地震成因軟沉積物變形記錄的地震強(qiáng)度研究進(jìn)展

鐘寧，蔣漢朝，李海兵，蘇德辰，徐紅艷，梁蓮姬

1)自然資源部活動(dòng)構(gòu)造與地質(zhì)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京，100081；2)中國地質(zhì)調(diào)查局新構(gòu)造與地殼穩(wěn)定性研究中心，北京，100081；3)地震動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國地震局地質(zhì)研究所，北京，100029；4)深地動(dòng)力學(xué)自然資源部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所，北京，100037；5)北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京，100124

內(nèi)容提要:確定地震震級(jí)對(duì)中長期地震預(yù)報(bào)、震后應(yīng)急救援和地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)具有重要意義。古地震學(xué)是研究地質(zhì)記錄中的地震事件，特別是它們的位置、時(shí)間和震級(jí)大小。然而，傳統(tǒng)由地表破裂參數(shù)確定的古地震震級(jí)仍存在不確定性(大多數(shù)地震事件不會(huì)導(dǎo)致地表破裂，或位移小于0.3 m)，尤其是由湖泊沉積記錄的古地震事件。為了解決未發(fā)現(xiàn)明顯位錯(cuò)地震震級(jí)問題，本文依據(jù)軟沉積物變形構(gòu)造的類型和形式，對(duì)確定地震震級(jí)/強(qiáng)度的方法(經(jīng)驗(yàn)估算、最大液化距離、擾動(dòng)層厚度、軟沉積物變形類型，經(jīng)驗(yàn)公式，快速沉積砂層厚度)進(jìn)行總結(jié)和討論，并分析其理論基礎(chǔ)、優(yōu)缺點(diǎn)、誤差大小、適用性、存在問題等。并以中東死海盆地利桑組晚更新世湖相沉積中的震積巖(混雜層)和岷江上游蘿卜寨晚第四紀(jì)湖相沉積中地震成因的液化底劈為例，利用上述6種方法推斷，其代表的震級(jí)分別為M5.5～6.5和M6.0～7.0，進(jìn)一步證實(shí)了前人的研究結(jié)果。這6種方法的結(jié)合，為確定地震震級(jí)/強(qiáng)度，特別是湖泊沉積中的地震事件提供了一種新的、相對(duì)便捷的方法。該研究可為基于地表破裂參數(shù)確定的古地震震級(jí)提供可靠的參考，為更好地認(rèn)識(shí)構(gòu)造活躍地區(qū)的地震活動(dòng)性和危險(xiǎn)性提供數(shù)據(jù)支持。

地震是地球動(dòng)力作用的表現(xiàn)，它是地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)失去平衡，應(yīng)力突然釋放并產(chǎn)生巨大能量的災(zāi)變事件。強(qiáng)烈的破壞性地震不僅引起地表位錯(cuò)、破裂和裂隙、構(gòu)造隆升或沉降、大量的滑坡崩塌和塵暴，場(chǎng)地的液化、海平面突然變化及海嘯，還導(dǎo)致地下水位變化、水文異常、河流變遷、生態(tài)變化，以及人類的生命和財(cái)產(chǎn)損失等(Michetti et al.，2007；Reicherter et al.，2009)(圖1)。震級(jí)越強(qiáng)，震中附近的破壞性和毀滅性越大，對(duì)自然、社會(huì)和人類生存環(huán)境的影響也越大。對(duì)于強(qiáng)烈地震(M≥7.5)尤為顯著，例如1999年臺(tái)灣Ms7.6集集地震(Chang Muhsiung et al.，2012)和2008年汶川Ms8.0地震(Liu-Zeng Jing et al.，2012)，均造成了重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此，地震震級(jí)/強(qiáng)度的確定對(duì)于中長期地震預(yù)報(bào)、震后應(yīng)急救援和地震危險(xiǎn)性評(píng)估具有重要意義?？梢?，建立一個(gè)較為完整的和新穎的地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

古地震學(xué)是研究地質(zhì)記錄中的地震事件，特別是它們的位置、時(shí)間和震級(jí)，分為古液化和地貌瞬時(shí)變形的研究。古地震學(xué)中的古液化研究側(cè)重于軟沉積物變形構(gòu)造(SSDS)和液化引起的地表破壞等(Mccalpin and Nelson，1996；Michetti et al.，2007)。傳統(tǒng)古地震震級(jí)確定主要基于矩震級(jí)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，包括地表破裂長度、破裂面積，以及同震事件的最大或者平均位移等(Wells and Coppersmith，1994；鄧起東等，2004)。盡管這些方法受到了廣泛的關(guān)注并取得了一定的成果，但仍然存在三個(gè)方面的問題。首先是同震位錯(cuò)量未達(dá)到地表或小于0.3 m(M=6～6.8)時(shí)，無法確定其地震活動(dòng)性(冉勇康和鄧起東，1999)。其次，通過探槽開挖研究古地震并不總是有效的，因?yàn)槎鄶?shù)地震不會(huì)造成明顯的地表破裂。例如，2013廬山Ms7.0地震(Chen Lichun et al.，2014)，2015年皮山Ms6.4地震(Li Tao et al.，2016)，2015年尼泊爾Ms8.1地震(劉剛等，2015)和2017年九寨溝Ms7.0地震(徐錫偉等，2017)，震后應(yīng)急考察中都沒有發(fā)現(xiàn)明顯的同震地表破裂，但這些地震均對(duì)建筑物造成破壞，還產(chǎn)生了大量張性地裂縫、滑坡、基巖崩塌和液化現(xiàn)象。最后，關(guān)于多大地震可以產(chǎn)生地表破裂還存在很大爭議。唐茂云等(2015)分析了1950～2014年全球范圍內(nèi)有明確記錄產(chǎn)生地表破裂的56個(gè)中小強(qiáng)度震例，發(fā)現(xiàn)伴有地表破裂地震的震級(jí)下限比M61/2要小，可能在M5.0級(jí)左右，極端情況下震級(jí)可以低至M3.6級(jí)(例如1966年的Lompoc地震，震源深度只有1.1 km)。通過探槽研究古地震僅能識(shí)別少數(shù)的幾次古地震事件，時(shí)間尺度也較短。由于缺乏地表破裂和明顯的位錯(cuò)，沉積記錄(如湖泊沉積)的古地震震級(jí)已成為研究的熱點(diǎn)問題。因此，建立一個(gè)新的古地震震級(jí)方法是古地震學(xué)研究的一個(gè)重要課題。

除產(chǎn)生地表破裂外，地震作用(M≥4.5)常導(dǎo)致飽含水未固結(jié)的沉積物產(chǎn)生液化和(或)流化作用(Allen，1986)，從而形成不同類型的軟沉積物變形構(gòu)造(SSDS)。沉積記錄或探槽中的軟沉積物變形也常作為構(gòu)造活動(dòng)區(qū)域古地震發(fā)生的關(guān)鍵性證據(jù)之一(Sims，1973；喬秀夫，1996；Moretti et al.，1999；杜遠(yuǎn)生和韓欣，2000；田洪水等，2003；殷秀蘭等，2005；喬秀夫等，2006;黃宏偉等，2007；Moretti and Sabato，2007；王昌勇等，2008；王約等，2009；Jiang Hanchao et al.，2014，2016，2017；Tian Hongshui et al.，2016；van Loon et al.，2016；鐘寧等，2017，2020a；Liang Lianji et al.，2018；Zhong Ning et al.，2019；丁孝忠等，2021)。早在40年前，研究人員就開始分析和討論SSDS與地震震級(jí)/強(qiáng)度的關(guān)系，主要的方法有經(jīng)驗(yàn)估算法(Seed and Idriss，1971；Scott and Price，1988)、最大液化距離法(Kuribayashi and Tatsuoka，1975；喬秀夫等，2017)、擾動(dòng)層厚度法(Hibsch et al.，1997；Rodriguez-Pascua et al.，2003)、經(jīng)驗(yàn)公式法(Rodriguez-Pascua et al.，2003)、變形類型法(Rodriguez-Pascua et al.，2000；Neuwerth et al.，2006；鐘寧等，2017)、快速沉積砂層厚度法(Moernaut et al.，2014；鐘寧等，2020b)等。本文的目的是：① 總結(jié)利用SSDS確定地震強(qiáng)度的方法；② 分析各種方法的適用性和優(yōu)缺點(diǎn)；③ 發(fā)展一種相對(duì)便捷的軟沉積物變形與地震震級(jí)/強(qiáng)度方法。本文的研究成果可為更好地認(rèn)識(shí)區(qū)域地震危險(xiǎn)性及其相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害提供了科學(xué)依據(jù)。

1 確定古地震震級(jí)的方法

基于SSDS類型和樣式確定地震震級(jí)/強(qiáng)度的方法有經(jīng)驗(yàn)估算法、最大液化距離法、擾動(dòng)層厚度法、經(jīng)驗(yàn)公式法、變形類型法、快速沉積砂層厚度法等。其中最常用的方法是最大液化距離法和變形類型法。經(jīng)驗(yàn)估計(jì)法和擾動(dòng)層厚度法分別基于液化強(qiáng)度和SSDS變形幅度與地震強(qiáng)度的關(guān)系。這兩種方法只能提供地震震級(jí)/強(qiáng)度的下限，使用較少。經(jīng)驗(yàn)公式和累計(jì)砂層厚度法分別以軟沉積物變形層厚度及其與上覆砂層厚度與震級(jí)的關(guān)系。由于SSDS變形機(jī)制和湖泊沉積過程的復(fù)雜性，該方法仍在探索中。而且對(duì)變形層厚度(<15 cm)和堆積砂層厚度(<50 cm)也有嚴(yán)格要求，限制了其使用范圍。下面，我們將逐個(gè)分析每種方法的適用性和優(yōu)缺點(diǎn)。

1.1 經(jīng)驗(yàn)估算

在構(gòu)造活動(dòng)區(qū)域，斷層的活動(dòng)常導(dǎo)致地震的發(fā)生，而地震作用過程中地殼顫動(dòng)引起的各種作用力(振動(dòng)力、剪切力、擠壓力和拉張力等)使得飽含水未固結(jié)的沉積物發(fā)生液化或(和)流化作用，形成復(fù)雜多變的各種變形體。起初一些研究者認(rèn)為M2.0～3.0的地震就能夠?qū)е乱夯饔?Seed and Idriss，1971)。隨后，Scott 和Price(1988)認(rèn)為地震小于M5.0級(jí)時(shí)，距離震中4 km以外的地區(qū)，不能引起沉積物的液化；或者震級(jí)為7級(jí)時(shí)，地震影響的液化距離不超過20 km。Valera 等 (1994)認(rèn)為最易受影響的礫石沉積中，誘發(fā)液化現(xiàn)象的震級(jí)約為M7.0級(jí)(例如，2008年汶川Ms8.0地震中，礫石土的液化占所有液化點(diǎn)的80%～85%，Cao Zhenzhong et al.，2010)，而砂土液化所需震級(jí)約為M5.5。Marco 和 Agnon(1995)認(rèn)為能夠觸發(fā)液化的震級(jí)應(yīng)高于M4.5級(jí)，這也符合科學(xué)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果(Kuribayashi and Tatsuoka,1975；Youd，1977)。多數(shù)研究者(Youd，1977；Allen，1986；Scott and Price，1988；Galli，2000)認(rèn)為地震震級(jí)M≥5.0級(jí)時(shí)，近地表、飽含水，半固結(jié)到松散的沉積物中才能產(chǎn)生明顯的液化現(xiàn)象。而震級(jí)M<5.0級(jí)時(shí)，地震沒有足夠的持續(xù)時(shí)間(或動(dòng)能)引起沉積物液化。

Ⅵ級(jí)地震烈度(MMI，修正麥加利地震烈度)區(qū)是小尺度SSDS(如褶皺、假結(jié)核、擾動(dòng)層理和橫臥褶皺)廣泛發(fā)育的下限值(Sims，1975)。盡管在Ⅴ～Ⅵ級(jí)地震烈度可以發(fā)現(xiàn)液化現(xiàn)象，Keefer(1984)認(rèn)為導(dǎo)致液化變形的最低烈度是MMI>Ⅶ。Monecke 等(2004)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于湖泊沉積物可能需要MMI>Ⅵ～Ⅶ，才會(huì)受到影響，或發(fā)生液化現(xiàn)象。當(dāng)M=5.0～5.5時(shí)，地震會(huì)產(chǎn)生小規(guī)模的SSDS，如擾動(dòng)和扭曲變形，以及液化變形(如碟狀構(gòu)造)(Monecke et al.，2004，2006)。當(dāng)?shù)卣鹨痫柡练e物液化和/或流化，形成各種類型的SSDS時(shí)，其應(yīng)M≥5.0或MMI≥Ⅵ。經(jīng)驗(yàn)估算法的優(yōu)點(diǎn)是方便、快速和適用范圍廣。缺點(diǎn)是精度有限，只提供地震震級(jí)/強(qiáng)度下限值。因此，經(jīng)驗(yàn)估算法僅能作為一種初步的地震震級(jí)/強(qiáng)度估計(jì)方法。

1.2 最大液化距離

地震造成的沙土液化現(xiàn)象與地震的震級(jí)和震源深度具有明顯的相關(guān)性，在其他條件相同的情況下，震級(jí)越大，地震造成的液化分布范圍越廣。古地震震級(jí)是參考現(xiàn)代地震與歷史地震觸發(fā)的沙土液化記錄統(tǒng)計(jì)給出的，關(guān)鍵是要確定與震中最遠(yuǎn)的沙土液化的位置。因此在野外區(qū)域地質(zhì)調(diào)查或古地震專題研究中要盡量找尋和確定與發(fā)震斷裂最遠(yuǎn)的液化變形位置。Kuribayashi和Tatsuoka(1975)根據(jù)1872～1968年以來日本境內(nèi)44次Ms>5.3的地震資料，繪制了日本地震與液化分布圖，發(fā)現(xiàn)最遠(yuǎn)液化距離(R)與地震震級(jí)(M)之間存在明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，首次繪制了R—M關(guān)系圖(圖2)。劉穎和謝君裴(1984)統(tǒng)計(jì)了中國1955年前近900年間30余次M5.0級(jí)以上的地震資料，繪制了中國的液化現(xiàn)象與地震震級(jí)和最大震中距離的關(guān)系圖。Obermeier(1996，1998)和Obermeier 等(2002)在多篇文章和報(bào)告中對(duì)Ambraseys(1988)的結(jié)果進(jìn)行了修正補(bǔ)充。喬秀夫等(2017)制作了綜合性的最大液化距離與地震震級(jí)關(guān)系圖(圖3)，表明地震震中與地表最遠(yuǎn)液化點(diǎn)之間具有明顯的線性關(guān)系。因此，可以根據(jù)野外確定的液化點(diǎn)與地震震中(或發(fā)震斷層)之間的距離，利用現(xiàn)有的R—M圖件，反推地震的震級(jí)。

圖2 地震震級(jí)與最遠(yuǎn)地表液化點(diǎn)關(guān)系圖(Kuribayashi and Tatsuoka，1975)Fig.2 Relatienship between the maximum epicentrical distance of liquefied sites R and magnitude M(Kuribayashi and Tatsuoka，1975圖中的數(shù)字為地震編號(hào)The number in the figure are earthquake No.

在野外往往很難確定所研究的液化變形是否是距震中最遠(yuǎn)的，但仍可用圖3來推測(cè)古地震震級(jí)，因?yàn)槠浣o出了一個(gè)震級(jí)由小到大的合理變化范圍。古地震由古發(fā)震斷裂觸發(fā)軟沉積物變形(包括液化變形)，只有確定古發(fā)震斷裂方能應(yīng)用圖3。與現(xiàn)代地震震中相同，古地震震中(宏觀與微觀震中)也應(yīng)沿?cái)嗔逊植?。?dāng)不知道古地震震中時(shí)，可以將最遠(yuǎn)的液化變形記錄與發(fā)震斷裂垂直的直線距離投影至圖3中，得出古地震震級(jí)。當(dāng)然，這里給出的古地震震級(jí)只是準(zhǔn)定量的，不可能像現(xiàn)代地震震級(jí)的確定。

圖3 液化變形最大震中距(R)與地震震級(jí)(M)關(guān)系圖(據(jù)喬秀夫等，2017修改)Fig.3 Relationship of magnitude(M)and maximum liquefied deformation distance(R)圖中地震震級(jí)主要為矩震級(jí)，中國的地震用灰色實(shí)心圓圈表示，除汶川地震外，均為Ms震級(jí)。黑色虛線代表最大的地震震級(jí)，灰色虛線代表最小地震地級(jí)The magnitude of the earthquakes in the figure is mainly moment magnitude.The earthquakes in China are represented by gray solid circles.Except for the Wenchuan earthquake,they are all Ms magnitude.The black dotted line represents the largest earthquake magnitude and the gray dotted line represents the smallest earthquake magnitude

1.3 擾動(dòng)層厚度

地震震級(jí)越大，其釋放能量越大，破壞性也越強(qiáng)，對(duì)震中范圍內(nèi)沉積物擾動(dòng)程度也越強(qiáng)。關(guān)于軟沉積物變形構(gòu)造的厚度與地震強(qiáng)度關(guān)系，已有學(xué)者做了一些嘗試。Sims(1973)通過加利福尼亞州圣費(fèi)爾南多Van Norman人工湖中記錄的軟沉積變形(負(fù)載和卷曲)的研究，在考慮距震中位置情況下，分別獲得了1930年M5.2、1952年M7.7和1971年M6.5等3次地震對(duì)湖相沉積物擾動(dòng)的烈度為Ⅵ、Ⅶ和Ⅷ～Ⅸ級(jí)，沉積物擾動(dòng)厚度為厘米到毫米級(jí)。Guiraud和Plaziat(1993)測(cè)量了尼日利亞東北部Beune盆地下白堊統(tǒng)Bima砂巖組震積巖的變形強(qiáng)度。Hibsch 等(1997)比較了厄瓜多爾基多盆地北部全新世河湖相沉積中同震軟沉積物變形層厚度(擾動(dòng)或卷曲變形層)和歷史地震強(qiáng)度分布，提出了一種新的古地震強(qiáng)度估算方法，該方法對(duì)Ⅵ以上的地震強(qiáng)度區(qū)具有較好的約束。圖4為基多的古地震強(qiáng)度與同震變形層厚度的關(guān)系?？紤]到沉積學(xué)特征對(duì)地層厚度的影響，對(duì)于相似巖性(粒度、分選、巖石學(xué)、壓實(shí)度等)的地層，地震強(qiáng)度越強(qiáng)，擾動(dòng)層越厚。Ⅵ級(jí)強(qiáng)度地震對(duì)應(yīng)擾動(dòng)層厚度為0～8 cm；Ⅺ級(jí)強(qiáng)度地震對(duì)應(yīng)擾動(dòng)層厚度為27～53 cm。值得注意的是，擾動(dòng)層產(chǎn)生于水/沉積物界面，并具有以下特征：卷曲變形和破碎層的厚度與滑塌作用無關(guān)；變形層與震后的水平砂層沉積具有相同的巖性組合(Hibsch et al.，1997)。由于統(tǒng)計(jì)資料較少，缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，且局限于一個(gè)地點(diǎn)的研究結(jié)果，從而限制了其使用范圍。此外，該方法并未考慮地震波(振幅和傳播時(shí)間)對(duì)沉積層厚度的影響(李留藏等，1991)。在一個(gè)特定的沉積序列中，地震波可使同一層(或一組)沉積物變形，而與震級(jí)無關(guān)。強(qiáng)震也可能僅導(dǎo)致薄層狀沉積層變形，而弱震也可能使厚層狀地層變形，需要進(jìn)一步的研究。

圖4 地震烈度與水平擾動(dòng)層厚度關(guān)系圖(Hibsch et al.，1997)Fig.4 Scales of relations seismic intensity—thickness of contorted bedding horizon(Hibsch et al.，1997)

1.4 經(jīng)驗(yàn)公式

“b”值是由古登堡和里克特提出的大小地震之間的重要統(tǒng)計(jì)關(guān)系，通常采用最小二乘法對(duì)lgN=a-bM關(guān)系式求解b值，主要用于衡量某地區(qū)地震活動(dòng)水平的標(biāo)志，是地震危險(xiǎn)性和地震預(yù)報(bào)分析的基礎(chǔ)參數(shù)(易桂喜等，2013)。Rodriguez-Pascua 等(2003)發(fā)現(xiàn)西班牙中新世的Cenajo、Hijar和Elche de la Sierra盆地湖相沉積中73個(gè)震積巖的頻率—厚度關(guān)系服從指數(shù)關(guān)系，且求解的“b”值(0.86±0.06)與利用震級(jí)與頻度關(guān)系求解的b值(0.86±0.08)相同。另外，他們又詳細(xì)對(duì)比了西班牙現(xiàn)代和近代地震作用形成的SSDS與古代地震作用形成的SSDS，發(fā)現(xiàn)兩者非常相似。然后，建立了地震相關(guān)沉積層(液化層和碎屑層)厚度與地震震級(jí)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系M=T/3+3.83，其中T是地震相關(guān)沉積物的厚度(單位為厘米)，M為震級(jí)。完整的地震相關(guān)沉積序列中，可以分3個(gè)具有不同變形類型的變形層：頂部的流化層、中間的韌性—脆性變形層(破裂和破碎紋層)和底層典型的韌性變形層(褶皺紋層)；頂層之上覆蓋有未變形的紋層(Rodríguez-Pascua et al.，2003)(圖5)?；谝巴鈱?shí)踐和文獻(xiàn)閱讀，地震擾動(dòng)層必須是液化或流化的均一層、碎屑層(Marco and Agnon，1995，2005)，或者破碎層(Rana et al.，2013)，有變形強(qiáng)弱(韌性到脆性)和粒序變化的變形層。

圖5 西班牙埃爾切—德拉謝拉盆地中新世湖相沉積中典型的混雜層(Rodriguez-Pascua et al.，2003)Fig.5 Typical mixed layer in Miocene lacustrine sediments from Elche de la Sierra basin，Spain(Rodriguez-Pascua et al.，2003)

Rodríguez-Pascua 等(2003)對(duì)地震相關(guān)沉積層的厚度并未提出明確的判斷標(biāo)準(zhǔn)，因此限制了其應(yīng)用。Mugnier 等(2011)發(fā)現(xiàn)巖性、粒度、沉積環(huán)境和地震加速度都會(huì)影響震積巖的厚度，且一次地震的振動(dòng)次數(shù)和地震復(fù)發(fā)周期也會(huì)影響變形層的厚度。數(shù)值模擬表明：變形強(qiáng)度隨著加速度的增加和變形層厚度的減小而增大；地震持續(xù)時(shí)間會(huì)對(duì)變形構(gòu)造的幾何形態(tài)產(chǎn)生影響，但不會(huì)影響變形的幅度(Wetzler et al.，2010)。Mugnier 等(2011)認(rèn)為地震相關(guān)沉積層厚度與地震強(qiáng)度之間的關(guān)系非常復(fù)雜，可能不是單一的線性關(guān)系。此外，大量實(shí)際資料表明，震級(jí)與地震頻度的對(duì)數(shù)并不嚴(yán)格呈線性關(guān)系(傅征祥，1997)，需要對(duì)b值進(jìn)行穩(wěn)健估計(jì)處理和置信區(qū)間的研究。因此，采用上述經(jīng)驗(yàn)公式，必須非常小心。

1.5 軟沉積物變形類型

在飽含水松散的沉積物中，不同地震震級(jí)和變形機(jī)制(液化、流化、觸變等)會(huì)形成不同類型的SSDS。例如，重力和液化作用可以逐漸形成負(fù)載、火焰、球枕構(gòu)造和枕狀層：① 上覆顆粒較粗，密度大的物質(zhì)沉入下伏密度低的、顆粒較細(xì)紋泥中，形成簡單負(fù)載構(gòu)造。② 隨著變形構(gòu)造的繼續(xù)發(fā)展，下伏細(xì)顆粒物質(zhì)開始向上擠入，發(fā)生垂向位移形成懸垂負(fù)載、擠入的火焰構(gòu)造。③ 下伏的地層在受到上覆地層的超覆壓力下，發(fā)生水平剪應(yīng)力，使得細(xì)顆粒的紋泥發(fā)生卷曲或褶皺變形(Suter et al.，2011)。④ 隨著液化及流化的進(jìn)一步作用，粗顆粒物質(zhì)完全掉入下伏低密度層中形成脫落負(fù)載構(gòu)造、假結(jié)核(Anketell et al.，1970)、球—枕構(gòu)造(Owen，1987)等，并最終形成枕狀層(喬秀夫和李海兵，2008)。Sims(1973)認(rèn)為由負(fù)載構(gòu)造演變成假結(jié)核可能需要更大的震級(jí)，或長時(shí)間的地震震動(dòng)。在同等條件下(相同的沉積環(huán)境)，形成球—枕構(gòu)造所需的震級(jí)/強(qiáng)度應(yīng)大于形成負(fù)載和火焰構(gòu)造所需要的震級(jí)/強(qiáng)度；而形成枕狀層所需的震級(jí)/強(qiáng)度應(yīng)大于生成球—枕構(gòu)造所需的震級(jí)/強(qiáng)度(Owen，1987)。

Rodriguez-Pascua 等(2000)總結(jié)出軟沉積物變形類型與地震震級(jí)的關(guān)系(圖6)，其中液化混合層，假結(jié)核、球—枕構(gòu)造和液化脈所對(duì)應(yīng)的震級(jí)分別為M5.5～6.5，M6.5～8，M6.0～8.0，M5.0～8.0。Berra和Felletti(2011)結(jié)合前人研究的結(jié)果，認(rèn)為地震成因所導(dǎo)致的液化或流化作用形成的球—枕構(gòu)造和塑性擠入構(gòu)造，其對(duì)應(yīng)的震級(jí)為M6.0～8.0和M5.0～6.0級(jí)。Qiao Xiufu 和 Guo Xianpu (2013)依據(jù)新疆西南天山下侏羅統(tǒng)的液化變形(液化滴狀體與液化均一層)與震中距離關(guān)系(圖3)，認(rèn)為其古地震震級(jí)為M6.5～7.0級(jí)，與液化變形層同期有大量的負(fù)載、球—枕構(gòu)造記錄。龍門山地區(qū)以及晚三疊世的汶川—茂縣斷裂有關(guān)的液化變形與球—枕構(gòu)造，采用液化變形最大震中距與地震震級(jí)關(guān)系獲得的古地震震級(jí)為M6.6～7.2級(jí)(喬秀夫等，2012)。鐘寧等(2017)在研究現(xiàn)代湖沼環(huán)境軟沉積物變形中，總結(jié)出負(fù)載、球—枕構(gòu)造若為地震成因時(shí)，其代表的震級(jí)為M6.0～7.0級(jí)。因此，在確定軟沉積物變形為地震成因時(shí)，通過不同沉積環(huán)境類似的軟沉積物變形對(duì)比和分析研究，有望獲得較為可信的古地震震級(jí)大小。

圖6 不同類型軟沉積變形與古地震震級(jí)關(guān)系圖(據(jù)Rodriguez-Pascua et al.，2000修改)Fig.6 Summarized the different soft sediment deformation types with the relationship of the rank of earthquake magnitudes(Modified from Rodriguez-Pascua et al.，2000)

1.6 快速沉積砂層厚度法

強(qiáng)烈地震(M≥5.0)不僅會(huì)導(dǎo)致飽含水未固結(jié)沉積物液化或流化作用，形成不同類型的脆性和(或)韌性軟沉積物變形，還會(huì)產(chǎn)生大量的碎屑(滑坡、灰塵等)物質(zhì)，通過風(fēng)和(或)河流迅速搬運(yùn)到湖泊中沉積，形成一系列地震相關(guān)沉積(Howarth et al.，2012；Moernaut et al.，2014；Arche et al.，2019)。地震震動(dòng)還會(huì)引發(fā)湖盆斜坡或湖泊岸坡沉積物的不穩(wěn)定(Katz et al.，2009)和湖震(Beck，2009；Avar et al.，2014)，導(dǎo)致近端塊體搬運(yùn)(滑坡、崩塌、泥石流等)和遠(yuǎn)端的濁流沉積(地震濁積巖等)(Zhang Yongshuang et al.，2014)。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，首先會(huì)導(dǎo)致未固結(jié)的湖相沉積物形成軟沉積物變形，隨后滑坡、粉塵等碎屑物質(zhì)被搬運(yùn)到湖泊中，堆積到軟沉積物變形層之上，形成地震事件層(地震后快速沉積的砂層)(Jiang Hanchao et al.，2014，2017；鐘寧等，2020b)。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，青藏高原東緣理縣湖泊沉積中軟沉積物變形層上部均存在不同厚度的砂層(地震事件層)，這些軟沉積物變形與粒度和磁化率記錄顯示出良好的一致性(Jiang Hanchao et al.，2016，2017)；分別代表同震的變形層和震后快速沉積的砂層。Jiang Hanchao 等(2017)指出理縣湖相沉積剖面中的粒度和磁化率反復(fù)出現(xiàn)突然變粗(增大)和向上緩慢變細(xì)(減小)趨勢(shì)，與區(qū)域頻繁的地震活動(dòng)導(dǎo)致陸源碎屑突然增加/減少有關(guān)。然而，有些地震(M≥5.0/5.5)并未導(dǎo)致湖泊中飽含水未固結(jié)沉積物變形，這可能是由于它們與震中距離較遠(yuǎn)(Owen and Moretti，2011)或湖泊沉積物的泥砂比例較高(Jiang Hanchao et al.，2017)；不過它們?nèi)钥赡茉诤瓷嫌螀R水區(qū)范圍內(nèi)產(chǎn)生大量的碎屑物質(zhì)，并通過河流或風(fēng)搬運(yùn)到湖泊中沉積。早期研究者證實(shí)了軟沉積物變形的擾動(dòng)層或液化均一層厚度與地震震級(jí)或強(qiáng)度具有一定的正相關(guān)關(guān)系(Hibsch et al.，1997；Rodrguez Pascua et al.，2003)。那么，地震事件層或者塊體搬運(yùn)沉積快速沉積的厚度(地震后快速沉積的砂層)與地震震級(jí)是否存在相關(guān)關(guān)系？

Keefer(1984)較早利用1911～1980年間全球范圍內(nèi)40次地震滑坡的資料對(duì)滑坡與地震參數(shù)定量關(guān)系進(jìn)行了研究，給出了地震誘發(fā)滑坡的最小震級(jí)為M4.0級(jí)，并繪制了地震滑坡影響面積與地震震級(jí)的統(tǒng)計(jì)曲線。后來，Rodríguez 等(1999)和Xu Chong 等(2014)又對(duì)其進(jìn)行了補(bǔ)充和完善。Bommer 和 Rodríguez(2002)研究了中美洲地震引發(fā)的滑坡數(shù)據(jù)，并指出滑坡面積和地震震級(jí)的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，可以應(yīng)用到全球其他地區(qū)。Malamud 等(2004)證實(shí)了Keefer(1984)的結(jié)果，并提出觸發(fā)滑坡所需的最小地震震級(jí)為M=4.3±0.4。在相同條件下，地震越大，滑坡面積和體積越大。一次強(qiáng)烈的地震可以誘發(fā)數(shù)以萬計(jì)的山體滑坡，特別是在高山峽谷區(qū)(Xu Chong et al.，2014；Zhang Yongshuang et al.，2017)。

圖7(a)滑坡面積與地震震級(jí)關(guān)系(據(jù)Keefer，1984；Xu Chong et al.，2014；李艷豪等，2015整理)；(b)快速沉積的砂層沉積厚度(D 單位為cm)與地震震級(jí)(M)關(guān)系(鐘寧等，2020b)Fig.7(a)Area affected by landslides in earthquakes of different magnitudes (Modified from Keefer，1984；Xu Chong et al.，2014；Li Yanhao et al.，2015&)；(b)cumulative sand sediment thickness (D，unit is cm)in earthquakes of different magnitudes (M)(Zhong Ning et al.，2020b&)

通過建立高分辨率全新世死海地震歷史，Migowski 等(2004)發(fā)現(xiàn)擾動(dòng)層厚度與震級(jí)有較好的相關(guān)性。這種擾動(dòng)層沉積類型被連續(xù)的擾動(dòng)沉積構(gòu)造所分隔，其沉積結(jié)構(gòu)通常由文石的碎屑“漂浮”在粉砂質(zhì)碎屑的基質(zhì)中。此外，Moernaut 等(2014)發(fā)現(xiàn)濁積巖的空間分布和厚度與地震強(qiáng)度有一定的相關(guān)性，可用于重建區(qū)域古地震強(qiáng)度。并建立了快速沉積濁積巖厚度與地震強(qiáng)度之間的線性關(guān)系。理論上講，震級(jí)越大，產(chǎn)生的碎屑物質(zhì)(滑坡、灰塵等)就越多，而搬運(yùn)到附近水體中的碎屑物質(zhì)就多，形成的積累砂層厚度越厚。當(dāng)然，如沉積塊體的重力失穩(wěn)程度、結(jié)構(gòu)參數(shù)、滑動(dòng)面深度也是需要考慮的因素，特別是在水下湖盆或斜坡中。基于這種假設(shè)，鐘寧(2017)統(tǒng)計(jì)了公元181～2010年間法國、土耳其、新西蘭、智利等32次地震導(dǎo)致流域內(nèi)或其周圍湖泊中塊體搬運(yùn)沉積的碎屑物質(zhì)急劇增加，并堆積形成向上變細(xì)的砂層(地震事件層)；并建立了震級(jí)與快速沉積的砂層厚度關(guān)系圖(圖7b)。統(tǒng)計(jì)資料顯示，隨著地震震級(jí)越大(M4.0 ～M9.0)，快速沉積的砂層厚度(0.1 ～ 50 cm)越厚，并具有一定的正相關(guān)關(guān)系，協(xié)和度R2=0.52。當(dāng)快速沉積砂層厚度為1 cm，對(duì)應(yīng)的震級(jí)為M4.0 ～M6.0(5.0±1.0)；快速沉積砂層厚度為10 cm，對(duì)應(yīng)的震級(jí)為M5.8 ～M8.4(7.1±1.3)。假設(shè)湖泊流域范圍內(nèi)或周圍的滑坡等碎屑物質(zhì)絕大多數(shù)是由地震觸發(fā)所致，那么就可以利用地震事件層厚度，推測(cè)事件沉積時(shí)對(duì)應(yīng)的地震強(qiáng)度。

考慮湖泊流域范圍內(nèi)滑坡、崩塌等碎屑物質(zhì)剝露機(jī)制的復(fù)雜性，以及物源、地形、風(fēng)力和水動(dòng)力條件等因素對(duì)物質(zhì)輸運(yùn)的影響，造成同一沉積環(huán)境中沉積物往往是由具有不同輸運(yùn)機(jī)制的組分組成。此外，湖泊沉積物的來源還可能受到極端天氣事件(如暴雨、沙塵暴等)的影響。因此，我們建議在研究地震事件層及其厚度時(shí)，應(yīng)通過端元分析方法(Weltje，1997；鐘寧等，2020b)，識(shí)別出不同動(dòng)力組分和沉積動(dòng)力環(huán)境，厘定出沉積記錄的構(gòu)造事件(地震等)或氣候事件，然后在利用快速沉積砂層厚度法確定地震震級(jí)。不可否認(rèn)，這種利用快速沉積砂層法只是基于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，還需要更多的數(shù)據(jù)支持和檢驗(yàn)。因此，累計(jì)砂層厚度法只能得到粗略的震級(jí)估計(jì)，還需要與其他確定地震震級(jí)方法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

2 實(shí)例分析和討論

2.1 以色列利桑湖(死海)馬薩達(dá)湖相沉積中破碎層及其震級(jí)

表1利桑湖和蘿卜寨中軟沉積物變形構(gòu)造所代表的地震震級(jí)Table 1 Earthquake magnitudes inferred from LakeLisan and Luobozhai soft～sediment deformation structures

死海是一個(gè)由沿死海—約旦轉(zhuǎn)換板塊邊界的轉(zhuǎn)換拉張作用形成的活動(dòng)沉降盆地。死海斷層具有很強(qiáng)的地震活動(dòng)性(Marco and Agnon，1995，2005；Klinger et al.，1999)。在過去～3 ka期間，沿死海斷層曾發(fā)生了數(shù)十次M>6的地震(Ambraseys and Finkel，1991；Ambraseys，2009)，最強(qiáng)兩次地震發(fā)生在1995年的亞喀巴灣(最南端的死海)，Mw7.3(Klinger et al.，1999)和1927年杰里科山谷Mw6.2(Shapira et al.，1993)。Marco 和 Agnon(1995)在研究以色列利桑湖(死海)馬薩達(dá)附近的晚更新世扇三角洲沉積時(shí)，識(shí)別出具有自碎屑、破碎混雜的季節(jié)性湖相紋層，認(rèn)為是死海盆地的震積層。這些混雜的紋層是位于上下未擾動(dòng)紋層之間的震間變形層(圖8a)，代表著一次強(qiáng)烈的地震事件(M≥5.5)。為了進(jìn)一步厘定上述混雜層所記錄的古地震震級(jí)，我們采用上述6種軟沉積物變形構(gòu)造與地震震級(jí)/強(qiáng)度方法進(jìn)行驗(yàn)證。首先，能夠?qū)е乱夯蛄骰饔玫牡卣?，其?yīng)M>5.0。研究剖面位于馬薩達(dá)的同沉積活動(dòng)斷層旁(<5)，利用液化變形最大震中距與地震震級(jí)(圖3)，獲得其震級(jí)為M5.2～7.0。其次，研究剖面擾動(dòng)層厚度約13 cm，采用擾動(dòng)層厚度與地震強(qiáng)度關(guān)系(圖4)，獲得地震烈度為Ⅶ～Ⅺ，震級(jí)大致在M5.0～7.0級(jí)；而液化均一層厚度約為9 cm，基于液化均一層與地震沉積關(guān)系(M=T/3+3.83)，獲得的震級(jí)為M6.83。再次，利用軟沉積物變形類型與地震震級(jí)關(guān)系(圖6)，獲得研究剖面混雜層(液化混合層)對(duì)應(yīng)的震級(jí)為M5.5～6.5。最后，根據(jù)變形層上覆約2 cm厚的水平砂層，利用快速沉積的砂層厚度與震級(jí)關(guān)系(圖7b)，獲得的震級(jí)為M4.2～6.6。結(jié)合上述6種確定地震震級(jí)/強(qiáng)度方法，死海地區(qū)以色列利桑湖馬薩達(dá)附近晚更新世扇三角洲沉積記錄中的混雜層所代表的古地震震級(jí)為M5.5～6.5。

2.2 岷江上游蘿卜寨湖相沉積中液化底劈變形及其震級(jí)

圖8(a)以色列利桑湖(死海)馬薩達(dá)附近晚更新世扇三角洲沉積中典型的地震成因混雜層(Marco 和 Agnon，1995)；(b)青藏高原東緣岷江上游蘿卜寨晚第四紀(jì)湖相沉積中地震成因的液化底劈變形(本研究)Fig.8(a)Typical mixed layer in late Pleistocene of fan delta sediments which overlying laminated layers shows gradual upward transition from folded strata of Masada near Lisan lake Formation in Israel,through fragment-supported texture,to matrix-supported texture at top.Underlying folds are asymmetrical and recumbent,and in places they have box shapes.Undisturbed,postseismic layers overlie mixed layer(Marco and Agnon，1995).(b)Typical liquefied diapir which was induced by earthquake in late Quaternary of Luobozhai lacustrine sediment,upper reaches of Minjiang River，east Qinghai—Xizang(Tibetan)Plateau(This study)

岷江上游地處“南北向地震構(gòu)造帶”中段的北中部，受岷江斷裂帶、松坪溝斷裂、虎牙斷裂及龍門山逆沖推覆構(gòu)造帶的影響(Wang Ping et al.，2011)。區(qū)域地震頻發(fā)，曾發(fā)生2017年九寨溝Ms7.0、2008年汶川Ms8.0、1976年松潘—平武Ms7.2、1933年疊溪Ms7.5等一系列強(qiáng)震，表明該地區(qū)具有較強(qiáng)的地震活動(dòng)性。由于該區(qū)為高山峽谷地貌，缺少第四紀(jì)沉積，開挖探槽困難，古地震研究相對(duì)薄弱。2008年汶川地震和1933疊溪地震后，岷江上游形成一系列的滑坡堰塞湖(Xu Hongyan et al.，2015；李艷豪等，2015)。通過湖泊沉積中發(fā)育的軟沉積物變形構(gòu)造和高分辨率指標(biāo)(粒度和磁化率等)，研究人員識(shí)別出多個(gè)地震事件(Wang Ping et al.，2011；Jiang Hanchao et al.，2014，2016；鐘寧等，2020a,b)。鐘寧(2019)在研究岷江斷裂中南段晚第四紀(jì)活動(dòng)性時(shí)，在岷江上游茂縣蘿卜寨湖相沉積剖面中識(shí)別出一層液化底劈變形，上覆和下伏均為未變形層(圖8b)。另外，此剖面中也發(fā)現(xiàn)了地震成因的負(fù)載/火焰構(gòu)造、微斷層和球—枕構(gòu)造等(圖9)，均為厘米級(jí)的變形構(gòu)造，具有垂向的重復(fù)性和側(cè)向的延展性，且與室內(nèi)震動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常相似，表現(xiàn)為地震觸發(fā)的變形構(gòu)造(鐘寧等，2017)。初步認(rèn)為羅卜寨湖剖面的液化底劈為地震成因，雖然不能排除重力負(fù)載(Moretti and Sabato，2007)和快速沉積(Lowe，1975)的影響。考慮到羅卜寨液化底劈變形強(qiáng)烈，且變形層中黏土含量較高，黏性大，需要較大的震級(jí)才能引起液化變形(Tian Hongshui et al.，2016；蘇德辰和喬秀夫，2018)。利用上述6種方法，羅卜寨剖面的液化底劈可能代表M6.0～7.0級(jí)地震事件(表1)。

圖9 青藏高原東緣岷江上游蘿卜寨晚第四紀(jì)湖相沉積中地震成因的負(fù)載/火焰構(gòu)造(a)；微斷層(b)；火焰構(gòu)造和微斷層(c)；以及球—枕構(gòu)造變形(d)(本研究)Fig.9 Typical load and flame structure (a);micro fault (b),flame structure and micro fault (c),and ball-and-pillow deformation structure (d)which was induced by earthquake in late Quaternary of Luobozhai lacustrine sediment,upper reaches of Minjiang River,east Qinghai—Xizang(Tibetan)Plateau(This study)

上述6種方法中，SSDS的類型和最大液化距離提供了一種更為可靠的確定地震震級(jí)方法，以上兩個(gè)案例研究中已得到證實(shí)。需要指出的是，在利用SSDS確定地震震級(jí)/強(qiáng)度時(shí)，還應(yīng)考慮以下5個(gè)方面。

(1)考慮到SSDS變形機(jī)制和觸發(fā)因素的復(fù)雜性，首先要確定SSDS的成因和觸發(fā)機(jī)制(Owen and Moretti，2011)。

(2)SSDS形態(tài)和震積層厚度易受沉積環(huán)境、巖性、沉積物的物理特征、液化和/或流化等影響，可能會(huì)影響我們對(duì)SSDS類型(例如火焰構(gòu)造與底辟構(gòu)造)的厘定。因此，在分析SSDS的特征(類型、變形強(qiáng)度、擾動(dòng)厚度等)時(shí)，需要仔細(xì)考慮。

(3)考慮到古地震震中的不確定性和古液化點(diǎn)的空間分布。為了減小不確定性，建議采用液化變形記錄(或液化變形的位置)與發(fā)震斷層或震中之間的垂直距離。

(4)為了驗(yàn)證方法的可靠性，重建的地震震級(jí)/強(qiáng)度應(yīng)與研究區(qū)現(xiàn)代地震、古地震的震級(jí)相當(dāng)。

(5)有些地震(M≥5)可能并形成SSDS，或未在沉積物中保存，或者被侵蝕(Moretti et al.，1999)；一次地震也可能誘發(fā)多個(gè)沉積層變形(Gibert et al.，2011)，形成多層的SSDS，這就導(dǎo)致了地震事件的遺漏或過多解讀。

因此，在利用SSDS研究古地震時(shí)，需要利用沉積學(xué)和微觀指標(biāo)(如粒度、磁化率等)來識(shí)別那些沒有形成SSDS但可能誘發(fā)大量碎屑物質(zhì)(如滑坡、塵暴等)的地震事件，建立長時(shí)間尺度，連續(xù)的地震事件。然而，湖泊沉積物的來源和化學(xué)性質(zhì)變化除受強(qiáng)烈地震釋放的碎屑物質(zhì)影響外，還可能受到極端天氣(如沙塵暴等)(Chen Fahu et al.，2013)、風(fēng)化作用(Liang Lianji and Jiang Hanchao，2017)和人類活動(dòng)(Karlin and Abella，1996)的影響。由此可見，宏觀SSDS和微觀沉積指標(biāo)變化的耦合，以及沉積學(xué)分析，使得湖泊沉積中識(shí)別出的地震事件更可靠。對(duì)于湖相沉積，除了上述提到的6種方法外，最好使用下伏SSDS和上覆砂層的組合，以其獲得更為可靠的古地震震級(jí)/強(qiáng)度?？傊?，上述各種方法都各有其應(yīng)用條件和局限性，目前還只是一種嘗試，還有待進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

(1)利用經(jīng)驗(yàn)估算、最大液化距離、擾動(dòng)層厚度、經(jīng)驗(yàn)公式、變形類型、快速沉積砂層厚度等6種方法，中東死海盆地晚更新利桑組典型的震積層(混雜層)代表的震級(jí)應(yīng)在M5.5～6.5之間；岷江上游蘿卜寨晚第四紀(jì)湖相沉積中的液化底劈變形代表的古地震震級(jí)為M6.0～7.0級(jí)；

(2)軟沉積物變形與古地震震級(jí)/強(qiáng)度關(guān)系的研究，使它特別適合于高山峽谷、強(qiáng)烈侵蝕，沒有地表破裂，探槽開挖困難的地區(qū)。不僅為確定古地震震級(jí)或強(qiáng)度提供了一個(gè)相對(duì)便捷，新穎的方法，同時(shí)也是對(duì)利用地表破裂參數(shù)確定古地震震級(jí)方法的補(bǔ)充和參考；

(3)軟沉積物變形與古地震震級(jí)/強(qiáng)度關(guān)系，不僅可以提供可靠或可對(duì)比的地震震級(jí)或強(qiáng)度數(shù)據(jù)，也為我們研究構(gòu)造活躍地區(qū)長期的地震活動(dòng)性和危險(xiǎn)性提供了一種新的方法。

致謝：謹(jǐn)以此篇文章紀(jì)念中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所喬秀夫先生(1930-10-30～2021-03-01)。他是我國當(dāng)之無愧的震積巖研究的開拓者、古地震研究先驅(qū)及領(lǐng)航人；也是我從事軟沉積物變形和古地震研究的領(lǐng)路人，指導(dǎo)者和支持者。喬秀夫先生一生愛國敬業(yè)、忘我工作、無私奉獻(xiàn)、熱情豁達(dá)、平易近人；對(duì)工作精益求精、一絲不茍、嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的精神，一直激勵(lì)我從事活動(dòng)構(gòu)造、古地震和災(zāi)變沉積學(xué)研究。同時(shí)，感謝何碧竹研究員、碩士研究生張獻(xiàn)兵和楊鎮(zhèn)在文章修改過程中的幫助及寶貴意見。最后，感謝審稿專家和章雨旭研究員提出的寶貴意見和建議。