膠東乳山盆地下白堊統(tǒng)止鳳莊組震積構(gòu)造特征

袁 玥,蔡鵬程,李夔州,韋阿娟,葉 濤,譚秀成,王興志

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，成都 610059；2.中海石油(中國(guó))有限公司 天津分公司，天津 300459；3.西南石油大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，成都 610510)

震積巖的研究始于20世紀(jì)50～60年代，B.C.Heezen等[1]于1952年報(bào)道了加拿大Grand Bank地震與所引起的海底沉積物變形和位移。A.Seilacher[2]首次把未固結(jié)的水下沉積物在地震作用下發(fā)生再沉積所形成的沉積巖定義為震積巖，由此掀起了震積巖研究的熱潮。1988年，《Marine Geology》雜志發(fā)表了“地震與沉積作用”專題，系統(tǒng)總結(jié)了震積巖的研究進(jìn)展[3]。中國(guó)對(duì)震積巖的研究始于1988年之后，集中在海相地層中的地震作用、震積巖識(shí)別標(biāo)志、震積巖序列等方面[4]。

毫無疑問，震積巖是構(gòu)造活動(dòng)所引發(fā)地震的地質(zhì)記錄，通過挖掘保留在震積巖中的沉積構(gòu)造的幾何學(xué)特征，分析它們的運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)制，獲得誘發(fā)地震的古構(gòu)造活動(dòng)的性質(zhì)是科學(xué)可行的手段。膠東乳山盆地下白堊統(tǒng)止鳳莊組砂礫巖震積巖發(fā)育，同沉積變形構(gòu)造樣式豐富，是研究誘發(fā)震積巖的斷裂活動(dòng)的絕佳材料?；诖?，本文通過研究止鳳莊組震積巖特征，解剖其構(gòu)造幾何特性，分析其動(dòng)力學(xué)機(jī)制，并結(jié)合碎屑鋯石年代學(xué)的測(cè)試結(jié)果，約束乳山盆地誘發(fā)止鳳莊組震積巖的郯廬斷裂帶的活動(dòng)時(shí)間和性質(zhì)。

1 地質(zhì)背景

乳山盆地位于膠東半島東部，海陽斷裂帶呈NW-NE走向穿越盆地(圖1)。乳山盆地是一個(gè)發(fā)育在太古界變質(zhì)結(jié)晶基底之上的晚白堊世陸相斷陷盆地，基底為太古界膠南群，蓋層自下而上發(fā)育的地層為下白堊統(tǒng)林寺山組和止鳳莊組、中白堊統(tǒng)水南組、第四系(圖2)。在盆地西北，林寺山組不整合于太古界變質(zhì)巖之上；盆地東南部水南組與下元古界膠南群接觸，頂部被第四系覆蓋。白堊系主體為一套沖積扇-辮狀河沉積的中粗粒巖屑長(zhǎng)石砂巖(圖2)。

2 震積巖構(gòu)造特征

2.1 震積巖分類方案

震積巖的分類問題一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，一個(gè)科學(xué)的分類方案對(duì)震積巖相關(guān)科學(xué)問題的研究具有重要的意義[5]。趙衛(wèi)衛(wèi)等[6]根據(jù)震積巖的誘發(fā)因素，將其分為原地震積巖(狹義震積巖)、海嘯巖(地震引發(fā)海嘯形成)以及震濁積巖(地震引發(fā)重力流形成)。

C.Montenat等[7]根據(jù)震積巖形成的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，提出將震積巖分為軟性變形震積巖和脆性變形震積巖兩大類。此分類方案沒有考慮震積巖的幾何形態(tài)，而形成的動(dòng)力學(xué)機(jī)制又是解釋性的成果?；诖?，本文在綜合考慮上述2個(gè)方面因素的情況下，提出了基于震積巖誘發(fā)因素和震積巖形態(tài)學(xué)特征的分類方案(圖3)。

2.2 震積巖構(gòu)造特征

2.2.1 砂枕狀、球枕狀構(gòu)造

研究區(qū)發(fā)育2種類型的枕狀構(gòu)造，即砂枕狀、球枕狀構(gòu)造。其中砂枕狀構(gòu)造分布于泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖中。該類震積構(gòu)造在止鳳莊組分布最為廣泛，共計(jì)33處，在剖面第5、第6層最為發(fā)育，大多數(shù)砂枕的長(zhǎng)軸約10 cm。另外一種為大小不一的球枕狀，分布于剖面第2、第3層中-粗粒砂巖中，露頭上共有20處，其大小為5～25 cm (圖4)。

砂枕狀、球枕狀構(gòu)造形成機(jī)制是由于上下巖層的密度差，上覆密度較大的巖層受到地震或斷裂活動(dòng)影響時(shí)，砂體斷裂并沉陷于下伏軟沉積物之內(nèi)；同時(shí)，斷裂砂塊受到水平剪切作用力的影響，便會(huì)形成砂枕-球枕狀構(gòu)造[5]。

2.2.2 液化砂泥巖脈

乳山盆地止鳳莊組液化砂泥巖脈較為發(fā)育，共計(jì)發(fā)現(xiàn)5處，以上下兩方向流動(dòng)類型為主。脈體寬度在3～5 cm，長(zhǎng)度在10～50 cm，發(fā)育于泥質(zhì)砂巖、粉砂巖中，在剖面第1、第4層最為發(fā)育(圖5)。

該類構(gòu)造為最普遍的軟沉積物變形現(xiàn)象，系同沉積期飽含水的砂質(zhì)沉積物被地震破壞并被孔隙水加壓液化的產(chǎn)物。M.A.Rodriguez-Pascua等[8]認(rèn)為脈體主要以2種方式侵入巖層:一類是下伏液化砂巖層中的脈體垂直向上貫穿上覆巖體，并最終在重力的作用下尖滅；另一種為脈體側(cè)向運(yùn)動(dòng)，在受到上下兩個(gè)方向壓力的情況下，脈體同時(shí)貫穿上下巖層，并最終尖滅。前者在軟沉積物變形構(gòu)造中最為常見。

2.2.3 液化卷曲變形構(gòu)造

在止鳳莊組偶見該類構(gòu)造，主要表現(xiàn)為寬度為1 cm左右的液化砂泥巖脈體近水平分布于第1層砂泥巖內(nèi)部。液化卷曲變形構(gòu)造與液化砂泥巖脈的主要區(qū)別在于兩者是否切斷上下巖層，前者并未貫穿，上下巖層形態(tài)完好，而后者會(huì)破壞上下巖層完整性(圖6)。

液化卷曲變形構(gòu)造是在地震作用下，巖層內(nèi)部發(fā)生的不規(guī)則彎曲現(xiàn)象。其變化多樣、形態(tài)不規(guī)則、發(fā)育連續(xù)等特征使其在野外成為良好的震積巖識(shí)別標(biāo)志。大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為該類現(xiàn)象為地震作用的產(chǎn)物[9]。

由于液化砂泥巖脈形成機(jī)制的特殊性，地震作用時(shí)，脈體不僅受到上覆巖層的重力影響，同時(shí)不同性質(zhì)的斷裂活動(dòng)也會(huì)讓脈體發(fā)生不同程度的方向轉(zhuǎn)變。因此，可以根據(jù)液化砂泥巖脈體方向的變化反演誘發(fā)地震的斷裂帶的活動(dòng)性質(zhì)。

2.2.4 泄水構(gòu)造

在乳山盆地止鳳莊組剖面第3、第5層砂巖層中，共發(fā)現(xiàn)17處泄水構(gòu)造，為大型的、脈體寬度>1 cm的泄水構(gòu)造[10](圖7)。泄水構(gòu)造指沉積物在地震作用下發(fā)生泄水所引起的軟沉積物變形構(gòu)造。泄水脈可發(fā)生向上、向下兩個(gè)方向的位移。一些學(xué)者認(rèn)為如果脈體寬度>1 cm，則為地震作用導(dǎo)致,反之為重力流成因。

2.2.5 層內(nèi)階梯狀微斷層

研究區(qū)止鳳莊組剖面中共發(fā)育層內(nèi)階梯狀微斷層15處，其宿主巖性為長(zhǎng)石砂巖、泥質(zhì)砂巖，斷層傾角在30°左右，寬度在1 cm左右，誘發(fā)機(jī)制為液化作用停止之后，在重力的作用下沉積物壓實(shí)使其表面差異性錯(cuò)動(dòng)所產(chǎn)生(圖6)。

2.3 震積構(gòu)造的分布規(guī)律

震積巖作為地震活動(dòng)在地層中的記錄，是研究地震活動(dòng)強(qiáng)度隨時(shí)間變化規(guī)律的一種有效方法。因此，建立不同類型震積構(gòu)造在地層中的發(fā)育頻次，能夠有效識(shí)別古地震活動(dòng)強(qiáng)度在時(shí)間序列上的變化規(guī)律。

以野外實(shí)測(cè)剖面線方向逐層統(tǒng)計(jì)震積構(gòu)造發(fā)育頻次，以層為單位，建立不同類型震積構(gòu)造發(fā)育分布頻次直方圖(圖8)。從圖8-A中可以看出，地層從下到上，震積構(gòu)造的發(fā)育頻次呈遞增趨勢(shì)，即在止鳳莊組沉積時(shí)期，地震強(qiáng)度與時(shí)間呈正比關(guān)系，在第6層到達(dá)頂峰，此時(shí)的地震活動(dòng)最強(qiáng)。從圖8-B可以看出，在乳山盆地止鳳莊組中，砂枕狀震積構(gòu)造最為發(fā)育，總共有33處；數(shù)量最少的是階梯狀微斷層震積構(gòu)造。砂枕狀震積構(gòu)造是在地震強(qiáng)度Ms>5的情況下被誘發(fā)，階梯狀微斷層的誘導(dǎo)震級(jí)在Ms<0.2[11-12]，因此可以推論，導(dǎo)致止鳳莊組震積巖發(fā)育的地震強(qiáng)度Ms>5；且隨著時(shí)間的推移，地震強(qiáng)度逐漸增加，在第6層位達(dá)到峰值(圖8)。

3 震積巖年代學(xué)特征

為了約束震積巖發(fā)育的時(shí)代，作者選取止鳳莊組第6層的砂巖樣品，開展了碎屑鋯石年代學(xué)的研究，共挑選了86顆碎屑鋯石，碎屑鋯石的測(cè)試工作在廣州澳實(shí)礦物試驗(yàn)所完成。

標(biāo)記點(diǎn)大部分為無色-淺粉紅色、自形、菱形扁平狀晶體(圖9)。晶體長(zhǎng)度為50～150 μm，長(zhǎng)寬比在(1∶2)～(1∶4)。年齡數(shù)據(jù)為106～119 Ma(圖10)，其206Pb/238U表面年齡加權(quán)平均值為114.5 Ma(圖11)，這與He Bizhu等[13]的研究數(shù)據(jù)一致。

4 結(jié)論與討論

a.郯廬斷裂帶活動(dòng)時(shí)間

呈近南北向貫穿盆地的乳山斷裂系郯廬斷裂帶的次級(jí)斷裂[14]。據(jù)采自乳山盆地止鳳莊組第6層的碎屑鋯石U-Pb年齡可以推斷乳山斷裂活動(dòng)的時(shí)間不早于114.5 Ma B.P.，這個(gè)年齡與D.C.Engbretson等[15]和S.Maruyama等[16]的研究結(jié)果相吻合。

b.郯廬斷裂帶活動(dòng)性質(zhì)

據(jù)發(fā)育于止鳳莊組的眾多震積構(gòu)造的變形特征和其中的砂泥巖脈的產(chǎn)狀由第1層內(nèi)的30°轉(zhuǎn)變?yōu)榈?層內(nèi)部接近垂直的狀態(tài)(圖12)，可推斷乳山斷裂在114.5 Ma B.P.之后的活動(dòng)性質(zhì)為左行走滑拉張。

綜上所述，產(chǎn)于乳山盆地下白堊統(tǒng)止鳳莊組的震積巖是郯廬斷裂帶于114.5 Ma B.P.之后的左行走滑拉張作用的地質(zhì)記錄。