刘群 

0  引言

砂岩侵入体概念、结构和基本原理的介绍

砂岩侵入体一词从英文翻译而来，在英文中为sand intrusion或者sand injection。从字面意义可以看出，它指的就是砂子像喷射一样，重新移动并注入周围岩层（host rock）的过程，只是这里的砂子指的是液化了的砂子 （Fluidized sand）。因为砂岩侵入体跟火成岩的侵入和侵出的特征是比较类似的，所以很多用来描述火成岩的词汇也会用来描述砂岩侵入体。携带砂子的液化流会以网格状水力压裂的形式侵入到周围岩层，其携带的砂子也会再次沉积下来；这时再沉积形成的与周围围岩平行的地层，我们用sandstone sill 表示，切割周围岩层的，我们根据角度的大小分为low to high angle dyke。另外，由于液化流体强大的冲击力，会侵蚀围岩（一般是泥岩、硅质岩等）而形成一些泥岩或硅质岩的角砾岩（shale/chert breccia）。总体来说，组成砂岩侵入体的结构单元一般有4种：提供砂岩的原始层位（parent unit or body）, 岩墙（dyke），岩床（sill）和侵出岩 (extrudite)（图1）。其中侵出岩指的是砂岩侵入体侵出到当时海底，但不是所有的砂岩都侵出到海底。侵出岩可以用来确定砂岩侵入体发生的时间，但是在野外一般不容易识别。

图1 砂岩侵入体的结构及其名称简介（Braccini et al, 2008）

关于砂岩侵入体形成的基本原理，我们知道岩石颗粒和流体（一般是水）在埋藏的过程中，如果流体是可以自由排出的，我们认为是一个开放体系，那么随着深度的增加，这时的流体会存在一个静水压力（hydrostatic pressure）。另外还有一部分压力是上覆地层的重力产生的压力，这个压力被称为静岩压力（Lithostatic pressure)，这个压力在开放体系是由矿物骨架颗粒来承担的。而如果流体由于各种原因排不出去时，这时就变成一个封闭体系，随着上覆地层重量的增加，流体也开始承受压力，这时流体承受的压力比静水压力要大，这时我们认为流体处于一个超压的状态。当这个超压的数值高出破裂压力时，超压的流体会喷射出去，来释放掉压力，而这些流体也会携带其中的砂子。

图2 砂岩侵入体形成的基本原理 （Hurst et al., 2011）

上面我们介绍了超压状态的形成，而形成这种超压的状况一般需要一个渗透率极低的盖层（一般是泥岩、硅质岩等）覆盖在砂岩上。泥岩和硅质岩的孔隙度低，会导致砂岩里面的水不容易排出去。超压的状态可以通过地震、大量气体的排放等短时间的形成（剪应力的传播），也可以仅仅由于更深处的地层中通过不断压实而形成。虽然我们可以知道那些触发机制可以导致砂岩侵入体的形成，但是通过已经发生的砂岩侵入体事件来反推是什么事件，还是有相当的难度，只能结合当时的地质背景等信息予以推测。

沉积混杂岩(Sedimentary mélange or olistostrome)概念和基本原理

在造山带里面，我们常常会见到岩层中缺乏连续的层理，且各种岩性的大小不一的岩块被细粒的物质所包围，呈现出一种岩块在杂基中的特征（block in matrix）, 我们称之为混杂岩（mélange）。根据成因不同分4种：构造（tectonic）、沉积(sedimentary)、底劈(diapiric)和混合(polygenic) 混杂岩 (见图3)。其中沉积混杂岩指的是由块体搬运（mass transport）形成的地层，也常常被称为olistostrome。沉积混杂岩识别的一个重要的标志就是上覆和下伏沉积地层的出现，可完美指示其沉积成因。

图3 造山带常见的几种混杂岩（mélange），它们的结构、成因和常出现位置 （Festa et al., 2020）

那么什么是块体搬运呢？块体搬运是沉积物重力流中的一种。我们都知道在远离大陆架几十~几百千米的大陆架边缘、大陆坡和洋盆（湖盆），都存在着大量的沉积物，这些沉积物大部分是由沉积物重力流搬运过来的。沉积物重力流的定义最早来自于Middleton and Hampton (1973), 指的是在重力作用下的沉积物-流体混合体。与河流相比，沉积物重力流中重力是施加在整个沉积物-流体混合体上面；而河流中，流体（水）主要由重力搬运而沉积物只是在其中被动的被剪应力搬运而向前进。根据沉积物-流体的水动力学和的物理特征，沉积物重力流可以被广义的分为 （1）块体搬运流 （mass movement）和 turbidity current。其中，块体搬运是粘滞性流体（cohesive）的总称，包括了滑移、滑塌和碎屑流，而浊流是非粘滞的(non-cohesive)。滑移和滑塌是宾汉姆－塑型流体，浊流的流体是牛顿流体，具有牛顿流变学特征（即应力和应变成线性相关关系），沉积物主要是通过湍流（fluid turbulence）向上的力支撑的（Kneller, 2000）。

一个完整的块体搬运的结构极为复杂，包含了陡壁、平面和坡脚等形态分区，而在不同的区域的应力也不一样，分别以张性、剪切和挤压为主。这也就导致了在陡壁处会出现张性的产物，比如正断层，石香肠构造等；在平面处，出现剪切式的褶皱、底部的沟模等，在跛脚会出现褶皱、逆冲断层等等。

图4 一个理想的完整的块体搬运体内部结构，包含其形态分区及相对应的结构特征（Cardona et al., 2020）

1  科学问题的提出

大陆碰撞是板块理论的核心内容之一，有关陆陆碰撞的研究是中外学者关注的前沿热点领域。从大洋俯冲到碰撞造山带的隆起并非一蹴而就，根据这一过程中盆地特征、物质组成以及沉积过程等差异，可划分大洋俯冲型海沟盆地、同碰撞海沟盆地和周缘前陆盆地三个阶段。大洋俯冲型海沟盆地是两个板块相向汇聚的地方，俯冲的大洋板块在自身的重力及上覆板块的挤压下，下潜时牵引洋壳向下倾伏形成（肖春晖等，2018）。周缘前陆盆地是一种靠近并平行于陆陆碰撞造山带发育的构造盆地，盆地的发育是由于造山带隆起过程中地壳加厚导致的巨量物质累积，在重力作用下岩石圈发生挠曲（Allen et al., 1991）。同碰撞海沟盆地发育于大陆初始碰撞阶段，盆地底形为大洋俯冲海沟地貌，俯冲导致的挠曲继续存在，造山楔引起的负载还比较弱，此时盆地既不是大洋俯冲型海沟盆地，也不是周缘前陆盆地，命名为同碰撞海沟盆地更加合适（图1指示同碰撞海沟盆地位置）。

同碰撞海沟盆地通常存在于初始碰撞启动后的几个百万年或者更短的时间，这一阶段可以发生一系列的地质事件响应，如岩浆活动、造山带的初步隆起和侵蚀以及海洋循环的受阻等（吴福元等，2008）。这些地质事件的发生与板块碰撞的动力学、流变学和物质组成等密切相关。因此，研究同碰撞海沟盆地对于了解大陆初始碰撞过程、造山带早期演化及古海洋信息都具有重要意义。尽管同碰撞海沟盆地具有重要意义，但其研究多限于物源分析及年代学工作，对盆地内沉积过程、沉积环境和沉积特征的研究仍比较薄弱。其原因首先在于同碰撞海沟盆地保存性极低，多在后续陆陆碰撞过程中被破坏或强烈改造，识别较为困难；其次古代同碰撞海沟盆地起始和结束时间的确定，依赖于精确限定初始碰撞的时间（通常通过物源变化的方法进行约束），目前仅有少数碰撞带初始碰撞时间得以限定；而现代同碰撞海沟盆地的研究则限于取样深度太深，主要通过地球物理资料或少量钻孔样品进行研究。

2  研究区选择

印度-亚洲大陆自新生代以来持续碰撞形成了现今的青藏高原，因此青藏高原是研究陆陆碰撞的良好的天然实验室。雅鲁藏布缝合带经历了新特提斯洋壳向拉萨地体的北向俯冲和随后的印度-亚洲大陆碰撞, 由北向南依次为冈底斯岩浆弧、日喀则弧前盆地、雅鲁藏布蛇绿岩套和修康增生杂岩(修康混杂岩，图2)， 记录了洋-陆俯冲和陆陆碰撞的重要信息。近年来在雅鲁藏布缝合带成功识别出多套海沟盆地地层。根据时代和构造背景的差异, 这些地层可分为两类: 一类发育于白垩纪新特提斯洋俯冲阶段海沟盆地, 包括甲查拉组、荣马瓦组、罗岗错组; 另一类形成于古近纪印度-亚洲大陆初始碰撞阶段海沟盆地，以桑单林组-者雅组为代表。 前者发育在俯冲的特提斯洋壳上, 在大洋俯冲阶段增生到俯冲杂岩带; 而后者不整合沉积于印度大陆北缘, 在大陆初始碰撞阶段卷入到俯冲杂岩带。

图5 拉萨地体和雅鲁藏布缝合带地质简图，修改自Laskowski等 (2019)

在萨嘎地区桑单林剖面，前人通过物质来源的转换确定了桑单林组-者雅组为同碰撞海沟盆地地层，但是桑单林剖面的基底属于印度还是亚洲，该剖面是否是增生楔的一部分，以及所记录的物源转变时间的精确限定等问题仍存在争议。解决这些问题需要在东西方向上追踪、检验地层的连续性，并重建深水沉积过程。针对这一科学问题，胡修棉课题组在萨嘎桑单林剖面以西60公里发现一条新的剖面—木巴拉剖面，为一条东西走向10 km的全景露头剖面，其出露良好，沉积岩层连续且稳定展布，且完整地保存了印度被动大陆最北缘的深水沉积记录。岩相学、重矿物分析、碎屑锆石U-Pb年代学和Hf同位素组成等物源分析方法表明该剖面同样记录了印度物源向亚洲物源的转变，物源转变层位之上的凝灰岩层SIMS年龄将物源转变的时间更精确的限定在61.0±0.3 Ma (An et al., 2021)。本次研究主要是精细的描述物源转换阶段的深水沉积过程，探讨初始碰撞的地质响应，刻画碰撞初期同碰撞海沟盆地的沉积特征。

图6 （A）桑单林剖面和木巴拉剖面的具体位置；（B）木巴拉剖面的仰视图（无人机拍摄）；（C）木巴拉剖面和桑单林剖面的地层对比图（Liu et al., 2021）

3  砂岩侵入体和沉积混杂岩的露头表征情况

本次工作建立了3个垂向沉积柱子（雄如、木巴拉和扎嘛）去表征地层的延展与变化（图7）。在木巴拉剖面的物源转换层附近，识别出了一套~80 m的砂岩侵入体和一期大型厚层沉积混杂岩（块体搬运沉积）（图7）。下面主要针对木巴拉剖面出现砂岩侵入体和沉积混杂岩做详细介绍。

图7 木巴拉剖面的总体情况及其3个岩性柱状图的描述和位置。（A）木巴拉剖面三个沉积柱子的对比图;（B）整个木巴拉剖面的东西走向的航拍图；（C）木巴拉柱子和雄如柱子之间的航拍图的解译；（D）木巴拉剖面西边的地层分布图 （Liu et al., 2021）

木巴拉剖面砂岩侵入体野外露头表征

下面请看木巴拉剖面无人机视角的一张图片，我们可以看到总体上，分为两段：I和II。I段的砂岩，宏观来看（图8），表现为与正常沉积地层是平行的。但是在野外仔细观察会发现非常多的现象，由大尺度到小尺度，我们对其进行了分类：(1) 砂岩切割硅质岩地层（图8C）；(2) 硅质岩的角砾 （breccia）(图8D); (3) 硅质岩的褶皱和布丁构造(图8E)；(4) 米级规模的硅质岩层包体（enclave）的出现，且包体内硅质岩层方向差异大，与上覆正常沉积地层产状多不一致（图8F）。

图8 木巴拉剖面砂岩侵入体I 段特征（Liu et al., 2021）

II段总体来看，主体岩性是红色硅质岩和泥岩，砂岩层的总厚度只占总体层段厚层的10%左右，砂岩总体呈现出网格状分布（图8）。砂岩层的单层厚度多半只有数十厘米，但是在野外可以看到与I段砂岩的关联性（图8）。

图9 砂岩侵入体II 段的特征（Liu et al., 2021）

木巴拉剖面的I段与II段从野外结构来看，是一个统一的砂岩侵位事件，发生在同一时间，反映的是从底部到顶部能量变弱的一个过程。虽然沉积砂岩侵入体的原始砂岩层在野外并没有出露，但是可以从结构上推断其来自于底部或者侧向。

木巴拉剖面沉积混杂岩（块体搬运沉积）特征

图12A展示了木巴拉剖面桑单林组底部地层露头的一个航拍照片（近似于垂直俯拍），图12B为工作人员在野外的沟里面进行的面向东边地层的仰拍，大家先不看解释，觉得这些地层具有怎么的特征？是正常的沉积地层吗？可以反映怎样的沉积过程呢？

图10木巴拉剖面桑单林组底部地层的特征（无解释版本）

首先，我们可以看到，与传统的沉积地层的层状分布不一样，这些地层多半是断续的，局部地区出现一些断续的褶皱、叠瓦状叠置的地层（imbricated beds）以及夹杂很多岩石团块；团块的成分比较复杂，有硅质岩、灰岩和石英砂岩等（图4）。这个整体混杂的层具有以上提到的block-in-matrix的特征，在整个10 km的露头上横向展布延续，是一个可以填图的地层单元，因此符合混杂岩的定义；它的底部和顶部的地层都是正常的沉积地层，可以作为是沉积混杂岩的完美的证据。它的搬运方式是块体搬运（mass transport）, 而里面出现的弯曲地层、叠瓦状地层和团块特征均与上面提到的块体搬运中的应力分布有关。

图11 木巴拉剖面第一期沉积混杂岩特征（Liu et al., 2021）

4  讨论

木巴拉剖面物源转换层是什么？

前人通过物源转换层来确定碰撞时间的上限，但是前提条件是沉积地层是原位的原始沉积。而木巴拉剖面的印度-亚洲的物源转换层较为复杂，因此我们需要识别第一期亚洲来源的物质和最后一期印度的物质在木巴拉剖面究竟在那里？

首先，最早一期来自亚洲板块的物质是什么？这个可以有两种解释：（1）沉积混杂岩是一期事件，底部印度物质的卷入是由于海沟位置铲刮到增生楔，后来增生楔子垮塌搬运至此；（2）沉积混杂岩的底部主要是红色泥岩和印度大陆的团块，因此是来自印度；而上部主要为亚洲砂岩，因此是来自与亚洲。这两种解释下，印度和亚洲的物源转换层是不一样的，第一种情况下，印度的最后一期物质是砂岩侵入体，但是我们需要恢复砂岩侵入体的原始层位。从砂岩侵入体的结构来看，原始层位应该位于整个砂岩侵入体的底部（图12）。因此印度—亚洲的物质之间其实间隔了几十米的泥岩和硅质岩。这代表了多长的事件，取决与泥岩和硅质岩的沉积速率。而第二种情况，印度和亚洲的物源转换层为就是两期沉积混杂岩的交互，这样，上面紧邻的凝灰岩可以完美的限定其年龄。

最近的硅质岩的年龄似乎可以为这一过程的解释提供一些参考。最近，来自中国科学院南京古生物所的李鑫博士对木巴拉的硅质岩的年龄进行了系统的研究，发现砂岩侵入体切割的最后一个硅质岩的地层年龄为Aptian (121-113Ma)。如果硅质岩的年龄准确的情况下，硅质岩与凝灰岩之间有几十个百万之间的时间差，而野外并未发现任何不整合，极有可能是因为沉积了大套的红色泥岩，后期发生了垮塌。因此是支持第二种解释的。这样印度和亚洲的物源转换层由两期块体搬运来表示。

图12 事件发生过程模式图（A）第一种情况，块体搬运来自于亚洲；（B）第二种情况，块体搬运分为两期，底部来自于印度，上部来自于亚洲（Liu et al., 2021）。两种情况下，印度-亚洲物源转换层的解释不一样。

木巴拉剖面初始碰撞阶段的沉积过程？

在木巴拉剖面，首次亚洲物质的到来，便是以块体搬运的形式，之后紧邻着几十层火山灰以及另外两期大型的块体搬运沉积（Liu et al., 2021）。这里的砂岩侵入体的触发机制还不详，有可能也与初始碰撞引发的地震有关。但是，另外一种可能是，在白垩纪时期，在定日地区的卧龙组砂岩，江孜地区的日朗组均存在砂岩侵入体，而这些砂岩侵入体的成因与德干大火成岩省的喷发有关，有可能这里的砂岩侵入体也是同一成因机制。

木巴拉剖面揭示了在初始碰撞发生阶段，不仅有物源转换这一信息，同时在海沟这一特殊位置，记录了大量的沉积垮塌事件，以及一次可能的砂岩侵位事件，在木巴拉建立的同碰撞海沟盆地的序列可能为其他造山带内同碰撞海沟盆地的识别提供依据。

本文作者系南京大学地球科学与工程学院博士后。本文属作者认识，相关问题交流可通过邮箱Qunliu2019@hotmail.com与本人联系。欲知更多详情，请进一步阅读下列参考文献。

参考文献：

[1]  安慰，2021，木巴拉剖面揭示印度-亚洲大陆初始碰撞早于6100万年前，沉积之声.

[2]  An, W., Hu, X., Garzanti, E., Wang, J. G., & Liu, Q. (2021). New precise dating of the India-Asia collision in the Tibetan Himalaya at 61 Ma. Geophysical Research Letters, 48, e2020GL090641.

[3]  Braccini, E., De Boer, W., Hurst, A., Huuse, M., Vigorito, M., & Templeton, G. (2006). Sand injectites. Geology, 186(1-2), 67-88.

[4]  Cardona, S., Wood, L. J., Dugan, B., Jobe, Z., & Strachan, L. J. (2020). Characterization of the Rapanui mass‐transport deposit and the basal shear zone: Mount Messenger Formation, Taranaki Basin, New Zealand. Sedimentology, 67(4), 2111-2148.

[5]  Festa, A., Ogata, K., & Pini, G. A. (2020). Polygenetic mélanges: a glimpse on tectonic, sedimentary and diapiric recycling in convergent margins. Journal of the Geological Society, 177(3), 551-561.

[6]  Hu, X., An, W., Garzanti, E., & Liu, Q. (2020). Recognition of trench basins in collisional orogens: Insights from the Yarlung Zangbo suture zone in southern Tibet. Science China Earth Sciences, 1-12. 

[7]  Hurst, A., Scott, A., & Vigorito, M. (2011). Physical characteristics of sand injectites. Earth-Science Reviews, 106(3-4), 215-246. 

[8]  Kneller, B., & Buckee, C. (2000). The structure and fluid mechanics of turbidity currents: a review of some recent studies and their geological implications. Sedimentology, 47, 62-94. 

[9]  Laskowski, A. K., Orme, D. A., Cai, F., & Ding, L. (2019). The Ancestral Lhasa River: a Late Cretaceous trans-arc river that drained the proto–Tibetan Plateau. Geology, 47(11), 1029-1033. 

[10] Liu, Q., Kneller, B., An, W., & Hu, X. (2021). Sedimentological responses to initial continental collision: triggering of sand injection and onset of mass movement in a syn-collisional trench basin, Saga, southern Tibet. Journal of the Geological Society. 

[11] Middleton, G. V., & Hampton, M. A. (1973). Part I. Sediment gravity flows: mechanics of flow and deposition.