中國(guó)震積巖的研究進(jìn)展

中國(guó)震積巖的研究進(jìn)展

地震活動(dòng)是地質(zhì)和地震學(xué)的常見(jiàn)事件。它是地球內(nèi)動(dòng)力作用的表現(xiàn)，具有突發(fā)性、瞬時(shí)性和高能耗的特點(diǎn)。震積巖(seismite)一詞,首先由A.Seilacher于1969年提出,原意是指一個(gè)構(gòu)造活動(dòng)區(qū)未固結(jié)的水下沉積物受到地震活動(dòng)改造再沉積的沉積層。1984年,C.Spalleta等通過(guò)對(duì)意大利東北卡尼克地區(qū)泥盆系碳酸鹽臺(tái)地邊緣的研究,提出自碎角礫巖(Autoclasticbreccia)的概念,認(rèn)為它是識(shí)別震積巖的一個(gè)重要標(biāo)志。同年,A.Seilacher在對(duì)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(guó)內(nèi)對(duì)震積巖的研究始于1988年宋天銳等對(duì)華北古代震積巖的研究。之后,梁定益等根據(jù)對(duì)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(dòng)層與上覆的滑來(lái)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(duì)中朝地臺(tái)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(dòng)液化模型。國(guó)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(dú)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(shí)別、災(zāi)變事件沉積的研究、災(zāi)變事件地層的劃分、對(duì)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(lái),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(duì)其識(shí)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(guó)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(guò)程上的不同,從而導(dǎo)致震積巖在識(shí)別標(biāo)志及震積序列上有顯著的差別?，F(xiàn)從以下幾個(gè)方面來(lái)介紹國(guó)內(nèi)震積巖的研究現(xiàn)狀。1震積巖的識(shí)別現(xiàn)代地震活動(dòng)幕、地震旋回的時(shí)間都很短,從幾年到幾百年不等?？上攵?地史中的古老地震活動(dòng)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(lái)。研究表明地層中能保存下來(lái)的,目前能識(shí)別的主要是6級(jí)以上強(qiáng)震作用的產(chǎn)物。主要識(shí)別標(biāo)志為振動(dòng)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(jiàn)的震積巖識(shí)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(dòng)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(wú)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(jiàn)的單個(gè)褶曲大小為1~20cm,尤以1~5cm較為常見(jiàn),褶曲寬度多小于1m,常見(jiàn)20cm左右(圖2)。1.3剖面位置及平穩(wěn)性檢驗(yàn)。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(zhǎng)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?yàn)榈卣鹨鹨夯饔猛Ｖ购?沉積物重新壓實(shí)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(shì)。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(guò)渡到微褶曲層段或直接過(guò)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(dòng)、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(wú)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(shí)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(shí)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(wèn)題近年來(lái),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(guò)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(dòng)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(tái)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(gè)垂向液化系統(tǒng)(喬氏序列),自上而下有3個(gè)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(gè)序列產(chǎn)生于環(huán)境未固結(jié)的碳酸鹽巖中,震級(jí)大于6級(jí)。該振動(dòng)液化地震序列的提出曾經(jīng)引起了國(guó)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(lái)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(dòng)層(巖層松動(dòng)、裂縫發(fā)育、褶皺、震碎角礫)震積巖{異地相—滑來(lái)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(dòng)層(巖層松動(dòng)、裂縫發(fā)育、褶皺、震碎角礫)同時(shí)還通過(guò)對(duì)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(guò)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(duì)四川峨嵋晚侏羅世湖泊沉積建立了一個(gè)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(gè)序列厚1~10cm。在這個(gè)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(lái),陳世悅、袁文芳等在對(duì)濟(jì)陽(yáng)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(duì)地表淺層沉積物,也可以對(duì)地下深層沉積物,既可以對(duì)非固結(jié)沉積物也可以對(duì)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(gè)單元或某幾個(gè)單元,這既與所觀察剖面的位置有關(guān),也與地震震級(jí)、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(guò)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)對(duì)沉積物的改造作用。震積作用既包括地震對(duì)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(lái)近原地的沉積物)或重力流沉積作用(帶來(lái)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(lái)震積層和震濁積巖。對(duì)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(dòng)觸發(fā)的。因此,筆者認(rèn)為把原地地震擾動(dòng)形成的震積巖與滑來(lái)震積層的海嘯巖和震濁積巖綜合起來(lái)研究地震沉積組合是非常有意義的。這里所說(shuō)的原地地震擾動(dòng)層和上覆的異地相滑來(lái)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(lái)中國(guó)地質(zhì)學(xué)家對(duì)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(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)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(duì)于那些沒(méi)有與典型震積巖共生的單獨(dú)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(shí)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(duì)比等問(wèn)題,也是造山帶中非smith地層研究中的一個(gè)重要手段。我國(guó)幅員遼闊,地史時(shí)期構(gòu)造背景復(fù)雜多變,因此在古海洋裂谷盆地、活動(dòng)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(shí)。我國(guó)大陸殼是由不同地史時(shí)期的塊體分解、拼貼的結(jié)果。在這個(gè)過(guò)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(dòng)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(guò)震積巖的研究恢復(fù)古構(gòu)造的活動(dòng)性和構(gòu)造的演化,有助于認(rèn)識(shí)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(guò)對(duì)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(chǔ)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(chǔ)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(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)古生代以前的海相地層中的震積巖研究較多,而對(duì)古近紀(jì)古湖泊震積作用和震積巖研究相對(duì)較少。國(guó)內(nèi)一些學(xué)者如袁靜、陳世悅等對(duì)中國(guó)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(guò)觀察油氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中的鉆井取芯來(lái)研究古代地震記錄,開(kāi)拓了一個(gè)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(lái)看,如果震積巖處于深大斷裂附近油氣有利的運(yùn)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(chǔ)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(duì)古地震的研究實(shí)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(shí)遇到的困難。中國(guó)地質(zhì)學(xué)家對(duì)地層中震積巖進(jìn)行了卓有成效的研究,涉及不同時(shí)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(shí)際調(diào)查與研究,在華北地臺(tái)東部及北部的震旦系和下古生界中識(shí)別出20個(gè)震積巖巖組,并指出它們?cè)诘貙友莼写砹?個(gè)地震活躍期,每個(gè)活躍期之間的周期長(zhǎng)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(shí)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(shí)間分布規(guī)律,可以了解地史時(shí)期古地震的活躍期。當(dāng)資料積累較多時(shí),就可以了解地史上地震活躍期與寧?kù)o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(gè)新的側(cè)面來(lái)反映地球的自然節(jié)律,為人類預(yù)測(cè)地震活動(dòng)提供有利的證據(jù)。5震積作用的研究和宣傳地震是活動(dòng)構(gòu)造背景下的一種自然災(zāi)變現(xiàn)象。而我國(guó)對(duì)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(dòng)帶上的地震作用是頻繁發(fā)生的,因此在古地震活動(dòng)帶震積現(xiàn)象應(yīng)是比較普遍的。目前對(duì)震積巖的文獻(xiàn)記錄較少(相比風(fēng)暴