Seismites（地震巖）等術(shù)語的概念與名稱

摘要：seismites，按其字面意思理應(yīng)翻譯成地震巖，即與地震有成因聯(lián)系或受發(fā)震斷裂改造、變形的巖石。按發(fā)震時(shí)地質(zhì)材料的固結(jié)程度與力學(xué)性質(zhì)，地震巖可分為震積巖（地震時(shí)尚未固結(jié)成巖的含水沙土層，即軟沉積物）和脆性斷層巖（地震時(shí)已經(jīng)固結(jié)成巖的沉積巖、巖漿巖和變質(zhì)巖）。脆性斷層巖包括斷層角礫巖、碎裂巖、超碎裂巖、假熔巖和斷層泥等。發(fā)育由沙土液化形成的軟沉積物變形構(gòu)造的沉積巖，統(tǒng)稱為“沙土液化巖”（liquefactites），但是長期以來一直被誤譯為seismites。大量的研究表明，并不是所有的沙土液化和軟沉積物變形都是由地震造成的，也并不是所有地震都能導(dǎo)致沙土液化。只有那些所在區(qū)域存在重要發(fā)震斷層、真正由地震引起的區(qū)域性的沙土液化造成的軟沉積物發(fā)育變形構(gòu)造的巖層才能稱之為震積巖（seismic liquefactites）。震積巖不應(yīng)再翻譯成seismites。零星出現(xiàn)的軟沉積物變形構(gòu)造與沙土液化構(gòu)造（例如：砂涌丘）不足以作為古地震的證據(jù)。

關(guān)鍵詞： 地震巖； 沙土液化；震積巖；軟沉積物變形構(gòu)造；構(gòu)造巖；斷層巖

中圖分類號：N04；H083；P5文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8578.2018.06.006

On Seismites， Liquefactites and Fault Rocks//JI Shaocheng

Abstract：Seismites are tectonites or fault rocks that were deformed in a brittle manner by seismic faulting in the Earths lithosphere. They broadly include seismic liquefactites （soft sediments such as watersaturated sandy soils） and brittle fault rocks such as incohesive breccia， cataclasite， ultracataclasite， pseudotachyllyte and fault gouge （solid state sedimentary， igneous and metamorphic rocks）. The sedimentary rocks that developed liquefactioninduced softsediment deformation structures， which have long been erroneously called ‘seismites in the literature， should be named as liquefactites. A large number of studies have shown that soil liquefaction and softsediment deformation structures can be caused not only by seismic shaking but also by any other instability events in various geological settings （e.g.， water waves， tides， floods， ice floes， upward escape of water， differential stressinduced lateral displacement， landslides， and mudflow）. Furthermore， not all earthquakes can cause liquefaction， depending on their moment magnitudes， the distances from the seismic fault， the thickness， water content and properties of the sediments （e.g.， grain size distribution， porosity， and grain surface roughness） and the vertical overburden stress. Only the earthquakeinduced liquefaction deposits can be called seismic liquefactites， which should be mainly distributed about a regionally important seismic fault associated with brittle fault rocks such as gouge， breccia， cataclasite and pseudotachylyte. A sporadic occurrence of small scaled softsediment deformation structures and sandy liquefaction structures （e.g.， sand blows） are not sufficient evidence to support the presence of paleoearthquakes.

Keywords： seismites； liquefaction； seismic liquefactite； soft sediment deformation structure； fault rocks

收稿日期：2018-05-20修回日期：2018-11-01

作者簡介：嵇少丞（1960—），男，1987年獲法國蒙彼利埃大學(xué)博士學(xué)位，自1991年起任加拿大蒙特利爾工學(xué)院教授，主要從事構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、巖石流變學(xué)和物理性質(zhì)的教學(xué)與研究工作。通信方式： sji@polymtl.ca。

一地震巖、構(gòu)造巖和斷層巖

“seismites”這一術(shù)語最初由德國學(xué)者賽拉赫（Seilacher）于 1969年提出[1]， 按其字面意思理應(yīng)翻譯成地震巖，即與地震有成因聯(lián)系或受發(fā)震斷裂改造、變形的巖石。如此這般，地震巖屬于構(gòu)造巖（tectonite）或斷層巖（fault rock）系列中與地震密切相關(guān)的一類特殊巖石。構(gòu)造巖與斷層巖是同義詞，兩者基本可以互換使用[2]。

地震時(shí)已經(jīng)成巖的固態(tài)巖石（火成巖、變質(zhì)巖與沉積巖）和尚未成巖、富含水的軟沉積物具有非常不同的變形行為和差異極大的流動強(qiáng)度。即使同為固體的巖石對構(gòu)造應(yīng)力與應(yīng)變的響應(yīng)不僅取決于巖性而且還取決于巖石所處的深度。隨著深度增加，圍壓與溫度相應(yīng)地增加，巖石由脆性、半脆性逐漸過渡到塑性。脆-韌性轉(zhuǎn)變帶的深度主要取決于巖性與地?zé)崽荻?。以石英和長石為主控礦物的巖石的脆-韌性轉(zhuǎn)變溫度分別約為300℃和450℃[3-4]。若某地區(qū)地?zé)崽荻葹?0℃/km，上述以石英和長石為主控礦物的巖石的脆-韌性轉(zhuǎn)變的深度則分別為約15km和22～23km。韌性變形域中的構(gòu)造巖屬于糜棱巖系（表1），按重結(jié)晶的程度（體積百分比）可分為初糜棱巖（<50%）、糜棱巖（50%～90%）和超糜棱巖（>90%）。韌性變形域中巖石發(fā)生塑性蠕變，而不發(fā)生地震。位于脆-韌性轉(zhuǎn)變帶之上的脆性域中的斷層巖石具黏滑特性，即在兩次地震之間除了發(fā)生少量彈性變形之外，斷層鎖住不動，只有當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力積累到脆性斷裂或摩擦強(qiáng)度之后才突然發(fā)生破裂、破碎與滑移，能量釋放引發(fā)地震，形成脆性構(gòu)造巖，屬于碎裂巖系（表1）。后者據(jù)碎裂程度可分為斷層角礫巖（<50%）、碎裂巖（50%～90%）、超碎裂巖（>90%）等。如果碎裂巖在其形成過程中因?yàn)槟Σ辽鸁岫l(fā)生部分熔融，而后再迅速冷卻形成含玻璃（往往呈黑色）的碎裂巖，則叫玻化巖或假熔巖（pseudotachyllyte）。淺表的斷層巖，特別是那些被無數(shù)次地震研磨呈粉狀物（碎粒比表面積大大增加），與地下水反應(yīng)，水化生成低溫黏土礦物（例如：蛭石、蒙脫石、滑石、高嶺石、蛇紋石等），這類沒有完全固結(jié)的、超細(xì)晶粒的斷層物質(zhì)則叫“斷層泥”（fault gouge）。由上述黏土礦物組成的斷層泥的摩擦系數(shù)一般都比較低（<0.3），構(gòu)造變形以蠕滑而非黏滑為主。斷層角礫巖、碎裂巖、超碎裂巖、玻化巖、斷層泥統(tǒng)統(tǒng)都屬于地震巖。必須指出，巖石破裂、裂紋擴(kuò)張、碎塊位移與旋轉(zhuǎn)必然導(dǎo)致體積膨脹，吸空作用造成承壓圍巖中的流體快速涌進(jìn)破裂帶，流體壓力驟然降低造成原先溶解于高壓流體中的礦物質(zhì)例如SiO2或CaCO3結(jié)晶成石英或方解石，把斷層角礫膠結(jié)起來，從而降低斷層巖的孔隙度與滲透率，待以百年或千年流體壓力重新積累升高，復(fù)發(fā)新的地震[5-6]。上述過程循環(huán)往復(fù)。

二沙土液化與軟沉積物變形

地震特別是強(qiáng)震會造成發(fā)震斷裂通過的地區(qū)或附近區(qū)域發(fā)生強(qiáng)烈的地面震動，導(dǎo)致松散軟沉積物的變形（圖1）。這類軟沉積物包括海底、河道與湖泊相的沉積物與流沙土等，它們空隙度大，內(nèi)含飽和水，具觸變性（thixotropy）。在靜態(tài)情況下，沙土中各個(gè)礦物顆粒是相互接觸的，顆粒間的流體壓力很低，不足以支離相鄰顆粒，影響顆粒接觸與應(yīng)力支撐，固有一定的穩(wěn)定性。但在動態(tài)情況下，例如地震波強(qiáng)烈晃動下，顆粒間的流體壓力增加，能夠支離相鄰顆粒，降低其顆粒間的接觸與摩擦力，使得水飽和的松散沉積物瞬刻失去穩(wěn)定性，呈現(xiàn)出液態(tài)的物理性質(zhì)，這種地質(zhì)現(xiàn)象稱之為沙土液化（liquefaction）。沙土液化后發(fā)生流動會形成一系列特殊的構(gòu)造，例如充填-膠結(jié)（噴砂、砂質(zhì)或泥質(zhì)巖脈）、層內(nèi)褶曲（液化旋卷層等）、擠斷（層內(nèi)微斷層等）[7-14]。發(fā)育上述構(gòu)造特征的巖石應(yīng)稱之為liquefactite（沙土液化巖），即保留由沙土液化造成軟沉積物變形構(gòu)造的沉積巖。

但是，觸發(fā)沙土液化的原因有很多，地震只是其中之一，而且并不是所有地震都能造成地表沙土液化，只有超過一定震級的強(qiáng)震才能有足夠的能量在發(fā)震斷裂及其附近地區(qū)激發(fā)沙土液化（圖1）。另外，即使在發(fā)震斷裂帶所在區(qū)域，軟沉積物能否發(fā)生液化，還取決于軟沉積物自身的性質(zhì)，即含水量、顆粒形狀與粒徑的分布。只有當(dāng)沙土中的流體體積含量超過一定的臨界值（30%～40%）之后，固體顆粒之間才能有效地被流體分開，不再彼此接觸。流體一旦在三維空間中構(gòu)成雖然彎曲卻是連續(xù)的應(yīng)力支撐格架，砂-水兩組分復(fù)合體系的宏觀力學(xué)強(qiáng)度就會驟降，在重力或構(gòu)造振動作用下，其行為就像流體一般，發(fā)生流動。沙土液化涉及材料流變學(xué)的問題，即強(qiáng)相支撐體系（例如：多孔材料和固-液復(fù)合材料）到弱相支撐體系（例如：懸浮液）流變行為轉(zhuǎn)變及其臨界條件等科學(xué)問題。1905年愛因斯坦的博士論文——《論分子大小的測定》[16]（發(fā)表于1906年，1911年他又糾正了文中一個(gè)小錯(cuò)誤）就是研究理想懸浮液的黏度隨其中所含固體顆粒的體積含量（Vs）的變化規(guī)律，因其廣泛的實(shí)用性，該論文的引用率遠(yuǎn)超過愛因斯坦關(guān)于相對論、光電效應(yīng)以及質(zhì)量-能量相互轉(zhuǎn)化的論文。這篇文章也因此成為流變學(xué)的開山之作。當(dāng)然，愛因斯坦在推導(dǎo)公式時(shí)為了簡化起見做了若干假說，例如：固體粒子為等大、表面光滑的、不可變形的剛性球體；固體和流體之間沒有密度差，也沒有摩擦力，流體為不可壓縮的牛頓流體，體系不受邊界的影響，等等。雖然實(shí)際懸浮液很難滿足上述理想條件，但是他推導(dǎo)出來的公式與許多稀釋懸浮液如糖水、油漆、血液等的實(shí)驗(yàn)材料基本吻合。

在含高濃度、不規(guī)則形狀固體顆粒的懸浮液中，固體粒子相互碰撞與接觸，黏結(jié)成團(tuán)，部分流體填充到聚合團(tuán)內(nèi)的間隙中去，從而減小了系統(tǒng)中流體的有效體積分?jǐn)?shù)，亦即增加了固體粒子的有效體積分?jǐn)?shù)，其結(jié)果就是增加懸浮液的有效黏度或流動強(qiáng)度。后來的科學(xué)家[17-18]發(fā)現(xiàn)應(yīng)該用Vs/Vm替代愛因斯坦（1906年）公式中的Vs，這里Vm是最大堆積密度。當(dāng)Vs達(dá)到或超過Vm時(shí)，固體顆粒相互連接形成應(yīng)力支撐格架，存在于顆粒間隙中的流體分量不足，不再能對粒間運(yùn)動起潤滑作用。此時(shí)，體系從流體行為轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)行為。

閾值Vm取決于固體顆粒的形狀、粒徑分布、形狀優(yōu)選定向（shape preferred orientation）以及剪切應(yīng)變量和剪切速率。在通常情況下，Vm隨顆粒的長/寬比增加而減少，有形狀優(yōu)選定向比沒有形狀優(yōu)選定向具有更小的Vm值。若固體顆粒為等大球體，則Vm和球徑無關(guān)，Vm=π/18（0.74），此值對應(yīng)于開普勒猜想中的等大球體的最大堆積密度[19]。通常0.74被看作是理論上不可逾越的最大值。這個(gè)開普勒就是那個(gè)著名的天文學(xué)家開普勒。文獻(xiàn)[20-21]的理論推導(dǎo)得出任意最緊密堆積密度為0.637。將等大剛球置入已知體積剛性容器的實(shí)驗(yàn)也證明任意緊密堆積的密度介于0.601和0.637之間。前人的理論分析和計(jì)算機(jī)模擬得出等大球體的任意緊密堆積密度約為0.64。由此可見，任意緊密堆積密度遠(yuǎn)小于立方面心或六方最緊密堆積密度。Vm的下限值應(yīng)該是0.555[22]，此值對應(yīng)于等大球體的任意疏松堆積，小于此值就無法在三維空間堆積成形了。所以，等大球體懸浮體系液態(tài)行為向固態(tài)行為的轉(zhuǎn)變應(yīng)出現(xiàn)在Vs=0.555和Vs=0.64之間。火山噴發(fā)巖的研究表明，自然界含非球狀礦物晶體巖漿的Vm一般約為0.60。此外，Vm隨剪切應(yīng)變量的增加而增加，這是因?yàn)榈V物晶體的形狀優(yōu)選定向程度隨剪切應(yīng)變量的增加而增強(qiáng)。

前人的研究發(fā)現(xiàn)，Vm還取決于顆粒徑分布的范圍。小顆粒會填進(jìn)大顆粒間的空隙之中，從而騰出部分空間來。粒徑呈單峰分布的顆粒要比多峰分布的顆粒更易形成應(yīng)力支撐格架。在相同的條件下，粒徑呈多峰分布的體系的相對黏度比粒徑呈單峰分布的體系能小一個(gè)多數(shù)量級。強(qiáng)烈地震造成的地表振動能夠使得沙粒發(fā)生重新排列，細(xì)沙流進(jìn)粗砂之間的間隙，騰出更多的空間被擠出的水充填，出現(xiàn)冒水噴沙，在地表形成砂涌丘（sand blow或sand boil）。粗砂比例減少和細(xì)沙體積分?jǐn)?shù)增加使得沙土液化更容易發(fā)生[23-24]。動態(tài)失穩(wěn)（例如：發(fā)生地震）時(shí)，有上覆壓力（處于一定的埋藏深度）比沒有上覆壓力（地表）的水飽和沙土層更容易發(fā)生沙土液化[23-24]，于是下層位流動沙土侵入上覆層形成砂質(zhì)巖脈和層內(nèi)微斷層等變形構(gòu)造。此外，Vm值還隨顆（砂）粒表面糙度（roughness）增加而減小。

大洋俯沖帶的巨震還會造成海嘯，到達(dá)淺海-濱海地帶能使海水驟然升高，例如1896年和1933年在日本本州的三陸外海發(fā)生的地震海嘯使得當(dāng)?shù)睾Ｆ矫嫔仙?0～24m，這樣的巨浪威力很大。2004年12月26日發(fā)生在印尼蘇門答臘島西的矩震級達(dá)到9.1級的特大地震造成的海嘯可以把直徑2～3m的巖塊向大陸方向推移近900m[25-27]。這些巖塊在移動過程中一路碾壓與推擠尚未固結(jié)的軟沉積物，最后與層序紊亂的泥沙相混雜，固結(jié)之后就成為“海嘯巖”（tsunamites）。海嘯巖中的泥沙部分往往發(fā)育丘狀-洼狀層理[14]。

雖然構(gòu)造地震能夠造成沙土液化，形成軟沉積物變形構(gòu)造（softsediment deformation structures），但并不是所有的軟沉積物變形構(gòu)造都是由地震造成的。能造成沙土液化和軟沉積物變形構(gòu)造的非地震成因很多[8-12]，例如：（1）大洪水[28-29]；（2） 地形與斜坡造成的壓力差導(dǎo)致的側(cè)向擠壓，造成軟沉積物褶皺與逆沖；（3）承壓層位的地下水穿越上覆沙土層后溢出，形成砂涌丘等；（4）大風(fēng)大浪大潮對水下軟沉積物的騷動；（5）滑坡、塌方與泥石流；（6）隕石對湖底或海底的撞擊；（7）冰川活動與淺水浮冰運(yùn)動（見圖2）；（8）地下水壓致裂；（9）溫泉； （10）火山；（11）生物（動物與植物）的活動；等等。只有那些具有區(qū)域性、有固定層位、在所在區(qū)域發(fā)現(xiàn)重要地震斷層的軟沉積物變形才能被認(rèn)作是地質(zhì)誘發(fā)的震積巖。伴隨地震斷層的應(yīng)存有碎裂巖系或假熔巖等脆性變形巖石，后者的原巖一般為固態(tài)巖石，而非尚未固結(jié)的軟沉積物。正如馮增昭先生強(qiáng)調(diào)的，單憑個(gè)別零星分布的軟沉積物變形構(gòu)造與沙土液化構(gòu)造不足以作為古地震的證據(jù)[30]。

三 結(jié) 論

綜上所述，seismites按其字面意思理應(yīng)翻譯成地震巖，即與地震有著成因聯(lián)系的一類變形巖石。若原巖為已經(jīng)成巖固化了的巖石（巖漿巖、變質(zhì)巖和沉積巖），seismites則對應(yīng)于地殼中脆性變形的構(gòu)造巖或斷層巖，包括斷層角礫巖、碎裂巖、超碎裂巖、?；瘞r和斷層泥等。在發(fā)震斷裂及其附近地區(qū)尚未固結(jié)的淺表含水沉積物中，強(qiáng)震會觸發(fā)沙土液化，造成軟沉積物發(fā)生變形，這類成巖后保留地震成因的軟沉積物變形構(gòu)造的沉積巖稱之為震積巖，后者翻譯成英文應(yīng)該是seismic liquefactites。然而，并不是所有的沙土液化和軟沉積物變形都是由地震造成的。只有那些所在區(qū)域存在重要發(fā)震斷層、真正由地震引起的區(qū)域性的沙土液化造成軟沉積物發(fā)育變形構(gòu)造的巖層才能稱之為震積巖。為了區(qū)別起見，可以把那些尚未確定與地震有著成因聯(lián)系的、但發(fā)育由沙土液化形成的軟沉積物變形構(gòu)造的沉積巖，稱為沙土液化巖（liquefactites）。換言之，震積巖屬于沙土液化巖，但并不是所有的沙土液化巖都是震積巖，任何零星分布的軟沉積物變形構(gòu)造與沙土液化構(gòu)造（例如：砂涌丘）不足以作為古地震的證據(jù)。所以，地震巖（seismites）是包括震積巖（地震時(shí)尚未固結(jié)成巖）與脆性斷層巖（地震時(shí)已經(jīng)固結(jié)成巖）一類地震變形巖石的總稱。

致謝： 感謝《中國科技術(shù)語》編輯部邀請筆者對seismites發(fā)表意見，感謝馮增昭教授有益的討論。

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