探尋15億年前北京西山古地震

蘇德辰

北京市門頭溝區(qū)莊戶洼村霧迷山組部分地層剖面（古地震遺跡）

上期我們講了北京西山太子墓村和莊戶洼村附近的疊層石，這期我們接著講與莊戶洼村疊層石共生在一起的古地震記錄。

地震是地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)失衡、應(yīng)力突然釋放并產(chǎn)生巨大能量的災(zāi)變事件?，F(xiàn)代地震及其引發(fā)的滑坡、泥石流和海嘯等通常會給人類帶來巨大災(zāi)害。因此，研究地震的發(fā)生機(jī)制和規(guī)律、進(jìn)行有效的地震預(yù)測或防范，以減少地震帶來的生命和財產(chǎn)損失，一直是全人類的偉大夢想和努力方向。

為什么要研究古地震

對某一地區(qū)進(jìn)行有效的地震預(yù)測或進(jìn)行地震區(qū)劃的前提是必須清楚這一地區(qū)地震的空間分布范圍和時間上的活動趨勢，如地震的強(qiáng)度變化規(guī)律、地震的復(fù)發(fā)時間間隔等。

與自然界數(shù)十億年的演化史相比，人類有文字記錄的歷史只有幾千年，借助現(xiàn)代地震儀記錄地震的歷史不到兩百年。而一個地震活動區(qū)相鄰兩次大地震的間隔時間通常為數(shù)百至數(shù)千年，僅靠人類的歷史記錄或現(xiàn)代的儀器記錄來研究某一地區(qū)的地震發(fā)生規(guī)律幾乎是不可能的，這正是地震難以預(yù)測的主要原因之一。

隱藏在地下巖石中的古地震記錄可以彌補(bǔ)人類歷史記錄的不足，可以提供特定地區(qū)地史時期古地震活動的長周期記錄，也為恢復(fù)區(qū)域構(gòu)造演化過程、確定古斷裂發(fā)生時間與活動史提供背景支撐。此外，還可以利用地震事件沉積的突發(fā)性與分布的廣泛性等特點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域地層對比。

砂土液化——地震的重要標(biāo)志

在強(qiáng)烈地震發(fā)生時，劇烈的振動會使地下飽含水的砂土層迅速失去剛性和承載力，轉(zhuǎn)換成與液體相近的狀態(tài)，像泉水一樣從地下噴出，出現(xiàn)大面積噴砂冒水的現(xiàn)象，嚴(yán)重者甚至造成水災(zāi)，這種現(xiàn)象稱為砂土液化。通常，地震液化的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地震造成的地表破裂范圍。

新西蘭地震時，地下砂土液化噴涌形成的砂火山。由于砂土液化噴涌，大部分砂火山呈線狀分布，“火山口”直徑約為20 厘米（

噴出地表的液化砂土如果堆積成丘狀或火山口形態(tài)，便被稱為液化溢出丘或砂火山。如果液化后的砂土沒有噴出地表，則會形成具有向上流動痕跡的液化脈，液化脈在剖面上看類似針狀體。2008年的汶川地震以及2011年的新西蘭地震，就分別形成了形態(tài)極為完好的液化溢出丘和砂火山。

震積巖——古地震的產(chǎn)物

除了液化丘、砂火山和液化脈以外，地震時還會形成許多其他特殊的現(xiàn)象，例如在已經(jīng)半固結(jié)的巖層中形成的卷曲變形、微型褶皺，在極細(xì)的泥質(zhì)沉積物中形成觸變變形構(gòu)造等。

震積巖在固結(jié)成巖之前大多由很軟的沉積物構(gòu)成，且很難在地層記錄中被保存，特別是由噴出地表的液化砂形成的溢出丘和砂火山，極易被外力破壞，所以在古老地層中類似的現(xiàn)象就更難以保存和發(fā)現(xiàn)。迄今為止，溢出丘只發(fā)現(xiàn)于300萬年以內(nèi)的第四紀(jì)的地層中。

幸運(yùn)的是，我們在北京西山永定河谷旁距今15億年的地層中發(fā)現(xiàn)了保存極為完整且體形較大的溢出丘和砂火山，以及分別向上、下層位侵入充填的液化脈等一系列與古地震有關(guān)的軟沉積物變形構(gòu)造，這些古地震遺跡與上期所講述的莊戶洼村的疊層石共生在一起。這些夾在正常沉積巖層中的特殊構(gòu)造現(xiàn)象正是精彩的古地震遺跡！

精彩的古地震紀(jì)錄

2011年，我們在莊戶洼村旁100米的范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)識別出多個形態(tài)較完整的液化溢出丘和1個砂火山。這些液化溢出丘直徑一般在2～3米左右，均產(chǎn)于同一層位，多呈圓形或不規(guī)則橢圓形，沿線狀分布。而在這多個液化溢出丘中，1號丘（上圖右）形態(tài)最規(guī)則，也最具代表性。丘的直徑為2.8米，高0.3米，整體由白云巖構(gòu)成。自中心向外，有6個同心環(huán)狀和13條放射狀裂紋，裂紋中充填了黑色的硅化成分。丘的中心有1～2厘米的下凹，且被黑色的硅質(zhì)物質(zhì)充填。

汶川地震時，地下礫石和粗砂噴出地表，已覆蓋丘頂?shù)?/2，個別礫石散落于丘的斜坡上，形成液化溢出丘（圖片來源/ 李海兵）

液化溢出丘頂面破裂，地下液化砂層與礫石層出露（圖片來源/ 李海兵）

這些液化溢出丘和砂火山均產(chǎn)于15億年前形成的霧迷山組（以白云巖為主的碳酸鹽巖層序），這是目前世界上發(fā)現(xiàn)的形態(tài)最完整、年代最古老的液化丘和砂火山，它們的分布形式和表面形態(tài)與2008年汶川大地震在河流階地上形成的液化丘非常相似。

液化溢出丘和砂火山全景照片，包含砂火山（左上角拉線的圖片）和多個液化溢出丘（右側(cè)的石頭）

另外，我們還在附近發(fā)現(xiàn)了等距排列且向上侵位的底辟構(gòu)造。

一般來講，白云巖的膠結(jié)速度很快，沉積后很快固結(jié)成巖，而硅質(zhì)巖的膠結(jié)速度慢，往往在上、下層白云巖都固結(jié)之后，它們還處于塑性狀態(tài)。因此，分別向上、下層位侵入充填的液化脈顯示的都是黑色的硅質(zhì)巖侵入到淺色的白云巖內(nèi)部，而底辟構(gòu)造也一樣說明深色的硅質(zhì)巖固結(jié)成巖比較晚，所以地震時或者遇到強(qiáng)烈的震動、壓迫時才發(fā)生變形。除此以外，在莊戶洼剖面，我們還觀察到淺色的白云巖侵入深色硅質(zhì)巖內(nèi)部的場景。

莊戶洼村附近發(fā)現(xiàn)的液化脈

分別向上、下層位侵位充填的液化（觸變）脈

白云巖侵入深色硅質(zhì)巖的現(xiàn)象十分罕見。首先，從硅質(zhì)巖被侵入的特征形態(tài)上可以斷定，是由于地震造成的，其形成過程與液化脈類似。但是，白云巖侵入現(xiàn)象是膠結(jié)速度快的白云巖侵入到膠結(jié)慢的硅質(zhì)巖中，說明這種侵入作用是在沉積物剛剛沉積不久后發(fā)生的，白云巖還沒有來得及膠結(jié)，仍然處于塑性狀態(tài)下被地震擠入到硅質(zhì)巖中。

這種現(xiàn)象具有十分特殊的意義。以前的教科書中多認(rèn)為黑色的硅質(zhì)巖是在巖石完全固結(jié)成巖之后，于后期的交代作用期間完成的。而本篇文章中所見到的現(xiàn)象證明，硅質(zhì)巖與白云巖是同時沉積的，所以才會出現(xiàn)這種互相穿插侵入的現(xiàn)象。這些侵入雖然都是機(jī)械性的擠入，但與地層中的硅化木的形成完全不同。因此，通過研究莊戶洼剖面的硅質(zhì)巖與白云巖之間的這些現(xiàn)象，可以改變沉積學(xué)中對硅質(zhì)巖成因的認(rèn)識，而這又是研究古地震的另外收獲。

現(xiàn)在，永定河莊戶洼已經(jīng)成為重要的科學(xué)和教育天然實(shí)驗(yàn)室，先后到這里進(jìn)行考察、研究、教學(xué)或參觀的各類人員已近千人，“紙上學(xué)來終覺淺，絕知此事要躬行”，希望大家能來到這個天然實(shí)驗(yàn)室，用自己的雙手去感受地質(zhì)的魅力！