河床底部沙火山特征、演化及其研究意義

馮陣東，李令喜，吳偉，王光緒，王運所，于靜

1.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作 454003 2.中石化中原油田分公司勘探項目管理部，河南濮陽 450001 3.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南焦作 454003

0 引言

沉積后尚未固結(jié)的砂體在飽和孔隙流體和外部動力觸發(fā)機制作用下發(fā)生液化、流化，砂體侵入圍巖或者噴出地表形成的侵入單元、噴出單元，與液化后的母巖單元共同組成砂巖侵入體系[1]。大量報到的震積巖、軟沉積變形層基本對應(yīng)母巖單元，而砂脈、砂巖墻則對應(yīng)侵入單元中的液化砂體。地質(zhì)歷史時期，由于噴出單元形成于古地表或古水底，顆粒細(xì)小、顆粒之間粘滯力低，在風(fēng)流、水流的干擾下很難被保存于地層中[2-11]，現(xiàn)有文獻(xiàn)報道的沙火山大部分是現(xiàn)代地震的產(chǎn)物[12-15]。地震可以為母巖液化提供足夠的能量，高震級的地震常伴有砂體液化、侵入和噴出，目前比較公認(rèn)的砂體液化觸發(fā)機制為地震作用[2,16-23]，大量專家學(xué)者認(rèn)可地震重要作用的同時，提出海嘯、隕石、彗星或者小行星撞擊、火山噴發(fā)、山體滑坡等非地震事件同樣可以觸發(fā)砂體液化[24-39]。能量較強的地質(zhì)事件，觸發(fā)形成的砂體液化發(fā)育時間短，現(xiàn)代沉積的相關(guān)工作多開展于地震等事件發(fā)生之后，地質(zhì)現(xiàn)象也多為構(gòu)造定型后的產(chǎn)物。而關(guān)于砂體液化形成過程和發(fā)育機制的相關(guān)研究，絕大多數(shù)與物理模擬實驗有關(guān)[40-46]。本次報道的沙火山形成于現(xiàn)代河道之中，規(guī)模不同的沙火山組成及火山口涌出物質(zhì)具有明顯差異，筆者認(rèn)為不同特征的沙火山處于不同的演化階段，對其特征及形成機制進(jìn)行研究可以為軟沉積變形研究提供參考。

1 沙火山形態(tài)及分布特征

本次報到的沙火山發(fā)育在山東省菏澤市一小型河道內(nèi)，河水水位降低，河床底部出現(xiàn)大量丘狀隆起（圖1），組成該類構(gòu)造的沉積物粒度較細(xì)，以粉砂和泥為主，堆積物形態(tài)與火山構(gòu)造極為相似（圖2），為典型的沙火山構(gòu)造。

圖2 不同演化階段的沙火山特征Fig.2 Characteristics of sand volcanoes atdifferent stages of evolution

從單個沙火山看，其結(jié)構(gòu)一般由圓錐狀的沙丘、沙火山口、液化砂巖（或者水）溢流通道組成。沙火山規(guī)模大小不一，較小火山錐底面直徑8 cm左右、高度小于10 cm，而規(guī)模較大的沙火山底面直徑大于70 cm，高度大于40 cm。溢流通道一般對應(yīng)規(guī)模偏大的沙火山，絕大多數(shù)溢流通道位于火山錐靠近河道中心一側(cè)（圖1）。沙火山口規(guī)模及涌出水流不同，小型沙火山對應(yīng)的火山口一般偏小，溢流出的水體渾濁，而多數(shù)火山口較大的沙火山溢流物質(zhì)為清澈水流。

圖1 河床底部沙火山分布特征Fig.1 Distribution of sand volcanoes at base of river bed

空間分布極不均衡，可以是孤立的火山錐，也可以由多個沙火山連片形成長條狀的隆起帶，隆起帶長軸一般與河道延伸方向一致，局部存在與河道近垂直排列的連片沙火山（圖3），本次發(fā)現(xiàn)最大的隆起帶長軸大于6 m，寬度1 m左右，高度大于0.4 m，隆起帶上具有特征明顯的沙火山口17個（圖1）。

根據(jù)規(guī)模及組成特征可以將河床沙火山劃分為2 種類型：有溢流通道型沙火山、無溢流通道型沙火山。其中，有溢流通道型沙火山一般規(guī)模偏大，直徑一般大于30 cm，高度一般大于20 cm，火山口涌出物為清澈水流，因組成沙火山碎屑顆粒小、清澈水流改造，致使沙火山口有明顯的增大跡象，該類沙火山口直徑可達(dá)10 cm 以上；與之相對比的是，無溢流通道型沙火山整體規(guī)模偏小，火山口涌出物質(zhì)為渾濁水流，沙火山口直徑絕大多數(shù)小于5 cm。對于不同類型的沙火山成因，在后續(xù)章節(jié)中結(jié)合形成的環(huán)境及動力進(jìn)行詳細(xì)分析。

2 誘發(fā)砂巖液化的原因分析

產(chǎn)生本次砂體液化現(xiàn)象的河道具有特殊的背景條件，河道清淤，上覆沉積層重力突然降低是造成砂體液化的主要原因。作為農(nóng)村灌溉為主的河道，河床底部形態(tài)十分特殊，河段兩端靠近橋頭地區(qū)河床偏高，中間相對低洼。雨季，河水上漲，可以漫過下游隆起端，防止洪澇災(zāi)害，實現(xiàn)自然向下游泄洪。旱季，河道的中間低洼部位可以儲存一定量的河水，方便農(nóng)田灌溉。該河流因其特殊的河床形態(tài)，上層水流速度相對較快，靠近底層的流速緩慢，雨水沖刷兩側(cè)堤岸及洪水期上游攜帶的碎屑礦物，在河床底部常年淤積，河道明顯變淺。河床中間低洼段與兩側(cè)高部位高差降低，基本喪失了儲水功能，當(dāng)?shù)厮块T對其進(jìn)行了清淤活動，人為的將河床底部1.5 m左右的沉積物清除。清淤活動之前，液化母巖層地層壓力與上覆沉積物重力、上覆巖層沉積物突破壓力處于平衡狀態(tài)，因清淤活動造成上覆巖層變薄，重力、突破壓力降低，為液化砂巖的噴出提供了便利，清淤活動打破壓力平衡條件是觸發(fā)砂體液化的主要原因。

季節(jié)性的地下水位上升，也可能是觸發(fā)該河道砂體液化的原因之一。河道清淤活動發(fā)生于2019年春季，降水相對較少，地下水位較深，清淤完成之后，并未發(fā)現(xiàn)地下水涌出現(xiàn)象。夏季，河道所處的魯西南地區(qū)降水量大，地下水位相應(yīng)的升高，存在于母巖層內(nèi)的流體在壓力差作用下水平移動，河床部位因上覆巖層的突破壓力較小，可以作為超壓流體的壓力突破點，水體上涌過程中攜帶粉砂、泥等碎屑物質(zhì)共同噴出地表，在水底形成沙火山構(gòu)造。

河道內(nèi)水位突然降低，地下水位調(diào)整也可能造成砂體液化。發(fā)現(xiàn)本次砂體液化的季節(jié)為2019年秋季，正是該地區(qū)秋種之后集中灌溉的階段，多個抽水泵同時活動造成水位快速下降，河床及其底部的沙火山露出水面。在此過程中，河道對應(yīng)的水體深度降低較快，河道段下伏的砂體孔隙壓力較低，河道周圍地層壓力較高，在壓力差作用下，地下水向河道匯聚，水流攜帶碎屑物質(zhì)上涌，形成沙火山。

綜合以上幾點，河道清淤、地下水位抬升、河道水位快速下降等因素都可以形成壓力差，致使砂體孔隙中的水體向河道匯聚，并在薄弱部位噴出地表，形成沙火山構(gòu)造。

3 沙火山的形成及演化

在壓力差作用下，水流攜帶顆粒向低勢能區(qū)域流動，在壓力容易突破的薄弱區(qū)域形成沙火山。不同規(guī)模的沙火山，具有的組成要素和涌出水流特征存在差異（圖2），可能處于不同的演化階段（圖4）。

沙火山生長階段：處于該階段的沙火山規(guī)模較小，無明顯的溢流通道，火山口涌出水流渾濁。在砂體母巖單元中流體與河道地表壓力差的推動作用下，攜帶碎屑顆粒的水流突破地表后向四周溢散，水體上涌及溢流過程中速度降低，在火山口周緣堆積。物源從中心向四周減少，造成靠近中心堆積速度較快，開始形成中間高周緣低的構(gòu)造形態(tài)。在此過程中，攜帶碎屑物質(zhì)的渾濁水流突破火山口之后，在四散水流、碎屑物質(zhì)自然安息角的控制下，沙火山規(guī)模逐漸增大。由于水流向四周溢散的速度基本相等，水流攜帶的碎屑物質(zhì)又可以填平相對低洼的火山口周緣，水流沒有優(yōu)勢的流動方向，故而缺少相應(yīng)的火山溢流通道。

沙火山消亡階段：進(jìn)入該演化階段的沙火山規(guī)模相對較大，最明顯的特征在于火山口涌出水流變成清水，溢流通道逐步形成。造成水體變清的主要原因可能有兩個方面：地層壓力和地表壓力之間的差值固定，在此壓力差下流動的地層水?dāng)y帶砂體的能力變化較小，母巖單元能夠被該流速水流攜帶的碎屑物質(zhì)逐步減少，故而水體逐漸變清；另外，沙火山生長過程中，地表之上的碎屑物質(zhì)堆積造成地表高程增大，地表至火山口之間的液柱壓力增大，在母巖單元地層壓力相對穩(wěn)定的條件下，地層壓力與火山口之間的流體壓力差逐漸降低，攜帶碎屑物質(zhì)的能力相應(yīng)的降低，也可能是水流漸漸變清的原因之一?；鹕娇谟砍鏊髯兦逯?，因缺少母巖碎屑物質(zhì)補償，沙火山停止生長。由于河床底部堆積的松散沙火山沉積物本身具備一定的滲透性，水流有向低部位流動的趨勢，火山口溢散水流與沙火山孔隙滲流共同疊加后，靠近河道中心一側(cè)（構(gòu)造低部位）具有更大的重力勢能，從而造成該方向水流速度偏大，對沙火山侵蝕強度最大，該部位率先產(chǎn)生溢流通道，從而造成火山溢流通道的方向性，絕大多數(shù)沙火山溢流通道的指向河道中心（構(gòu)造低部位）。當(dāng)沙火山周緣存在障礙物的條件下，溢流通道方向可能會發(fā)生改變，以圖3 中沙火山為例，水流溢散過程中在障礙物附近發(fā)生變化，繞過障礙物的水流與火山口溢流水體疊加，造成障礙物兩側(cè)水流速度高于其他方向，溢流通道沿著障礙物一側(cè)形成并逐步加深。溢流通道一旦形成，火山口內(nèi)的水流無法突破火山頂最高部位，因水流仍有四散溢流的特性，在此狀態(tài)下開始侵蝕火山口，造成火山口逐步變大，水流在火山口內(nèi)部形成小型的對流環(huán)境，經(jīng)歷翻滾對流之后的水體最后經(jīng)過溢流通道流出沙火山，流出的水體進(jìn)一步侵蝕沙火山，造成溢流通道逐步加寬加深，溢流出的水體攜帶的沉積物在沙火山外圍呈扇形展開，受地形因素影響，溢流通道兩側(cè)的侵蝕程度存在差異，靠近低部位一側(cè)被侵蝕更嚴(yán)重，高部位一側(cè)可以形成長條狀砂體隆起；從沙火山溢流出的水體，與河道水流疊加后，可以進(jìn)一步改造沙火山，迎著水流一側(cè)沙火山被剝蝕，另一側(cè)受沙火山遮擋，水體流速降低，砂體再次沉積，從而造成了沙火山整體的不對稱形態(tài)。

總之，沙火山形成之后，演化過程受壓力差、周圍環(huán)境控制，其形態(tài)及組成先后具備：規(guī)模增大、涌出水流變清、溢流通道產(chǎn)生、沙火山口增大、沙火山改造后再沉積等特征，河道底部存在的不同特征的沙火山可能處于沙火山演化的不同階段。

4 研究意義

本次報道的沙火山形成所需的流體壓力差小，活動過程中相應(yīng)的動力弱，保存了相對完整的演化過程，其形成雖受人為活動影響，地質(zhì)歷史時期盆地的特殊構(gòu)造部位仍可能滿足形成條件，開展相關(guān)的工作對含油氣盆地沉積的研究具備重要的啟示意義，主要表現(xiàn)在：

（1）可以為震積巖相關(guān)構(gòu)造的形成及演化研究提供參考。地震活動過程中，可以形成噴出地表的沙火山、沙錐，液化砂體向上刺穿地層能量較弱時又可以形成液化砂脈、砂席等構(gòu)造，橫向作用力造成局部的隆起，又可以形成無口型沙火山、砂脊等構(gòu)造。與河床底部沙火山可以類比的是沙火山、砂錐，不同的是地震活動中形成的沙火山需要更大的能量，足夠造成流體快速流動攜帶液化母巖內(nèi)的碎屑物質(zhì)上涌，母巖單元內(nèi)碎屑物質(zhì)被高速流體帶出地表，地震結(jié)束后，地層壓力降低，顆粒之間孔隙被壓縮，從而造成地表塌陷的火山口；河床底部弱流體壓力差下形成的砂巖液化，對母巖單元破壞能力有限，不存在碎屑物質(zhì)回填現(xiàn)象，故而造成火山口周緣整體偏高的地貌。在規(guī)模上，河床沙火山明顯大于地震活動中形成的砂錐[23]，由于地震活動過程中局部超壓流體可以噴出地表，流體可以是液態(tài)水，也可以是壓縮后的高壓氣體，而氣流攜帶碎屑的能力偏弱，地表形成的沙火山規(guī)模偏小，由此推斷部分砂錐可能是高壓氣體噴出后的產(chǎn)物。

（2）低壓力差形成的沙火山在地質(zhì)條件下可能更具有普遍性。震積巖中各種構(gòu)造的形成多發(fā)生在強震之后[16-18,22-23]，本次發(fā)現(xiàn)的低流體壓力差下，只要存在上覆蓋層的薄弱帶，便可能形成沙火山，由此可以推斷：河床的下切、地下水位的上升、斷層活動后地層壓力的調(diào)整都可以導(dǎo)致沙火山的形成。與本次河道清淤活動類比，單次斷層活動斷距1.5 m 左右，斷層帶及派生裂縫帶附近便可以滿足沙火山形成條件。中國東部中新生代斷陷盆地中普遍存在的正斷層，斷陷期必然存在大量斷距能夠滿足砂體液化壓力差的斷層，流體流動過程中攜帶的液化砂體可以充填斷層帶，這種類型的斷層具有較差的封閉性，且封閉性與兩盤對接巖性關(guān)系不大，從而影響油氣勘探過程中斷層封閉性評價工作；上盤作為主動盤，派生的低序級斷層較多，能夠為液化砂體提供足夠的通道，而正斷層活動后上盤可能位于更深的水體環(huán)境之下，從而為沙火山的保存提供有利的沉積環(huán)境。斷裂帶附近的砂體再次調(diào)整則可能影響斷層兩側(cè)的地層對比，進(jìn)一步影響該部位的層序地層研究以及斷層控砂模式認(rèn)識。

（3）地層中識別出的部分震積巖可能是斷層活動的產(chǎn)物。發(fā)育于河床底部的沙火山證實，只要母巖單元內(nèi)流體壓力與地面壓力差足夠突破薄弱帶，便可以誘發(fā)砂體液化、沙火山形成。盆地斷陷活動過程中，斷層活動期常伴有強烈的地震，很難區(qū)分砂體液化是地震活動還是斷層活動引起的。地質(zhì)時期，緩慢的差異熱沉降、沉積物的差異壓實同樣可以產(chǎn)生斷層，足夠提供薄弱帶以及誘發(fā)地層壓力重新分布的地質(zhì)條件，從而產(chǎn)生低壓力差環(huán)境下的砂體液化。由此可以看出，地層中發(fā)現(xiàn)的液化砂巖脈、沙火山等構(gòu)造發(fā)育時期不一定對應(yīng)強烈的古地震，應(yīng)該存在部分低壓力差誘發(fā)的產(chǎn)物。

（4）地質(zhì)條件下，觸發(fā)砂體液化的條件很容易滿足，但沙火山的保存難度比較大，地層中該類型的沙火山可能指示極其低能的水環(huán)境。前已述及，上覆沉積物厚度變化1.5 m左右，形成的壓力差便足以形成長6 m、寬1 m、高0.4 m的連片沙火山，由此可以看出，觸發(fā)砂體液化的動力條件比較容易滿足。因河床頂面低于地下水位，地下水持續(xù)補給河道，造成該處沙火山出露時間十分短暫，人工抽水結(jié)束后沙火山被快速淹沒于水面之下，整體出露的時間持續(xù)不足3 個小時。筆者拍攝階段沙火山周圍仍有大量積水，因難以靠近，照片全部為河岸拍攝的俯視圖。此時，沙火山未固結(jié)，火山口仍處于噴水、噴砂階段，很難截取剖面，進(jìn)行相應(yīng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及沉積特征描述。為獲取沙火山剖面特征，筆者在該年冬季（2020 年1月）河床完全干涸后重返該區(qū)域，調(diào)查發(fā)現(xiàn)秋季產(chǎn)生的沙火山已經(jīng)完全被夷平，雖未能獲取沙火山截面特征，但也證實該類沙火山的保存難度極大。筆者推斷，該類型的砂巖液化能量遠(yuǎn)小于地震，能夠噴出地表的沉積物粒度較細(xì)，在后期流水的改造下，噴出地表的松散沉積物很容易被破壞，低流速的水或地表的風(fēng)足以破壞該類沙火山，而砂體上涌的通道保存難度相對較小，從而造成地層中液化砂巖脈普遍多于沙火山[1-11]。一旦在地層中發(fā)現(xiàn)該類沙火山，可能指示接近靜水狀態(tài)的水動力環(huán)境。

5 結(jié)論

（1）現(xiàn)代河床底部存在不同類型的沙火山，規(guī)模較大的沙火山常具有明顯的溢流通道、較大的火山口、火山口涌出物質(zhì)為清水，規(guī)模較小的沙火山則火山口較小、無溢流通道、涌出水流渾濁。

（2）不同特征的沙火山可能處于形成演化的不同階段：在母巖單元地層與地面壓力差作用下，液化后的砂體沿著薄弱帶突出地表，火山口水流渾濁，均勻向四周溢散，無明顯溢流通道；后期母巖單元內(nèi)可供流體攜帶的碎屑物質(zhì)減少，沙火山規(guī)模增大，火山口處與地層之間壓力差減小，火山口內(nèi)流速降低、攜砂能力降低、水流變清，沙火山終止生長。沙火山演化過程中先后經(jīng)歷：規(guī)模增大、涌出水流變清、溢流通道產(chǎn)生、沙火山口增大、沙火山改造后再沉積等特征。

（3）只要母巖單元與地面的流體壓力差，足夠突破地層薄弱帶，便可以形成一定規(guī)模的沙火山，該類型沙火山可以與震積巖砂體液化構(gòu)造相對比，且在地質(zhì)歷史時期更容易產(chǎn)生，部分非地震活動伴生的斷層可以提供壓力差、薄弱帶，斷層帶及伴生裂縫帶附近可能發(fā)育沙火山，并在弱水動力條件下被保存下來。