中國震積巖的研究進(jìn)展

中國震積巖的研究進(jìn)展

地震活動是地質(zhì)和地震學(xué)的常見事件。它是地球內(nèi)動力作用的表現(xiàn)，具有突發(fā)性、瞬時性和高能耗的特點。震積巖(seismite)一詞,首先由A.Seilacher于1969年提出,原意是指一個構(gòu)造活動區(qū)未固結(jié)的水下沉積物受到地震活動改造再沉積的沉積層。1984年,C.Spalleta等通過對意大利東北卡尼克地區(qū)泥盆系碳酸鹽臺地邊緣的研究,提出自碎角礫巖(Autoclasticbreccia)的概念,認(rèn)為它是識別震積巖的一個重要標(biāo)志。同年,A.Seilacher在對比了現(xiàn)代和古代震積成因的沉積物后,提出以遞變斷裂層、微褶皺紋理和均一層作為震積成因的標(biāo)志性沉積建造。國內(nèi)對震積巖的研究始于1988年宋天銳等對華北古代震積巖的研究。之后,梁定益等根據(jù)對川西、滇西的考察認(rèn)為震積巖一般由下層原地相的地震擾動層與上覆的滑來震積層組成,兩者之間為規(guī)模不等的震積不整合面。喬秀夫等在對中朝地臺震旦系及有關(guān)地層研究中,建立了由上至下的原地液化系統(tǒng)、準(zhǔn)原地系統(tǒng)和異地系統(tǒng)組成的振動液化模型。國內(nèi)學(xué)者孫曉猛、梁定益等認(rèn)為:震積巖是由地震作用所產(chǎn)生的具有震積構(gòu)造和震積巖序列的災(zāi)變事件沉積的。它不是一種巖石的名稱,而是具有成因聯(lián)系的一組巖石的總稱。它以自身獨特的鑒別標(biāo)志和震積序列有別于其它類型的沉積巖,而且在古地震災(zāi)變的識別、災(zāi)變事件沉積的研究、災(zāi)變事件地層的劃分、對比及古構(gòu)造地理環(huán)境的恢復(fù)上具有重要意義。近年來,地質(zhì)學(xué)家已陸續(xù)在河流相、湖泊相及海相地層中發(fā)現(xiàn)了不同類型的震積巖,并對其識別標(biāo)志分別進(jìn)行了論述[10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25]。國內(nèi)外研究結(jié)果表明,規(guī)模宏大的震積巖,往往分布于一定地質(zhì)年代的海相地層之中,由于形成海相震積巖的構(gòu)造古地理環(huán)境的差異,造成震積巖的形成機(jī)理及形成過程上的不同,從而導(dǎo)致震積巖在識別標(biāo)志及震積序列上有顯著的差別?，F(xiàn)從以下幾個方面來介紹國內(nèi)震積巖的研究現(xiàn)狀。1震積巖的識別現(xiàn)代地震活動幕、地震旋回的時間都很短,從幾年到幾百年不等。可想而知,地史中的古老地震活動必然是頻繁發(fā)生的。但不是所有地震都能形成震積巖并能保存下來。研究表明地層中能保存下來的,目前能識別的主要是6級以上強(qiáng)震作用的產(chǎn)物。主要識別標(biāo)志為振動液化泥晶脈、液化卷曲變形、層內(nèi)階梯斷層、假結(jié)核構(gòu)造,以及地震作用引發(fā)海嘯和濁流形成的海嘯巖和震濁積巖。下面介紹幾種常見的震積巖識別標(biāo)志。1.1泥晶脈的形態(tài)泥晶脈是碳酸鹽震積巖中一種特殊的構(gòu)造,它由泥晶方解石脈組成,Bauerman(1985)稱之為molartooth。泥晶脈可以是直脈狀,也可以呈不規(guī)則彎曲狀,一般厚幾毫米到幾厘米不等。直脈狀的泥晶脈近與平直,多向上尖滅,近乎平行排列(圖1)。1.2缺乏滑動順層剪切褶曲地震作用引起液化卷曲變形形成明顯的褶曲,喬秀夫等稱之為震褶巖。其以褶皺軸面及樞紐方向不確定,附近巖層無明顯變形而區(qū)別于重力流中的滑塌構(gòu)造順層剪切褶曲。地震褶皺紋層常見的單個褶曲大小為1~20cm,尤以1~5cm較為常見,褶曲寬度多小于1m,常見20cm左右(圖2)。1.3剖面位置及平穩(wěn)性檢驗。據(jù)外部分層內(nèi)階梯狀斷層為一系列小型近平行排列斷層,一般僅分布在巖層中較薄的范圍內(nèi),剖面長度一般1~2cm,斷距小,傾角較陡,呈上盤下降的正斷層,剖面平行排列呈階梯狀。其成因為地震引起液化作用停止后,沉積物重新壓實使體積變小,導(dǎo)致沉積物表面差異性下沉而形成的(圖3)。1.4質(zhì)狀特征—自碎角礫巖(autoclastbreccia)自碎角礫巖,相當(dāng)于喬秀夫的震塌巖。角礫化程度自上而下有逐漸減弱的趨勢。在上部,破碎強(qiáng)烈,角礫礫徑較小,棱角鮮明,雜亂排列,形態(tài)可呈三角形體狀、多邊形體狀、四邊形體狀。下部角礫礫徑較大,但是角礫基本上未發(fā)生位移或倒轉(zhuǎn),表現(xiàn)為按原巖層產(chǎn)狀排列,角礫巖呈鑲嵌狀,向下逐漸過渡到微褶曲層段或直接過渡為裂縫層段(圖4)。1.5結(jié)構(gòu)、構(gòu)造該層是細(xì)粒沉積物由晃動、振蕩而稀釋液化,性質(zhì)趨于均一的結(jié)果,其結(jié)構(gòu)均一,多為砂泥,無層理或紋理等沉積構(gòu)造,厚度一般0~10cm不等。1.6新正質(zhì)巖的識別標(biāo)志嚴(yán)格地講,這兩類巖石并非古地震作用直接形成,但在海相地層中,地震常常引發(fā)海嘯和重力流,形成海嘯巖和震濁積巖,覆在原地相震積巖之上。所以它們是識別震積巖的良好輔助標(biāo)志。已有的研究表明,含丘狀層理的粗碎屑巖或碎屑灰?guī)r是海嘯巖的主要鑒別標(biāo)志(圖5)。震濁積巖是由海嘯誘發(fā)的濁流所致。2震積巖序列及相關(guān)問題近年來,地質(zhì)學(xué)家已陸續(xù)在河流相、湖泊相及海相地層中發(fā)現(xiàn)了不同類型的震積巖,由于形成震積巖的構(gòu)造古地理環(huán)境的差異,造成震積巖的形成機(jī)理及形成過程上的不同,從而導(dǎo)致了震積巖序列的多樣性,綜合眾多學(xué)者的研究成果有以下幾種:2.1碳酸鹽巖振動液化地震序列(淺水海相序列)20世紀(jì)90年代,喬秀夫等在華北地臺東部(吉林、遼南、魯中及徐淮地區(qū))震旦系中建立了震積巖的一個垂向液化系統(tǒng)(喬氏序列),自上而下有3個單元:(1)液化泥晶脈(主地震活躍期);(2)液化變形形成的各種震褶巖、震裂巖及震塌巖;(3)為液化作用即將結(jié)束與停止后形成的韻律斷層(階梯狀斷層fault-graded)與地裂縫(groundfissure)(圖6)。這個序列產(chǎn)生于環(huán)境未固結(jié)的碳酸鹽巖中,震級大于6級。該振動液化地震序列的提出曾經(jīng)引起了國內(nèi)外眾多地質(zhì)學(xué)家的關(guān)注。2.2大陸邊緣震積巖序列梁定益、聶澤同等在川西、滇西地區(qū)提出了震積不整合(seismicunconformity)這一重要概念,其具體關(guān)系可表示如下:震積巖?????????????????異地相—滑來震積層(震濁積、震滑體、“混積巖”等)～～～震積不整合～～～～原地相—原地地震擾動層(巖層松動、裂縫發(fā)育、褶皺、震碎角礫)震積巖{異地相—滑來震積層(震濁積、震滑體、“混積巖”等)～～～震積不整合～～～～原地相—原地地震擾動層(巖層松動、裂縫發(fā)育、褶皺、震碎角礫)同時還通過對滇西北金沙江帶的考察建立了不整合面下的原地震積巖序列,自上而下包括了:a段:軟沉積、液化變形及均一層段;b段:半固結(jié)變形的微褶皺、微斷層等;c段:脆性變形的震碎角礫巖段,即自碎角礫巖(autoclaticbreccia);d段:脆性變形的韻律斷層段(圖7)。2.3薩布哈震積巖序列(潮上帶序列)喬秀夫、李海兵等[9,10,11,12,13,14],將遼東半島南部大連地區(qū)下寒武統(tǒng)大林子組的潮上沿岸薩布哈(sabkha)碎屑與泥質(zhì)沉積中保存極好的非構(gòu)造變形解釋為地震成因。這一薩布哈震積巖序列自上而下包括:(1)液化角礫巖、塌陷角礫巖;(2)液化卷曲褶皺層;(3)泄水泥脈、水塑性褶皺(hydroplasticdeformation)、水塑性微斷層與泄水脈的三位一體。薩布哈位于朝上帶,不存在異地系統(tǒng),但由于非固結(jié)沉積物較多,故易產(chǎn)生液化作用,且液化規(guī)模更加宏大。關(guān)于薩布哈震積巖序列,前人將它歸入海相震積巖序列。但筆者認(rèn)為:形成于潮上帶的薩布哈序列應(yīng)該屬于一種海陸過渡帶的震積巖序列。2.4陸相碎屑巖地震液化序列(陸相古湖泊環(huán)境)吳賢濤等對四川峨嵋晚侏羅世湖泊沉積建立了一個碎屑巖原地系統(tǒng)的地震液化序列。其標(biāo)準(zhǔn)垂相序列自下而上分為①未震層、②微斷裂層、③微褶皺層、④碎塊層、⑤液化均一層(homogenizedbed)及⑥上覆未震層(圖8)。每個序列厚1~10cm。在這個序列中強(qiáng)調(diào)了均一層與微斷層在震積巖序列中的意義。近年來,陳世悅、袁文芳等在對濟(jì)陽坳陷古近系沙河街組斷陷湖盆砂泥巖的研究中發(fā)現(xiàn)了豐富的古地震記錄,建立了相似的垂相序列。由于地震作用既可以發(fā)生在大陸,也可以發(fā)生在海底,既可以對地表淺層沉積物,也可以對地下深層沉積物,既可以對非固結(jié)沉積物也可以對已固結(jié)或半固結(jié)沉積物產(chǎn)生影響,就必然造成沉積序列的差異。同樣應(yīng)該指出,與沉積學(xué)中任何序列(如鮑馬序列)一樣,在剖面上可以缺失某個單元或某幾個單元,這既與所觀察剖面的位置有關(guān),也與地震震級、強(qiáng)度,特別是發(fā)生地震處的巖性有關(guān)。3震積不整合面的沉積組合所謂震積作用,是指在不同構(gòu)造與沉積背景下地震作用過程中地殼顫動引起的各種作用力(振動力、剪切力、擠壓力和拉張力等)對沉積物的改造作用。震積作用既包括地震對原地先成沉積物的改造,也包括由地震觸發(fā)引起的海嘯沉積作用(帶來近原地的沉積物)或重力流沉積作用(帶來異地沉積物)。研究表明在水盆地中只要有1/1000的坡度,在地震作用觸發(fā)下都有可能產(chǎn)生異地滑來震積層和震濁積巖。對世界上有記錄的2400次海嘯的分析表明,絕大多數(shù)都是由地震活動觸發(fā)的。因此,筆者認(rèn)為把原地地震擾動形成的震積巖與滑來震積層的海嘯巖和震濁積巖綜合起來研究地震沉積組合是非常有意義的。這里所說的原地地震擾動層和上覆的異地相滑來震積層之間的沉積界面就是梁定益先生所提出的震積不整合面。歸納近20年來中國地質(zhì)學(xué)家對眾多地區(qū)震積巖的研究,筆者總結(jié)出以下4種沉積組合。①下覆震積巖、上覆海嘯巖和濁積巖沉積組合,見于遼東晚元古代地層中。②下覆震積巖、上覆震濁積巖沉積組合,見于三江地區(qū)二疊系地層中。③下覆震積巖、上覆海嘯巖沉積組合,見于北京十三陵霧迷山組震積巖中和云南滇中地區(qū)中元古代碳酸鹽巖震積巖中。④僅有震積巖的單一沉積組合(多發(fā)育于陸相沉積中),見于四川峨嵋侏羅紀(jì)湖泊沉積的震積巖和滇中地區(qū)中元古代碳酸鹽巖震積巖中[16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35]。應(yīng)該指出,對于那些沒有與典型震積巖共生的單獨海嘯巖或者濁積巖就很難確定它們一定是地震成因的。4地震巖的研究4.1震積巖的形成時代均變漸進(jìn)與災(zāi)變事件交替發(fā)生是地層中的客觀記錄,地震災(zāi)變事件的記錄可以使某些地層中存在的令人困惑的現(xiàn)象迎刃而解。研究震積巖有助于解決古盆地、古環(huán)境、古構(gòu)造以及同一構(gòu)造帶內(nèi)地層對比等問題,也是造山帶中非smith地層研究中的一個重要手段。我國幅員遼闊,地史時期構(gòu)造背景復(fù)雜多變,因此在古海洋裂谷盆地、活動大陸邊緣盆地、殘余盆地、前陸盆地、內(nèi)陸斷陷盆地中存在很多震積巖,有待于進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識。我國大陸殼是由不同地史時期的塊體分解、拼貼的結(jié)果。在這個過程中常常伴隨有強(qiáng)烈的地震發(fā)生,形成震積巖。例如:華北中、晚元古代震積巖形成于古燕遼裂陷帶和古郯廬斷裂帶;川滇西部三江地區(qū)古生代震積巖形成于三江活動大陸邊緣帶;云南滇中地區(qū)中元古代震積巖形成于古滇中裂谷帶。所以,可以通過震積巖的研究恢復(fù)古構(gòu)造的活動性和構(gòu)造的演化,有助于認(rèn)識沉積盆地的大地構(gòu)造背景。4.2震積巖與油氣成藏的關(guān)系郭建華等通過對湘西大庸上震旦統(tǒng)燈影組中碳酸鹽巖震裂角礫巖的研究認(rèn)為,震裂角礫巖是一種較好的儲集巖體,以發(fā)生地震的斷裂系統(tǒng)為中心組成向兩側(cè)儲集巖體尖滅的巖性圈閉類型,從而將震積巖與油氣成藏之間建立起重要的聯(lián)系。國內(nèi)外學(xué)者對古生代以前的海相地層中的震積巖研究較多,而對古近紀(jì)古湖泊震積作用和震積巖研究相對較少。國內(nèi)一些學(xué)者如袁靜、陳世悅等對中國東部新生代斷陷盆地古近紀(jì)碎屑巖地震序列進(jìn)行研究,特別是通過觀察油氣勘探開發(fā)過程中的鉆井取芯來研究古代地震記錄,開拓了一個全新的領(lǐng)域。盡管在油氣勘探領(lǐng)域中古地震作用還未引起足夠的重視,但從其特殊的構(gòu)造背景來看,如果震積巖處于深大斷裂附近油氣有利的運移方向上,并且能夠和巖性、成巖作用、孔隙演化相匹配,就應(yīng)該具有一定的石油地質(zhì)意義,成為一類值得重視的潛在油氣儲層。4.3震積巖的研究古地震一般定義為有儀器記載之前的地震。地震地質(zhì)學(xué)家對古地震的研究實際上主要集中于第四系及近數(shù)千年的歷史地震記錄,其目的在于研究歷史地震的周期性,以解決用儀器記錄與地質(zhì)構(gòu)造在研究強(qiáng)地震重復(fù)周期時遇到的困難。中國地質(zhì)學(xué)家對地層中震積巖進(jìn)行了卓有成效的研究,涉及不同時代、不同構(gòu)造環(huán)境、不同巖性中的震積巖。喬秀夫等根據(jù)野外大區(qū)域的實際調(diào)查與研究,在華北地臺東部及北部的震旦系和下古生界中識別出20個震積巖巖組,并指出它們在地層演化中代表了6個地震活躍期,每個活躍期之間的周期長度為40Ma或30Ma節(jié)律,這可能具有某種普遍規(guī)律性的意義。震積巖的研究正在深入到研究震積巖的形成時代及其分布規(guī)律方面。研究震積巖的空間分布規(guī)律,可以了解全球的古地震帶;研究震積巖的時間分布規(guī)律,可以了解地史時期古地震的活躍期。當(dāng)資料積累較多時,就可以了解地史上地震活躍期與寧靜期交替的周期性規(guī)律,從而可以編制古地震年代表,從一個新的側(cè)面來反映地球的自然節(jié)律,為人類預(yù)測地震活動提供有利的證據(jù)。5震積作用的研究和宣傳地震是活動構(gòu)造背景下的一種自然災(zāi)變現(xiàn)象。而我國對于震積巖的研究有著極好的地質(zhì)條件。從地質(zhì)歷史的角度看,地震活動帶上的地震作用是頻繁發(fā)生的,因此在古地震活動帶震積現(xiàn)象應(yīng)是比較普遍的。目前對震積巖的文獻(xiàn)記錄較少(相比風(fēng)暴