疊溪古堰塞湖地震擾動沉積物特征

沈 曼，王小群，許 峰，周 辀，崔亞昆

（地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室（成都理工大學(xué)），成都 610059）

疊溪古堰塞湖地震擾動沉積物特征

沈 曼，王小群，許 峰，周 辀，崔亞昆

（地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室（成都理工大學(xué)），成都 610059）

探討湖相沉積物的粒度特征，研究大地震發(fā)生的周期。岷江上游疊溪古堰塞湖沉積物中保存了大量氣候環(huán)境信息和地質(zhì)環(huán)境信息。通過地面調(diào)查、巖心觀察、粒度測試分析加以測齡、環(huán)境氣候分析的方法，對疊溪古堰塞湖全斷面巖心中具有明顯擾動特征的擾動層及其下臥層（下接觸層）土壤進行分析。結(jié)果表明，巖心中存在10個明顯的擾動層，其擾動現(xiàn)象與疊溪古堰塞湖地表出露的擾動現(xiàn)象一致。擾動層粒度總體上大于其下臥層（下接觸層）。擾動層沉積物的平均粒徑（d50）在0.006 8～0.010 7 mm，大多數(shù)為0.008 mm左右。擾動層的粉粒含量波動較大，其下臥層粉粒的質(zhì)量分數(shù)大多在64%左右；相對應(yīng)黏粒的質(zhì)量分數(shù)，擾動層多在33%左右，而其下臥層波動較大。這些擾動層與下臥層的特征反映了湖相沉積物在沉積過程中受到外力影響而發(fā)生的變化。結(jié)合測齡資料，初步推測大地震發(fā)生的周期大約是850 a。

湖相沉積物；粒度特征；擾動層；地震周期

地層中所保留的沉積物變形記錄是確定古地震的有力證據(jù)之一。1969年，Seilacher將地震作用改造未固結(jié)的水下沉積物形成的再沉積層定義為震積巖（seismites）。對于3種不同的地表沉積物——已完全固結(jié)石化的硬巖層、富含水的軟沉積物和松散沉積物（少含或者不含水），地震時所產(chǎn)生的響應(yīng)是不同的［1，2］。在這3類的變形研究中，軟沉積物表現(xiàn)出與地震最密切相關(guān)。迄今，已有多種類型的與地震相關(guān)的軟沉積物變形構(gòu)造被識別出來，如：液化卷曲變形構(gòu)造、液化脈、泄水構(gòu)造、滑混層、球枕構(gòu)造、層內(nèi)階梯狀微斷層、負荷構(gòu)造等［1，3－12］。通過對鉆井巖心的詳細觀察和描述，可以發(fā)現(xiàn)大地震在鉆孔上的表現(xiàn)。何碧竹等在對塔里木盆地滿加爾拗陷晚奧陶世開闊陸棚相—盆地相沉積地層研究中，發(fā)現(xiàn)存在各種各樣的、復(fù)雜的軟沉積物變形構(gòu)造，主要有液化流動構(gòu)造，包括液化砂巖脈、液化角礫巖、底劈構(gòu)造及水塑性卷曲變形與震積不整合等［13］。通過觀察軟沉積物的變形構(gòu)造，可以得出對地震事件的記錄。軟沉積變形又稱準同生變形，是指沉積物沉積之后、固結(jié)之前由于差異壓實、液化、滑移、滑塌等形成的變形構(gòu)造。地震的震積作用形成了一系列可以判別的沉積物變形構(gòu)造［14－16］。

杜遠生等討論了地震引起的軟沉積物變形、地震事件沉積的時序、地震事件沉積的空間分布和地震事件沉積序列等問題；對悉尼盆地二疊系與地震沉積有關(guān)的軟沉積變形構(gòu)造進行了分析，證明了包括地裂縫、震褶層、液化脈、沙火山、負荷構(gòu)造、火焰構(gòu)造、枕狀構(gòu)造、球狀構(gòu)造、枕狀層、滑塌構(gòu)造、角礫巖化等軟沉積物變形都是與地震事件密切相關(guān)的［14，15］。遲元林等分析出沉積物流體化后形成的“灰涌”是有地震活動的產(chǎn)物，是地質(zhì)歷史時期地震活動的證據(jù)之一［17］。方銀霞等通過研究地層剖面上的擬海底反射層（BSR）分布、地震彈性參數(shù)特征，來探討B(tài)SR上、下方含天然氣水合物沉積層和含游離氣沉積層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和某些主要物理性質(zhì)，如沉積物的孔隙率、天然氣水合物的飽和度等，由此來評估海底天然氣水合物的資源前景并研究其成礦機制［18］。楊文濤等通過形態(tài)學(xué)、遺跡學(xué)及鏡下薄片分析表明，軟沉積物變形與沉積物液化有關(guān)，其中河—湖相快速沉積為沉積物液化創(chuàng)造了條件，古地震活動是它們形成的主要觸發(fā)因素，從而推測出秦嶺造山帶的造山時間［19］。另外，張傳恒、張斌、楊劍萍、呂洪波、喬秀夫、蘇德辰、王熙等均對地震形成的軟沉積物變形構(gòu)造進行了研究，利用其形態(tài)、結(jié)構(gòu)等記錄下地震事件的發(fā)生，對大地震周期等的研究具有重要意義。

堰塞湖是在一定的地質(zhì)與地貌條件下，由火山噴發(fā)物、滑坡體、泥石流和冰川堆積物等形成的自然堤壩橫向阻塞河谷后造成上段壅水而形成的湖泊［20，21］。湖泊沉積物保存著與過去全球氣候環(huán)境變化有關(guān)的不同時間尺度和空間尺度的豐富信息［22］，通過對堰塞湖沉積物的研究，可以了解沉積過程中的環(huán)境與氣候。而湖相沉積物在沉積過程中長期處于飽水而未固結(jié)的狀態(tài)，受到地震的強烈振動會發(fā)生變形，乃至液化變形為各種變形體；因此，對湖相沉積物這種典型的軟沉積物變形的研究，對于探討地震的發(fā)生、發(fā)展有著深遠的意義。

通過沉積物粒度特征的研究可以反映很多問題。粒度特征從一定意義上可以反映湖泊輸入水量的相對大小、水動力的強弱、湖區(qū)降水的變化、氣候干濕變化規(guī)律等［23，24］，前人在此方面已經(jīng)做了很多研究。由于粒度特征與地震液化關(guān)系密切，因此，本文從全斷面的巖心上提取出因地震而導(dǎo)致的沉積物變形的信息，對這種地震沉積物做粒度分析，結(jié)合年齡測定以及對出露地表的沉積物和巖心的觀察，研究其與大地震周期性活動的關(guān)系。

1 研究區(qū)概況

疊溪古堰塞湖位于青藏高原東緣，即青藏高原與四川盆地的過渡單元，具有東西兩大塊體的過渡性特征（圖1）［25］。由于處于地質(zhì)結(jié)構(gòu)強烈變化的莫霍面變異帶上，松潘地段地殼上升幅度極大，河流下切迅速，達到10～20 mm／a。茂縣以北地區(qū)近年來有輕微隆起，抬升率為3.7 mm／a。疊溪古堰塞湖位于岷江上游，距茂縣的縣城約60 km，該區(qū)是歷史地震頻發(fā)區(qū)，疊溪地震和汶川地震是20世紀以來發(fā)生的2起重大地震事件。地震造成重大地面地質(zhì)災(zāi)害，并且形成了系列堰塞湖。疊溪古堰塞湖即是由古地震產(chǎn)生的一系列古崩塌古滑坡形成的古老堰塞湖［26］。據(jù)前人的研究，疊溪古堰塞湖形成于30 ka B.P.，消亡于15 ka B.P.左右［25，26］，經(jīng)歷了約15 ka，沉積了約240 m的湖相沉積物。

疊溪古堰塞湖中心位置位于團結(jié)村和較場（圖2），該處沉積物主要特征表現(xiàn)為：沉積物層次清晰，可見顏色變化的紋層，有由深－淺變化的韻律，韻律層的厚度一般為2～5 cm，顯示出典型的湖相沉積結(jié)構(gòu)特征。

圖1 疊溪古堰塞湖空間分布示意圖Fig.1 Diagram showing the spatial distribution of the Diexi ancient barrier lake

圖2 較場－團結(jié)村古堰塞湖沉積物地質(zhì)剖面圖Fig.2 Diexi ancient barrier lake sediments and the Jiaochang-Tuanjiecun geological profile

2 地震擾動層沉積物特征

本次研究在團結(jié)村至較場壩布設(shè)了4個鉆孔（圖2），ZK1海拔高度2 337～2 285 m；ZK2海拔高度2 177～2 093 m，ZK3海拔高度2 231～2 179 m，ZK4海拔高度2 292～2 250 m。巖心鉆孔中，從海拔高度2 337 m至2 093 m中，其中2 251～2 232 m的19 m未取出巖心。將4個鉆孔巖心按照海拔高度的高低排列。王蘭生等對岷江上游古堰塞湖沉積物的全斷面巖心進行精細分析，分辨出系列擾動層［25］。擾動層的判定根據(jù)以下特征：①擾動跡象，如波動構(gòu)造、火焰構(gòu)造（圖3）、包卷構(gòu)造（圖4）等，并區(qū)別于交錯層等其他現(xiàn)象；②一定的擾動厚度，鉆孔顯示為2～5 cm；③夾在相對的穩(wěn)定層中。本文通過對全斷面的巖心進行觀察，選取巖心中最為明顯的10個擾動層（編號1～10）進行粒度分析實驗。

2.1 擾動層的特征

圖3 地表出露的火焰構(gòu)造Fig.3 Outcropping flame structure

在疊溪上游沙灣處出露地表的湖相沉積物（圖3）顯示出明顯的火焰構(gòu)造，與鉆孔中（表1）的擾動跡象類似。另外，在較場附近的海子坡出露的包卷構(gòu)造的沉積物，同樣與巖心中擾動層的擾動特征相同。鉆孔巖心中擾動層結(jié)構(gòu)特征和擾動的規(guī)模均可與這些地質(zhì)剖面所見的現(xiàn)象進行對照，可以判定它們是地震的產(chǎn)物。強烈地震引發(fā)尚未固結(jié)的湖相沉積物液化而成，是湖相沉積物沉積過程中的同生構(gòu)造。根據(jù)分析鑒定，從底部向上至少可劃分出10個擾動層（表1、圖5），根據(jù)其中已做了AMS-14C測齡的層位年齡計算出各個擾動層的年齡（表1），記載的最早的一次發(fā)生在28 ka B.P.，到堰塞湖沉積物淤滿前堰塞湖經(jīng)歷了15 976 a。

2.2 樣品的采集與前期處理

從古堰塞湖鉆孔巖心上共采集20個土樣，即10個擾動層及下臥層（非擾動層）。鉆孔編號從10～1。10號、9號、8號樣取自較場的ZK1巖心；7號、6號樣取自較場的ZK4巖心；5號、4號樣取自團結(jié)村的ZK3巖心；3號、2號、1號樣取自團結(jié)村的ZK2巖心。每個編號代表那一層的擾動層（R10～R1）及其下臥層（X10～X1）的位置。取樣時，沿巖心方向用刀片刮出100 g。每個樣品經(jīng)過105℃烘箱烘干后，進行篩分。其中粗篩時以孔徑2 mm的篩為最小粒徑。實驗結(jié)果顯示，20組樣品均通過了2 mm的篩。再取通過2 mm篩的土樣2.0 g，編號（同上，即R10～R1號擾動層、X10～X1號下接觸層），備用。

圖4 地表出露的包卷構(gòu)造Fig.4 Outcropping wrapping structure

表1 疊溪古堰塞湖沉積物鉆孔巖心中的擾動層位統(tǒng)計Table 1 Stratigraphic disturbances statistics in the drilled cores of the Diexi ancient barrier lake sediments

2.3 樣品的測試

粒度的測量是在成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室完成。利用英國Malvern公司生產(chǎn)的Ms2000激光粒度分析儀進行測試。儀器測量后可提供每一粒度組分的質(zhì)量分數(shù)、頻率曲線、累計曲線及其他各種粒度參數(shù)。

3 擾動層與下臥層粒度特征結(jié)果分析

通過粒度儀分析，記錄下數(shù)據(jù)，做出10個擾動層與其下臥層的粒度特征對比圖（圖6），分別描述了擾動層及其下接觸層（非擾動層）的平均粒徑（d50）、粉粒含量、黏粒含量（即疊溪古堰塞湖沉積物鉆孔巖心中擾動層及其下接觸層粒度特征）。

d50（平均粒徑）表示小于某粒徑土質(zhì)量分數(shù)為50%對應(yīng)的粒徑。從圖6中可以看出，擾動層沉積物的d50在0.0068～0.0107 mm之間，大多數(shù)為0.008 mm左右。土粒直徑＜0.075 mm且＞0.005 mm的土稱為粉粒。當粒徑處于0.075～0.01 mm為粗粉粒，粒徑處于0.01～0.005 mm為細粉粒，粒徑處于0～0.005 mm的為黏粒；粗粉粒與細粉粒合稱為粉?；蛘叻凵?。擾動層的黏粒含量波動較大，在下接觸層相對較平穩(wěn)，都在35%左右。

4 分析與討論

a.通過觀察巖心特征及地表特征，結(jié)合其變形構(gòu)造特征，符合震積巖的沉積物變形構(gòu)造特征（卷曲構(gòu)造等），初步可以判定擾動層為地震作用的結(jié)果。而堰塞湖的沉積物一直處于飽水的狀態(tài)，符合地震液化的基礎(chǔ)條件；并且取心位置不在湖邊而在湖心，不存在邊坡滑動引起擾動，且堰塞湖不會有大的波浪等外力作用，考慮地震引起沉積物液化擾動是合理的。

b.擾動層的平均粒徑（d50）大多數(shù)為0.008 mm，相對于非擾動層，擾動層的平均粒徑相對均勻、穩(wěn)定。有研究表明，平均粒徑在0.008 mm左右的土最易液化［27，28］，進一步證明擾動層是地震作用的結(jié)果。結(jié)合14C測齡的層位計算出個擾動層的年齡，6號樣與5號樣之間相差3 656 a，是由于ZK4與ZK3之間在全斷面上缺失了19 m。對于10組（每一個擾動層與其對應(yīng)的下臥層為一組）數(shù)據(jù)，可以得出：一般情況下，擾動層的平均粒徑大于其下臥層，但當兩次大地震之間時間間隔差距較大（＞1 200 a，如10號樣與9號樣，4號與3號樣）時，地震發(fā)生時，擾動層的平均粒徑由大于下臥層轉(zhuǎn)為小于下臥層；而當其時間差距較?。?50 a左右），擾動層的平均粒徑由小于下臥層轉(zhuǎn)為大于下臥層。在6號樣與5號樣間缺失了19 m的巖心，時間差為3 656 a，由其他組數(shù)據(jù)規(guī)律，我們可以推測缺失的19 m沉積物中可能有3段明顯擾動層。

圖5 沉積物鉆孔巖心擾動帶照片F(xiàn)ig.5 The photos of drilled cores in the disturbed sediments

c.20個土樣中，沉積物粒徑均在0～0.101 9 mm之間，其中，擾動層在0.01～0.075 mm之間最多，0.005～0.01 mm的粉粒物質(zhì)其次，0～0.000 2 mm膠粒物質(zhì)最少，即相對粗粒物質(zhì)占多數(shù)。但相對于非擾動層而言，從巖心柱由上而下，相對粗粒物質(zhì)逐漸減少，顆粒越小的含量越多；相對而言，擾動層的粗細顆粒分布較均勻。由圖6-C可分析出，擾動層與其下臥層相對比，粗粉粒所呈現(xiàn)的規(guī)律同平均粒徑一模一樣。10組數(shù)據(jù)中，7組擾動層的粗粉粒含量及平均粒徑大于下臥層。即一般情況下，擾動層的粗粉粒含量大于其下臥層，但當兩次大地震之間時間間隔較大（＞1 200 a）時，地震發(fā)生時，擾動層的粗粉粒含量由大于下臥層轉(zhuǎn)為小于其下臥層；而當其時間差距較?。?50 a左右）時，擾動層的粗粉粒含量由小于其下臥層轉(zhuǎn)為大于其下臥層。細粉粒的含量對比則幾乎相反。推測大地震的周期為850 a左右。

圖6 擾動層與其下臥層的粒度特征對比圖Fig.6 Comparison between the granularity feature of the disturbed layer and that of the underlying layer

d.當氣候處于“極端”情況時，比如6號樣，氣候處于最暖干，擾動層的粉粒含量即小于其下臥層。相同規(guī)律見于4號樣（氣候最冷干）和2號樣（氣候最暖濕），說明沉積物中粉粒含量與氣候有直接的關(guān)系。同時，由測齡可以看出，當出現(xiàn)“極端氣候”時，發(fā)生大地震與其下一次大地震之間的間隔相對較短，都在850 a左右。這也是擾動層平均粒徑與粗粉粒含量發(fā)生相對變化的時間段。進一步證明大地震周期為850 a的可靠性。

e.總體來看，擾動層的粉粒含量波動較大，其下臥層粉粒的質(zhì)量分數(shù)大多在64%左右；對于黏粒含量，擾動層多在33%左右，而其下臥層波動較大。因此，更進一步證明古堰塞湖沉積物中的地震信息與古氣候環(huán)境信息代用指標之間有很好的對比關(guān)系。

5 結(jié)論

a.疊溪古堰塞湖沉積物保留了完整的地震及環(huán)境信息，從巖心及地表出露的沉積物都可以發(fā)現(xiàn)地震液化的變形構(gòu)造，可以直觀地反映出地震作用時沉積物的形態(tài)特征。

b.擾動層的粗顆粒較多，粉砂的含量多于其下接觸層；擾動層的粒徑在相同含量級之下多于非擾動層的粒徑；其平均粒徑在0.008 mm左右：這些都進一步說明擾動層是由于地震、湖（河）相沉積物振動液化形成的。

c.擾動層出現(xiàn)的周期長短與粒度有密切關(guān)系。擾動層粗粉粒含量與其平均粒徑有一個共同的規(guī)律，即擾動層的粗粉粒含量及平均粒徑大于下臥層；但是，當兩次大地震之間的間隔時間較長（＞1 200 a）時，擾動層粗粉粒含量及平均粒徑均降低了，小于其下臥層；當2次大地震之間的間隔時間較短時（850 a左右），擾動層的粗粉粒含量及平均粒徑又大于其下臥層。大地震的周期與粒度的變化有著密切的關(guān)系。結(jié)合測齡資料，我們推測大地震的周期為850 a左右。

d.兩次大地震之間的間隔時間、氣候變化都與粒度有著重要關(guān)系。當處于相對極端氣候時，擾動層的粉粒含量小于其下接觸層；且出現(xiàn)“極端氣候”時，發(fā)生大地震與其下一次大地震之間的間隔時間相對較短，都在850 a左右。地震周期與氣候的變化是相對應(yīng)的。

本研究得到地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室的支持；王蘭生教授提供了寶貴的意見和建議，在此一并向他們表示衷心感謝！

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Characteristics of Diexi ancient barrier lake sediments brought about by seismic disturbances，Sichuan，China

SHEN Man，WANG Xiao-qun，XU Feng，ZHOU Zhou，CUI Ya-kun State Key Laboratory of Geo-hazard Prevention and Geo-environment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China

In order to study the earthquake cycle，it is necessary to approach the grain size characteristics of lake sediments.The sediments in the Diexi ancient lake located at the upstream of the Minjiang River contain a lot of information about climate and geological environments.The soils in the disturbed layers and the underlying layer（lower contact layer）with obvious disturbance characteristics in the full section cores of the Diexi ancient lake are analyzed by using the methods such as ground investigation，core observation，measurement and dating of particle size and climate analysis.The results show that there are ten obvious disturbed layers，whose disturbing phenomena are the same with that outcropped on the surface of the Diexi ancient lake.The particle size in the disturbed layer is larger than that in the lower contact layer.The particle diameter（d50）of the sediments in the disturbed layers is 0.0068～0.0107 mm and that of the most sediments is about 0.008 mm.The silt content of the disturbed layers fluctuates a lot and the mass fraction of its underlying layer powder is mostly about 64%.On the other hand，the mass fraction of the clay in the disturbance layers is about 33%，while that of the underlying layer fluctuates a lot.The characteristics of these disturbance layers and underlying layers reflect the changes of the lacustrine sediments under the influence of the external force during the deposition process.Combined with the data of the age dating，the result of the initial speculation about the earthquake cycle is about 850 a.

lacustrine sediment；grain size characteristics；disturbed layer；seismic cycle

P534.63

A

10.3969／j.issn.1671-9727.2014.03.13

1671-9727（2014）03-0369-09

2013-09-13

國家自然科學(xué)基金資助項目（41072230）；地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室研究基金資助項目（SKLGP2012Z007）

沈曼（1988－），女，碩士研究生，研究方向：地質(zhì)災(zāi)害評價與防治，E-mail：573117920＠qq.com

王小群（1972－），女，博士，教授，研究方向：地質(zhì)災(zāi)害評價與防治，E-mail：wangxiaoqun＠cdut.edu.cn。