皖北新元古界軟沉積物液化變形-塌落疊合構(gòu)造的古地震成因研究

王 熙, 王明鎮(zhèn)

山東科技大學(xué)地質(zhì)科學(xué)與工程學(xué)院, 山東青島 266590

皖北新元古界軟沉積物液化變形-塌落疊合構(gòu)造的古地震成因研究

王 熙, 王明鎮(zhèn)*

山東科技大學(xué)地質(zhì)科學(xué)與工程學(xué)院, 山東青島 266590

在皖北新元古界四十里長山組下部粉砂巖層中, 發(fā)育有一個軟沉積物液化變形-塌落疊合構(gòu)造。觀測剖面共分為三部分: 下部為嘯積礫巖未變形層, 中部為液化均一層、球枕狀層和塌落疊合層, 上部為震積不整合面, 不整合面之上為嘯積礫巖未變形層。共同構(gòu)成一個完整的地震-海嘯震積巖序列。中部的液化均一層、球枕狀層和塌落疊合層是震積事件的主旋回層。對剖面特征及成因機理研究分析后發(fā)現(xiàn), 該剖面位于淺海陸棚邊緣斜坡相帶。在古地震多旋回脈動震顫作用下, 經(jīng)液化均一變形, 負載體下沉滑覆及蓋層塌落多重疊合, 最終形成具有軟沉積物變形特征的疊合構(gòu)造。四十里長山組沉積期, 位于淺海陸棚邊緣斜坡地帶的粉砂質(zhì)軟沉積物, 為震顫變形的能量轉(zhuǎn)化提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。而強地震的多旋回脈動作用, 給軟沉積物液化均一變形、負載體下沉滑覆、蓋層塌落疊合等提供了原動力。

疊合構(gòu)造; 球枕狀層; 震積巖; 多旋回脈動; 液化均一層

地震是地球災(zāi)變事件的表現(xiàn)形式之一, 研究古地震保留在地層中的原始記錄, 破解震積巖的形成過程及地質(zhì)作用, 備受地質(zhì)界關(guān)注。自1969年Seilacher 研究美國加州地區(qū)中新世蒙特利頁巖提出了“震積巖”(seismites)概念, 并將其定義為水下沉積物受地震作用的再沉積層(Seilacher, 1969)。1984年Seilacher又進一步將微褶皺紋理、斷裂遞變層、均一層作為震積巖的同沉積構(gòu)造標志(Seilacher, 1984), 將震積巖的研究引入高潮。與此同時, 我國的地震學(xué)家、地質(zhì)學(xué)家也掀起了震積巖研究的小高潮, 先后開展了地震與沙土液化的研究和試驗, 證明濁積巖中常見的重荷構(gòu)造與枕狀構(gòu)造是不斷震動造成的(劉穎等, 1984; 馮先岳, 1989; 梁定益等, 1997)。宋天銳1988年研究并建立了北京十三陵前寒武紀霧迷山組碳酸鹽巖地震-海嘯序列(宋天銳, 1988), 吳賢濤、尹國勛1992年描述了四川峨嵋晚侏羅世湖泊沉積中的碎屑巖原地系統(tǒng)地震液化序列, 對液化均一層給予了足夠重視(吳賢濤等, 1992)。梁定益在揚子西緣、及藏東、滇西岡瓦納北緣相繼識別出奧陶系、泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系不同規(guī)模的震積巖, 發(fā)現(xiàn)了多旋回的震積巖序列(梁定益等, 1991, 1994a, b, 1997)。喬秀夫等在華北地臺東部建立了碳酸鹽巖震動液化地震序列,薩布哈震積巖序列(喬秀夫, 1996; 喬秀夫等, 1994, 1996, 1997, 2001b)。近期又提出了震積巖的三分方案, 特別強調(diào)準確識別軟沉積物變形是古地震研究中的關(guān)鍵環(huán)節(jié), 對軟沉積物的液化變形應(yīng)給予更多關(guān)注(喬秀夫等, 2009)。作者近期在皖北新元古界地層剖面觀測中, 對一組軟沉積變形構(gòu)造進行了詳細的觀察與描述, 發(fā)現(xiàn)這是一組由軟沉積物液化均一變形、球-枕狀體沉陷滑覆變形及蓋層塌落疊合變形形成的多重變形構(gòu)造, 它是在淺海陸棚邊緣斜坡相帶, 在古地震多旋回震顫驅(qū)動下, 負載體下沉陷落進入液化層后又發(fā)生微距離滑覆披蓋, 引起蓋層垮塌疊合形成的。分析研究它的變形過程, 對認識在地震多旋回條件下軟沉積物變形構(gòu)造的形成有積極作用。

圖1 研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)圖Fig. 1 Location of the study area

圖2 獅子山新元古界實測剖面圖Fig. 2 Measured geological cross section of Neoproterozoic strata in Shizishan, northern Anhui Province

皖北新元古界四十里長山組出露廣泛, 觀測剖面位于壽縣八公山區(qū)(圖1), 屬安徽地層區(qū), 淮南地層小區(qū)。下伏地層劉老碑組, 為一套淺海相潮下低能環(huán)境的泥灰?guī)r夾粉砂質(zhì)泥巖和粉砂巖的沉積, 二者為整合接觸。上覆地層為九里橋組褐灰色厚層狀泥質(zhì)灰?guī)r夾青灰色薄層狀泥質(zhì)灰?guī)r和薄層石灰?guī)r,具水平層理和斜波狀層理, 屬潮下低能帶的沉積,二者亦為整合接觸。四十里長山組出露厚度約60余m, 分為三段, 下段為灰色中厚層-厚層狀鈣質(zhì)細粉砂巖, 具斜波狀層理及交錯層理, 厚度11.37 m;中段分為兩層, 下層為灰褐色厚層狀含鐵粗粉砂巖,發(fā)育交錯層理, 厚16.79 m; 上層為褐灰色中厚層狀鈣質(zhì)石英細砂巖, 含少量海綠石顆粒成分, 具斜波狀層理, 厚度總計35.25 m。上段為青灰色中厚層含鐵白云石細粉砂巖, 含海綠石顆粒及少量暗色礦物,塊狀構(gòu)造, 厚度2.95 m(圖2)。軟沉積物液化變形-塌落疊合構(gòu)造發(fā)育于四十里長山組下段, 分析其沉積環(huán)境為陸棚邊緣斜坡相(喬秀夫等, 2001a)。

圖3 新元古界四十里長山組液化變形-塌落疊合層野外露頭觀測剖面圖Fig. 3 Outcrop observation profiles of liquefaction deformation-slump composite structures in Neoproterozoic Sishilichangshan Formation

1 液化變形與塌落疊合構(gòu)造特征及變形機理

觀察剖面巖層走向95°, 傾向5°, 傾角18°, 由老到新可分為三部分, 下部為嘯積礫巖未變形層,厚度約0.30 m。中部為液化變形-塌落疊合層, 厚度0.90 m。上部為后續(xù)沉積的嘯積礫巖、含礫屑的泥質(zhì)細砂巖未變形層, 厚度0.30 m, 細砂巖具正粒序?qū)永砘蚱叫袑永? 局部為斜波狀層理和交錯層理,與液化變形層-塌落疊合層為震積不整合接觸。組成完整的震積巖-嘯積巖旋回(圖3)。

1.1 液化均一層特征

圖4 新元古界四十里長山組觀測剖面宏觀照片(錘把長度31 cm)Fig. 4 Macrophotograph of the Neoproterozoic Sishilichangshan Formation observation section (length of the hammer: 31 cm)

液化均一層位于液化變形層-塌落疊合層的底部(圖3A-I、3B-I), 厚約0.60 m, 巖性為厚層塊狀鈣質(zhì)粉砂巖, 局部含礫屑。它是砂質(zhì)軟沉積物在未固結(jié)或弱固結(jié)階段, 受地震震顫搖晃作用, 產(chǎn)生了去層理化作用, 因此不顯層理, 屬質(zhì)地細膩的液化均一變形構(gòu)造(吳賢濤等, 1992; 鄢繼華等, 2009)?？梢姺凵百|(zhì)顆粒有定向排列組合現(xiàn)象, 表現(xiàn)為前后銜接的豆莢狀或線粒狀微褶皺紋理。是在震顫搖晃作用下, 軟沉積物液化后顆粒水塑性變形, 重新排列組合形成的微結(jié)構(gòu)紋理, 局部可見豎向微裂紋間隔分布。液化均一層頂面呈馬鞍狀, 是由于受不斷的震顫晃動作用, 顆粒重新排列組合, 密度增大, 體積收縮; 也有可能受P波、S波的顛晃作用, 產(chǎn)生過微距離的滑脫變形, 導(dǎo)致不均勻沉降, 但滑脫變形是很輕微的。

1.2 液化披蓋層、球枕狀層與塌落疊合構(gòu)造特征

液化披蓋層、球枕狀層與塌落疊合構(gòu)造位于液化均一層上部, 是由液化層、球枕狀層與塌落碎屑層疊合形成的變形層, 厚度變化大, 呈不規(guī)則狀分布, 按構(gòu)造成因可分成三類變形構(gòu)造。

一是軟沉積物液化披蓋層: 為位于液化均一層之上的飽水砂層, 受震顫搖晃作用發(fā)生液化, 并在連續(xù)的震顫作用下, 隨底盤液化均一層的變形發(fā)生微距離滑覆和不均勻沉降, 形成液化披蓋變形構(gòu)造。該構(gòu)造緊貼馬鞍形液化均一層上, 兩側(cè)呈被狀下披(圖3A-II, 3B-II), 垂至凹處成足狀收斂, 它顯示液化流淌紋理, 由流狀泥條和流狀礫屑組成, 原始成分單一, 為粉砂質(zhì)。雖有滑覆過程, 但仍完整成層。

二是球枕狀層: 位于液化披蓋層內(nèi), 是負載體連續(xù)下沉陷落, 形成一個密集的球枕狀構(gòu)造層, 而原始的產(chǎn)生負載構(gòu)造的巖層已消失或大部消失, 它是經(jīng)液化與重力作用下的一種巖層轉(zhuǎn)換形式(喬秀夫等, 2008; 杜遠生等, 2007), 球枕狀體形狀有橢球狀(圖3A-IIa, 3B-IIa), 枕狀(圖3A-IIb, 3B-IIb), 紡錘狀(圖3A-IIc, h, 3B-IIc, h), 巖性為粗粉砂巖, 個別為嘯積礫巖, 與蓋層巖性相近。由于隨液化層微距離滑覆披蓋變形, 球枕狀體原始個體形態(tài)發(fā)生改變,多向右傾斜或直立。

三是塌落疊合構(gòu)造: 位于枕狀層之上, 是隨著液化層與球枕狀層滑覆披蓋變形, 蓋層破碎塌落,蓋在液化變形層與球枕狀層之上, 形成塌落疊合構(gòu)造。它由塌落碎層塊和塌落礫屑組成, 碎層塊呈不規(guī)則層塊狀(圖3A-IId, 3B-IId), 碎塊狀(圖3A-IIe, 3B-IIe); 直徑大小懸殊、大者直徑幾十厘米, 甚至更大, 小的幾厘米; 塌落礫屑呈礫狀(圖3A-IIf, 3B-IIf)、顆粒狀(圖3A-IIg、3B-IIg)。塌落構(gòu)造在剖面上呈不均勻分布, 以馬鞍頂為界分左右兩部分,左半部分主要為塌落碎層塊, 因體積和重量均大,陷進液化層較深處, 呈近乎直立狀。右半部分主要為塌落礫屑, 產(chǎn)狀較平緩。巖性組成有粉砂-細砂巖,嘯積礫巖。粉砂-細砂巖磨圓度、分選性一般, 局部含泥質(zhì); 嘯積礫巖礫屑呈板狀, 柱狀、竹葉狀等, 部分有棱角, 分選性差。與上覆蓋層巖性相符, 說明塌落碎層塊和塌落礫屑來自液化層頂部蓋層, 屬近原地塌落類型。

1.3 液化變形-塌落疊合構(gòu)造的變形機理

液化變形-塌落疊合構(gòu)造是軟沉積層受地震震顫作用, 出現(xiàn)液化均一變形、滑覆披蓋變形與蓋層負載垮塌疊合等一系列的同沉積變形作用形成的。底部液化均一層: 是軟沉積層受地震震顫作用, 砂質(zhì)顆粒產(chǎn)生滑移, 改變原來的排列狀態(tài), 應(yīng)力由砂骨架轉(zhuǎn)移至水, 引起超空隙水壓力, 產(chǎn)生液化作用(喬秀夫等, 1994), 并出現(xiàn)去層理化作用, 形成液化均一層構(gòu)造。后受連續(xù)不斷的震顫晃動作用, 密度逐漸增大, 并產(chǎn)生近距離滑脫變形, 橫向伸展, 縱向不均勻收縮, 出現(xiàn)縱向微裂紋, 形成馬鞍形構(gòu)造。中間的液化披蓋層和球枕狀構(gòu)造: 液化層最大特點是承載力下降, 蓋層粗顆粒沉積物因自身重力原因,在震顫搖晃作用下產(chǎn)生負載下沉, 以致陷落形成球枕狀層。球枕狀體在剖面上表現(xiàn)為負載體被液化層包裹形成沉陷包裹體, 呈橢球狀、枕狀、紡錘狀(圖3Aa, b, c, h, 3Ba, b, c, h), 液化層受微距離滑覆披蓋變形作用, 形成馬鞍形被狀披蓋構(gòu)造。塌落疊合層:是蓋層隨液化層滑覆披蓋變形作用而快速垮落形成的破碎變形構(gòu)造, 破碎體呈層塊狀, 碎塊狀及礫屑狀, 形狀多不規(guī)則, 塊度大小懸殊, 棱角明顯, 顯示快速破碎垮落特征。在液化變形-塌落疊合層中, 由于液化層因受重力砰激作用而四溢充滲, 注入薄弱縫隙帶形成溢注構(gòu)造, 后期可能經(jīng)歷泄水過程, 形成溢注-泄水構(gòu)造: 包括塌落層塊縫隙中的溢注-泄水構(gòu)造, 這些構(gòu)造發(fā)育有液化變形紋理, 顯示受塌落體快速墜落而產(chǎn)生的砰激特征。

2 液化變形-塌落疊合構(gòu)造的地質(zhì)成因

2.1 弱固結(jié)或未固結(jié)粉砂質(zhì)軟沉積物是液化變形-塌落疊合構(gòu)造形成的物質(zhì)基礎(chǔ)

四十里長山組沉積期, 本區(qū)正位于淺海陸棚邊緣的斜坡地帶(喬秀夫等, 2001a), 沉積了一套細粉砂-粗粉砂質(zhì)軟沉積物, 粉砂質(zhì)沉積物境下觀察顯示石英碎屑含量80%~85%, 填隙物含量10%左右, 主要為鐵白云石, 并含少量方解石, 黑褐色鐵質(zhì)礦物呈塊狀、點狀分布, 含5%, 偶見海綠石及片狀白云母。石英碎屑呈顆粒結(jié)構(gòu), 接觸式膠結(jié), 磨圓度差,多為棱角狀、次棱角狀, 分選度一般, 粒度在0.027~0.09 mm之間。馮先岳震動液化模擬試驗結(jié)果顯示, 小于0.11 mm粒徑的細砂質(zhì)更容易液化(馮先岳, 1989), 劉穎給出的可以液化土的平均粒徑在0.02~1 mm之間(劉穎等, 1984)。對比以上指數(shù)可以看出, 本區(qū)粉砂巖粒徑大小及均勻指數(shù)正處在液化沙土的最佳范圍, 具有產(chǎn)生地震液化的物質(zhì)條件。即弱固結(jié)或未固結(jié)粉砂質(zhì)或細砂質(zhì)軟沉積物, 為震顫變形的能量轉(zhuǎn)化提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

2.2 古地震事件是軟沉積物液化變形的原動力

皖北地處華北板塊東南緣, 東接古郯廬帶(喬秀夫等, 1999), 南鄰秦嶺—大別山東西向板塊縫合帶,新元古代時期(特別是晉寧運動時期), 曾發(fā)生過洋殼向華北板塊南緣的俯沖(Wang et al., 1984; 劉波等, 1999)。中朝板塊從震旦紀開始裂解為華北塊體和膠遼朝塊體, 兩個塊體的界線即為古郯廬斷裂(喬秀夫等, 1999, 2002)。郯廬帶是長期活動的斷裂地震帶, 地震成因巖石是強地震事件的記錄, 強地震事件是劇烈構(gòu)造活動的反應(yīng)(田洪水等, 2007)。皖北地區(qū)緊鄰板塊構(gòu)造活動邊緣地區(qū), 事件地層資料顯示,新元古界沉積地層中, 存在多期、多幕次的地震沉積層記錄, 如蘇北的賈園組, 淮南的劉老碑組, 四十里長山組等(喬秀夫等, 2002; 賈志海等, 2003; 李雙應(yīng)等, 2003)。地層中的液化碳酸鹽巖脈, 液化卷曲變形構(gòu)造等震積巖均十分發(fā)育, 喬秀夫先生共識別出五個地震活躍期(喬秀夫等, 1994, 1997, 2001a, b)。徐宿地區(qū)震旦紀基性巖漿侵入體的同位素年齡值為738.6~604 Ma之間(潘國強等, 2000)。強地震災(zāi)變震積巖的發(fā)育和基性巖漿侵入等事件層與Rodinia超大陸在震旦紀的裂解時間是十分一致的(喬秀夫等, 1997, 2002; 潘國強等, 2000)。本觀測剖面的液化變形-塌落疊合構(gòu)造, 是新元古界四十里長山期本區(qū)受板塊地震活動帶影響的真實反映。

對現(xiàn)代地震的研究已總結(jié)出, 地震具有明顯階段性特征。一次Ms7~8強震的“活動周期”通?？梢苑譃榍罢痣A段, 主震階段和余震階段三個時期(梁定益等, 2010)。在此過程中, 會產(chǎn)生與之相對應(yīng)的軟沉積物變形構(gòu)造, 在垂向上形成了具有規(guī)律組合特征的震積巖序列。正如本觀測剖面垂向序列包括A段: 是前一個地震旋回與本地震旋回之間的過渡沉積層, 巖性為前一個地震旋回引起的海嘯沉積礫巖。B段: 液化均一層, 是較強地震引起的, 推測地震震級應(yīng)不低于里氏6級(喬秀夫等, 1994)。C段: 液化變形層及球枕狀層, 是地震脈動高潮期, 釋放能量達到最大, 震顫作用最強烈, 弱固結(jié)軟沉積層在較強的晃動條件下, 產(chǎn)生液化作用(喬秀夫等, 1994)。由于承載力減弱, 無法承載上覆沉積物重量,蓋層負載下沉形成球枕狀層。D段: 塌落疊合層, 是主震過后, 有余震發(fā)生, 地下物質(zhì)代償平衡過程仍在延續(xù), 出現(xiàn)蓋層負載垮落的重力沉積事件, 形成塌落疊合構(gòu)造。E段: 是本次地震脈動旋回結(jié)束后,形成的正常沉積層。

依據(jù)地質(zhì)專家對震級大于里氏6級的軟沉積物能發(fā)生液化的推論(喬秀夫等, 2006), 結(jié)合本區(qū)觀測剖面震積巖垂向組合特征, 可以推測新元古界四十里長山組沉積期, 引起軟沉積物液化變形-塌落疊合多重變形的強地震震級應(yīng)大于6級。且經(jīng)歷了從前震、主震到余震的多旋回震顫過程, 為變形構(gòu)造的形成提供了原動力。

3 結(jié)論

根據(jù)球-枕狀體、層塊體及礫屑成分來自直接蓋層的粉砂-細砂巖及嘯積礫巖, 液化均一層, 液化滑覆披蓋層及球枕狀層分層完整, 層次有序, 剖面上滑脫和滑覆變形特征不突出, 推測滑脫或滑覆是很輕微的微距離變形, 由此可以認定, 整個液化變形-塌落疊合構(gòu)造是以原地負載沉陷塌落為主, 微距離滑覆變形為輔的軟沉積物變形構(gòu)造, 它們組成了震積巖-嘯積巖地震旋回的主體。

從底部的嘯積礫巖到粉砂巖再到頂部嘯積礫巖,說明沉積環(huán)境經(jīng)歷過強烈動蕩環(huán)境, 到穩(wěn)定的淺海陸棚邊緣沉積環(huán)境, 再到強烈動蕩的海嘯沉積環(huán)境。而粉砂質(zhì)沉積層沉積過程中, 又有多次震顫災(zāi)變發(fā)生。在震顫過程中, 形成了液化均一層、液化滑覆披蓋層、球枕狀層與塌落疊合層多重疊合作用的軟沉積物變形構(gòu)造。顯示本區(qū)當時的沉積環(huán)境,曾經(jīng)歷過一個多次的強弱震蕩時期, 即經(jīng)歷了從前震、主震到余震的多旋回震顫過程。粉砂質(zhì)軟沉積層提供了液化變形的物質(zhì)基礎(chǔ), 強地震災(zāi)變是變形構(gòu)造形成的原動力。

震積巖在垂向上的組合特征是地震脈動旋回過程的直接響應(yīng), 單一剖面上的完整的震積巖垂向序列是很少見的, 它更能揭示古地震的震顫過程及旋回特征, 這是因為相同剖面上的沉積巖性具有共同的震源距離和受震環(huán)境, 更容易區(qū)別震顫作用的強度及影響程度。分析剖面上下不同的震積構(gòu)造類型,對認識古代地震的旋回周期及相應(yīng)的軟沉積物變形過程具有積極意義。

致謝:審稿人和專家對本文做了細心的審稿并提出了寶貴的修改意見, 非常感謝！

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A Study of Paleoseismic Causes of Neoproterozoic Soft-sediments Liquefaction Deformation and Slump Composite Structures in Northern Anhui Province

WANG Xi, WANG Ming-zhen*
Geological Science and Engineering College, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590

Liquefaction deformation-slump composite structures of soft-sediments are developed in the bottom siltstone layer of Neoproterozoic Sishilichangshan Formation in northern Anhui Province. Detailed observation reveals that this section can be divided into three parts. The lower part is a tsunamite layer with no deformation, the middle part is a composite structure which includes liquefaction homogeneous layer, ball-pillow-like layer and slump composite layer, and the upper part is a seismic unconformity layer covered with tsunamite undeformed layer. These parts form a complete earthquake-tsunami seismites sequence, with the middle composite structure being the main cycle layer in this seismites event. Based on an analysis of section characteristics and formation mechanism, the authors found that the section is located in the shallow continental shelf margin of the slope facies. In the paleoseismic multicycle and pulsed tremor, the liquefied homogeneous deformation, load stem subsidence and caprock collapse experienced multiple superimposition, and all these factors ultimately formed a composite structure with soft-sediment deformation features. The powder sandy soft sediments in the shallow continental shelf margin of the slope zone provided the material foundation for tremor deformation energy conversion in Sishilichangshan Formation sediment period. The multicycle pulse of a strong earthquake provided the drivingforce for the soft sediment liquefaction uniform deformation, load stem subsidence, caprock collapse and superimposition.

slump composite structures; ball-pillow-like layer; seismite; multicycle pulse; homogeneous layer

P534.3; P315.2

A

10.3975/cagsb.2013.03.07

2012-06-11; 改回日期: 2012-11-14。責(zé)任編輯: 魏樂軍。

王熙, 女, 1982年生。博士研究生。主要從事沉積學(xué)與地質(zhì)事件研究。通訊地址: 266510, 山東青島經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)前灣港路579號。E-mail: kinsoy@163.com。

*通訊作者: 王明鎮(zhèn), 男, 1945年生。教授, 博士生導(dǎo)師。從事古生物地層及層序地層研究。