為滑動滑塌的脆性變形，包括滑塌角礫。

圖3 沉積物牽引形成變形層理示意圖Fig.3 Sketch of sediment-draped deformation bedding

這種變形層理有時連續性非常好，圖6f就是一個很好的實例，從圖6f可以看出這種層理的向斜和背斜等勢發育，細層或紋層在較長的距離內保持厚度變化不大，僅在局部有折斷尖滅現象，恢復其原始長度大概在80 cm，目前縮短到不到30 cm，側向縮短系數達3左右，可見其縮短量非常之大，在如此之大的縮短情況下還能保持細層的連續完整，要求細層要有很好的塑性和保持細層連續變形的外部條件。所以，本文推測變形是在一種在完全液化的狀態下受到了較強的側向牽引下進行的，即變形層在一種完全液化內部失去黏結力的條件下發生變形，否則難以形成這種大尺度的連續和諧變形。根據其頂部一個毫米級的紋層貫徹整個變形層理的頂部，就可以推測，變形是發生在上部紋層沉積之前的一個“開放”沉積系統中，即變形發生在上部未接受沉積之前。卷入變形的細層只有30層左右，其原始厚度約4 cm多，因為變形導致側向縮短而垂向加厚，最大達14 cm，加厚率也在3倍以上。

圖5 潮汐作用形成的變形層理a.大面積的潮汐作用變形層理，保持了表面較高的起伏和與沖蝕溝槽一起發育；b.像皺布一樣的變形層理，形態很不規則；c.面包狀凸起的變形層理，表面被沖蝕了5-6層；d.被沖蝕強烈的極不規則變形層理Fig.5 Deformation bedding affected by tidal action

黃河下游的滑動滑塌構造與斜坡沒有關系，而是一種在近于水平或極微傾斜的條件下形成的，我們觀察到在濟南濼口邊灘坡度小于1°的情況下也能形成滑動滑塌構造。前期主要機理是波浪的震蕩使邊心灘腳發生液化，失去了支撐力，導致上部的沉積體發生滑動滑塌(圖7)。所以，滑動滑塌的本質也是液化，而不是斜坡或陡坡的重力作用。

2.4 波浪作用變形層理

波浪的上下起伏引起沉積物表面或淺層反復顛簸，也會使剛沉積下來的沉積物發生液化而形成變形層理。這種作用形成變形層理的機制有兩點：1) 使沉積物液化，使沉積物內部的顆粒之間失去黏結力，變成與水一樣的狀態，在很小的作用力下就會變形形成變形層理；2) 波浪作用，一方面使沉積物液化，另一方面使沉積物排出其中過多的水分變得致密，這種變化與液化程度密切相關，液化越大致密化就越強烈，而液化又隨深度增加而減弱，所以就會導致沉積物發生密度倒置，使靠近頂部的沉積物密度變大，形成“自激”密度倒置而發生軟變形形成變形層理。這種機制形成的變形層理以包卷層理多見。包卷層理的紋層由等厚的細粉砂和黏土組成，看上去沒有明顯的由物質組成不同而引起的密度倒置。在西班牙Guadalquivir Basin盆地也有風暴波浪作用形成的變形層理[13-15]，那些層理(文獻[14]圖2)也與包卷層理非常相像。

變形層理中有一種既特殊又非常重要的類型，即“包卷層理”，也可以稱為“滑動層理(sliding beddings)”、“層內扭曲(intra-stratal contortions)”或“皺痕層理(crinkled bedding)”[16]，可見這是一種非常復雜的層理。這種層理往往認為是濁流形成的，是濁積巖第三段(Tc)的產物，但作者在黃河下游和黃河三角洲上也發現了很典型標準的包卷層理。因為目前對這種層理的成因還存在諸多爭論，所以本文將重點介紹和討論這種層理，以便今后大家對這種層理成因和環境有個新的視角。這種層理以其較規則的幾何特點而引人注目。Dzulynskietal.[17]認為“包卷層理”是一種“負載包卷”，其類型復雜，包括含水塑性變形。這種變形可以有中斷，但不會完全破壞原來的層理。由于波痕引起的沉積表面的起伏和內部物質的不均一、泥帽(mud capping)及差異壓實會派生出側向運動。所以，大家通常認為，“包卷層理”是在一種部分液化、在泄水過程中強度變小的過程中形成的[18]。公認的機制是沉積層孔隙壓力的增加，多由地震引起的突然固結造成，包括由大浪拍打或地震震動引起的所謂旋回性負載導致沉積密度倒置[19-20]，使碎屑顆粒的接觸關系變化而失去強度，孔隙壓力暫時增大，超壓使沉積物液化。

圖6 波浪作用形成的滑動滑塌變形層理a.滑動滑塌構造。規模較大,滑塌高度近2 m，但滑塌寬度很小，不到1 m，主要是滑塌塊體大部分已被河水沖走。同樣僅保留了上部滑塌帶，中部的滑流帶和下部的流動帶均被河水沖走。滑塌面很陡，近直立，甚至向內凹陷(因為層理或層面的弱結合)，使邊灘上部呈突出的屋檐狀。從圖片中人物腳下的水位線痕可以看出曾經受到流水的作用；b.正在形成中的滑動滑塌構造，發育在一個侵蝕溝槽的側壁上。規模不大，寬不足2 m，高40余厘米。僅保留了上部滑塌帶，中部的滑流帶和下部的流動帶均被河水沖走。滑塌面弧形，自右向左傾角逐漸增大，從20°～30°增大到50°左右。可以分為3～4個主要滑動帶，在滑動帶內不同滑塌塊體或滑塌板片的滑動量不大，僅形成一些內部撕裂，在表面顯示出一系列相對較小的裂縫。在滑動帶之間滑動量較大，落差可達6～7 cm，滑塌面呈弧形。由河水沖蝕邊灘灘緣形成。黃河下游勝利大橋橋下；c.變形層理?？梢姴糠殖时承睜?，背斜寬圓，未挖掘而未見到背斜之間的向斜；規模較大，最大寬度多在10～20 cm，可見高度在4～5 cm；其延長方向與河流一致，由邊灘滑動滑塌牽引形成；d.變形層理。上圖某背斜層理的局部放大圖片,可見呈寬圓不對稱背斜狀，上側較陡，下側較緩，較陡一側面向河岸，正對邊灘滑動方向。頂部因河流侵蝕而不完整，暴露了內部的結構，其最大寬度近20 cm，可見高度在5 cm；其延長方向與河流一致，由邊灘滑動滑塌牽引形成；e.大型不規則滑動滑塌變形層理，可見高度達40～50 cm，形態極不規則，有脆性斷裂發育；f.滑動形成的較大的連續緊閉軟變形褶皺狀變形層理。規模較大，高度在10～14 cm，呈非常連續的褶皺狀，細層可以從最左側開始一直延續到最右側Fig.6 Slump deformation bedding affected by wave action

圖7 滑動滑塌變形層理的形成過程(據鐘建華等[13])Fig.7 Formation process of sliding collapse deformation bedding (after Zhong et al.[13])

包卷層理是一種很常見的變形層理，但也是一種定義不明，名稱混亂的層理。有人把包卷層理嚴格的定義為規則褶曲狀，但其向下凹的向斜必須發育較好，形態上寬圓或底部平坦，而向上突的背斜發育不如向斜，形態上尖窄(圖8)，相當于Allen[21]的類型D層理。所以有人又把“包卷層理”稱為“包卷褶皺”[22]。但也有不少人把一般的變形層理歸為包卷層理，而把典型的包卷層理視為碟狀構造[23]。de Boer[24]還把斜歪的變形層理或斜歪的微型褶皺稱為“包卷層理”。

在黃河下游和黃河三角洲上，包卷層理非常發育(圖8)，估計占整個變形層理的一半以上。具有如下特點：1)形態一般較好，呈對稱的向斜寬闊、背斜尖窄的褶皺狀；向斜的底部寬圓或平坦。底部和下部的紋層一般連續性較好，而上部或核部的紋層連續性差，往往為極其紊亂的紋層或砂團。2)規模較小，高寬多在3～5 cm。3)層位很穩定，側向延伸可達數十到數百米。4)一般發育在毫米級厚的粉砂黏土互層中，且經常成多層疊置狀，每一個變形層理是一次洪峰的產物。成層性極好，頂部界限非常整一，可能是一個浪基面。其上部的紋層非常平坦，很明顯是在包卷層理形成之后靜水條件下垂向加積沉積的。底部界限不如頂部清晰，有明顯的穿層現象。其間的隔層可以很薄，最薄可達1～2 mm，而且沒有絲毫變形(圖8a，b)，是區別于地震成因的關鍵特征。5)另一個重要的特點是，頂面呈侵蝕接觸，或有時頂面可見向斜和背斜的核部隆起成脊狀(圖8b)，脊寬5～6 mm，脊高3～4 mm，縱向連續延伸長度在3～5 cm，如果再考慮到隆脊有可能還會向外延伸，那么有理由推測包卷層理在其軸向上延伸長度遠大于其寬度。圖片的剖面方向是平行河流的，所以包卷層理的隆脊垂直于河水，與波浪的延伸方向一致，很可能與波浪作用動力方向有關(波浪作用多數情況下垂直水流方向)。因此本文認為，包卷層理是受波浪動力控制形成的，而不是一個簡單的隨機重力均衡成因。

圖8 小型包卷層理(背斜寬闊，向斜尖窄，軸面直立)a. 6層變形層理疊置，自上而下厚度逐漸增加。上部四層為包卷層理，最下一層為不規則變形層理。山東東營黃河勝利大橋，現代沉積。中間的一層發育完善，其寬高接近，連續性和和諧性較好，“向斜”發育較好，而“背斜”發育不完善，多呈低幅背斜狀。山東東營黃河勝利大橋，現代沉積；b.包卷層理。左側4～5個為規則的包卷層理，右側2～3個為不規則的包卷層理。規則包卷層理主要特點：向斜寬圓、背斜尖窄，寬高近于相等，在2～3 cm，細層在1～2 mm。下部泥質紋層略多，上部砂質紋層略多；c.層面上可見向斜和背斜的核部隆起成脊狀，脊寬5～6 mm，脊高3～4 mm，縱向連續延伸長度在3～5 cm，如果再考慮到隆脊有可能還會向外延伸，那么有理由推測包卷層理在其軸向上延伸長度遠大于其寬度。圖片的剖面方向是平行河流的，所以包卷層理的隆脊垂直于河水，與波浪的延伸方向一致。下部囊狀變形層理是水流作用形成的；d.不規則包卷層理。注意右側的平臺層面上有非常纖細的平行縱肋。揭示了包卷層理在形成過程中沿該層面有側向“收縮”，把下面的粉砂“收縮”成了縱肋；e.圖d包卷層理右側平臺的放大圖?？梢娨幌盗薪谄叫械目v肋Fig.8 Small-scale convolute bedding (Note the wide syncline and narrow anticline. The axial plane is mostly upright)

以上簡要地介紹了黃河下游包卷層理的幾何學特點，以下再簡要地分析一下其形成過程和形成動力。據觀察，不是所有的砂泥沉積序列都能形成密度倒置并發育包卷層理，據在黃河三角洲上的觀察，只有滿足下列幾個條件才能發育包卷層理：1)快速沉積。據實際觀察，沉積速度大概每小時在5～10 cm以上。因為只有這樣，剛沉積下來的泥才能呈絮狀或酸奶狀，沒有足夠的時間來固結形成具有一定強度的粉砂黏土層以支撐其上的砂泥層。因為濁積巖一般也是快速沉積的，所以在濁積巖中也可以發育這種包卷層理。2)要發育出完好的包卷層理(高寬比大于1/2)，泥砂均要達到一定的厚度，在下部泥紋層的累積厚度要略大于砂紋層的累積厚度，而在上部砂紋層的累積厚度要大于泥紋層的累積厚度，或者兩者厚度相等，但上部泥紋層的累積厚度不能大于下部砂紋層的累積厚度。純砂和純泥都不利于發育包卷層理。3)包卷層理的底部往往有一個易于滑動的面，在這個面上有時有一系列與“背、向斜”軸平行或垂直的微小脊突，這些脊突高、寬多在毫米級、長數厘米(如圖8f，g)。這些脊突是包卷層理形成過程中沿側向滑動形成的。在鄂爾多斯盆地的侏羅系延安組中也發育了大型的包卷層理，其底部也有明顯的由側向滑動形成的一系列滑動面和脊，但脊的方向與包卷層理的“背、向斜”軸垂直，脊寬1 mm左右，高也在1 mm左右；滑動面的寬在3～5 mm。4)在泥沙紋層等勢發育的情況下要形成這種包卷層理的最重要前提是，必須有波浪的作用，在波浪的作用下上部的密度才會高于下部(圖9b)，而且發生液化易于塑性流變，否則就難以形成這種對稱性極好的變形層理。前人早已發現包卷層理的成因與密度倒置有關[24]，并認為密度倒置與某種外部的沖擊(external shocks)有關，而這種沖擊來自于地震。此外，水下滑動滑塌和層內的流體作用也可能形成這種包卷層理[23]。當然，許多學者認為包卷層理的成因與濁流有關[23]。

從黃河三角洲和其他地方的實例來看，包卷層理主要發育在邊、心灘上，三角洲也是包卷層理發育的良好場所。本研究認為，包卷層理一般是洪水期的產物，每一個包卷層理層都是一次洪峰的產物，形成包卷層理過程非常迅速。包卷層理的軸面一般垂直河道。黃河三角洲上的包卷層理非常和諧的形態和組構特點揭示其成因有種很和諧完美的機制，筆者認為，除了與沉積物本身高度均一和諧外，還與邊、心灘上和諧的波浪作用有關，波浪作用的正弦波性決定了包卷層理的美妙對稱和等間距性(圖9a)。波浪的波峰和波谷在波動時對其下的沉積物具有不同的壓力(圖9b，c)，尤其是波浪上下起伏使得其下的被水飽和的沉積物遭受循環的應力作用，這種作用使得顆粒旋轉和上下(甚至左右)移動，失去原先的顆粒支撐，被水懸浮起來形成液化，進而形成自上而下的緊密堆積和密度倒置(圖9b，c)，最終形成包卷層理而達到穩定狀態(圖9d)。實際觀察也表明，波浪的作用可以使沉積物發生緊密堆積，密度加大，同時還可以使沉積物發生液化，內摩擦降低，塑性和流動性增強，為形成包卷層理創造了條件。在包卷層理的向斜中心沉積物密度最大，向兩側降低，所以包卷層理的中心是沉降最大的地方，而兩側沉降幅度最小。但de Boer[24]發現反向密度差(或負密度差(negative density gradient))也能形成包卷層理，但形成動力與泄氣有關。在黃河三角洲我們也觀察到了這種現象[8]。Owen[25]也認為波浪作用可以形成液化，從另一個側面表明軟沉積物變形可以由波浪作用形成。從包卷層理的變形幅度看，其最大變形幅度可達1.5(連續紋層的長度除以包卷層理的寬度)以上，即變形層理在保持其連續完整性的條件下伸長一倍多，表明了它們在變形時黏塑性非常好。我們曾經做過一個模擬實驗，在玻璃盒子里用手拍擊水面形成波浪，成功的在沉積物中獲得了與包卷層理非常相似的變形構造[8]。許多學者探討過包卷層理的成因，結論都是由泄水形成的[26]，但也有人認為泄氣也能形成包卷層理[24]。

多數人認為包卷層理的成因與地震密切相關，有人甚至認為只有6～7級以上的地震才能形成包卷層理[27]。從上可以看出黃河下游和黃河三角洲上包卷層理的成因與地震沒有任何聯系，只是一種簡單的沉積過程加上波浪作用和重力調整的產物，機制與波浪的震蕩液化和形成密度倒置密切相關(圖9c，d)，筆者用模擬實驗證明了這一點[8]。Dalrymple[28]在加拿大的新斯科舍島Cobequid灣也發現由波浪作用形成的包卷層理。從上可知，多種證據表明非地震可以形成包卷層理。無疑地震和濁流也會形成包卷層理，但不是所有的包卷層理都是地震形成的，甚至有可能大多數包卷層理都是沉積形成的。最后我們想提及一下，既然包卷層理在幾何形態和成因上與一般的變形層理有別，再加上有相當一部分學者認為它是一種特殊的變形層理，而愿意給予它一個特殊的名稱“包卷層理”，我們認為應該接受這個名稱，把它從一般的變形層理區別開來。

圖9 波浪作用形成包卷層理過程示意圖a.砂泥互層；b.受波浪作用發生密度倒置和液化(僅表示波峰向上和波谷向下的波動過程的一瞬間，而不是靜止狀態)；c.在波浪的誘發下密度倒置失穩；d.重力調整形成包卷層理Fig.9 Schematic of the formation process of wave-triggered convolute bedding

2.5 泄水變形層理

這種變形層理極不發育，比較典型的是發育在泥沙火山中的伴生構造。規模很小，尺度多在3～5 cm以下，形態也極不規則，連續性也很差(圖10)。

圖10 泄水變形層理a.泄水管，頂面視圖；b.泥沙火山，非常扁平；c.泥沙火山的豎截面，可見極不規則的小型變形層理；d.泥沙火山的豎截面，可見極不規則的小型變形層理Fig.10 Water-escape deformation bedding

2.6 冰作用變形層理

冰的地質作用(冰融冰凍，freezing and thawing)也是一種常見的地質現象，只要不是在熱帶特高海拔(乞力馬扎羅山)，冰的地質作用就能發生，在溫帶和寒帶，冰的地質作用應該是一種常見的地質現象，但直到目前為止國內對冰成沉積構造的研究還很少[6,8,29-33]，許多基本的現象還沒有得到充分認識和必要總結。只要暴露和淺層沉積物含水，冰的地質作用就不可避免會發生，最為常見的一個自然現象是凍土。當沉積物被冰作用后多多少少會發生一些變化，有的變化會很大，甚至會深刻的改造沉積物，使其面目全非。所以，本文認為，大陸內部的沉積物(河流、濱淺湖)大多數都經歷了冰的地質作用，有的甚至留下了記錄，以往對此重視不夠。在黃河下游和黃河三角洲上冰融化及冰層、冰塊作用形成的變形層理非常發育，廣泛地分布在邊心灘上。

(1) 冰層或冰塊拖移變形層理

黃河下游和黃河三角洲上最常見的冰作用現象是冰工具痕(圖11a，b，c)。移動冰工具痕是由冰塊在未固結沉積物上移動形成的痕跡(圖12)，其主要特點是線狀、粗細深淺均勻(圖11a，b，c)。在黃河下游勝利大橋附近這種冰工具痕非常普遍。規模大小不一，大者寬1 m多，長數百米，深1～2 m；小者寬數厘米，長10余厘米。冰工具痕總體呈直線、近直線、弧線或折線狀。總體順河道延伸，但在邊灘邊緣則向河道中心彎延。有的冰工具痕末端可以見到一冰塊或有該冰塊融化形成的特殊印?；蛴杀诨纬傻奶厥獬练e和特殊沉積構造。有兩個重要特點：1) 冰工具痕是由冰塊在水流的作用下沿軟沉積物表面運動形成的，因此冰工具痕會破壞原有沉積構造的連續完整性，而形成自己特有的構造，如皺痕、刻劃溝脊或平滑溝槽。由于冰塊滑移過軟沉積物，使沉積物液化形成緊密堆積，進而使沉積物塌陷形成溝槽(圖11a，b，c)；2) 冰工具痕最頂部由于冰塊作用強烈而破壞了層理，呈致密狀，而下部則發育變形層理。一般說來，形成冰工具痕的冰塊長軸垂直水流方向。此外，在冰層發育的沉積界面上往往會發育大面積的變形層理(圖11d，e，f)，但由于冰層或冰塊融化消失，這種變形層理的成因往往會被解釋成其他的成因。三是變形層理在順流方向多呈向下游斜歪的褶皺狀(圖12B)，在橫向則為不規則的包卷層理狀(圖10)。

圖11 冰工具痕及其變形層理a.大型圓槽狀冰工具痕。外觀上類似于圓槽，長16.3 m，寬40～60 cm，深3～5 cm，脊高2～3 cm。延伸方向斜交邊灘延伸方向或河流流向。背景為黃河勝利大橋；b.左圖的橫豎截面?？梢姌O小型的不規則變形層理，尺度在3～5 cm，最表層被強烈擾動層理完全消失呈塊狀，其下則為變形層理帶；c.大型的冰塊滑移痕，向下游呈微階梯狀。寬近1m。在中后部有兩個冰融塌陷坑穴(紅色箭頭所指)，兩側為小型流水波痕，揭示了冰工具痕形成于波痕之后。心灘。現代。遠處為勝利大橋。垂直水流和垂直冰塊滑移方向。變形層理厚近20 cm。頂部有10 cm左右擾動強烈，呈塊狀，幾乎以一個近水平的不規則裂縫分開兩者，表明冰塊作用強度沿此面發生了分異。平行冰工具痕作用面的變形層理多呈不規則圓形或橢圓形，揭示了大多數變形層理呈丘形隆起狀；d～f.大型的冰塊滑移痕豎直橫截面。可見不大規則的包卷層理和其他變形層理Fig.11 Ice tool mark and related deformation bedding

不像前者成因那么明顯，有些冰作用形成的變形層理可能與冰凍冰融作用有關。如圖中的變形層理發育在一個冰作用面上，具有明顯的不連續層控性。規模很小，高度多在10 cm以下，可見管狀或鞘狀變形層理(圖13a, b)，可能與冰塊沿軟沉積物移動形成的剪切作用有關。但大多為包卷狀變形層理(圖13c, d)，與前述的冰塊滑移形成的變形層理類似，但總體特征又有不同，如少見脆性斷裂，規模也明顯偏小，可能與冰塊大小有關。在沒有發現其他冰川構造，尤其是沒有發現冰作用面(圖13d)時要識別出這種類型的層理是非常困難的。這種變形層理還有待深入研究。

(2) 冰壓刻變形層理

冰層或冰塊壓在細粒的松軟沉積物上會形成冰壓刻變形層理，但這種層理規模一般不大，形態也極不規則(圖14)，連續性也很差，但以表明的洼形為重要特點。在沒有發現其他冰成構造時這種冰壓刻變形層理一般不易識別。所以在古代巖層里很難識別出這種變形層理。

(3) 冰融塌陷變形層理

這種層理也比較多見(圖15)，但過去一直未得到識別而受到忽視。這種層理的形成動力學過程也與冰層或冰塊融化消失形成的塌陷擠出或塌陷下沉有關，這種變形層理的成因往往會被解釋成其他的成因。往往呈孤立的點狀或團狀發育在邊心灘表面，規模都不大，尺度多在5～10 cm；變形極不規則，不連續層控性明顯，多與其他冰成構造共生或伴生發育在邊心灘上。該項工作有待今后深入。

圖12 冰塊滑動拖拽形成的變形層理a.冰塊未移動時的狀態；B.冰塊移動后形成的(拖拽)變形層理Fig.12 Deformation bedding induced by dragging a block of ice

圖13 冰作用面上的變形層理a.規模極小，呈橢圓形，很像管褶皺，可能與冰塊與沉積面滑移剪切有關；b.呈管狀，成因可能也與冰塊與沉積面滑移剪切有關；c.冰作用面上的變形層理，有點類似于包卷層理；d.注意后面的坑穴為冰融化后形成的，其底與變形層理是同一界面，說明了兩者之間有一定關系Fig.13 Deformation bedding on ice surface

圖15 冰融塌陷變形層理a.在冰作用面上還有一塊未完全溶化的小殘冰塊(紅色箭頭所指)，當這塊冰消融后會導致其上的沉積物發生變形，形成變形層理；b.冰消融后形成塌陷，導致其上的沉積物發生變形，形成變形層理；c.發育在砂蘑菇內的特殊變形層理，極不規則；d.發育在冰融擠出構造(冰成開花饅頭)中的變形層理，極不規則Fig.15 Ice-melt collapse deformation bedding

以上簡要地介紹了黃河下游和黃河三角狀上的非地震成因變形層理，我們把它們的特征、形成動力機制及其形成環境總結在表1中，以便分析對比。

3 結語

綜上所述，黃河下游和黃河三角洲上發育了豐富的變形層理，具有多類型、多尺度和多成因的“三多”特點。通過觀察，作者認為變形層理首先都是從簡單的(不規則)褶皺變形開始的，然后逐漸加強，直到其強烈變形到極其不規則、甚至褶斷，是一種不斷遞進的連續變形過程。所以像構造變動形成的一般褶皺一樣，可以找到兩個重要的參數來表征其從簡單到復雜的演化過程，這兩個參數是軸面產狀和翼部的對稱性。以規則的包卷層理為代表的軸面直立和兩翼近于對稱的變形層理與垂直密度調整有關，多半是波浪震動形成的密度倒置形成的；而軸面斜歪和兩翼不對稱的變形層理多半與水流牽引、沉積物牽引、滑動滑塌和冰塊滑動牽引形成的順層剪切有關。形成軟沉積物變形層理的作用力也可以歸納為兩種：一是與橫彎褶皺形成的應力相同的密度倒置，由波浪震動引起；二是與縱彎褶皺形成的應力相同的側向作用力，順層擠壓或沿上下層面剪切。所以，與地震無關的軟沉積物的變形動力和過程也是非常復雜的。簡單總結認為，黃河下游和黃河三角洲分流河道上的變形層理以規模小、液化弱、垂向多層疊置和被極薄(數毫米)未變形層相隔為特點，可以與地震成因變形層理相區別。縱觀黃河下游的變形層理，還會與滑動滑塌形成的斷層伴生產出，這些斷層經常會被后期的泥沙充填(甚至風成沙充填)，形成砂泥脈，在古代巖層里這種組合也會呈現出地震成因的假象。但要密切關注變形層理本身的一些特點，尤其是堆疊變形層理之間的薄砂泥紋層的存在可以作為可靠的非地震成因證據。最后需要強調的是包卷層理的成因與環境是多樣性的，濁流僅是其中的一種，所以不能把這種層理作為濁流的指相構造。通過對現代非地震成因的變形層理和軟沉積變形構造的研究，建立起辨識依據是識別古代地震與非地震的重要途徑，應該受到重視。本研究還有許多問題還不明了，有待今后深入。

表1 不同成因變形層理的特征及形成動力機制與產出環境Table 1 Features, dynamic mechanisms and environments of deformation beddings having a different genesis

致謝 感謝共同參加野外考察的冷淑濱、吳孔友、李理、朱光有、朱明春、李勇(李俊廷)；感謝審稿人的杰出工作；感謝編輯的辛勤勞動。感謝馮增昭教授的關心鼓勵，他一直讓我好好研究和總結SSDS，尤其是非地震成因的SSDS。另外，要非常感謝地科系馬在平老師，是他把我領進了黃河現代沉積的研究大門。他多次帶我考察黃河，寒暑無阻、任勞任怨?？上觳患倌辏蚬视⒛暝缡拧Ｃ慨斘易珜扅S河方面的論文時腦海里總浮現他的音容笑貌。借此機會向天堂里的馬在平老師致以深深謝意。