杜芳鵬,鄧 輝,師學(xué)耀,2
(1.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系,陜西 西安 710069;2.陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司,陜西 西安 710075)
地震活動(dòng)是一種常見的地質(zhì)事件,是地殼在內(nèi)、外營(yíng)力作用下,聚集的構(gòu)造應(yīng)力突然釋放,產(chǎn)生震動(dòng)彈性波,從震源向四周傳播引起地面顫動(dòng),顫動(dòng)能引起沉積物的變形,而具有地震引起的變形構(gòu)造的巖層被稱作震積巖(seismites)。雖然從廣義上講,所有具有古地震記錄的巖石都可以歸入震積巖的范疇,但研究中往往取其較為狹義的概念,即具有地震引發(fā)的軟沉積變形構(gòu)造的巖石。
震積巖(Seismites)一詞是 Seilacher[1]于 1969年在研究美國(guó)加利福尼亞中新統(tǒng)蒙特利頁(yè)巖中的遞變斷層時(shí)提出的,是指構(gòu)造活動(dòng)區(qū)水下未固結(jié)的沉積物在地震活動(dòng)的改造后再沉積的沉積層。之后有一大批地質(zhì)學(xué)家對(duì)震積巖進(jìn)行研究,工作集中在對(duì)震積巖識(shí)別標(biāo)志的描述和解釋兩方面[2-6]。時(shí)至今日,仍沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)可以將地震成因的軟沉積變形與其他多種成因的軟沉積變形區(qū)分開來(lái)。我國(guó)的震積巖研究始于1988年宋天銳對(duì)北京十三陵前寒武紀(jì)碳酸鹽巖地層中“異常的沉積構(gòu)造”的研究[7]。90年代,國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)震積巖的研究定位在建立垂向沉積序列,并取得了一定的成果:吳賢濤、尹國(guó)勛(1992)[8]建立了碎屑巖原地系統(tǒng)的地震液化序列;梁定益等(1991、1994)[9-10]建立了震積巖與不整合面序列,喬秀夫等(1994)[11]建立了海相碳酸鹽巖震動(dòng)液化地震序列;孫曉猛等(1995)[12]建立了大陸邊緣震積巖序列。進(jìn)入21世紀(jì),震積巖的報(bào)道幾乎遍布全國(guó)各個(gè)盆地,報(bào)道較多的有渤海灣盆地的濟(jì)陽(yáng)凹陷、東濮凹陷、惠民凹陷、東營(yíng)凹陷中的沙河街組[13-19]、柴達(dá)木盆地西南區(qū)[20-22]、鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組[23-25]、松遼盆地青山口組[26-27],準(zhǔn)噶爾盆地、塔里木盆地、川東、藏北等地區(qū)均有震積巖發(fā)現(xiàn)。然而,這些報(bào)道也多限于現(xiàn)象描述,震積巖的研究似乎遭遇瓶頸,一時(shí)難以取得突破性的進(jìn)展。值得一提的是,鄢繼華等[28]于2009年在水槽模擬實(shí)驗(yàn)中觀察到了多種軟沉積變形構(gòu)造,雖然模擬的沉積環(huán)境單一、震級(jí)單一,但是給震積巖的研究提供了很好的思路。
盡管至今仍沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)可以從眾多成因的軟沉積構(gòu)造中識(shí)別出震積巖,然而前人的不斷探索已經(jīng)取得了豐碩的成果,以下沉積構(gòu)造普遍被學(xué)者們認(rèn)同為震積巖的識(shí)別標(biāo)志。雖然這些構(gòu)造單獨(dú)來(lái)看可能有多種形成機(jī)制,地震振動(dòng)只是其中一種,但這些構(gòu)造的組合特征對(duì)其形成機(jī)制判定有這重要幫助。
階梯狀小斷層為一系列小型近平行排列的小斷層,基本上都是正斷層。一般僅發(fā)育在巖層中較薄范圍內(nèi),斷距3~10 mm,傾角較陡,呈階梯狀排列。階梯狀斷層產(chǎn)生于強(qiáng)烈地震的斜坡地帶,振動(dòng)作用產(chǎn)生的地震剪應(yīng)力大于斜坡抗剪強(qiáng)度,使得斜坡帶沉積物發(fā)生斷階滑塌,形成斷階。此外,振動(dòng)作用誘發(fā)的斜坡帶滑塌體對(duì)下部沉積物的差異壓實(shí)也會(huì)產(chǎn)生一系列斷層[29]。
在地震作用的震動(dòng)過(guò)程中,尚未固結(jié)或弱固結(jié)的少黏性沉積物的砂、水關(guān)系被打亂,重新配置形成懸液,在泥巖夾砂巖或砂泥巖互層的地層中,液化砂巖沿裂隙充填或主動(dòng)刺穿圍巖侵位而形成液化砂巖脈(墻),液化砂巖脈與巖層呈高角度或垂直相交。規(guī)模上,這種構(gòu)造在垂向上延伸為幾厘米到幾米變化不等。以向上刺穿的脈體為主,也見向下侵位的脈體,沿侵位方向不規(guī)則地變窄,直到尖滅。然而,并非所有地震都能造成液化,一般認(rèn)為只有地震震級(jí)大于5級(jí)砂巖才會(huì)液化[30],當(dāng)然,與沉積物的類型、類型和狀態(tài)也有密切聯(lián)系[17]。
有兩種角礫可能是地震過(guò)程中形成的。一種是薄層沉積物被拉成鏈狀礫石層(loop bedding),礫石間有時(shí)呈“藕斷絲連”狀,作用進(jìn)一步加強(qiáng)就會(huì)分離,但是礫石間具有可拼合性,能追蹤出它原始的層。它們很明顯是原地的,未經(jīng)過(guò)搬運(yùn)。它們的形成被解釋為薄層未固結(jié)或半固結(jié)的沉積物對(duì)一系列低等級(jí)地震造成的張應(yīng)力場(chǎng)的響應(yīng),從根本上是對(duì)張性斷裂緩慢活動(dòng)的響應(yīng)。由于沉積物力學(xué)性質(zhì)的不同,可能會(huì)形成從純塑性到純脆性的角礫。另一種角礫則是液化砂巖脈向不同方向侵位,使得上覆薄泥巖角礫化,從而形成泥巖角礫,有些可以拼接,看到原來(lái)的層,而有些則被打亂,沒法拼接到一起了。
沙侵蘑菇在形態(tài)上類似于小型的底辟構(gòu)造,一般是分選較好的細(xì)砂、粉砂侵入到上覆泥巖層并造成其變形,形成近似蘑菇狀的構(gòu)造。在平面上,砂體呈帶狀分布。砂侵蘑菇常與液化砂巖脈、球枕構(gòu)造混層共生,說(shuō)明它們形成機(jī)理、條件上的近似性。
液化卷曲變形主要表現(xiàn)為細(xì)砂、粉砂等在地震波的影響下,塑性泥質(zhì)、粉砂質(zhì)沉積物液化引起的水平層卷曲,形成以一系列形態(tài)各異的小型褶曲,呈波狀、槽狀起伏。
這種構(gòu)造橫向展布的一系列向上彎曲的粉砂、細(xì)砂質(zhì)地質(zhì)體,每個(gè)枕狀體內(nèi)的紋層平行于枕狀體的地面彎曲,其頂面為平直的截切面[5]。枕狀構(gòu)造的形成的解釋,一種是由于下伏塑性細(xì)粒沉積物擠入上覆弱液化層,形成火焰構(gòu)造,相應(yīng)地,砂巖發(fā)生卷曲變形形成枕狀構(gòu)造;另一種是下伏粉、細(xì)砂巖層產(chǎn)生液化時(shí),底辟侵位到上覆較粗弱液化砂巖層,使上覆層的巖石紋層沿向上流動(dòng)的方向牽引彎曲,形成枕狀構(gòu)造。
這種構(gòu)造是地震液化作用結(jié)束后,沉積物體積收縮,加上振動(dòng)和重力作用,上覆細(xì)砂、粉砂等較高密度層向軟性低密度泥質(zhì)沉積中沉陷,形成球枕構(gòu)造。形態(tài)上呈不規(guī)則的碎塊狀、球狀、枕狀、瘤狀等。此類構(gòu)造多出現(xiàn)在以泥質(zhì)沉積物為主的層段中。
該層是軟沉積物層在地震液化作用中,沉積物經(jīng)歷振動(dòng)、液化、稀釋作用后,上層的沉積物結(jié)構(gòu)、性質(zhì)趨向均一并在地震結(jié)束后形成的沉積層,反映了地震活動(dòng)所引起的軟沉積物液化作用以及構(gòu)造變形的結(jié)束。
如前所述,所發(fā)育的單個(gè)沉積變形構(gòu)造不能證明其為震積巖,因而學(xué)者們以大量的實(shí)際素材總結(jié)出了震積巖在垂向上所具有的特征,即單個(gè)變形構(gòu)造在垂向上的排列規(guī)律——震積巖垂向沉積序列。1988年引進(jìn)震積巖這一概念以來(lái),國(guó)內(nèi)學(xué)者們建立的多種沉積環(huán)境下的震積巖垂向沉積序列,典型代表有海相碳酸鹽巖震積系列和陸相碎屑巖震積序列。
喬秀夫等[11]研究了華北地臺(tái)震旦系幾下寒武統(tǒng)的震積巖,建立了鹽巖振動(dòng)液化序列,包括原地系統(tǒng)和異地系統(tǒng)。原地系統(tǒng)自下而上分為A、B、C三個(gè)單元。A單元:液化泥晶碳酸鹽巖脈和碳酸鹽泥塊體;B單元:液化變形的各種卷曲變形構(gòu)造及震褶巖、震裂巖與震塌巖;C單元:液化作用即將結(jié)束或停止形成的層內(nèi)韻律斷層、階梯狀斷層、地裂縫以及地面下沉形成的開啟性質(zhì)的地裂縫。
國(guó)內(nèi)最早建立碎屑巖震積垂向序列的是吳賢濤、尹國(guó)勛[8],將震積巖自下而上分為未震層、微斷裂層、微褶皺層、碎塊層及液化均一層,上覆見有未震層。之后又很多學(xué)者對(duì)自己研究區(qū)震積巖的實(shí)際發(fā)育狀況對(duì)這一序列進(jìn)行了些微改動(dòng)(如圖1所示),但總體特征變化不大,這從另一個(gè)側(cè)面表明典型的震積巖垂向序列與此差別不大,而實(shí)際工作中能觀察到的多數(shù)為發(fā)育不完整垂向序列的震積巖。
圖1 碎屑巖垂向震積序列
(1)現(xiàn)代地震多發(fā)育在板塊邊界和板塊內(nèi)部的活動(dòng)斷裂帶,“將今論古”,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)陸斷陷盆地存在震積巖的可能性比較大[29]?,F(xiàn)今的諸多報(bào)道中,震積巖發(fā)育層位的古構(gòu)造背景無(wú)疑都是十分活躍的。比如松遼盆地震積巖發(fā)育的青山口組,同時(shí)還發(fā)育著火山巖和火山灰沉積;鄂爾多斯盆地的震積巖最發(fā)育的延長(zhǎng)組長(zhǎng)7油層組,同樣發(fā)育有多層的凝灰?guī)r,并且長(zhǎng)7期為印支運(yùn)動(dòng)幕式活動(dòng)最強(qiáng)的時(shí)期;渤海灣盆地震積巖發(fā)育最多的沙三、沙四期則處于盆地控盆(凹)斷裂活動(dòng)最強(qiáng)期。由上不難看出,震積巖的發(fā)育是區(qū)域內(nèi)強(qiáng)烈構(gòu)造活動(dòng)的表現(xiàn)之一,因此,詳細(xì)研究震積巖對(duì)于區(qū)域古構(gòu)造活動(dòng)的強(qiáng)度甚至是期次分析具有重要意義。
(2)震積巖發(fā)育在深大斷裂附近,以及特殊背景下的成巖作用、孔隙演化與烴類成熟、運(yùn)移方向的配套性表明,地震作用形成的震裂角礫巖是一種較好的儲(chǔ)集層;同時(shí)地震造成的滑移不整合面可作為油氣運(yùn)移通道。因此,開展生油斷陷、坳陷湖盆中震積巖的研究具有一定的石油地質(zhì)意義。
(3)震積巖的研究經(jīng)歷了40多年的發(fā)展,取得了豐碩的成果。由下至上發(fā)育的階梯狀小斷層、液化卷曲變形、液化砂巖脈(墻)、砂球枕構(gòu)造以及液化均一層這一垂向序列是確定震積巖的重要證據(jù),然而必須清醒地認(rèn)識(shí)到實(shí)際工作遇到的往往是不典型的沉積構(gòu)造序列,這就要求我們能夠綜合其古構(gòu)造背景、沉積環(huán)境、水底地形等條件來(lái)加以分析判斷。震積巖的細(xì)致研究有著重大的構(gòu)造意義及油氣意義,盡管研究難度大,但所能獲得的價(jià)值必將遠(yuǎn)高于所付出的。
[1]Seilacher. Fault - graded beds interpreted as seismites[J]. Sedimentology,1969,13(1/2):155 - 159.
[2]Allen,J.R.L.Earthquake magnitude - frequency,epicenral distance,and soft- sediment deformation in sedimentary basins.Sediment.Geol. 1986,46,67 - 75.
[3]Cita,M.B.,Ricci Lucchi.Seismicity and sedimentation(special issue).Mar.Geol.1984,55(1/2),493.
[4]Einsele,G.Ricken,W.Seilacher,A.(Eds).Cycles and Events in Stratigraphy Springer.Berlin,1991,955.
[5]M.A.Rodriguez- Pascua,J.p.Calvo,G.De Vicente.Soft- sediment deformation structures interpreted as seismites in lacustrine sediments of the Prebetic Zone,SE Spain,and their potential use as indicators of earthquake magnitudes during the Late Miocene.Sedimentary Geology,2000,135:117 - 135.
[6]Sims,J.D.Determining earthquake recurrence intervals from deformational structures in young lacustrine sediments.tectonophysics,1975,29,141 -152.
[7]宋天銳.北京十三陵前寒武紀(jì)碳酸鹽巖地層中的一套可能的地震 -海嘯序列.科學(xué)通報(bào).1988,38(8):609-611.
[8]吳賢濤,尹國(guó)勛.四川峨眉晚侏羅世湖泊沉積中震積巖的發(fā)現(xiàn)及其意義.沉積學(xué)報(bào).1992,10(1):19 -26.
[9]梁定益,聶澤同,萬(wàn)曉樵,等.試論震積巖及震積不整合——以川西、滇西地區(qū)為例.現(xiàn)代地質(zhì).1991,5(2):138 -146.
[10]梁定益.再論震積巖幾震積不整合——以川西、滇西地區(qū)為例.地球科學(xué).1994,19(6):845 -850.
[11]喬秀夫,宋天銳,高林志,等.碳酸鹽巖振動(dòng)液化地震序列.地質(zhì)學(xué)報(bào).1994,68(1):16 -32.
[12]孫曉猛,梁定益,聶澤同.大陸邊緣震積巖序列——以金沙江中段震積巖為例.現(xiàn)代地質(zhì).1995,9(3):271-278.
[13]陳世悅,袁文芳,鄢繼華.濟(jì)陽(yáng)坳陷早第三紀(jì)震積巖的發(fā)現(xiàn)及其意義.地質(zhì)科學(xué).2003,38(3):377 -384.
[14]付文利,王艷琴,楊光,等.東營(yíng)凹陷沙三段、沙四段震積巖研究.油氣地質(zhì)與采收率.2004,11(2):6 -8.
[15]袁靜.山東惠民凹陷古近紀(jì)震積巖特征及其地質(zhì)意義.沉積學(xué)報(bào).2004,22(1):41 -46.
[16]楊劍萍,查明,牟雪梅,等.山東惠民凹陷古近系基山砂體地震作用成因新論.沉積學(xué)報(bào).2006,24(4):488-495.
[17]高紅燦,鄭榮才,陳發(fā)亮等.東濮凹陷古近系啥河街組震積巖的認(rèn)識(shí)及意義[J].古地理學(xué)報(bào).2010,12(4):387-398.
[18]張小莉,查明,楊劍萍,等.惠民凹陷的震積作用及低電阻率油層.沉積學(xué)報(bào).2006,24(6):829 -833.
[19]魏垂高,張世奇,姜在興,等.東營(yíng)凹陷現(xiàn)河地區(qū)沙三段震積巖特征及其意義.沉積學(xué)報(bào).2006,24(6):798-805.
[20]夏青松,田景春.鄂爾多斯盆地南部上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組震積巖的發(fā)現(xiàn)及地質(zhì)意義.沉積學(xué)報(bào).2007,25(2):246-252.
[21]李元昊,劉池洋,王秀娟.鄂爾多斯盆地三疊系延長(zhǎng)組震積巖特征研究.沉積學(xué)報(bào).2008,26(5):722 -779.
[22]邵曉巖,田景春,張錦泉,等。鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組長(zhǎng)4+5油層組中的古地震記錄.古地理學(xué)報(bào).2009,11(2):117-186.
[23]高紅燦,鄭榮才,陳發(fā)亮,等.東濮凹陷古近系沙河街組震積巖的認(rèn)識(shí)及意義.古地理學(xué)報(bào).2010,12(4):384-398.
[24]石亞軍,陳武杰,曹正林,等.柴達(dá)木盆地西南區(qū)震積巖的發(fā)現(xiàn)及其引發(fā)的勘探啟迪.地質(zhì)學(xué)報(bào).2009,83(8):1178-1187.
[25]鄢繼華,崔永北,陳世悅.幾種常見震積巖相標(biāo)志在模擬實(shí)驗(yàn)中的識(shí)別.沉積學(xué)報(bào).2009,27(6):1131 -1137.
[26]陳武杰,袁靜,李紅哲,等.柴達(dá)木盆地西南區(qū)震積作用及其研究意義.天然氣地球科學(xué).2010,21(2):230-237.
[27]楊玉芳,鐘建華,王海僑,等.宋遼盆地青山口組震積巖特征及油氣地質(zhì)意義.西南石油大學(xué)學(xué)報(bào).32(3):41-50.
[28]朱萌,李德威,劉德民,等.柴達(dá)木盆地西南緣更新統(tǒng)震積巖特征及其意義,古地理學(xué)報(bào).2011,13(6):657-664.
[29]杜遠(yuǎn)生,韓欣.論震積作用和震積巖.地球科學(xué)進(jìn)展.2000,15(4):389-394.
[30]Atkinson,G,.Simple conputation of probability for seismic hazard applications[J]. Earthquakes Spectra 1,Ann Soc. Geol. Polon.1984,40,3-30.