新疆泥火山發(fā)育區(qū)場地震陷災(zāi)害機理探討

許世陽, 柴少峰, 尹光華, 王 平, 蒲小武

(1. 中國地震局蘭州地震研究所 中國地震局黃土地震工程重點實驗室, 甘肅 蘭州 730000;2. 新疆維吾爾自治區(qū)地震局, 新疆 烏魯木齊 830011; 3. 防災(zāi)科技學(xué)院, 河北 065201)

0 引言

目前,國內(nèi)外相關(guān)研究主要集中在泥火山分布、成因與噴出物組分等方面[1-4]。泥火山活動伴隨地下水、天然氣及泥質(zhì)碎屑物由地下向地表搬運,當(dāng)泥漿噴涌劇烈,會在地表堆積成火山錐狀,同時部分泥火山噴出氣體成分含有甲烷,會發(fā)生自燃現(xiàn)象,泥火山因此作為一種特殊地貌逐漸被關(guān)注[5-8]。雖然多數(shù)泥火山活動強度弱,對周邊自然環(huán)境影響較小,但是少數(shù)泥火山活動劇烈,噴涌出的泥漿移動速度快、體積大,會對周邊環(huán)境及人員安全造成威脅,已成為重點關(guān)注地質(zhì)災(zāi)害之一。如2006年5月印尼東爪哇區(qū)域爆發(fā)泥火山,泥漿噴涌劇烈,最大速率達到180 000 m3/d,約7.8 km2區(qū)域被泥火山噴出的泥漿所覆蓋,泥漿厚約20 m,對4萬人的生活及安全造成影響[11]。已經(jīng)證實,泥火山活動受地震誘發(fā),一般地震過后,泥火山往往會發(fā)生噴發(fā)現(xiàn)象。如2001年1月26日巴基斯坦南部的7.7級地震后,該區(qū)域發(fā)生了泥火山噴發(fā)[9-10]。泥火山活動過程中泥漿搬運地下沉積物在地表再次沉積,新沉積的黃土層物性參數(shù)可能發(fā)生改變,影響其抗震陷性能。沉積粒度組分中黏粒含量是影響黃土的震陷性的參數(shù)之一[11-12],當(dāng)黏粒含量小于17%時,黏粒含量越小殘余變形越大,越容易震陷,黃土的殘余變形隨黏粒含量的增加而減少,含黏粒黃土抗震陷性能隨黏粒含量的增加而增加[13-15]。本文主要討論泥火山活動對沉積碎屑物粒度組分的改造對泥火山發(fā)育區(qū)域場地震陷災(zāi)害之間的關(guān)聯(lián)性。泥火山分布區(qū)多為厚層土狀沉積層[16-17],受地下水及天然氣的影響,土狀固態(tài)沉積物粒度被改造,粒度組分改造前后對震陷特性造成影響。本文采集泥火山泥漿樣品與發(fā)育區(qū)域背斜軸部地層樣品,通過粒度分析確定改造前后粒度組分變化與場地抗震陷性關(guān)聯(lián)性探討,可作為泥火山泥漿沉積層場地震陷災(zāi)害判斷依據(jù)之一。

1 泥火山的分布及基本特征

泥火山分布廣泛,著名的泥火山有美國的黃石公園、伊朗的馬克蘭、羅馬尼亞的布扎、阿塞拜疆的巴庫及中國新疆北天山泥火山群等。在中國,在海底和陸地都發(fā)育泥火山。我國陸地與海底至少在有11處發(fā)現(xiàn)了200多座泥火山[9]。海底泥火山主要集中在南海臺西南盆地,陸地發(fā)育最大的泥火山群則在新疆北天山區(qū)域內(nèi),分別集中在獨山子、沙灣、艾其溝和白楊溝等區(qū)域(圖1)。其中艾其溝泥火山群發(fā)育的泥火山為兩座相距40.2 m且規(guī)模較大的椎體[圖1(c)]。東側(cè)的錐體高11.5 m,錐孔直徑7.0 m,噴口直徑4.3 m,凹坑中有大量泥漿,噴出的泥質(zhì)沉積物為青灰色,表面漂浮黑色油漬,具有汽油味,仍處于活動狀態(tài),有氣泡冒出,外圍干枯的部分有泥裂[圖1(a)]。西側(cè)的錐體高8.4 m,上錐孔直徑5.7 m,噴口直徑1.4 m,噴口周圍泥質(zhì)已干枯固結(jié),中心泥質(zhì)含一定水分[圖1(b)]。我國陸地已發(fā)現(xiàn)的泥火山除新疆北天山區(qū)域外,還在青藏高原羌塘盆地內(nèi)、臺灣島的臺南與高雄處發(fā)現(xiàn)泥火山活動[9]。

圖1 研究區(qū)泥火山分布范圍及取樣位置示意圖Fig.1 Distribution of mud volcanoes and sampling location in the study area

2 樣品的采集與測試

共采集2處泥火山噴出的泥質(zhì)沉積物樣品進行粒度分析。其中樣品A1為已停止活動的固結(jié)泥質(zhì)碎屑,樣品A2為泥火山活動中噴涌出的泥漿。同時選取泥火山群臨近區(qū)域出露的地層,采集9個連續(xù)地層沉積物樣品進行粒度測試,目的是通過兩類樣品粒度參數(shù)的對比,探討泥火山活動對原地層沉積物粒度組分的改造作用。

使用Mastersizer 2000型激光粒度分析測試儀進行粒度分析,測試由中國地質(zhì)大學(xué)粒度分析實驗室完成。激光測試結(jié)果的粒度分布曲線如圖2所示。由于泥火山噴發(fā)過程中伴隨油氣,泥質(zhì)噴出物含有大量的有機質(zhì)膠結(jié)物,地層沉積物樣品也含有一定量有機質(zhì)與碳酸鹽等膠結(jié)物,這類膠結(jié)物對于粒度實驗具有很大的影響,樣品前處理可以去除這些膠結(jié)物,使顆粒得到有效的分離,保證實驗數(shù)據(jù)的有效性。實驗粒度儀的測量范圍為0.02～2 000 μm,在測量區(qū)間共可獲得100個粒級的百分含量數(shù)據(jù),并給出每一粒級的百分含量,同時可提供粒度分布曲線和累積曲線[16]。

圖2 泥火山樣品與地層樣品懸浮液粒度分析圖Fig.2 Particle size distribution of suspension in mud volcano samples and stratum samples

3 泥火山及地層沉積物粒度分析

激光粒度分析的主要參數(shù)分別有中值(Md)、均值(Mz)、標(biāo)準(zhǔn)偏差(σφ)、偏度(SK1)和峰度(KG)。其中,Md是累計曲線上碎屑含量50%處對應(yīng)的粒徑,它在粒度上居于沉積物的中央,有一半重量的顆粒大于它,另有一半小于它;Mz表示粒度分布的集中趨勢,反映搬用介質(zhì)的平均動能;σφ代表了碎屑的分選性,分選性的好壞可以作為沉積類型判別標(biāo)志之一?？傮w而言,沉積環(huán)境由風(fēng)成砂丘-海(湖)灘砂-河道砂-冰川和沖積扇沉積,其分選程度依次變差;SK1用來判斷粒度分布的對稱程度,表示非正態(tài)粒度分布下的偏斜程度,當(dāng)SK1=0時表示峰兩側(cè)粗細粒徑的百分比含量互相對應(yīng)地減少,形成以峰為對稱軸的對稱曲線;SK1>0時表示正偏,峰偏向粗粒度一側(cè),細粒一側(cè)有一低的尾部;SK1<0時表示負偏,峰偏向細粒度一側(cè),粗粒一側(cè)有一低的尾部。偏度正負大小與多種因素有關(guān),它主要受沉積物屬性控制,既與沉積環(huán)境類型密切相關(guān),又與環(huán)境能量是否對應(yīng)平衡有關(guān)。如負偏表示因搬運介質(zhì)動力強,細粒沉積物在該地沉積少而虧損;正偏表示因搬運運動力弱,粗粒物質(zhì)不足。KG用來衡量粒度頻率曲線尖銳程度,通常沉積物是多種來源的混合物,如果兩個粒度分布總體大致均等混合時粒度頻率曲線成鞍狀寬峰,如果單一粒度占絕對優(yōu)勢時,曲線呈尖峰分布;峰態(tài)表示粒度頻率曲線單峰、雙峰或者多峰等特征。圖2可以直觀的反映峰態(tài)與峰度參數(shù)特征。一般認為,沉積物的平均粒徑和標(biāo)準(zhǔn)偏差主要受物源控制;最后沉積環(huán)境對原來沉積的改造,主要表現(xiàn)在某些原有組分的丟失或新組分的加入,即主要反映在頻率曲線上粗、細尾部的變化,而尾部極微弱的變化,即尾部粒級含量的微弱增減,都會引起峰態(tài)和偏度的明顯改變[16]。樣品的激光粒度分析測試參數(shù)結(jié)果如表1所列。

表1 地層樣品粒度參數(shù)統(tǒng)計

經(jīng)過粒度分析,泥火山泥質(zhì)沉積物粒度主要為0.2～100 μm,以溫德華粒級分類,組分粒級分別為黏土粒、粉砂粒、極細砂粒、細砂粒與中砂粒。A1與A2樣品組分中各個粒級含量相似,組分中以粉砂為主,粉砂粒占56%,黏土含量占44%,如圖3所示。粒度參數(shù)顯示:樣品分選性差;偏度相似,以近對稱為主;峰態(tài)相似,以中等為主;粒度分布曲線以單峰正態(tài)分布曲線為主。地層泥質(zhì)沉積物粒度主要為0.2～80 μm,較粗部分為80～150 μm,組分粒級分別為黏土、粉砂、極細砂。組分中各個粒級含量相似,以黏土與粉砂為主,黏土含量占17%～55%,粉砂含量占45%～74%,部分組分中含有極細砂,含量占10%～13%,如圖3。粒度參數(shù)顯示:樣品分選性差;偏度以近對稱為主,部分為正偏;峰態(tài)以中等為主,部分為平坦;粒度分布曲線以單峰正態(tài)分布曲線為主,部分為單峰或雙峰正偏曲線。

圖3 樣品粒級百分含量Fig.3 Percentage of the sample grain size

通過粒度分析對比發(fā)現(xiàn),兩者組分以粉砂粒與黏土粒為主,多數(shù)樣品粉砂含量超過50%。粒度參數(shù)顯示,兩者分選較好,且粒度分布曲線都以單峰正態(tài)分布曲線為主。整體來看泥漿樣品組分中黏土含量相對地層樣品較少。將泥火山活動的改造作用主要為泥漿的搬運、混合、沉積過程當(dāng)中粒度組分改變與顆粒膠結(jié)物溶解。改造強弱受泥漿水動力條件、搬運距離與原沉積物粒度組分影響,改造過程具有差異性,但多數(shù)樣品基本保持地層組分,改造程度低,整體顯示為黏土減少,顆粒變粗的趨勢,說明泥漿搬運距離較短,來源深度較淺,混合與分選改造程度低。

4 泥火山活動對沉積物組分改造及對其震陷性影響

泥質(zhì)碎屑的孔隙率與膠結(jié)物是影響震陷的重要因素[13-14,19]。淺層泥質(zhì)沉積物通過泥火山活動搬運至地表,在這一過程中不同粒度組分發(fā)生混合、分選,最后在地表沉積,泥漿持續(xù)堆積形成椎狀地貌體。新疆已發(fā)現(xiàn)的泥火山泥錐高度不一,艾其溝泥錐高度達8～10 m。艾其溝泥火山泥質(zhì)沉積物粒度組分中以粉粒為主,占56%左右,黏粒含量約為44%,粒度分布以偏眾數(shù),正偏態(tài)。黃土地層樣品粒度組分以粉粒為主,占60%～70%左右,但黏粒含量差異較大,與每一層地層的沉積環(huán)境差異有關(guān),其中黏粒含量在15%～20%之間,極細粒含量占10%,與典型天山黃土粒度組分相似[17-18],個別地層中黏粒含量在43%～55%之間與艾其溝泥火山泥質(zhì)沉積物粒度組分相似。

根據(jù)含黏粒黃土中黏粒含量對黃土動力學(xué)穩(wěn)定性相關(guān)性研究發(fā)現(xiàn)[13],含黏粒黃土的抗震陷性能隨黏粒含量的增加而增加,黏粒含量越小殘余變形越大,越容易震陷,抗震陷性能最低點在黏粒含量16%～17%之間,如圖4所示。對比泥火山沉積物與地層沉積物中黏粒含量發(fā)現(xiàn),前者黏粒含量均值為44%,后者為36.5%,這與泥火山活動改造作用主要以黏土組分減少,顆粒變粗的趨勢有關(guān),二者都具有較高的抗震陷性能,但地層沉積物個別層內(nèi)含黏粒量在17%,處于抗震性較地點,具有震陷危險。因此泥火山活動對沉積物的改造將粉質(zhì)黃土逐漸向黏質(zhì)黃土過渡,而黏質(zhì)黃土的穩(wěn)定性較高,從而提高了沉積物的抗震陷性能。

圖4 含黏粒黃土殘余強度與黏粒含量關(guān)系Fig.4 Relationship between clay content and residualstrength of clayey loess

黃土沉積過程中孔隙水使沉積物在原始孔隙中發(fā)生物理化學(xué)沉淀作用,沉淀的礦物能將疏松的沉積物黏結(jié)并使之固結(jié)成巖。易溶鹽是膠結(jié)作用的重要組成部分,在含水量較低時,易溶鹽處于微晶狀態(tài),附于顆粒表面,起膠結(jié)作用。研究證明含水量是影響土體內(nèi)聚力最重要的因素之一,土體內(nèi)聚力隨含水量與土體黏粒含量比值的增大呈減小趨勢。通常泥火山發(fā)育區(qū)域為構(gòu)造背斜核部,斷裂發(fā)育,泥火山活動中泥漿流沿斷裂向地表運動,受泥漿流的浸水作用,顆粒之間的黏力降低。艾其溝泥火山仍然持續(xù)活動,錐體中心泥漿含有大量水分,中心至椎體外側(cè)泥質(zhì)碎屑物含水率逐漸降低。整個椎體內(nèi)含水率中心高,周緣低,使椎體中心形成震陷的易發(fā)生帶。

5 結(jié)論

(1) 艾其溝泥火山泥質(zhì)沉積物粒度組分中以粉粒為主,占56%左右,黏粒含量約為44%,粒度分布以偏眾數(shù),正偏態(tài);黃土地層樣品粒度組分以粉粒為主,占60%～70%左右,但黏粒含量差異較大,其中黏粒含量在15%～20%之間,極細粒含量占10%,與典型天山黃土粒度組分相似,個別地層中黏粒含量在43%～55%之間與艾其溝泥火山泥質(zhì)沉積物粒度組分相似。

(2) 泥火山活動對泥質(zhì)碎屑沉積物溶解、搬運與沉積后以黏土組分減少,顆粒變粗的趨勢,將粉質(zhì)黃土逐漸向黏質(zhì)黃土過渡,而黏質(zhì)黃土的穩(wěn)定性較高,從而提高沉積物的抗震陷性能。黃土抗震陷性受多因素影響,定量分析泥火山活動對場地的震陷災(zāi)害的影響還需要進一步研究。