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胶州上白垩统史家屯段中地震产生的震火山岩及软沉积物触变变形

更新时间:2016-07-05

0 引言

震火山岩(seismic volcanic rock)是由地震产生的具同震变形构造的火山岩,多为火山地震的记录。郭力宇等(2002)最早提出和使用震火山岩一词,来论述陕西洛南地区寒武系朱砂洞组中的火山地震事件。田洪水等(2007)从沂沭断裂带内的下白垩统青山群八亩地组中识别出多种震火山岩。Tian 等(2014,2015)又从沂沭断裂带西侧的山旺-临朐盆地的新近系尧山组中鉴别出了与地震液化砂脉共生的震火山岩。田洪水等(2017)论述了沂沭断裂带及其近区的震火山岩与火山地震事件的时空分布。

震积岩(seismite)的概念由Seilacher(1969)提出,指地震引起的具软沉积物变形构造的岩层。Plaziat等(1990)、Purser等(1993)、Rodríguez-Pascua等(2000)、Wheeler(2002),Goffredo 等(2002)、Moretti等(2002, 2016)、Montenat等(2007)及Owen等(2011)对震积岩的形成条件、原理、识别准则、分类、环境及典型实例等开展了深入研究。在中国,龚一鸣(1987,1988)最早将震积岩这一术语引入到地学界。宋天锐(1988)开辟了对具体层位震积岩与地震灾变事件研究的先河。20世纪末至21世纪初,梁定益等(1991)、Qiao等(1994)、乔秀夫等(1994,2001, 2009)、杜远生等(2000,2001) 关于震积岩的序列、分类和鉴别标志等的研究起到了引领和推动作用;自1987年到现在,在30余a的研究历史中,中文期刊共刊出了140余篇有关震积岩与地震事件的论文,中国学者也发表了若干英文论文,还出版了多部中文专著(Feng et al.,2016)。因此,中国对震积岩的研究起步虽然较晚,但成果卓著。

图 1 研究区地质简图及上白垩统红土崖组史家屯段的分布 Fig. 1 Geological map and the distribution of the Shijiatun Member of the Upper Cretaceous Hongtuya Formation in the study area. a 研究区的区域构造与位置,b 研究区史家屯段的分布;1 断层及其产状,2 研究区位置,3 地质界线,4 岩层产状,5 玄武岩夹砂质黏土岩及泥质砂岩,6 红土崖组史家屯段,7 青山群中基性火山岩,8 沂沭断裂带;Pt1j 荆山岩群,AnMz 前中生界,Mz 中生界,K1l 莱阳群,K1d 大盛群,K2w 王氏群,K2wX 辛格庄组,K2wH 红土崖组,K2wHsh 史家屯段,E 古近系,Q 第四系,γ5 印支至燕山期花岗岩,γδ5 印支至燕山期花岗闪长岩

胶州市处在胶莱盆地西南部,其辖区距郯庐断裂带中段之沂沭断裂带50~90km(图1a)。陈颙等(2000)指出: 郯庐断裂带是长期活动的深大断裂-地震带,像这样的深大断裂-地震带,其两侧附近100~200km范围仍是强震活动区,并与深大断裂带共同构成了活动构造带。由于郯庐断裂带自形成以来长期发生强构造与地震活动,沂沭断裂带是郯庐断裂带最宽且是构造与地震活动最激烈部分;因此,沂沭断裂带及其近区,包括胶莱盆地在内,发育了丰富多样的地震记录。活动断裂产生强地震时,不仅造成断裂本身变形,而且在发震断裂破碎带内与其近旁会留下断层泥、角砾岩和崩积楔等震断层构造岩(seismic fault-tectonic rock),震断层构造岩在地表基本沿发震断层破碎带呈线状分布(田洪水等,2007)。许多学者(高维明等,1988;王华林等,1992;晁洪太等,1994,1995,1997,2012; 李家灵等,1994;王志才等,1999,2005,2015;姚大全等,2012;Yan et al.,2014)通过分析发震断层和震断层构造岩的特征,并结合现代地震的分布和震害现象,来探索和研究新近纪至现代活断层的活动与地震发生规律。当发震活动断层处在沉积盆地附近时,所产生的强烈地震会造成盆地中的水饱和的未完全固结软沉积物发生液化、触变、滑塌、裂开和破碎等而形成液化砂火山、液化砂脉、触变泥脉、触变软泥沉陷、滑塌褶曲、同沉积微断层、震裂缝、震裂与震碎角砾岩等具软沉积物变形构造的震积岩。当软沉积物夹有火山岩或火山岩夹有软沉积物时,强地震会使未固结的火山岩(包括软的喷出物)震裂、震碎及弯曲等,从而形成具同震变形构造的震火山岩,震火山岩常与震积岩共生。震断层构造岩、震积岩及震火山岩均属地震成因岩石,都是地震作用下产生的实体性地震记录(田洪水等,2007)。由于震积岩和震火山岩的共同特征是在盆地较大范围内呈面状分布、呈层状产出,它们在震后被保存在固结成岩的地层中,所以,它们一般不会遭受后来强地震的扰动和破坏,这对分析深大断裂与地震带及其附近地区的构造与地震活动历史(特别是新生代以前的构造与古地震活动)具有重要作用和意义。自20世纪末到现在,Qiao等(1994)、乔秀夫等(2001,2002)、陈世悦等(2003)、田洪水等(2003;2005a,b;2006;2007;2011;2015a,b;2016)、袁静(2004)、杨剑萍等(2004)、殷秀兰等(2005)、周勇等(2011)、何碧竹等(2011,2012)、张邦花等(2012,2016)、Tian等(2013;2014;2015;2016a,b)、He等(2015)通过野外地震地质调查、室内试验和模拟地震试验,从沂沭断裂带及其附近地区不同地质时代的地层中,识别出了若干个由震积岩和震火山岩组成的地震事件层。通过野外调研、对比及室内试验分析,首次从胶莱盆地上白垩统红土崖组史家屯段中识别出了震火山岩,并与触变砂质泥脉或泥质砂脉等震积岩共生,这为认识胶莱盆地及沂沭断裂带于燕山晚期的构造与地震活动提供了新依据。

1 地质背景

胶莱盆地位于沂沭断裂带以东,胶南造山带的北侧,见图1a。胶莱盆地基底岩系为前中生界变质岩;基底之上,自下而上,主要发育下白垩统莱阳群山麓洪积相砾岩—冲积与湖积相砂岩夹页岩、青山群以中-基性为主的火山岩、上白垩统王氏群以冲-洪积相为主的碎屑岩夹砂质泥岩,以及第四系残-坡积与冲-洪积松散沉积物(张增奇等,1996)。沂沭断裂带为胶莱盆地的西界;该断裂带的4条主干断层构成了 “两堑一垒”的构造格局;其地垒主要由前中生界组成;两侧的地堑盆地内主要被下白垩统青山群火山岩和大盛群碎屑岩与泥(页)岩和第四系松散沉积物充填;该断裂带的坊子盆地发育侏罗系坊子组和王氏群红土崖组,但多被第四系覆盖(张增奇等,1996)。山东省第2轮地质调查成果(宋明春等,2003)表明: 上白垩统王氏群自下而上被分为林家庄组、辛格庄组、红土崖组、金岗口组和胶州组且在胶莱盆地广泛分布。在胶莱盆地的诸城凹陷和莱阳凹陷,红土崖组的厚度较大;诸城凹陷是胶莱盆地西南端的EW延长的三角形箕状盆地,在该诸城凹陷的胶州地区,红土崖组厚度最大,厚达1i853.4m,主要由砖红与紫红色细砂岩、粉砂岩夹砂砾岩组成;在诸城东部至胶州市,其顶部发育玄武岩层,称之为史家屯段。史家屯段由黑灰色玄武岩与河湖相红色泥砂质沉积岩夹(互)层组成,厚350~400m,平均厚度370m,其中的玄武岩的k-Ar同位素年龄为72~76Ma(孟繁聪等,2006)。史家屯段主要分布在胶州市张应镇史家屯以北、百尺河断裂以南,其平面分布范围形态似弯月,EW向长约30km,SN向最大宽度8km,面积达210km2(图1b);另在胶州市洋河镇寺东村的东北侧有少量露头。红土崖组史家屯段因风化强烈、耕地遍布,基岩出露少且不连续;地层倾向NNW—NNE,倾角15°~25°;下与红土崖组中上部红色冲洪积砂岩夹砾岩呈整合接触,上多与莱阳群砂砾岩呈断层接触(图1b)。

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土力学原理与实验(陈希哲,2003)表明,饱和软黏土、淤泥质土和含黏粒较高(10%~16%)的粉土和砂土,由于具有较高的黏聚力,受强地震振动不会形成超孔隙水压力因而不发生液化;但饱和软黏土、淤泥质土、软胶体及含黏粒较高的土受强度较高地震振动会发生触变。然而,当受到强度更高的外力或地震扰动时,饱和软黏土、淤泥质土、软胶体的结构被破坏,黏度和强度降低,流变性增强;当外力取消后,其黏度和强度会得到有限恢复,饱和软黏土和软胶体的这种一触就变的特性称为触变性(张虎臣,1989;侯万国,1998)。据此,图2b—e中的原始饱和河湖相红色砂质黏土与泥质砂沉积物的脉状变形及其他地震扰动变形,应属地震引起的触变变形构造。

今年以来,杭州市国土资源局结合美丽杭州建设要求,以优化矿业布局、促进矿业转型升级为目标,以落实矿产资源规划为基本途径,牢固树立四个理念,扎实推进美丽矿山和绿色矿业发展示范区建设,开启了绿色矿山建设的新征程。今年完成纳入全国绿色矿山名录库项目25个;2019年完成80%大中型矿山绿色建设任务,基本完成5个美丽矿山建设;到2020年符合条件的矿山全部建成绿色矿山,基本形成具有杭州特色的绿色矿山格局,争取建成全省领先的绿色矿业发展示范区1-2个,全市领先的示范区2-3个。

据殷秀兰等(2005)、周勇等(2011)、何碧竹等(2012)及He等(2015)的研究,胶莱盆地下白垩统莱阳群下部的止凤庄组—杨庄组发育液化砂脉、液化角砾岩、负载构造、底辟构造、丘槽构造及同沉积断层等地震成因变形构造的震积岩;田洪水等(2007,2016)和Tian等(2016a)的研究证明沂沭断裂带内下白垩统青山群发育大量震火山岩且下白垩统大盛群也发育大量震积岩;何碧竹等(2011)从诸城凹陷上白垩统红土崖组的冲-洪积物中识别出了具负载构造、球-枕构造、火焰构造、液化卷曲变形、液化砂脉及同沉积断层等地震成因变形构造的震积岩。因此,白垩纪是胶莱盆地与沂沭断裂带强构造与地震频繁活动的时代。

2 地震事件记录的识别

图 2 胶州上白垩统史家屯段中的地震事件记录 Fig. 2 Seismic event records in the Shijiatun Member of the Upper Cretaceous in Jaozhou City,Shandong. a 无地震记录的玄武岩层与红色沉积泥砂层;b,c 被强地震触动而发生同震变形的玄武岩夹红色发生地震触动的泥砂质沉积层,其界线曲折,红虚线为同震微裂隙,蓝箭头指地震触变泥砂质脉,白箭头指落入泥砂质层中的玄武岩质代表性角砾岩块;b′,c′ 对照片(b)和(c)中的不同时代地层(E2Hsh,Q4dl)、不同岩层界线及所含地震变形构造的素描,其中黑虚线为同震微裂隙;d 震裂玄武岩与触变砂质泥脉或泥质砂脉共生,红虚线为同震微裂隙;e 震碎玄武岩块被触变泥质包容;Sb-01和Sb-02为薄片样品与编号;a 摄于小草泊村东集水坑,b—e 摄于安家沟以南1km处的玄武岩采石场;E2Hsh 史家屯段,Q4dl 全新统坡积物

2.1 地震事件记录的野外宏观特征

受强震振动作用,上述源自红色河流与湖泊沉积层的泥砂质脉究竟发生了什么性质的变形?即这些泥砂质脉属振动液化变形,还是属于振动触变变形?为了解答上述问题,特对发生地震扰动变形的有代表性的泥砂质沉积层采集了岩石薄片样(取样位置见图2b,c),以研究原始沉积物的成分和性质。岩石薄片观测采用Axioskop40型偏光显微镜。在显微镜下采用视域网格法观测沉积岩的成分及其含量可知,砂粒含量较少的红色沉积岩(样号Sb-01,图3a)为泥质结构;通过计算3个不同视域的沉积颗粒含量,粒径≤0.005mm的泥质颗粒的含量为55%~60%;泥质由高岭土、蒙脱石和白云母等组成,多被褐铁矿(Fe3+)渲染为红色;砂粒含量为40%~45%,粒径0.05~0.4mm,多呈次棱角状至棱角状,个别砂粒呈圆形,主要由浅色斜长石、石英及经搬运—沉积的玻璃质熔岩岩屑组成,斜长石可见聚片双晶;称之为砂质泥岩,原始沉积物为砂质黏土。用相同的方法观测砂粒含量较多的红色沉积岩(样号Sb-02,图3b),呈砂粒结构,砂粒含量为75%~80%,粒径0.08~0.5mm,呈次棱角状至棱角状,矿物成分为斜长石、石英和暗色熔岩岩屑;含泥质20%~25%,泥质主要由高岭土、蒙脱石及微粒褐铁矿组成且已被铁(Fe3+)染;因此,定为泥质中-细粒砂岩,原始沉积物为泥质砂土。

2.2 室内薄片观测与分析

图 3 胶州史家屯段偏光显微镜下沉积岩薄片的照片 Fig. 3 Photos of thin slices of sedimentary rocks under the polarizing microscope in the Shijiatun Member,Jaozhou City. a Sb-01样,b Sb-02样;取样位置见图2;Pl 斜长石,Qz 石英,Cm 黏土矿物组合,Bat 玻璃质岩屑

本文中的地震事件记录指史家屯段中的震火山岩和与震火山岩共生的震积岩(地震产生的软泥砂质变形构造)。胶州市史家屯段分布区,风化强烈,基岩出露少;但在史家屯、小草泊及安家沟等地新近开挖的规模较大的集水坑及玄武岩采石场,将基岩地层揭露出来,这为研究史家屯段沉积作用、地震地质与地震作用,提供了清晰的基岩露头。这些集水坑和采石场中,面积最小者长20m,EW宽15m;面积最大者长约150m,宽45~50m;在其内可见到正常沉积层(图2a)及具地震成因变形构造的玄武岩(震火山岩)与震积岩层(图2b,c)。将正常沉积层(图2a)与发育地震记录(震火山岩及共生震积岩)的岩层对比可知,它们的岩层产状和岩层构造具有明显的差别: 正常沉积层(图2a)的岩层倾角与产状稳定,暗色玄武岩整合于红色砂质黏土层之上,岩层界线平直,无任何层内变形构造或地震事件记录;然而,由强地震破坏的玄武岩层与红色泥砂层的产状不仅不稳定,边界曲折,发育大量震裂隙,而且出现了泥砂沉积物穿插和包容破碎玄武岩块变形的现象(图2b,b′,c,c′),形成了震裂玄武岩与红色泥砂质脉(图2d)以及被红色泥砂沉积物包容的震碎玄武岩块(图2e)。上述变形构造或地震记录,在玄武岩采石场中可见8层,除泥砂质脉为地震引起的软沉积物的脉状变形构造(震积岩)外,震裂玄武岩和震碎玄武岩属震火山岩。

应用Design-Expert 8.0对表3中的实验数据进行多元回归分析,可以得出各因素与因变量之间的多元回归方程:

3 讨论

3.1 与其他类似地震事件层的异同

据中国地震烈度表(GB/T17742-2008),岩石震裂或出现震裂缝所记录的地震烈度为Ⅸ度;岩石被震碎相当于发生山崩,所反映的地震烈度至少为Ⅹ度。因此,推断史家屯段中的震裂与震碎玄武岩所反映的地震强度为IX至Ⅹ度以上;据震中烈度(Io)与里氏震级(MS)的关系式——MS=0.66Io+0.98(时伟,2007)保守计算,震裂玄武岩和震碎玄武岩所反映的震级分别为MS6.9和MS7.6。田洪水等(2015b)的试验研究证明: 引发饱和软黏土触变流动所需的最小地震强度为Ⅶ度地震烈度。因此,史家屯段中最初的饱和砂质黏土至少受强度Ⅶ度地震烈度的地震作用(按上式记算,MS=5.6),发生了振动触变及切稀流动,继而沿玄武岩的震裂隙侵入、形成了泥质脉状变形构造。因此,史家屯段中所有地震记录所反映的地震强度可能在MS5.6~7.6、Ⅶ至Ⅹ度以上地震烈度。当地震烈度达到Ⅹ度以上时,将产生山岩崩碎,其地震破坏力是相当大的(见GB/T17742-2008);因此,图2 中的那些地震成因的玄武岩角砾应在Ⅹ度以上地震烈度条件下,由强振动力破坏而成。作为旁证实例,在发育震火山岩的临朐群尧山组地震事件层中,此种震火山岩也十分发育,并记录了Ⅹ度烈度以上的强地震(Tian et al.,2015)。

3.2 地震发生机制和地震强度

由于史家屯段主要分布在胶莱盆地西南部的诸城凹陷北缘、百尺河断裂以南(图1),其中的玄武岩同位素年龄为72~76Ma(孟繁聪等,2006)。百尺河断裂不仅是控制诸城凹陷上白垩统王氏群沉积的断裂构造,也是史家屯段玄武岩岩浆上侵的主要通道;晚白垩世胶莱盆地及诸城凹陷受NEE-SWW向挤压与NW-SE向拉张,诸城凹陷发生NW-SE向扩张与裂陷(施炜等,2003;吴冲龙等,2009);晚白垩世诸城凹陷地幔隆升,玄武岩浆多次发生间歇式上升与喷发,形成了史家屯段多层玄武质火山岩;在这期间,曾发生多次火山地震或百尺河断裂活动引发多次强构造地震,从而形成了史家屯段多层地震成因岩层记录。

到目前为止,在沂沭断裂地震带及其近区共识别出3个发育震火山岩的地震事件层: 下白垩统青山群八亩地组地震事件层、新近系尧山组地震事件层及上白垩统史家屯段。下白垩统青山群八亩地组地震事件层分布在该断裂地震带内及其两侧中生代盆地,其内主要发育安山玄武质震裂岩、震碎火山角砾岩与震裂集块等震火山岩,因该地震事件层无沉积夹层,所以,其内见不到震积岩(田洪水等,2007);新近系尧山组地震事件层主要分布在沂沭断裂地震带内及其西侧的临朐-山旺盆地,主要由震裂玄武岩、震碎玄武岩等震火山岩、液化砂层及沿震裂隙侵入的液化砂脉组成(Tian et al.,2015)。史家屯段地震事件层中的地震记录与尧山组地震事件层十分相似,均以震裂、震碎玄武质震火山岩为主,所不同的是其内所含的震积岩(地震形成的软沉积物变形)不同,史家屯段地震事件层中发育红色泥质触变脉,而尧山组地震事件层中发育液化砂脉。另外,Montenat等(2007)发现并研究了意大利拉布里亚区更新世滨海相砂屑碳酸盐触变楔(Thixotropic wedge);沂沭断裂地震带附近早寒武世朱砂洞组和馒头组地震事件层中发育潟湖相软硅质和泥质的触变脉及触变楔(田洪水等,2011,2015b;张邦花等,2012;Tian et al.,2013);沂沭断裂地震带内安丘-夏庄盆地全新世黑土湖组地震事件层中,发育湖泊相软淤泥触变震陷和地震振动触变肿缩构造(Thixotropic pinch-and-swell structure);它们都是地震成因的典型的非液化软沉积物触变变形构造。

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3.3 主要地震记录的形成过程

史家屯段地震事件层中震裂玄武岩、震碎玄武岩及触变泥质(砂质黏土)脉是主要的地震事件记录,根据它们的实际产出状态与共生关系,运用力学原理和演绎推理方法,归纳、总结它们的形成过程如图4 所示: 1)地震前,饱和砂质黏土和玄武岩层在自重应力条件下保持平衡;2)受Ⅶ—Ⅸ度烈度的地震作用,玄武岩被震裂、形成震裂隙,同时水饱和砂质黏土或泥质砂土受振动发生触变、切稀,形成黏度较低的泥浆;3)受下部挤压应力σc和上部拉张应力σt作用,触变泥浆以底辟流动方式侵入到震裂隙中,形成了触变泥质脉;4)随地震强度的增大,地震烈度可能达到了Ⅹ度以上,地震应力相应增大(σtσttσcσccσzσzz),部分震裂玄武岩被震碎成角砾岩块,玄武岩的角砾岩块受重力和振动力共同作用,沉入软黏土中而被包裹;5)震后,随上覆沉积层的积累,自重应力不断增大,触变泥质脉受压变得更弯曲,震碎岩块间被压得更密实,直至固结成岩。

图 4 史家屯段震裂玄武岩、震碎玄武岩及触变泥质脉的形成过程 Fig. 4 Generation process of shattered basalt,basaltic seismic breccias and thixotropic mud veins in the Shijiatun Member. στ 地震张应力;σc 地震压应力;σz 地震竖向应力;Δt 张应力增量;ΔC 压应力增量;ΔZ 竖向应力增量

4 结语

野外地震地质调查、室内试验分析及对比研究表明,胶莱盆地胶州市史家屯段发育震裂玄武岩、震碎角砾岩等震火山岩,震火山岩与泥砂质沉积物的触变脉和界线曲折的触变泥砂质层共生。它们是发生在晚白垩世胶莱盆地诸城凹陷的强地震事件记录,由其记录的地震烈度约Ⅶ—Ⅹ度。因这些地震成因岩石分布在百尺河断裂以南且百尺河断裂为当时玄武岩的上升通道,晚白垩世诸城凹陷地幔隆升并发生扩张与裂陷,玄武岩浆多次沿百尺河断裂发生上侵和喷发,同时发生多次火山地震或百尺河断裂活动引发强构造地震,这些强地震使火山岩发生同震破坏,同时使饱和泥砂质沉积层发生触变变形。因此,史家屯段中由这些地震记录所反映的地震事件,应是晚白垩世诸城凹陷发生裂陷与百尺河断裂发生强构造活动的响应。胶州市史家屯段中由强地震产生的具地震成因变形构造的岩土层,也为分析类似岩土地基的地震力破坏效应提供了实际资料。

致谢 岩石薄片鉴定与矿物成分定量分析由山东省第一地质矿产勘查院黄华红高级工程师完成;审稿专家提出的宝贵修改意见对本文质量的提高帮助很大,谨此致谢!

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田洪水,王华林,祝介旺,张慎河
《地震地质》 2018年第02期
《地震地质》2018年第02期文献

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