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第71章 震积岩(1)

作者拟将所有由地震引起之混杂堆积,无论气下、水下均归入震积岩,把原来定义的震积岩的内容扩大(详述见后),包括震碎岩(指原断层破碎岩或断层破碎带),震(振)动岩(指原来涵义的震积岩,可再分为直接震动岩和间接震动岩)以及震化岩(指地震液化系列混杂堆积)。即震积岩包括震碎岩、震动岩和震化岩三个亚相,各自有一个微相系统。这是一个尝试性的分类系统,便于混杂堆积分类系统之建立。

(第一节)震积岩的分类、命名

震积岩一词的提出者Seilacher认为(1969,1984),应从发生学角度认识震积岩,目的是要在地层中寻找古地震的证据,并用地震来解释相关沉积岩的结构、构造。由此可见,凡是与地震相关的岩石或沉积物都可以称为震积岩(seismites)。作者认为,可以把由地震引发的断层破碎岩也列为震积岩之一,而原靠震动、变形的震积岩则叫震动岩。在此类中,因地震直接震动、改造并留下独特标志的岩石(seismites.s.),它包括岩石圈和岩石的震动所引起的弹、塑性变形;砂层液化、因地震、海啸而引起水的震动的塑性变形等特征保存在沉积物中。所以作者把地震液化岩也归入震积岩,这将有利于混杂堆积分类系统的建立。如此断层破碎岩、震动岩和地震液化岩这三者都包括在震积岩中。唯一留下争论的,是否所有断层破碎岩都是地震造成的?

活动构造研究告诉我们:如果能了解一个断层上的地震历史,就能较好地预测该断层上的地震活动。世界上大多数地区地震记载的历史较短,美国加利福尼亚州大约为200年。即使世界上地震记载历史可达数千年的地区,如中国北部的大部分地区和地中海的东部地区,要找到一个历史大地震和活动断层的确切关系通常也不易。即使它们之间的关系可以清楚地确定,许多断层上地震复发周期甚至比几千年地震记录的历史还要长。因此,绝大多数地区活动断层上历史大震的研究必须通过地质、地貌学研究来确定,如断层崩积楔研究等(王等,1992;尹国勋等,1993;Allen,1989)。

古地震学是地震发生几十年、几百年或几千年以后的地质调查研究学科。自古地震学家Gilbert(1884)对盐湖城附近沃萨奇断层上两个剖面进行比较研究,便开始了古地震研究,所以从一开始人们便认识到地震和断层有不解之缘。

古语说:“闪电永远不在同一个点上重复。”而对于地震也完全可以说类似的话。

一个地震的震源点可以在很长时间内免于再发生地震。相反,在巨大的断层线上长期内没有发生地震的话,则重发地震的日子可能更为临近了。在美国西部沃萨奇断层线上,连续的断层崖在靠近盐湖城的一段有明显的缺失。从温泉区到移民峡谷,断层崖没有出现,其最合理的解释是上次地震已经发生了很长时间,经过侵蚀、剥蚀,断层崖也已经消失了;一旦断层崖重新出现,则地震又已经发生了。所以作者提出把断层破碎岩当做震积岩的一种,是为了实事求是地展现地震与断层的不可分割关系。

从动力学看,地震混杂岩或震积岩的形成应以内动力作用为主,如地震震动力、断层断裂剪切力、挤压拉张应力等,反映在地震振动作用下快速破碎、变形等混杂过程;并形成特定的沉积结构和构造,也反映特定的地震构造环境,它属于构造混杂堆积岩类。Flint等(1960)在归纳各类混杂堆积类型时指出存在地震成因类型。故作者认为广义上的地震混杂堆积应包括断层破碎带堆积。而原来狭义上的震积岩(seismites)从其概念起源、研究对象及其时空范围上来看,一般特指发生在海盆(湖盆)中已固结的沉积层的再扰动和再沉积,也是现在作者所建议的广义的震积岩的一种。作者建议改称震动岩使其含义更为贴切一些。

总之,作者建议:由地震造成的混杂堆积(岩)其分类和命名如下。

震积岩(现在建议的对全部地震混杂堆积岩的总称)包括以下三亚类:

(1)震动岩(指原来的震积岩的含义,现改“积”为“动”)。

(2)震碎岩(指原来的断层破碎岩,断层混杂岩)。

(3)震化岩(指原来的地震液化岩)。

(第二节)震动岩的沉积环境与特征

一、结构、构造特征

对现代地震所产生的海相震动堆积物的观察始于20世纪50—60年代,如Heezen等(1952,1964)曾对1929年加拿大格兰德班克地震引起的浊流和海相层中地震位移和沉积变形构造进行了研究。之后,Barreh(1966)对阿拉斯加1964年大地震在该州威廉王子海峡浅冰区形成的震动堆积物进行了研究。德国Seilacher发现美国加州晚第三纪中新世具有递变断裂特征的蒙特剥页岩,认为它是由著名的圣安德烈斯断层活动所诱发的地震而引起的,并首先提出了“震积岩”(seismites)一词。后来,他提出了以微褶皱纹理、断裂递变层、均一层作为震积岩的标志性沉积(发生)层序(Seilacher,1984)。与此同时,从20世纪50年代开始,尤其是80年代后,地质学家对“事件地层”(eventstratigraphy)和“灾害事件”(catastrophicevent)的研究进一步开拓和发展(Ager,1981;Dott,1983),“浊积岩”(turbidltes)、“洪积岩”(inundites)、“风暴岩”

(tempestites)、海啸岩等都是这一时期提出的概念。这些“事件地层”的形成和地震活动有一定联系。但事实上在沉积结构、构造和构造环境上有很多差别(Seilacher,1969,1984;Mutti,1984;崔之久,1988)。

自Seilaeher之后,又有很多学者研究了震动岩的变形特征,取得了丰富的成果(Sim,1973;Fieldetal,1982)。1984年,美国MarineGeology2月刊(Vol,55)杂志刊登了包括前言在内的11篇文章,专题讨论了“地震与沉积”(seismicityandsedimen tation),主要研究方面有:(1)震动岩的微构造,生物化石和相变特征;(2)地震触发下的碎屑流、巨型的浊积层(地震浊积层)的沉积特征和地震的关系;(3)地震和其他事件地层(风暴岩、洪积岩和海啸岩等)的关系。经过这些研究,基本上确定了震动岩的沉积、构造和相变特点,初步提出了一些判定原则。1992年Roep和Everts研究了西班牙阿利坎特地区渐新世浊积岩扇组中的特殊沉积类型——“枕状层”,分析了其地震成因的依据。在我国,从事海相和湖相“震积岩”的研究是从20世纪80年代后期开始。

尹国勋和汤友谊(1993)对四川峨眉晚侏罗世湖泊相的震积岩,进行识别并提出该组地层中的震积层序。而2008年郭力宇、甘枝茂等(1997a、b)的“陕西洛南陶湾砾岩的地震成因”则将震积岩研究又推进了一步,提出了在地震机理下形成的一套混杂堆积组合,很有代表性。南凌和崔之久(1996)也对震积岩研究成果进行了归纳。

由此可见,当前国际上对震积岩的研究重点仍集中在:(1)发现能表现地震信息的沉积构造类型;(2)分析“震动岩”、“浊积岩”、“风暴岩”、“洪积岩”、海啸岩等突发事件地层之间的内在联系和判别原则;(3)用地震构造等方法解释区域沉积——构造历史。

地震震动直接作用形成的震动岩也可分为直接震动岩(seismits.s.,seismiteforde positsthatarediveceresultofseismicshocks)和间接震动岩(spallettaetal,1984)。能留下震动结构的地层必须是松软并富含水分,大量的震动岩常形成下列变形构造——剪切、挤压、拉张,并在地层中留下形迹。故沉积物最好是泥质,且深度较大。前者有如下沉积特征:

(1)片状褶皱(图111)(pleatidlamination)。该剖面发现于现今死海附近的更新世LisanMarls。剖面分两部分,顶部是粒度递变的沉积层(厚度约几毫米),下部是纹泥状沉积,已有褶皱。各层褶皱都倾向于现今死海方向,被认为这个方向是古坡倾向,地震曾经使平整的沉积物发生褶皱并有向下运动的趋势,但却没有继续进行下去。

(2)微错断递变(fault grading)。该剖面发现于加州中新世MotereyShakes。面顶层同样是递变层,向下逐渐过渡为“塑性层”(rubblezone),表现为错位的团块状,仍保留着原有的层理,并向下进入一个细微断层,断层错距随深度增加而加大。

间接震动岩(seismies.l.)则主要指水下坡面过程造成的再生过程,是被地震诱发而产生的多种再搬运方式和过程,如崩塌、滑塌、滑坡、泥石流、浊流等,即坡地沉积物的再搬运。然而要想判别水下斜坡上产生块体运动是因为地震还是别的原因,还需要做大量相应调查,必须首先查明地震事件的存在才能做出说明,这在气下环境也是一样。历史上地震在我国西南山区造成很多堰塞湖,但若查不清地震时间又怎能知道它们和地震的直接关系呢?实际上有时这两类也可以共同存在于同一剖面。如在意大利东北部Carnic地区上泥盆纪地层有一个典型的两类震动岩同时存在的沉积序列(Spalletta,1984)。图中:

相1应代表正常远洋沉积到半远洋沉积,表面及内生物作用强烈,无变形,生物孔保持良好,表面完整。

相2由大量扁平状、次棱角状至次圆状岩块无分选地悬浮于碳酸钙质基质中(cal carenitematrix)。这些岩石碎屑成分即是相1的早期石化的远洋、半远洋沉积,尺寸多从1—6cm,最大的是30cm,丰富的基质是粗生物钙质砂,来自附近(15—20km)处混杂堆积与环境588一个浅水高海台。相2(parabreccia)构成剖面的主体,约2m厚,水平方向上厚度变化很大(10m之内变化可达20%—30%)。

相3(massivetolaminatedcalcareniu)是过渡层,是占优势的浅水粗生物钙质砂与远洋生物化石的沉积。层厚有10cm—1m,表现出块状到水平交错和波状层理。

相4(calcareniu calcilatiterhythms)是细砂与远洋沉积相的节奏性交替出现。

相5是地震中破碎的远洋、半远洋沉积,这就是seismites.s.(直接震动岩)。

另一剖面,也是上部和基部、下部显示不同的性质(图114)(Spalletta,1984)。

图中:

D1:无分选的碳质巨岩块层。

D2:碳质岩屑和盘状碳质泥灰岩屑(c)(clastsofcalcareousmudstone)和浊积岩岩块(d)(浊积岩是该盆地的复理石沉积,“正常”浊积岩类)。

D3,D4,D5:从岩块碎屑的D3过渡到D4下粗上细的钙质灰岩(gradedcalcaren ite)和D5钙质泥岩(calcarousmudstone),后二者是正常海洋沉积。

值得注意的两个沉积结构:a—底部细岩屑下垫(basalmicrobrecciacarpet);b—蘑菇状逸水构造。在大岩块石灰质巨岩屑层(D1)的底部带发现一个底部细岩屑下垫层,并在一些地方被向上注入D1中、上层并扩展开,形成约数十米高的蘑菇状逸水通道。

图114与图113相邻的另一剖面(显示多种震动岩混杂现象)(Spalletta,1984)据前人研究,与气下坡地块体运动所形成的混杂堆积相比,水下块体运动堆积物有以下特征(Kastensetal,1981;Spalletta,1984):

(1)扁平状岩块都呈水平状,没有气下的叠瓦构造(或不明显),长轴也无明显定向。因其有足够时间悬浮运动调整,而气下则很快蠕动而呈叠瓦定向。

(2)水下浊积层所占比例大(2/3),而泥石流占比例小(1/3),因水的浮力大,细颗粒可长时间悬浮。

(3)水下岩屑常呈次棱角—次圆状,因水的摩擦阻力大,微细物质在大岩屑上附着,也可阻止棱角的磨损。

(4)因水下条件使突然发生的混杂堆积体边界受限较小,可以较容易伸张成舌状,透镜状并夹在长时间连续堆积体之中。

(5)在空间分布上,由于水下存在均匀的边界环境,同一地震造成的影响在远、近距离上有很明显的反映,从左到右,从近到远,就有明显的三种类型,A底部缺失相5。

从左到右,距地震中心由近及远,表明在很接近地震中心的地区,地震强度足够大,将底面半胶结状态的沉积物完全震开,并被强大水流带向深水盆地中心;而B图像5即是seismices.s.,其上段2、3即为间接震动岩,这里沉积物受地震强度影响较小,底部半胶结沉积物还保持原位,仅发生破裂;而且C图离震中较远的剖面中,底部沉积相已不发生破裂,只是有被水流搬运的碎屑加积在深海沉积物之间。

二、震动岩的构造和沉积环境

从上述震动岩研究的典型实例来看,其形成的构造环境主要有:(1)位于古大陆边缘,构造下沉区的静水环境中,一般沉积物厚度较大,沉积类型以内碎屑砾岩、石灰岩、砂岩为主,或者位于构造下沉区的巨大古湖盆中,以砂岩、粉砂岩、泥岩为主;(2)附近有大型断裂活动(活动时代与震动岩形成同期)。震动岩所在的原地层中常常有构造活动的遗迹,如滑移小断裂、滑塌体的存在(照片111);(3)震动岩所在的原地层具有反映多期构造盆地发育旋回的沉积相组合,多浊流层;(4)地形坡度较小,Field等(1982)在观测加利福尼亚海岸后认为,“0.25度坡角就足够在6—7级地震下发生主要沉积物的破坏和变形,导致线状褶皱变形和圆体状砂砾的旋扭。如果坡角太大,这种破坏和变形是可以因重力流的移动,而产生滑坡、碎屑流和浊流”。作者想强调,在此特别要注意的是,只要坡度过大,就会产生多种解释,而不能仅用地震成因来解释。

从沉积环境来看,要求被震动物:(1)来源为原地系统,即震动岩和下伏地层为同一套地层,只是后来经地震动力改造(发生层),组成地震混杂物的碎屑为内碎屑;(2)震动岩的结构多为支撑类型,往上逐渐变为悬浮类型,反映地震震动过程和碎屑再沉积过程的特点;(3)原始地层具有不稳定性,即具有非固结或固结不好、饱含水的物质;(4)具有特殊的沉积构造界面,如平行不整合面、突变界面等。

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