地震触发沉积物变形分类的初步研究

地震触发沉积物变形分类的初步研究

古地震是根据该层中保持的沉积物变形记录确定的。中国地质学家很早就注意到地层中的古地震记录(宋天锐,1980,1988;梁定益等,1991;吴贤涛和尹国勋,1992)。1994年以来的近15年,国内文献报道了不同时期、不同类型地层中的古地震记录(Qiaoetal.,1994,1999,2007;孙晓猛等,1995;乔秀夫等,1996,2001,2002,2006,2008;宋天锐,1998;郭建华等,1999;杜远生和韩欣,2000;和政军等,2000;潘国强等,2000;QiaoandGao,2000;宋天锐等,2000;杜远生等,2001,2007;刘鹏举2001;段吉业等,2002;郭力宇等,2002;梁定益等,2002,2009;乔秀夫,2002;乔秀夫和张安棣,2002;贾志海等,2003;吕洪波等,2003,2006;田洪水等,2003,2006;杜远生,2005;高林志和柳永清,2005;尹秀兰和杨天南,2005;严兆彬等,2005;李海兵,2006;周志广等,2006;张传恒等,2006,2007;张依宪等,2006;彭阳等,2007,2009;黄宏伟等,2007;乔秀夫和高林志,2007;乔秀夫和李海兵,2008;Duetal.,2009)。依据钻井岩心资料识别出丰富的古地震记录,并与含油气盆地构造、储集层等联系讨论是国内古地震研究的一个突出特点。岩心中沉积物变形构造研究对古地震学科的发展有重要推动作用(陈世悦等,2003;张琴等,2003;袁静,2004;杨剑萍等,2004,2006a,2006b,2008;魏垂高等,2006,2007;杨萍等,2006;袁静等,2006;夏青松等,2007;王昌勇等,2008;王化爱等,2008;邵晓岩等,2009)。作者依据国内文献已报道的大量古地震记录,对地震诱发沉积物变形做出了初步系统总结。1地表沉积物系统分类依据国内文献报道的古地震记录及作者多年研究成果初步提出了一个地震及古地震沉积物变形的分类方案,即震积岩的主要类型(图1)。分类的基本原则是:①以成因机制为主线;②野外易于辨认,即适用性;③留有补充修正的空间;④避免繁琐;⑤尽量沿用已有沉积学术语。图1左侧Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ大类,分别给出了沉积物固结状态、成因机制及变形形成的位置。杜远生和韩欣(2000)曾提出一个简单的分类;Montenat等(2007)也有一个系统分类,作者吸取其中部分内容及思路,但在具体分类内容上有很大区别。地表沉积物有3种状况:已完全固结石化的硬岩层,富含水的软沉积物和松散沉积物(少含或不含水)。地震时3种沉积物的响应是完全不同的。第Ⅰ类是指硬岩层及松散层在地震作用下所形成的沉积物(图1中Ⅰ),均系异地再沉积,是一种非常宏观的、尺度很大的灾变地层体,也即传统地质学中所称的磨拉石堆积与浊积岩,重力是其主要成因机制。第Ⅱ类软沉积物变形包括两部分(图1中Ⅱ),一种是强剪切力诱发软沉积物液化变形,形成复杂多变的各种变形体;另一种是挤压力使软沉积物变形,但软沉积物本身并未产生强液化作用。软沉积物变形广泛分布于地层中,野外宏观剖面中可以观察到,岩心中可以识别,岩石薄片同样有明确显示,它的尺度(规模)范围极广。准确识别软沉积物变形是古地震研究中的关键环节。第Ⅲ类是以脆性变形为主,多种因素共同形成的一个类型(图1中Ⅲ)。这里所指沉积物主要是固结硬岩层,但也包括未完全固结的沉积物。这一大类的沉积物变形不是磨拉石堆积,不能列入第Ⅰ大类,也不是软沉积物的液化或挤压变形,无法列入第Ⅱ大类中。作者将系统讨论软沉积物变形与脆性变形,对软沉积物的液化变形将给予更多关注。2地表径流沙层地震发生时,处于未固结状态富含水的沉积物,在地震的作用下发生液化作用,当地震停止后液化的沉积物流流动变形。依据对现代地震诱发沙土液化的研究及摸拟实验:产生沉积物液化的地震震级Ms>5;沉积物可液化的粒径(沙,碳酸盐沙)在0.035～0.09‚mm之间,0.02～1‚mm更易于液化,黏土一般不液化;发生液化的地区为富水地带,如河流沿岸、湖泊、海岸带及浅海;强地震剪切力使沙层中水与沙粒分离成悬液;地震之后液化沉积物在地形完全水平状态下即可在层内液化流动或喷出地表(刘颖和谢尹裴,1984;Qiaoetal.,1994,1999,2000;乔秀夫,1996,2001,2006)。软沉积物液化变形的尺度范围很广泛,在识别地层中的地震记录有重要意义。2.1角砾岩或砾岩沙与水浑然一体的悬液—液化沉积物流流动泄水,在地面之下的沙层中形成一系列喷沙孔道及液化沙的侵位。液化脉液化脉是沉积物液化泄水过程中充填上覆及下伏沉积物的脉状构造,有砂岩脉、碳酸盐砂脉、泥晶脉及角砾岩脉(图2)。液化脉一般指小尺度(毫米级或厘米级)的液化沙体,是液化泄水构造的集中表现。图2-A黑色沙层液化后在黄色纹层沙(软沉积)中流动,流动过程中侵位上覆及下伏纹层沙,形成不规则小型砂岩脉。图2-B和2-C是一组岩心中的液化泄水构造,极薄层粗粉沙向褐色软泥液化泄水形成砂岩脉。砂岩脉在岩心中是最常见的一种软沉积变形构造(陈世悦等,2003;杨剑萍等,2004,2008b;袁静,2004;魏垂高等,2006)。图2-D,2-E和2-F系灰岩中的液化泥晶脉(Qiaoetal.,1994,2007;乔秀夫等,1996,2006,2007)。液化砾(角砾)岩密集的液化砂岩脉或碳酸盐脉穿刺围岩形成的角砾岩或砾岩(图3)。由液化作用产生的岩石角砾岩化,是一种原地形成的角砾岩。Plaziat等(1990)及Guiraud和Plaziat(1993)等曾分别描述红海裂谷古近系—新近系地震成因液化角砾岩及尼日利亚白垩系拉分盆地中交错层砂岩中地震成因液化角砾岩。乔秀夫(2002)和乔秀夫等(2006)对碳酸盐液化角砾岩曾作详细讨论。图3-A角砾岩即由下伏沙层沙液化泄水成砂岩脉向上穿插薄层褐色泥形成由泥岩构成“角砾”的液化角砾岩;图3-C液化角砾灰岩成因机制同样来自下伏碳酸盐沙层的向上液化泄水;但图3-B是沙层与碳酸盐沙层互层中,沙层液化穿插薄层碳酸盐沙使之角砾化或砾岩化,即在同一层内完成的。碟状构造碟状构造发生于纹层状或薄层砂岩和泥质岩互层的岩石中。由于一系列向上的液化泄水,上覆薄层软沉积物为一系列液化泄水砂岩脉冲断,并被向上泄水的细脉牵引弯曲,被液化泄水破坏与改造的纹层或薄层成模糊的碟子形状(图4)。图4为一典型的碟状构造层,泄水作用背景为早志留世的浅水海岸带,上覆及下伏层均为地震液化变形层。碟状构造液化机制被解释为地震触发(Montenatetal.,2007)。2.2已发生的泥晶脉液化水压构造多出现于不规则、透镜状或团块状沙团层(沙或碳酸盐沙)中。液化作用形成的巨大压力使沙团沙爆炸性向其围岩侵位,形成一组平行的液化脉。图5-A是向上侵位形成的一组液化泥晶脉。沙团的强液化所产生的巨大压力往往使周围软沉积物爆裂形成不同方向的裂缝(图5-B),碳酸盐沙团侧向液化使围岩(图中褐色部分)垂直层面方向张裂,沿裂缝贯入液化沉积物形成一组水平方向弯曲的泥晶脉。这种爆炸式的液化沉积物流往往捕获围岩的爆裂碎块成捕虏体(图5-B)(乔秀夫等,2006)。2.3底生长及构造意义液化沉积物流向上穿刺上覆围岩的一种构造,作者所指液化底劈系未穿透沉积物的构造,若穿透当时软沉积物至地表则成液化丘(沙火山)。底劈构造形态底劈液化沉积物流最后以各种形态固定在岩层中,如三角形、锥形、筒形、柱形、穹形和蘑菇形等形态。呈锥形和三角形形状的底劈构造内部一般无明显的纹层(图6-A),但能见到明显的液化流动构造。蘑菇状底劈是很特殊的一种底劈构造(图6-B,6-C)。砂岩组成的底劈蘑菇称为沙侵蘑菇(mushroom-likesilts),Rodriguez-Pascua等(2000)曾讨论其形成机制与地震触发成因。蘑菇状底劈在海相碳酸盐岩中同样存在,辽宁大连市震旦系营城子组中识别出巨型灰岩蘑菇状底劈(图6-C),直径宽约1.6‚m,高80‚cm,它的两侧尚有小型蘑菇。沙侵蘑菇与灰岩蘑菇共同的特点是:①在一个层内沿走向出现多个蘑菇状底劈,很少单独出现;②蘑菇内纹层平行于蘑菇顶面弯曲。图6-C巨型灰岩蘑菇状底劈与其周边围岩呈明确的侵位关系,与后期褶皱有着根本区别,蘑菇茎部直立弯曲的薄层灰岩与蘑菇内部弯曲的薄层灰岩是当时向上底劈与流动的遗迹。营城子组的底劈灰岩蘑菇状构造正位于作者确定的震旦系营城子地震活跃期内(Qiaoetal.,1994,乔秀夫等,1996,2001)。枕状构造枕状构造是岩层内横向展布的一组向上弯曲的地质体(图7),每一个枕状体内的原始纹层平行于枕状体的底面弯曲;枕状体及枕状构造层的顶面大多有一个平直的截切面,截切面之上覆盖新的外来沉积物,二者的关系即梁定益等(1991,1994)提出的震积不整合。枕与枕之间被向上液化底劈穿刺的液化沉积物(砂岩、粉砂岩,碳酸盐岩)分割,沿走向形成一系列相间的宽的向形与极窄的背形构造(图7-A,7-B)。由于枕状构造是被液化底劈作用牵引而形成的一种特殊构造,在分类中将其归入底劈构造中。枕状构造的尺度范围很广,钻井岩心中常被发现(图7-C)。枕状构造形成的液化机理与地震触发诱因已有祥细讨论(Rodriguezetal.,2000;Owen,1996;乔秀夫和李海兵,2008;杨剑萍等,2008b)。2.4混滑层与液化的作用机制液化卷曲是软沉积物液化变形中常见的构造,也可称震褶层,只有在薄层、条带状岩层或具纹层的岩层中方可被识别。卷曲变形限于层内部,其上覆及下伏层均未受影响(Qiaoetal.,1994)。滑坡形成的卷曲变形,褶皱轴面具一定的力学原则,地震成因的卷曲变形其褶皱轴面则是无序的(图8-A,8-B)。混滑层是液化卷曲变形构造在地震各种应力持续作用下形成的一个软沉积物变形序列,包括未褶皱层单元、褶皱层(即液化卷曲)单元、破裂层单元与粒序层4个单元(图8-C)(Rodriguez-Pascuaetal.,2000)。作者研究了图8-C褶皱层(单元②)的岩石切片,发现其具显明的液化流动构造,并且与液化细脉共生,单元②的主要形成机制应是液化作用,单元③则主要是地震应力促使其破碎,单元④粒序层为外来系统。混滑层与液化卷曲变形层均是盆地沉积物表层的软沉积物的变形。混滑层的上部单元被剥蚀后,在野外鉴别混滑层与卷曲变形是困难的。作者将混滑层与液化卷曲变形归为同一类型是从液化机制考虑的。卷曲变形与混滑层既存在于湖泊环境中,也同样存在于浅海环境中。2.5沙化丘-沙坑地形结构液化溢出丘包括液化沙丘(沙火山)、液化砾石丘及负地形沙坑与混杂堆积(图9)。沉积物液化沙喷至地表成锥状体称沙火山,除沙喷出地表外还有砾石等也可在地表形成一个丘状体(图9-G)。无论是沙丘(沙火山)或砾石丘,均沿一定方向排列,很少单个出现,如图9-A中有4个线状排列的沙丘。作者将沙火山、上升至地表的砾石丘一并称为液化丘。砾石丘是由地表之下强液化沙上侵将其带至地表,图9中D→G表现了砾石丘的形成过程,地表之下向上侵的液化沙使地表破裂(放射状),最后将砾石由沙带至地表成砾石丘。地震之后由于地下沙层泄水,沙体体积重新压缩缩小,砾石丘可下陷至地表之下形成坑状地形,其中填充物质包括原有地下的沙、砾及地表土壤,称之为混杂堆积(chaoticsediments)(Takahamaetal.,2000)。图9-B沙坑呈NE向排列,由于液化作用停止后,地下沙层体积收缩致使地表的沙丘和砾石丘下沉形成坑状地形,Takahama称之为draw-in现象。沙坑周边的砾石层非原地土质,系地下沙层向上液化时将地下砾石带至地表的物质,在液化丘下沉时残留在地表(图9-B,9-C),无论是坑状地形或丘状地形内的沉积物包括了地下及地表两部分沉积物,建议均称之为液化混杂堆积。图9记录2008年5.12汶川地震(Ms-8)沿河流阶地富含水的砾石丘和沙丘的变形构造。一般情况下沙丘及砾石丘的地形在地层中难以保存,但沙丘下陷至地表之下所形成的锅状、盛鸡蛋盒坑形状的混杂堆积体应大量存在于砾石湖滩相与河流相地层中。到目前为止,地层中类似图9液化混杂堆积在国内文献中尚未报导,今后应特别注意识别这种变形构造与堆积物,它们是强地震(发生地表破裂的地震)的记录。2.6负载、球—负载、球—枕构造及枕状层负载构造上覆较粗粒沙层下陷至下伏较细沙层中的一种构造。负载体内部纹层与其连结的粗粒母岩层的纹层相连,随着负载体的下沉,内部纹层也随之弯曲成向斜状(图10-A,10-C)。负载构造是由于液化沙层在地震剪切力与重力作用下下沉陷落形成。在地震振动摇晃作用下,负载体脱离母岩完全落入下伏层则形成具同心纹层的球体或椭球体(图10-B,10-D,10-E),即球—枕构造(Morettietal.,2002;乔秀夫等,2008;杨剑萍等,2008b;邵晓岩等,2009)。球体或椭球体在下沉过程中其长轴相对加长(图10-E),这是由于受到软沉积物浮力阻挠的结果。负载及球—枕构造均做过地震模拟试验(Kuenen,1958;Owen,1996)。负载、球—枕构造是沉积学上非常古老的术语,但其成因为地震触发机制的观点近年来被沉积学家所接受。小于0.01‚m宽的负载构造有可能由单纯超负荷形成,但较大型的负载构造则是地震诱发形成(MorettiandSabato,2007)。图10-A,10-B和10-C均系大于0.01‚m地震成因的负载构造,所处位置均与当时古活动断裂相关联。球—枕构造与前述的枕状构造二者均为地震成因,但二者在形成机制方面是完全不同的,在软沉积物变形识别与名词使用方面应予以区别(乔秀夫和李海兵,2008)。枕状层该术语由Roep和Everts(1992)提出,指岩层内密集的扁椭球体(图11),并给出3种成因机制:负载体下沉,滑动成因及地震摇晃。杜远生等(2007)研究澳大利亚悉尼盆地二叠系枕状层时(图11-A,11-B)认为负载体下沉为主要成因机制,作者赞同。枕状层可以看作是密集负载体连续下沉陷落,形成一个密集球—枕构造层,而原始的产生负载构造的岩层已消失或大部消失,它是经液化与重力作用下的一种岩层转换形式。图11-C枕状层顶部还可看到一层残留的负载构造层。作者将枕状层与负载、球—枕构造置于同一类型即基于同一成因机制。从成因分类角度,枕状层、枕状构造和球—枕构造虽然均有枕字出现,但成因机制是不同的,宏观特征有明显的区别。3软沉积物的压缩变形软沉积物在受到地震应力作用下的变形,主要是挤压变形,液化作用仅为次要因素。3.1定向应力下的开展丘—槽是夹于上、下岩层之间的一组背斜(丘)与向斜(槽)交替出现的构造,是沉积物顶部的软沉积物在地震定向应力下形成的褶皱(图12-A)。地震之后新的沉积物从槽向丘顶上超覆盖(图12-B)(RossetliandGoes,2000;张传恒,2006)。沉积物在丘顶的上超是识别丘—槽的重要标志。丘—槽构造中丘的顶部及两翼往往伴生细的液化泄水脉(图12-B)。丘的一侧可伴生有层内逆冲断层。3.2板刺砾石的形成过程板刺构造由宋天锐(1988)提出与描述,解释为地震成因。板刺指由片状、板状具棱角无任何分选的砾石组成的透镜状地质体,夹于上覆及下伏水平岩层之间(图13-A)。板刺砾岩发育于条带状薄层岩层中,在原地形成。板刺砾石呈直立或叠瓦状排列,砾岩层底面往往具一起伏面,顶面在未被侵蚀时其原始形态呈云朵状,常为藻席覆盖。地震定向挤压力形成紧密直立的褶皱(图13-B),转折端圆滑或尖棱,紧密褶皱沿轴面断裂成直立的板刺砾石(图13-C),砾石倒塌则呈现叠瓦状排列(图13-D)、图13-E给出在地震持续挤压力作用下板刺形成的过程(乔秀夫等,2006;乔秀夫和高林志,2007)。板剌砾岩与风暴成因砾岩于野外往往易于混淆。板刺角砾岩在横向上可与直立紧密褶皱连接,砾石仅直立及叠瓦排列;风暴砾岩的砾石排列则远比板刺砾岩复杂多样,如呈叠瓦状、螺旋状、倒小字及杂乱状排列等。3.3深湖相、静水弱地震摇环形层是一组纹层岩石组成的环状构造,Rodriguez-Pascua等(2000)和袁静等(2006)解释为深湖相或静水弱地震摇晃的产物。环状层发育于湖泊季节性纹层,也发育于海相纹层岩石中(田洪水等,2006),环状层在一个层内是由一系列横向连结的扁的同心纹层环体组成(图14),2个纹层环之间是被一组剪切力分割形成、其力学机制类似于香肠构造(乔秀夫和高林志,2007)。孤立的同心纹组成的环状体有可能是球—枕构造而非环形层。4粒序断层与液化泄水由地震诱发拉张应力引起沉积物的破裂变形,包括震裂角砾岩、粒序断层和地裂缝。震裂角砾岩地震强烈振动使沉积层破碎原地形成的角砾岩,其特征是砾石具有可拼性,常被后期方解石纲纹脉充填角砾间(图15-A)。震裂角砾岩沿走向与正常沉积层直接联结。粒序断层也可称阶梯断层,是限制在一个岩层内部的一组断距很小的小型或微型正断层。断层面倾角一般很大,相互平行,断层面在层内自行尖灭,上覆及下伏岩层均未受到影响(图15-B)。粒序断层被认为是重要的古地震证据(Seilacher,1969)。作者将粒序断层分别置于软沉积物液化泄水与脆性变形中,是从成因机制角度考虑的。许多粒序断层与卷曲变形及液化泄水脉共生,表明其成因上的联系,图15-C中部液化泄水白云岩脉向上覆层位侵位穿刺围岩,右下方则为密集的微型粒序断层,表明是由于沉积物液化泄水后,沉积物体积压缩,内部颗粒重新调整的结果。这时的沉积物实际仍属于软沉积物,成因机制与液化关联,但变形性质应属脆性变形。粒序断层的产状与整个区域构造背景的方向往往是不一致的,有着自己的优选方位,这一特点可以帮助地质学家在野外辨认与确定粒序断层的地震成因。地裂缝地裂缝代表当时的古地表裂缝。图15-D灰岩中的地裂缝呈“V”字形,灰岩角砾充填其中。图15-E的灰岩地裂缝由浅海相碳酸盐沙充填,受到地震影响,地裂缝的碳酸盐沙液化形成一系列液化泥晶脉。古地裂缝与现代地震地裂缝一样,是由多条平行的裂缝组成,地裂缝沿地层走向成群出现(图15-D,15-E)。水成岩墙沉积物发生张裂,软沉积物贯入形成沉积岩墙(脉)。一种是由上而下贯入裂隙中,如广西二叠系灰岩或角砾灰岩脉贯入泥盆系中(图16-A,16-B,16-C),除地层证据外,脉中自上而下的流动构造均显示系自上而下贯入古裂隙,这种脉一般上宽下窄(图16-A)。广西广泛发育的灰岩墙代表Pangea裂解时的地震沉积物变形(乔秀夫等,2002;彭阳等,2007,2009)。另一种沉积墙系自下而上侵入裂隙,台湾东海岸,矶崎附近的砂岩岩墙侵入都峦山层的凝灰岩中,厚度(宽)从10～30‚cm不等,并有向上减薄和向下变厚(宽)的趋势。SongShengrong等(1994)将其解释为弧陆碰撞过程中,八里湾组砂岩液化侵位于崩落至盆地中的都峦山层凝灰岩的裂隙而形成,是更新统古地震沉积物液化记录。5变形及其成岩与构造意义地震触发沉积物变形分类是古地震研究的初步总结,目的是便于野外调查时易于识别沉积物变形,并提供解释这些特殊变形的理论基础。1)地震诱发沉积物变形,特别是软沉积物变形是十分丰富的,有相当数量的变形目前尚未辨认。图1沉积物变形分类将会有新的类型补充;由于沉积物变形的成因机制是交错的,目前的分类是依据主要成因机制而确定的,因而图1所列类型的位置尚有调整的空间,有一些软沉积物液化变形未列入其中。如地震滑坡液化变形纳入在卷曲变形中;地层中的不协调岩块及围岩变形暂时未能给出具体分类位置;与火山地震相关的沉积物变形在图1分类中尚未列出。火焰构造在很多文献中(FortuinandDabrio,2008)被解释为地震触发机制。火焰构造是沙层下沉至下伏软泥层中,由于负载体重压形成,是一种分隔负载沙体的向上呈火焰状的泥质体或粉砂泥质体。从成因机制角度应是与负载体伴生的构造,因而未单独列出。与直径大于1‚cm的负载体伴生的火焰构造可解释为地震成因,但是与小型负载体(<1‚cm宽直径)伴生的火焰构造可以是单纯重压负荷形成。砂岩的泄水嘴构造(RalphNeuwerth,2006;杨剑萍,2008b)是一种底劈构造,依宜简不宜繁的分类原则未单独列出。作者期待在同行批评的基础上补充与完善图1的分类方案。2)图1所列变形类形由地震触发,但其他因素也可导致沉积物变形。鉴别沉积物变形是否地震触发是确定古地震的基础。将沉积物变形置于沉积相序研究有助于识别是否地震触发。与现代地震一样,古地震是沿当时的活动断裂分布。图1所提供的变形实例均与相应的古断裂活动有关,因限于篇幅未逐一讨论,因此将沉积物变形研究与同沉积断裂及详细的区域构造研究结合讨论是非常必要的。对一些特殊的沉积物变形层,采用科学的排除法在确定地震诱发沉积物变形成因时不失为一种可行的思路。3)古地震周期指地震发生的间隔时间,可划分为地震活跃期与地震活跃幕。一个地震活跃期中有若干个活跃幕,一个活跃幕中有多次地震。图17表示地层(沉积岩)中的古地震周期