震積巖形態(tài)特征及地質(zhì)意義綜述

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。

1 震積巖識(shí)別標(biāo)志

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。

1.1 階梯狀小斷層

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］。

1.2 液化砂巖脈(墻)

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］。

1.3 震碎角礫

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。

1.4 砂侵蘑菇

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。

1.5 液化卷曲變形

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。

1.6 枕狀構(gòu)造

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。

1.7 球枕構(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。

1.8 液化均一層

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。

2 震積巖垂向序列

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。

2.1 海相碳酸鹽巖震積巖垂向序列

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。

2.2 陸相碎屑巖性震積巖垂向序列

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

3 結(jié)語(yǔ)

(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。

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