邵珠福 劉澤璇 鐘建華 欒錫武 冉偉民 劉晶晶 張文鑫 趙 冰
1東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,黑龍江大慶 163318 2 Department of Geology and Petroleum Geology,University of Aberdeen,Aberdeen,AB24-3UE,UK 3中國(guó)石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東青島 266580 4中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所,山東青島 266071
軟沉積物變形構(gòu)造的形成取決于沉積物(未固結(jié))液化敏感性、改變沉積物屈服強(qiáng)度狀態(tài)的觸發(fā)機(jī)制和足夠的驅(qū)動(dòng)力3個(gè)方面(Allen,1986)。變形機(jī)理隨材料性質(zhì)的不同而不同,對(duì)于彈塑性地質(zhì)沉積物,足夠大的應(yīng)力超過(guò)其屈服強(qiáng)度或降低其固有屈服強(qiáng)度均可導(dǎo)致變形(Owen,1987)。
液化變形是一種常見(jiàn)的無(wú)黏性軟沉積物變形構(gòu)造,如液化砂脈、液化砂席、液化砂柱、液化砂(泥)火山、液化砂管、液化砂涌(sand blow)、液化砂尖頂(cusps)、包卷層理、碟狀構(gòu)造、負(fù)載構(gòu)造、回縮構(gòu)造、底辟構(gòu)造、假結(jié)核和其他泄水構(gòu)造等(Lowe,1975,1976;Allen,1977,1982;Owen,1987,1995;Obermeier,1996;Takahamaetal., 2000;Rodríguez-Pascuaetal., 2000;Tuttle,2001;Massarietal., 2001;Kholodov,2002;Luetal., 2006;Moretti and Sabato,2007;Glennie and Hurst,2007;Chenetal., 2009;Bonini,2009;Owenetal., 2011;Owen and Moretti,2011;Rossetal., 2011;Gibertetal., 2011;Rowe,2013;Suetal., 2014;Valenteetal., 2014;易雪斐等,2015;Oppo and Capozzi,2016;Ulvrovaetal., 2016;Mazumderetal., 2016;杜遠(yuǎn)生和余文超,2017;Hurst and Vigorito,2017;鐘建華等,2018)。液化甚至可產(chǎn)生大型砂巖注入體(Satur and Hurst,2007;Grippaetal., 2019)。
液化可分為靜態(tài)液化、脈沖液化和循環(huán)液化3種類(lèi)型(Owen,1987),可發(fā)生在冰川、荒漠、山間凹陷、河流、三角洲、潮汐帶、濱淺海、大陸斜坡和海底扇等多種環(huán)境(Kuribayashi and Tatsuoka,1975;Alfaroetal., 1997;Morettietal., 2001;Moretti and Sabato,2007;Shietal., 2007;Peruccaetal., 2009;Wagoner Loon,2009;Alfaroetal., 2010;Wagoner Loon and Maulik,2011;Moretti and Ronchi,2011;Phillipsetal., 2013;Owen and Santos,2014;Ravieretal., 2015;鐘建華等,2018;Ko?-Tagn and Diniz-Akarca;2018),甚至可以發(fā)生在火星上(Mahaneyetal., 2004;Wangetal., 2005),但以湖泊和海洋為主。液化多發(fā)生在碎屑巖和碳酸鹽巖中(Suetal., 2014)。地震、火山噴發(fā)、海嘯和風(fēng)暴水波、沉積物負(fù)載、冰川消融、凍土融化、成巖作用、潮汐、洪水、滑動(dòng)滑塌、濁流、地下水活動(dòng)、管道流、氣體泄漏、底辟作用、海平面升降和生物活動(dòng)等都可以觸發(fā)液化活動(dòng)(Burne,1970;Allen and Banks,1972;Owen,1987;Obermeier,1996;Murtonetal., 2000;Harrisetal., 2000;Morettietal., 2001;Mahaneyetal., 2004;Zhongetal., 2006;Mazumderetal., 2006;Glennie and Hurst,2007;Greb and Archer,2007;鐘建華等,2008;Owen and Moretti,2008,2011;梅冥相等,2009;鐘建華和梁剛,2009;Wagoner Loon,2009;Alfaroetal., 2010;Owenetal., 2011;Rowe,2013;Lietal., 2013;Chen and Lee,2013;Miyakawaetal., 2013;Phillipsetal., 2013;Tianetal., 2013;邵珠福等,2014a;Owen and Santos,2014;Ravieretal., 2015;Ulvrovaetal., 2016;Mazumderetal., 2016;Koetal., 2017;Hurst and Vigorito,2017;Capaccionietal., 2017;杜遠(yuǎn)生和余文超,2017;馮增昭等,2017;馮增昭,2017;鐘建華等,2018;Ko?-Tagn and Diniz-Akarca,2018)。
地震常常引起飽和砂沉積層液化和流化,地震時(shí),飽含水的松散沉積物受到地震循環(huán)波剪切力影響,靜態(tài)孔隙水形成了具超孔隙水壓力的水體,并克服了砂顆粒間的內(nèi)摩擦力而使砂顆粒發(fā)生流動(dòng),顆粒重新排列。飽和砂沉積物變?yōu)闊o(wú)流體,沒(méi)有屈服強(qiáng)度,上覆壓力和顆粒之間支撐力轉(zhuǎn)化為顆粒之間的孔隙流體壓力,此時(shí)液化產(chǎn)生并持續(xù)一段時(shí)間。隨后顆?;謴?fù)至接觸狀態(tài),排列更加緊密(Allen,1982;Owen,1987;Obermeier,1996;Obermeier and Pond,1999;Tuttle,2001;Owen and Moretti,2011)。隨著地震周期性震蕩,剪切力持續(xù)增加,孔隙流體壓力逐步增強(qiáng),當(dāng)孔隙流體壓力(pore-fluid pressure)超過(guò)上覆地層壓力或者上覆密封層的破裂壓力時(shí),孔隙流體壓力釋放,產(chǎn)生流化,導(dǎo)致應(yīng)變,流體攜帶砂體流動(dòng),于是產(chǎn)生泄水構(gòu)造和變形(Obermeier,1996;Owenetal., 2011;邵珠福等,2014a,2014b,2014c)。地震液化強(qiáng)度與震級(jí)、震中距、震源深度和地震持續(xù)時(shí)間有關(guān),同時(shí)受沉積物顆粒大小、厚度、固結(jié)程度、上覆非滲透層厚度等條件影響(Burne,1970;Obermeier,1996;Morettietal., 1999;Valenteetal., 2014)。液化在粗粉砂和細(xì)砂中最易發(fā)生(Owen and Moretti,2011),也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)了礫石液化(Takahamaetal., 2000)。一般引起液化最小震級(jí)M5~6級(jí)(楊承先,1985;Allen,1986;Obermeier and Pond,1999;Koetal., 2017)。
2018年5月28日1時(shí)52分,松原市寧江區(qū)發(fā)生M5.7級(jí)地震(45°16′12″N,124°42′35″E),震源深度13-km,隨后28—31日發(fā)生多次2~3級(jí)余震。地震引發(fā)周?chē)?-km范圍內(nèi)廣泛發(fā)育液化和流化構(gòu)造,其中以液化砂火山最為普遍。文中通過(guò)詳細(xì)介紹液化構(gòu)造種類(lèi)、組合關(guān)系與空間分布等,闡述其成因機(jī)制,以期對(duì)古地震和現(xiàn)代地震研究提供素材。
F1—嫩江—開(kāi)魯斷裂帶;F2—依蘭—伊通斷裂帶;F3—赤峰—開(kāi)原斷裂 紅色圓點(diǎn)為1976年以來(lái)松遼盆地及周邊地震震中位置,黃色圓點(diǎn)為2018年5月28日松原寧江區(qū)牙木吐村M5.7級(jí)地震發(fā)育位置圖 1 中國(guó)吉林松原地區(qū)構(gòu)造位置圖Fig.1 Tectonic location of Songyuan area in Jilin Province, China
松原地處吉林省西北部,地貌上屬于平原區(qū),構(gòu)造位置位于郯廬斷裂帶北段西側(cè)、松遼盆地中央凹陷帶(圖 1)。松遼盆地為華北板塊、西伯利亞板塊和太平洋板塊所夾持的前中生界基底上的中、新生代陸相疊合盆地(葛榮峰等,2010;孟元林等,2012;王璞珺等,2015;韓江濤等,2018),西側(cè)為嫩江—開(kāi)魯斷裂和大興安嶺,東側(cè)為郯廬斷裂帶北段的依蘭—伊通斷裂帶和張廣才嶺,北側(cè)為訥謨爾河斷裂帶和小興安嶺,南側(cè)為赤峰—開(kāi)原斷裂和燕山構(gòu)造帶,主體呈NNE方向,盆地發(fā)育經(jīng)歷了斷陷—坳陷—反轉(zhuǎn)三大演化階段,充填碎屑巖與火山巖沉積,盆地內(nèi)部斷裂以NNE-NE和NNW-NW向?yàn)橹?張功成等,1997;何委徽等,2011)。
郯廬斷裂帶是中國(guó)東部中新生代以來(lái)長(zhǎng)期活動(dòng)的深大斷裂,長(zhǎng)約2400-km,其北段(肇興—昌圖段)從松原地區(qū)東側(cè)穿過(guò),北起黑龍江邊的肇興縣,南到昌圖縣,走向NE40°~45°,延伸約 800-km,分依蘭—伊通和密山—敦化2條主干斷裂(羅志立等,2005;萬(wàn)桂梅等,2009)。郯廬斷裂帶中—新生代斷裂和地震活動(dòng)十分頻繁和強(qiáng)烈,如在1668年在郯城—莒縣發(fā)生了華北地區(qū)最強(qiáng)烈的8.5級(jí)的大地震,在其中段的沂沭斷裂帶及其附近地區(qū)的中—新生代地層中,已識(shí)別出由地震產(chǎn)生的軟沉積變形構(gòu)造(震積巖)的組級(jí)地震事件地層多達(dá)17個(gè)(田洪水等,2017)。
圖 2 中國(guó)吉林松原地區(qū)及周邊斷層分布(據(jù)劉權(quán)鋒等,2017;修改)Fig.2 Fault distribution of Songyuan area and its surrounding areas in Jilin Province, China(modified after Liu et al.,2017)
松原地區(qū)周邊斷裂活動(dòng)頻繁(圖 2),最主要的有扶余—肇東斷裂、第二松花江斷裂、扶余北斷裂、孤店斷裂、查干花—道字井?dāng)嗔?楊清福等,2010;薛艷等,2015;邵博等,2015;劉權(quán)鋒等,2017;劉俊清等,2017;盤(pán)曉東等,2018)。
1)扶余—肇東斷裂。北起肇東,南到懷德,為松遼盆地中央凹陷區(qū)和東南隆起區(qū)分界線,走向NE,傾向SE,傾角70°~80°,為早、中更新世活躍斷層(劉權(quán)鋒等,2017;盤(pán)曉東等,2018)。
2)第二松花江斷裂。西起大安,東到崇善,全長(zhǎng)超過(guò)500 km,走向NW,傾向SE,傾角70°~80°,最新活動(dòng)時(shí)代早、中更新世(楊清福等,2010)。
3)扶余北斷裂。扶余—肇東斷裂分支,走向EW,傾向S,傾角70°~80°,為一長(zhǎng)度近30-km的隱伏斷裂,全新世以來(lái)一直活躍(劉權(quán)鋒等,2017)。
4)孤店斷裂。扶余—肇東斷裂分支,走向NE-NW,傾向SE,長(zhǎng)度超過(guò)60-km,具有典型的正反轉(zhuǎn)構(gòu)造性質(zhì),全新世以來(lái)仍有活動(dòng)(邵博等,2015;劉權(quán)鋒等,2017)。
5)查干花—道字井?dāng)嗔?。扶余—肇東斷裂南段分支,走向NE-NW,傾向NW,長(zhǎng)度超過(guò)30-km,全新世以來(lái)仍有活動(dòng)(劉權(quán)鋒等,2017)。
圖 3 中國(guó)吉林松原M5.7級(jí)地震震源區(qū)淺層沉積物巖性剖面圖Fig.3 Lithologic profile of shallow sediments in sesmic region of the M5.7 earthquake in Songyuan area,Jilin Province, China
松原地處松嫩平原腹地,第四紀(jì)松散沉積物厚度80~100-m,主要為黑色淤泥與砂土質(zhì)互層沉積,地層從下到上依次為下全新統(tǒng)溫泉河組、中全新統(tǒng)坦途組和上全新統(tǒng)郭家店組(郭偉靜等,2007;趙福岳,2010)。地下水位埋深一般小于5-m(田輝等,2011;盤(pán)曉東等,2018)。據(jù)震中約1-km處3口淺鉆井顯示(圖 3),牙木吐村周邊淺地表松散沉積物(郭家店組)可劃分5個(gè)地層單元: ①為富含腐殖質(zhì)黏土(黑土地),厚度50~70-cm,為農(nóng)作物生長(zhǎng)主力層位;②淺棕色粉砂質(zhì)黏土,與地層單元①呈漸變關(guān)系,粒度略粗,厚度45~60-cm;③紅褐色黏土,為古風(fēng)化殼沉積,可作為標(biāo)志層全區(qū)對(duì)比,厚度10~15-cm;④淺灰色粉砂質(zhì)黏土,厚度10~15-cm,粒度較單元③變粗,含水飽和度增高,與下覆單元呈漸變過(guò)渡關(guān)系;⑤淺黃色細(xì)砂、粉砂,分選、磨圓較好,飽含水,厚度約20-m。
圖 4 中國(guó)吉林松原地區(qū)2000年以來(lái)地震發(fā)育分布(數(shù)據(jù)截止到2019年6月3日)Fig.4 Tempotal distribution of 2000 in Songyuan area,Jilin Province, China (based on data before June 3rd,2019)
自2006年以來(lái),松原地區(qū)地震頻發(fā),M2級(jí)以上地震多達(dá)77次,2013年以后地震活動(dòng)尤為頻繁,且多以淺源地震為主(圖 4)。有史記載最大1次地震為1119年發(fā)生在前郭縣的6級(jí)地震(吳戈,1991),震中位于扶余斷裂帶與第二松花江斷裂帶交會(huì)處;2006年3月和2013年10月在松原查干花鎮(zhèn)發(fā)生的2次M5.5級(jí)地震群,震中位置位于孤店斷裂帶和查干泡—道字井?dāng)嗔褞Ы粫?huì)處(邵博等,2015;盤(pán)曉東等,2018);2018年5月27日松原M5.7級(jí)地震震中位于扶余—肇東斷裂帶和第二松花江斷裂帶交會(huì)處。
由于郯廬斷裂帶與其附近的斷裂存在著主從與聯(lián)動(dòng)的活動(dòng)關(guān)系(王小鳳等,2000),因此,處在郯廬斷裂帶北段近旁的扶余—肇東及孤店等活斷層與依蘭—伊通主干斷裂帶的活動(dòng)也存在著上述主從與聯(lián)動(dòng)關(guān)系。
黃色符號(hào)標(biāo)注的點(diǎn)為砂火山分布的位置圖 5 中國(guó)吉林松原M5.7級(jí)地震液化砂火山分布Fig.5 Distribution of liquefied sand volcanoes of the M5.7 earthquake in Songyuan area,Jilin Province, China
松原地區(qū)2018年5月28日M5.7級(jí)地震導(dǎo)致地表松散沉積物(圖 3中地層單元⑤)嚴(yán)重的液化現(xiàn)象,在應(yīng)力薄弱帶形成液化噴砂流(砂火山噴發(fā))。地震瞬間或者地震后不久(數(shù)分鐘內(nèi)),液化層內(nèi)強(qiáng)烈的超孔隙壓力突破上覆地層重力或破裂壓力,沿早期的洞穴或者裂縫發(fā)生泥砂上涌,形似噴泉,砂火山噴發(fā)持續(xù)時(shí)間可達(dá)半小時(shí),當(dāng)壓力足夠大,液化泥砂噴流高度可達(dá)6~7-m(Obermeier,1996)。砂火山噴流結(jié)束后,噴出的泥砂在火山口堆積,形成各種類(lèi)型的砂火山,如圖 5 所示,地震結(jié)束后,在震中距3-km范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)了多處液化砂火山。根據(jù)前述,地層單元⑤為砂火山的液化源層,上覆于第⑤層之上的①—④層為非液化層(屬非透水層),層內(nèi)發(fā)育液化侵入砂脈或砂席。
液化砂火山又稱(chēng)sand boil(Lowe,1975;Obermeieretal., 1990,1992;Obermeier,1996;Lietal., 1996;Morettietal., 1999;Tuttle,2001;Massarietal., 2001;Kanibiretal., 2006;Rossetal., 2011;Moretti and Ronchi,2011;Bhattacharyaetal., 2011;Yamaguchietal., 2012;Capaccionietal., 2017),是松原松原地區(qū)最普遍的地震觸發(fā)構(gòu)造,也是最主要的液化構(gòu)造類(lèi)型。在松原M5.7級(jí)震源區(qū)周?chē)?-km范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)液化砂火山出露點(diǎn)超過(guò)55個(gè),液化砂火山分布具有成群性,且展布具有一定的優(yōu)勢(shì)方向(圖 5)。根據(jù)形態(tài)和結(jié)構(gòu),液化砂火山可分為3種類(lèi)型。
a—孤立的有火山口型砂火山,直徑約12-m,砂火山口直徑1.3-m,照片拍攝位置為圖 5 中點(diǎn)A;b—有火山口型砂火山組合,火山口直徑0.7~1.0-m,多期砂火山形成同心環(huán)狀“階地”,邊緣發(fā)育沖溝,砂火山沉積表面發(fā)育小型河道,照片拍攝位置為圖 5 中點(diǎn)B;c—條帶狀砂火山組合,規(guī)模較小,厚度2-cm,照片拍攝位置為圖 5 中點(diǎn)D;d—孤立的無(wú)火山口型砂火山,丘狀,長(zhǎng)3.1-m,寬1.6-m,高0.45-m,長(zhǎng)軸方向近N-S,照片拍攝位置為圖 5 中點(diǎn)E圖 6 中國(guó)吉林松原M5.7級(jí)地震液化砂火山形態(tài)及組合特征Fig.6 Shape and combination of liquefied sand volcanoes of the M5.7 earthquake in Songyuan area,Jilin Province, China
3.1.1 有火山口型砂火山
地震產(chǎn)生液化和流化后,超孔隙流體壓力流體攜帶液化層砂體上涌,沿著斷裂帶或者應(yīng)力薄弱帶形成通道(水腔)(Lowe and Robert,1974;Lowe,1983;Owen,1996;Harrisetal., 2000;Massarietal., 2001;Owen,2003;Wagoner Loon,2009;Yamaguchi,2012;Phillipsetal., 2013;Suetal., 2014),噴出地表后,形成砂火山(圖 4)。隨著能量減弱,噴發(fā)停止,形成火山口狀沉陷(Collinsonetal., 2006)、回填構(gòu)造(Takahamaetal., 2000)和砂涌(Obermeier,1996;Tuttle,2001;Owen and Moretti,2011)。流體壓力釋放后,兩翼砂體因脫水形成朵葉體沉積,平面上呈圓形,寬度不等,剖面上一般呈圓錐形或者穹窿狀,內(nèi)部發(fā)育傾斜層理(Collinsonetal., 2006)。
砂火山的規(guī)模與震級(jí)和距離震中遠(yuǎn)近有直接關(guān)系,一般來(lái)講,地震等級(jí)越大、震中距越小,砂火山越大,2013年松原M5.8級(jí)地震誘發(fā)單個(gè)液化噴砂面積超過(guò)300-m2(魏美璇等,2016)。如圖 6 所示,松原M5.7級(jí)地震在距離震中800-m處可見(jiàn)最大砂火山沉積直徑超過(guò)12-m(圖 6-a),隨著震中距增加,砂火山規(guī)模減小,最小者直徑僅5-cm,一般砂火山直徑2~8-m,砂火山口直徑0.5~1-m。砂火山沉積厚度在火山口周?chē)?,向外逐漸變小,厚者可超過(guò)0.5-m,薄者僅為2-cm。砂火山的分布可分對(duì)稱(chēng)型和非對(duì)稱(chēng)型,一般來(lái)講,地表地形平坦、無(wú)障礙物阻擋并且砂體分布范圍大者分布均勻(圖 6-b),地勢(shì)高地起伏、受地表斷裂影響和障礙物阻擋處,砂火山不對(duì)稱(chēng)(圖 6-c,6-d)。同時(shí)砂火山對(duì)稱(chēng)形態(tài)可能受風(fēng)向等因素影響。砂火山的分布有孤立的(圖 6-a,6-d),也有成群分布(圖 6-b,6-c),成群分布的砂火山一般具有優(yōu)勢(shì)排列方向,研究區(qū)成群砂火山分布優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹-S方向(圖 5),其次為NW-SE方向。
圖 7 砂火山沉積內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖(據(jù)Obermeier,1996;Su et al., 2014;修改)Fig.7 Sketch showing internal structure of sand volcanoes(modified after Obermeier,1996;Su et al., 2014)
隨著周期性地震波影響,砂火山噴發(fā)也具有周期性特點(diǎn)。當(dāng)噴發(fā)結(jié)束后,砂體側(cè)向流動(dòng)可形成傾斜層理,如圖 7 所示,傾斜層理形態(tài)與砂火山沉積基本保持一致,從火山口側(cè)緣向四周尖滅,在靠近火山口內(nèi)部,由于噴發(fā)回流作用,層理多向砂火山通道內(nèi)部延伸,流體攜帶泥砂,充填火山口,形成回填構(gòu)造(Takahamaetal., 2000),在此過(guò)程中在火山口沉積邊緣形成沖溝,兩側(cè)朵葉體沉積表面發(fā)育小型表面水系(圖 6-b)。松原砂火山沉積傾斜層理單層厚度0.5~5-cm(圖 8-a至8-c),局部微層序可見(jiàn)層理顯正粒序特征(圖 7;圖 8-b),代表孔隙流體壓力逐漸減小的單次噴發(fā)過(guò)程(Rodríguez-Pascuaetal., 2015),噴發(fā)開(kāi)始時(shí),能量較強(qiáng),沉積物顆粒較粗,隨后能量減弱,顆粒變細(xì)。在垂向剖面中,砂火山沉積透鏡體經(jīng)常會(huì)被誤認(rèn)為沉積層,傾斜層會(huì)被誤認(rèn)為是交錯(cuò)層理(Collinson,2006)。
地震液化,超孔隙流體壓力流體攜帶砂層向上逃逸,侵蝕兩壁低滲透黏土,形成泥質(zhì)角礫,泥質(zhì)角礫隨砂體一起上涌、噴出并沉積(Obermeier,1996;Suetal., 2014),松散黏土顆粒經(jīng)過(guò)一定距離的搬運(yùn)厚具有較好的分選性和磨圓性,且沉積后呈疊瓦狀排列(圖 7;圖 8-d),也有學(xué)者指出砂火山沉積中無(wú)泥質(zhì)角礫沉積(Lietal., 1996)。
3.1.2 無(wú)火山口型砂火山
無(wú)火山口型砂火山是丘狀或墳堆狀砂體沉積,無(wú)明顯火山口沉降帶,砂火山沉積中間最高,向四周變低,平面上近圓形或橢圓形,剖面呈透鏡狀或者圓錐狀,孤立或者呈條帶狀分布。砂火山直徑0.2~10-m,高0.1~0.6-m。如圖 6-d所示孤立無(wú)火山口型砂火山沉積,平面呈橢圓狀,長(zhǎng)軸方向近N-S。
根據(jù)無(wú)火山口型砂火山的上述特征且與具有火山口的砂火山對(duì)比,推斷無(wú)火山口型砂火山形成滿足2個(gè)條件: 一是有足夠的液化砂體供應(yīng),使得具超孔隙流體壓力的液化砂噴出地表后,其涌道能及時(shí)充填;二是超孔隙水壓力不足,涌道空間剛被充填,超孔隙水壓力就被消耗已盡而不足以使液化砂繼續(xù)噴出,從而形成了無(wú)火山口型砂火山堆積。
a—砂火山沉積側(cè)翼傾斜層理和負(fù)載構(gòu)造;b—砂火山沉積內(nèi)部正粒序沉積和傾斜層理;c—砂火山內(nèi)部?jī)A斜層理和底部侵蝕(負(fù)載構(gòu)造);d—砂火山內(nèi)部泥質(zhì)碎屑與底部負(fù)載構(gòu)造。照片來(lái)自于小型探槽內(nèi)部(深度約30-cm),探槽位于砂火山口側(cè)翼約1-m處(圖 5中點(diǎn)A)圖 8 中國(guó)吉林松原M5.7地震砂火山沉積內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.8 Internal structure of sand volcanoes of the M5.7 earthquake in Songyuan area,Jilin Province, China
3.1.3 無(wú)砂型(水)火山
無(wú)砂型(水)火山是指砂火山噴發(fā)時(shí)只噴出水,無(wú)砂體噴出和堆積,只存在一個(gè)火山口。如圖 9 所示無(wú)砂型火山口近圓形,直徑2.2-m,火山口沉降45-cm。火山口邊緣發(fā)育同心環(huán)形正斷層,火山口內(nèi)部發(fā)育多組不同方向斷裂。
照片拍攝位置為圖 5 中點(diǎn)C圖 9 中國(guó)吉林松原地震無(wú)砂型火山口Fig.9 Crater of water volcanoes(sand-free)of the M5.7 earthquake in Songyuan area,Jilin Province, China
無(wú)砂型(水)火山口沉積還沒(méi)有學(xué)者報(bào)道,在研究區(qū)只發(fā)現(xiàn)1處,形成此種類(lèi)型火山口需要特殊的地質(zhì)和水動(dòng)力條件: 首先,液化區(qū)砂體供應(yīng)缺乏或者無(wú)砂體沉積,使得流體上涌時(shí)并未攜帶砂體;其次,超孔隙流體壓力值在適當(dāng)范圍,不宜過(guò)大,流體上涌突破地表時(shí)迅速減小至零,因此難以攜帶砂體噴出。有學(xué)者指出該類(lèi)凹坑屬于“震塌陷”、“震陷坑”、“震陷向斜”(陳希哲,2003;田洪水等,2015)。巖漿噴發(fā)火山口和砂火山口的形成在某種意義上都有塌陷成因,此類(lèi)型火山沉積的動(dòng)力學(xué)過(guò)程還需要進(jìn)一步細(xì)致研究。
圖 10 地震誘發(fā)砂火山形成過(guò)程示意圖(據(jù)Rodríguez-Pascua et al., 2015;修改)Fig.10 Sketch showing forming process of sand volcano induced by earthquakes(modified after Rodríguez-Pascua et al., 2015)
地震誘發(fā)砂火山的形成主要包括地震前、地震時(shí)和地震后3個(gè)階段(Rodríguez-Pascuaetal., 2015)。地震前階段,飽含水的松散沉積物以細(xì)砂為主,分選和磨圓較好,上部被低滲透性黏土層或粉砂質(zhì)黏土層覆蓋,覆蓋層的厚度不宜過(guò)大,才能滿足形成砂火山形成的物質(zhì)條件(圖 10-a)。地震時(shí),受地震波剪切力影響,地面震動(dòng)產(chǎn)生裂縫,松散砂層液化,孔隙水向上運(yùn)動(dòng),聚集在黏土層和砂層分界處(圖 10-b)。單次液化結(jié)束后,砂再次沉積,排列更加緊密,超孔隙流體壓力持續(xù)聚集于砂層和黏土層分界面,孔隙流體壓力不斷增加,產(chǎn)生上舉浮力;上覆黏土層因持續(xù)震動(dòng)而上下波動(dòng),裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大(圖 10-c)。地震結(jié)束后,當(dāng)孔隙流體壓力逐步升高并超過(guò)上覆黏土層水力破裂壓力時(shí),產(chǎn)生水力壓裂斷層,高能水體噴射出地表形成火山(圖 10-d),隨后引起更廣泛的砂體液化和流化,水的上移攜帶砂體持續(xù)噴出地表形成砂火山,水和砂噴射引起火山口兩側(cè)地面上下波動(dòng)(圖 10-e)。持續(xù)的地面波動(dòng)使地表沉降區(qū)和隆升區(qū)相間,因此產(chǎn)生更多斷裂使砂和水繼續(xù)噴出形成砂火山(圖 10-f)。當(dāng)?shù)卣鹉芰咳酷尫?,超孔隙流體壓力減小至靜壓平衡,砂火山噴發(fā)結(jié)束,液化和流化停止,噴出地表流動(dòng)的砂因脫水停止運(yùn)動(dòng)形成砂火山沉積,砂火山過(guò)程結(jié)束(圖 10-g)。
松原M5.7級(jí)地震誘發(fā)了廣泛的砂堆構(gòu)造(圖 11),砂堆構(gòu)造形成于2種環(huán)境,一種是距離地面約2-m高的沙丘上,沙丘以古河道邊灘沉積細(xì)砂和粉砂為主,其次為風(fēng)成砂(圖 11-a);另外一種砂堆發(fā)育于砂火山沉積體上,火山口內(nèi)部和側(cè)翼朵葉體都有砂堆存在(圖 11-b,11-c)。砂堆形態(tài)類(lèi)似于火山錐,沒(méi)有或者有很小的火山口,平面呈圓形,剖面呈透鏡狀,直徑3~15-cm,砂堆高度3~8-cm。砂堆大多成群發(fā)育,砂堆沉積周?chē)w粒較粗,向中間錐頂顆粒逐漸變細(xì),砂堆內(nèi)部見(jiàn)小型傾斜層理,傾角30°左右。
砂堆構(gòu)造是一種特殊的砂火山構(gòu)造(Suetal., 2014)。砂堆是由地震液化誘發(fā),但其形成需要特殊的地質(zhì)條件。首先,砂堆形成于砂體之上而非黏土之上,且砂體分選和磨圓較好,易于液化或者本身就是液化體;其次,地震液化形成超孔隙流體壓力要在適度范圍,不宜過(guò)小,否則難以噴發(fā),也不宜過(guò)大,否則形成大型砂火山;再者,砂堆形成時(shí)砂體處于欠飽和狀態(tài),砂子噴出成為砂體后不能流動(dòng)或者只能短距離運(yùn)移,砂子多靠重力近源堆積,因此砂堆沉積最前端(裙邊)沉積顆粒較粗,這不同于常規(guī)砂火山沉積。地震液化導(dǎo)致流體攜帶流化砂體上涌,沖出地表黏土?xí)r繼續(xù)向上運(yùn)移,能量迅速衰減,噴出沙丘頂面形成第1種砂堆(圖 11-a),當(dāng)超壓水和砂沖破封蓋層噴出地表形成砂火山后,在其內(nèi)部仍存在超孔隙壓力,因此流體攜帶砂噴出砂火山沉積形成第2種砂堆,因能量衰減,所以砂堆規(guī)模較小,幾乎沒(méi)有火山口(圖 11-b,11-c)。
a—古河道邊灘細(xì)砂頂部砂堆,孤立,直徑約13-cm,照片拍攝位置為圖 5 中點(diǎn)F;b—砂火山口內(nèi)部砂堆,孤立,直徑約4~7-cm,照片拍攝位置為圖 5 中點(diǎn)B;c—砂火山側(cè)翼朵頁(yè)體表面砂堆沉積,組合分布,直徑3~5-cm,照片拍攝位置為圖 5 中點(diǎn)B圖 11 中國(guó)吉林松原地震誘發(fā)砂堆構(gòu)造Fig.11 Mounds structures induced by the M5.7 earthquake in Songyuan area,Jilin Province, China
a—柱狀液化砂脈,寬3~7-cm,高10-cm,垂直地表裂縫充填,照片拍攝位置為圖 5 中點(diǎn)A;b—淺鉆巖心中云朵狀液化砂脈,砂脈埋深45-cm,照片拍攝位置為圖 5 中點(diǎn)A;c—地層液化砂脈,云朵狀,照片拍攝位置為圖 5 中點(diǎn)A;d—液化含礫粗砂脈,埋深1.1-m,照片拍攝位置為圖 5 中點(diǎn)B;e—液化砂席,厚度7~15-cm,距離地表 55-cm,照片拍攝位置為圖 5 中點(diǎn)G圖 12 中國(guó)吉林松原地震液化砂脈和砂席Fig.12 Liquefied dike and sill structures induced by the M5.7 earthquake in Songyuan area,Jilin Province, China
圖 13 松原M5.7級(jí)地震液化構(gòu)造模式圖(據(jù)Collinson,2006;修改)Fig.13 Model of liquefied structures induced by the M5.7 earthquake in Songyuan area(modified after Collinson,2006)
液化砂脈和砂席規(guī)模受震級(jí)和震中距控制,松原M5.7級(jí)地震液化砂脈寬度3~11-cm,側(cè)向延伸長(zhǎng)度0.2~2-m,砂席厚度5~15-cm,側(cè)向延伸超過(guò)50-m(圖 12)。一般液化砂層厚度大、上覆非液化軟沉積層的厚度適中、地下水位線高是形成砂脈和砂席的有利條件。液化砂脈和砂席是最常見(jiàn)的地震誘發(fā)液化變形構(gòu)造之一(Obermeieretal., 1990;Obermeier and Pond,1999;Obermeier and Dickenson,2000;Rodríguez-Pascuaetal., 2000;Tuttle,2001;Shietal., 2007;Peruccaetal., 2009;Wagoner Loon,2009;Berra and Felletti,2011;Topal and ?zkul,2014;Hilbert-Wolfetal., 2016;Koetal., 2017;Brogietal., 2018;鐘建華等,2018)。近幾年,在郯廬斷裂帶中段的中—新生界中已識(shí)別出了多個(gè)發(fā)育液化砂脈等的地震事件地層(田洪水等,2005,2016,2017;Tianetal., 2015,2016;張邦花等,2016)。
砂脈和砂席的形成機(jī)理有3種,分別是水力壓裂、側(cè)向傳播和表面震動(dòng)(Obermeier and Pond,1999)。當(dāng)液化強(qiáng)度更大時(shí),砂脈和砂席演變?yōu)榇笮蜕皫r侵入體,厚度可達(dá)數(shù)十米,延伸范圍幾千平方千米(Obermeieretal., 1991;Satur and Hurst,2007;鐘建華等,2018;Grippaetal., 2019)。
地震液化后,除了發(fā)育砂火山外,液化砂層會(huì)侵入上覆低滲透黏土層中,砂火山通道和砂與黏土分界面是最有利的場(chǎng)所,其次是黏土層內(nèi)部各巖性分界面(圖 3)。砂脈的方向和形態(tài)無(wú)確定性,云朵狀、飄帶狀、蘑菇狀、柱狀等皆有可能。砂席一般為水平或順層發(fā)育的砂脈,其規(guī)模一般大于正常砂脈。
結(jié)合區(qū)域地質(zhì)特點(diǎn),總結(jié)松原M5.7級(jí)地震三維液化構(gòu)造沉積模式(圖 13)。垂向上,松原M5.7級(jí)地震液化構(gòu)造具有明顯分層性: ①最底層地震液化層:厚度大、分選和磨圓較好的未固結(jié)細(xì)砂及易受地震剪切力影響而液化。地下水位線也位于該層,液化構(gòu)造形成的前提是高滲透松散砂體飽含水,水位線不宜過(guò)低,否則難以液化,一般2~5-m。變形層理、包卷層理、泄水構(gòu)造等常在該層發(fā)育。②下部液化構(gòu)造帶:位于上覆低滲透黏土下端,距離砂層較近,為第1層液化構(gòu)造帶。受地震液化和流化作用影響,高孔隙壓力流體和砂上涌,穿過(guò)巖性分界面,侵入上覆黏土中形成砂脈、砂席,伴生變形層理、負(fù)載構(gòu)造等。③上部液化構(gòu)造帶:液化上涌流體攜帶砂及部分泥屑運(yùn)移至近地表時(shí),部分能量減弱,加之裂縫和巖性界面或?qū)永淼扔绊懀瑥V泛發(fā)育砂脈、砂席等液化構(gòu)造,伴生負(fù)載構(gòu)造、變形層理等。④地表液化構(gòu)造層:主要為液化砂火山和砂堆構(gòu)造,伴生砂脈、負(fù)載構(gòu)造等。
自2006年以來(lái),松原地區(qū)進(jìn)入地震活躍期,尤其是2013年松原前郭地區(qū)M5.8級(jí)震群發(fā)育,說(shuō)明該區(qū)構(gòu)造活動(dòng)進(jìn)入活躍期。學(xué)者們認(rèn)為近東西向擠壓應(yīng)力場(chǎng)誘發(fā)的NE向和NW向斷裂活動(dòng)為震源(陳作全等,2015;李君和王勤彩,2018),然而學(xué)者們對(duì)于該地區(qū)發(fā)震斷層意見(jiàn)不一(圖 1-b),如通榆—長(zhǎng)春斷裂(薛艷等,2015)、第二松花江斷層(楊清福等,2010)、孤店隱伏斷裂(邵博等,2015)、扶余/松原—肇東斷裂(王亮等,2015;劉權(quán)鋒等,2017),查干花—道字井?dāng)嗔?盤(pán)曉東等,2018),也有學(xué)者認(rèn)為是油田生產(chǎn)活動(dòng)誘發(fā)(劉俊清等,2017)。
a—牙木吐斷裂,為雙斷式地塹結(jié)構(gòu),照片拍攝位置為圖 5 中點(diǎn)A;b—牙木吐斷裂局部形態(tài),錯(cuò)斷馬路,照片拍攝位置為圖 5 中點(diǎn)H圖 14 中國(guó)吉林松原M5.7級(jí)地震后形成的牙木吐斷裂Fig.14 Yamutu fault formed after the M5.7 earthquake in Songyuan area,Jilin Province, China
a—2組地面追蹤張節(jié)理,延伸方向分別為0°~180°和80°~260°,照片拍攝位置為圖 5 中點(diǎn)Ⅰ;b—地面張裂縫,延伸方向0°~180°,照片拍攝位置為圖 5 中點(diǎn)Ⅰ;c—松原地震區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)模式圖 15 中國(guó)吉林松原M5.7級(jí)地震地面裂縫及應(yīng)力模式Fig.15 Ground cracks and stress pattern of the M5.7 earthquake in Songyuan area,Jilin Province, China
2018年5月松原M5.7級(jí)地震后,發(fā)現(xiàn)震中牙木吐村附近產(chǎn)生了1條新的正斷層,文中稱(chēng)之為牙木吐斷裂(圖 5)。如圖 14 所示,該斷裂走向NE35°,斷裂帶寬度1.5~2.8-m,斷距10~30-cm。牙木吐同震斷層具有典型雙斷地塹結(jié)構(gòu),是地震應(yīng)力釋放至地表的反映(Maetal., 2009;田洪水等,2015)。
地震區(qū)周?chē)鷱V泛發(fā)育張裂縫,尤其在牙木吐斷裂周邊,裂縫尺寸和發(fā)育密度增大(圖 15)。裂縫可分為2種類(lèi)型:一種為共軛節(jié)理,成對(duì)出現(xiàn),為追蹤張節(jié)理,2組節(jié)理走向分別為0°~180°和80°~260°(圖 15-a);另外一種為0°~180°方向占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的張裂縫,分布穩(wěn)定,單條裂縫延伸可超過(guò)50-m,裂縫寬度0~4-cm,裂縫密度1條/m。絕大多數(shù)裂縫沒(méi)有被充填,偶見(jiàn)個(gè)別裂縫充填砂(圖 15-b)。
結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料和研究成果,根據(jù)地震后地面斷裂和節(jié)理的類(lèi)型和方向,初步判定松原2018年5月M5.7級(jí)地震區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)特征為區(qū)域最大主壓應(yīng)力方向?yàn)?0°~220°,最小主拉應(yīng)力方向?yàn)?30°~310°(圖 15-c)。牙木吐斷裂延伸方向與扶余/松原—肇東斷裂方向基本一致(圖 1-b),推測(cè)扶余/松原—肇東斷裂為本次地震的發(fā)震斷層。
松嫩平原第二松花江流經(jīng)松原,距離M5.7級(jí)地震震中距離不足500-m,平均水位線129.32~134.95-m(田輝等,2011),牙木吐村周邊海拔高度128~137-m,5月下旬該區(qū)土地冰凍消融,地震區(qū)地下水位較淺,推測(cè)為2~5-m。地震活動(dòng)產(chǎn)生的循環(huán)剪切力在該深度大于初始液化剪切力(詳見(jiàn)Obermeier,1996;Fig.3),因此極易誘發(fā)地震液化(Owen and Moretti,2011;趙棲遠(yuǎn),2012)。
地震誘發(fā)液化砂火山的另一個(gè)重要條件是上覆非滲透層厚度不宜過(guò)大,如果太厚會(huì)增加上覆載荷壓力和抗剪強(qiáng)度,因而無(wú)法液化,容易導(dǎo)致液化封蓋層厚度1~5-m。松原地區(qū)地表黏土厚度1.35~1.5-m,具有液化發(fā)生的有利封閉層條件。也有學(xué)者報(bào)道液化產(chǎn)生的封蓋層厚度超過(guò)10-m(Obermeier and Pond,1999;Chanetal., 2007;Wheatleyetal., 2016)
足夠大的砂層厚度是液化前提,松原地區(qū)黏土層下未固結(jié)干凈砂層厚度超過(guò)20-m(圖 3中地層單元⑤)。按照中國(guó)地震烈度表(1980),松原M5.7級(jí)地震烈度為Ⅶ級(jí),依據(jù)Ishihara(1985)研究方法(Obermeier and Dickenson,2000),松原地震地表加速度為0.17-g,得出松原M5.7級(jí)地震液化砂層厚度約為2-m。
地表液化范圍受控于震級(jí)和震源深度,依據(jù)不同學(xué)者給出的最大液化震中距與震級(jí)相關(guān)關(guān)系公式或圖版,松原M5.7級(jí)地震最大液化半徑2.878-km(Kuribayashi and Tatsuoka,1975),或2~10-km(Obermeier and Pond,1999)、4~13-km(Tuttle,2001;Bonini,2009)。通過(guò)野外考察,發(fā)現(xiàn)松原地震地表可見(jiàn)最大液化半徑3-km,與上述研究結(jié)果基本吻合。
松原M5.7級(jí)地震液化構(gòu)造提供了研究現(xiàn)代地震的一個(gè)很好例子。作為重要的一種軟沉積物變形構(gòu)造,液化變形構(gòu)造可產(chǎn)生于多種沉積環(huán)境,由多種機(jī)制觸發(fā)(Moretti,2016;Shanmugam,2017),地震成因液化構(gòu)造的識(shí)別是研究熱門(mén)也是難點(diǎn),許多學(xué)者給出相關(guān)判別標(biāo)準(zhǔn)(Obermeier,1996;Tuttle,2001;Moretti and Sabato,2007;Owen and Moretti,2011)。本研究為這些標(biāo)準(zhǔn)提供證據(jù),尤其是為研究古地震和古液化構(gòu)造提供三維空間參數(shù)(Tuttle,2011),彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)?zāi)M的缺陷(Nicholsetal., 1994;Owen,1996;Morettietal., 1999;Rossetal., 2011;Tianetal., 2013)。液化構(gòu)造也是恢復(fù)地震等級(jí)的重要參數(shù),因此具有重要的“將今論古”價(jià)值。
松原是地震活躍帶,頻發(fā)的地震給當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)和油田開(kāi)發(fā)帶來(lái)了嚴(yán)重災(zāi)害,地震液化構(gòu)造研究能夠預(yù)測(cè)災(zāi)害易發(fā)區(qū)和影響范圍,因而能夠指導(dǎo)當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)、建筑施工和油田勘探和生產(chǎn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。
松原地處松遼盆地腹地,頻發(fā)的地震表明周邊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍,該研究有助于認(rèn)識(shí)區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)及斷層活動(dòng)規(guī)律,為盆地的演化乃至板塊的活動(dòng)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),具有“將今論未來(lái)”價(jià)值。
陳颙(2000)認(rèn)為,關(guān)于郯廬斷裂帶這類(lèi)活動(dòng)深斷裂—地震帶與其附近100~200-km的活動(dòng)陸塊邊緣與強(qiáng)震區(qū),共同構(gòu)成活動(dòng)構(gòu)造帶,而且郯廬斷裂帶鄰近地區(qū)所發(fā)生的強(qiáng)地震一般與郯廬斷裂帶的活動(dòng)有關(guān)。松原地區(qū)處在郯廬斷裂帶北段近旁。因此,結(jié)合松原地區(qū)2006年以來(lái)發(fā)生的若干次地震,本研究為揭示了郯廬斷裂帶目前的活動(dòng)特點(diǎn)——本世紀(jì)以來(lái)郯廬斷裂帶北段進(jìn)入了一個(gè)強(qiáng)斷裂和地震活躍階段,提供最新的翔實(shí)資料。
1)松原M5.7級(jí)地震誘發(fā)大量的液化變形構(gòu)造,最常見(jiàn)的是砂火山構(gòu)造,包括有火山口型砂火山、無(wú)火山口型砂火山和無(wú)砂型(水)火山3類(lèi),其次是砂堆構(gòu)造、液化砂脈和砂席等。其他地震成因的變形構(gòu)造如負(fù)載構(gòu)造、火焰構(gòu)造、包卷層理等也有發(fā)育,數(shù)量較少。
2)地震誘發(fā)液化砂火山形成過(guò)程包括液化層內(nèi)超孔隙流體壓力形成、上覆低滲透層破裂和水、砂噴出地表后砂涌3個(gè)階段。松原M5.7級(jí)地震液化構(gòu)造可以分為最底部地震液化層、下部液化構(gòu)造帶、上部液化構(gòu)造帶和地表液化構(gòu)造層4個(gè)序列。液化砂火山分布具有分帶性,主要延伸方向N-S,其次為NW-SE,地下液化構(gòu)造主要為砂脈、砂席和其他液化變形構(gòu)造。
3)地下水位線2~5-m,上覆低滲透黏土層厚1.35~1.5-m,松散砂層厚度超過(guò)20-m,是松原M5.7級(jí)地震誘發(fā)廣泛液化的有利條件。地震液化砂層厚度超過(guò)2-m,地表震中距3-km范圍內(nèi)可見(jiàn)液化砂火山構(gòu)造。
4)松原M5.7級(jí)地震后地表發(fā)育NE34°地塹式正斷層,結(jié)合廣泛分布的0°~180°向張裂縫和2組追蹤張裂縫(0°~180°與80°~260°)判斷松原地震區(qū)最大主壓應(yīng)力方向?yàn)?0°~220°,最小主拉應(yīng)力方向?yàn)?30°~310°,扶余/松原—肇東斷裂很可能是發(fā)震斷層。
5)松原M5.7級(jí)地震液化構(gòu)造研究為古代地震和液化構(gòu)造研究提供三維空間參數(shù),為預(yù)測(cè)現(xiàn)代地震活動(dòng)區(qū)和災(zāi)害易發(fā)區(qū)提供方向,為區(qū)域構(gòu)造研究提供基礎(chǔ),兼具“將今論古”和“將近論未來(lái)”意義,并對(duì)揭示21世紀(jì)以來(lái)郯廬斷裂帶北段進(jìn)入了一個(gè)強(qiáng)斷裂和地震活躍階段有著重要意義。
致謝感謝吉林油田王洋工程師、陳偉工程師和彭東昊工程師提供野外考察幫助;感謝Monash University的Lü Wang博士和University of Aberdeen的Gail Maxwell 博士提供的沉積學(xué)方面的寶貴建議;感謝東北石油大學(xué)平貴東博士、謝昭涵博士,我們進(jìn)行了關(guān)于區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)許多討論。感謝3位匿名審稿人對(duì)初稿的修改建議。