中国震积岩研究始于宋天锐(1988)对北京十三陵地区前寒武系地震— 海啸序列的研究, 截至2010年, 国内发表的与地震事件沉积有关的论文共115篇, 其中综述文章16篇, 模拟实验论文2篇, 陆相震积岩论文49篇, 海相震积岩论文48篇。1988— 1998年每年发表震积岩论文0~3篇, 1999— 2005年每年发 表3~5篇, 2006— 2010年每年发表10篇以上(表 1)。

表1

Table1

表1(Table1)

表1 中国震积岩研究论文统计 Table1 Statistics of papers about seismites studies in China 发表时间 论文/篇 发表时间 论文/篇 发表时间 论文/篇 2010 14 2002 4 1994 3 2009 11 2001 5 1993 2 2008 11 2000 3 1992 1 2007 15 1999 4 1991 1 2006 18 1998 1 1990 0 2005 6 1997 2 1989 1 2004 5 1996 1 1988 1 2003 4 1995 2 合计 115

表1 中国震积岩研究论文统计 Table1 Statistics of papers about seismites studies in China

上世纪90年代早期的主要文献包括梁定益等(1991, 1994)、吴贤涛和尹国勋(1992)、乔秀夫等(1994, 1997)、孙晓猛等(1995)、乔秀夫和高林志(1999)等对四川三叠系、西南三江地区古生界、华北元古界— 古生界震积岩的研究。1999年以后, 震积岩研究论文逐渐增多, 不仅从海相震积岩延伸到陆相震积岩, 而且许多学者对地震活动伴生的软沉积物变形进行了广泛研究, 探讨了震积岩形成的构造背景及构造意义。可以看出, 地震事件沉积已经逐渐成为中国事件沉积研究的热点, 大部分论文刊登在《地质学报》、《地质论评》、《沉积学报》、《古地理学报》及《中国科学-D》等重要刊物中。在中国震积岩研究中, 乔秀夫和宋天锐领导的中国地质科学研究院团队起了重要的引导作用, 尤其是近年来, 研究视野逐渐从华北前寒武纪— 古生代古地震扩展到西部近、现代地震相关的事件沉积研究, 发现了一些新的地震事件沉积类型, 并对地震事件沉积进行了总结(乔秀夫等, 2002; 乔秀夫和李海兵, 2009)。杨剑萍、袁静等所在的中国石油大学(华东)团队及夏青松、田景春等所在的成都理工大学团队主要侧重于含油气盆地古地震研究。杜远生、梁定益、张传恒等所在的中国地质大学团队主要侧重于造山带古地震事件沉积的研究。还有其他诸多学者对与大型走滑断裂(如郯庐(沂沭)断裂)有关的震积岩从不同方面进行了研究(田洪水和张增奇, 2006; 田洪水等, 2007)。所有这些研究既丰富了地震事件沉积的资料, 也提升了中国地震事件沉积的研究水平。

软沉积物变形是指沉积物沉积之后、固结之前由于差异压实、液化、滑移和滑塌等形成的变形构造。这些变形往往伴随地壳颤动的触发因素, 因此常和地震、海啸、火山活动、重力滑坡、滑塌以及水合物天然气泄漏(如泥火山)等作用相关。

与震积岩早期研究不同, 上世纪90年代后期以来, 《Sedimentary Geology》出版的3个有关地震事件沉积专辑和美国地质学会出版的“ 古代震积岩” 专集都以软沉积物变形为主(Shiki et al., 2000; Ettensohn et al., 2002; Storti and Vannucchi, 2007; Owen et al., 2011)。国内学者也逐渐关注于地震引起的软沉积物变形研究, 并对地震引起的软沉积物变形进行了系统分类(乔秀夫和李海兵, 2009)。总体来说, 软沉积物变形通常是由于强烈的外力触发引起的, 这些外力包括同沉积期的外力触发的软沉积物变形, 也包括沉积期后沉积物液化过程中形成的各种软沉积物变形(表 2)。

表2

Table2

表2(Table2)

表2 软沉积物变形构造分类及典型沉积物 Table2 Classification of soft-sediment deformation structures and typical sediments 事件沉积类型 成因类型 软沉积物变形构造 同生地震事件沉积 伸展、挤压、剪切变形 地裂缝(沉积岩墙)、震碎角砾岩(自碎屑角砾岩、内碎屑副角砾岩)、同沉积断裂(沉积岩脉)、微褶皱 准同生地震事件沉积 伸展、挤压、剪切变形 准同生断裂(沉积岩脉) 振动变形 负荷构造、火焰构造、枕状构造、球状构造、柱状构造、枕状层、震碎角砾岩 液化变形 液化脉、泄水沟造(泄水管状构造、碟状构造)、液化角砾岩、液化卷曲变形层理、沙火山、底辟构造、环状变形层理、混插构造 后生地震事件沉积 伸展、挤压、剪切变形 后生地震事件沉积包括地震断裂(沉积岩墙)、震裂角砾岩 地震引发的海啸沉积 津浪丘状层理、越岸席状砂层 地震引发的重力流沉积 重力变形 岩崩、滑坡、滑塌、泥石流、震浊流沉积 水合物天然气泄漏 泥火山、不协调褶曲、气泡构造等 水力破裂 水力破裂角砾岩

表2 软沉积物变形构造分类及典型沉积物 Table2 Classification of soft-sediment deformation structures and typical sediments

因此, 不是所有的软沉积物变形都和地震相关, 或者难以证明与地震相关。与地震有关的软沉积物变形应与地震形成的唯一性构造共生。地震形成的唯一性构造包括地震过程中形成的地裂缝(地震岩墙或岩脉)、表层沉积物微褶皱、同沉积断裂等。因此地震、与火山伴生的地震以及地震引起的海啸、重力滑坡、滑塌以及准同生期形成的软沉积物变形应与上述地震形成的“ 唯一性” 构造相伴生, 否则就很难确定与地震有关。Du等(2005)、杜远生等(2007)认为南悉尼盆地二叠系发育一套大型的滑塌构造, 有典型的地裂缝、沙火山、液化脉等震积岩构造与其伴生, 因此确定是地震引起的滑塌构造。

与地震有关的软沉积物变形是软沉积物变形的主体, 国内大部分学者论述的震积岩或地震事件沉积都具有特征的软沉积物变形构造, 包括由火山引起的持续地震引发的软沉积物变形(杜远生等, 2005)。除地震引起的软沉积物变形之外, 非地震引起的软沉积物变形并不少见(表 2), 但常常被忽视。周琦等(2007)报道了由古天然气泄漏引起的软沉积物变形, 类似的变形在现代海底天然气水合物系统中十分常见(如泥火山)。地下高压水力破裂也常形成水力破裂角砾岩, 其与地震形成的各类角砾岩不同, 即这种角砾岩除了具有特殊的破裂构造外, 角砾之间多被胶结物充填。

在地震引起的软沉积物变形中, 需要注意区分:(1)地震同生断裂和准同生期液化沙体沿地震裂缝侵入的液化岩脉和后期断裂充填岩脉; (2)地震形成的微褶皱、液化卷曲变形层理和后期褶皱; (3)地震震动变形和液化变形构造; (4)枕状构造和枕状层。常见的地震同生断裂为地裂缝、同沉积断裂, 前者一般有特征的楔状形态, 后者限制在同一沉积层内, 多呈阶梯状形态, 两者都充填沉积物形成沉积岩墙或岩脉。后期断裂是穿层的, 充填硅质或钙质胶结物形成石英岩脉或方解石脉。地震形成的微褶皱一般形态不协调, 液化卷曲变形层理形态极不协调, 且与其他液化变形构造共生, 二者都不穿层, 后期褶皱协调且穿层。地震震动变形是在沉积物沉积之后、固结之前的地震颤动过程中形成的, 多出现在沙、泥质互层或夹层的沉积物中, 形成砂质沉积的下陷和泥质沉积的向上挤入。沉积物液化主要发生于上、下泥质层(泥质岩或灰泥岩)所夹的砂层(砂岩、粉砂岩或砂屑灰岩)中, 由于高压作用, 泥质层脱水水体进入砂层, 加上砂层本身含水, 促使砂层的砂粒悬浮于粒间水之中。当地震发生颤动或出现裂缝, 这些液化(“ 沸腾” )的沙体就会失衡, 或沿裂缝挤入形成液化岩脉或泄水构造, 或冒出沉积物表面形成沙火山, 或内部变形形成液化卷曲变形层理; 因此液化主要发生在碎屑沉积中, 而泥质层、硅质层很难发生液化。地震震动变形和沉积物液化变形机理不同, 应该予以区分。枕状构造和枕状层形态相似, 都是地震颤动引起沉积物下陷形成的, 枕状构造形成于沙、泥互层的沉积物中, 沙体下陷到泥质层中; 而枕状层形成于砂质层中, 沙体下陷在沙层内部。

地震作用既可以对未脱离沉积作用的沉积物进行改造, 也可以对已形成的未固结沉积物进行改造, 甚至可以对已经固结的岩层进行改造。前者称为同生地震事件沉积, 后两者分别称为准同生地震事件沉积和后生地震事件沉积。同生地震事件沉积包括地裂缝(沉积岩墙或沉积岩脉)、表层沉积物微褶皱、同沉积断层、地震角砾岩等。准同生地震事件沉积包括大量的准同生变形构造, 如负荷构造、火焰构造、枕状构造、球状构造、枕状层、卷曲变形层理、泥火山和沙火山、液化脉、液化角砾岩、环状变形层理、混插构造等。后生地震事件沉积包括地震断裂、震裂角砾岩(如汶川地震形成的断裂活动)。严格地讲, 只有同生的地震事件沉积才能指示沉积盆地的活动构造背景和同期的地震活动, 准同生的地震事件沉积指示已经被填充的沉积盆地处于活动的构造背景下, 地震活动形成于沉积期后。后生的地震事件指示沉积物固结以后, 在构造变形期甚至在构造抬升期的构造活动和地震作用。

分析中国地震事件沉积或震积岩的研究, 可以看出, 大部分海相沉积的震积岩是同生地震事件沉积, 大部分含油气盆地的陆相沉积中发现的震积岩是准同生地震事件沉积。前者代表地震作用发生于沉积期, 即代表沉积盆地处于活动的构造背景下。后者代表沉积盆地形成以后, 研究区仍然处于活动的构造背景下, 地震活动引起已经沉积、埋藏的未固结的沉积物在地震作用下发生准同生变形, 即代表已被充填了的沉积盆地处于活动的构造背景下, 典型的渤海湾盆地、松辽盆地、东海盆地、柴达木盆地等钻井获得的岩心中发现的大量与地震有关的软沉积物变形多属于此类。

现代地震主要分布于现代和古代的发育成熟和正在发育的岩石圈块体结合带以及与之相关的动力学调整带, 包括大洋中脊裂谷带(大洋岩石圈板块结合带)、活动大陆边缘俯冲带(如环太平洋板块俯冲带, 大陆板块和大洋板块结合带)、大陆内部板块缝合带(如阿尔卑斯— 喜马拉雅— 印尼缝合带, 古代岩石圈板块结合带)、陆内裂谷带(如东非裂谷、贝加尔湖)、陆间裂谷带(如红海— 亚丁湾裂谷带)、与岩石圈结合带相关的动力学调整带(如与西太平洋板块挤压俯冲相关的弧后盆地— — 东亚伸展构造带, 青藏高原周缘大陆岩石圈调整带— — 汶川、玉树地震带等)。

从盆地动力学机制讲, 地震主要发育于两类背景下:一是挤压— 走滑背景下的岩石圈板块俯冲带、碰撞带、调整带(如环太平洋俯冲带、阿尔卑斯— 喜马拉雅— 印尼缝合带、青藏高原周缘地震带); 二是伸张— 拉分背景下的岩石圈板块结合带(大洋中脊裂谷、陆内裂谷、陆间裂谷)。因此地震主要发育于裂谷盆地、活动大陆边缘盆地、走滑盆地、拉分盆地、缝合线盆地、前陆盆地以及与上述盆地动力学相关的毗邻地区。

中国前第四纪的地震事件沉积主要发育于不同地质时期与上述构造背景类似的地区, 主要包括两大类:一是造山带(如昆仑— 祁连— 秦岭— 大别— 苏鲁造山带, 三江造山带, 天山— 阴山造山带, 南华造山带等)及其前陆地区(柴达木地区、扬子北缘、准噶尔盆地等), 多见于早期裂谷阶段、后期活动大陆边缘阶段、晚期碰撞— 造山阶段的造山带内部和前陆地区; 二是陆内裂谷或动力学调整区(带), 如震旦纪— 早古生代的华北地区(乔秀夫等, 1997; 乔秀夫和高林志, 1999), 古近纪— 新近纪的渤海湾盆地、松辽盆地等。

从沉积学意义上讲, 沉积序列是沉积单元(岩相)的规律组合, 它反映环境相的沉积环境规律变化或事件相的沉积作用过程。震积作用作为一种特殊的事件沉积, 其沉积序列反映了地震及其引发的海啸、重力流的沉积作用过程。当地震发生时, 首先引起的是对先成沉积物的原地改造, 此时形成各种震积岩。如果地震触发海啸, 则形成海啸岩。当地震触发重力流, 则形成震浊积岩。地震过后, 盆地恢复平静, 接受正常的背景沉积(即地震变形的原始沉积)。因此地震— 海啸— 重力流、地震— 海啸、地震— 重力流沉积作用过程的事件序列均有可能出现。当然在远离震中的地区, 也可以单独出现海啸或地震触发的重力流序列。从国内外文献分析看出, 上述几种序列很难在地层中保留, 而仅仅是地震作用过程的沉积序列似乎不具有普遍性, 即不像浊流事件沉积的鲍马序列、风暴事件沉积的3段式序列那样具有普遍性。受早期国际震积岩研究的影响, 2000年以前国内学者比较关注震积岩序列研究, 但发表的震积岩序列(宋天锐, 1988; 吴贤涛和尹国勋, 1992; 乔秀夫等, 1994; 孙晓猛等, 1995; 杜远生和韩欣, 2000)几乎都没有可对比性, 原因可能是不同沉积基底的地震过程对沉积物的改造不同, 加上很多研究对象是准同生期的地震事件沉积, 地震对进入埋藏阶段的未固结沉积物的改造更加复杂。因此, 2000年以后, 国内震积岩研究中震积岩序列不再是主要问题, 取而代之的是软沉积物变形研究。

纵观中国震积岩研究20多年来的历史, 在一些老地质学家的带动下, 震积岩研究已经取得大量的研究成果。国内震积岩研究主要包括:(1)祁连造山带、秦岭造山带、三江造山带、右江造山带、藏南雅鲁藏布造山带等及其同造山盆地震积岩研究; (2)松辽盆地、渤海湾盆地、柴达木盆地、准噶尔盆地、鄂尔多斯盆地、四川盆地等伸展型或挤压型含油气盆地震积岩研究; (3)华北元古代裂陷盆地及郯庐(沂沭)断裂带动力学调整带的震积岩研究。这些成果不仅对丰富地震事件沉积的类型和识别标志, 而且对沉积盆地及活动构造的构造活动判别均具有重要的理论意义。同时由于地震事件沉积多发育于含油气盆地的砂岩储集层中, 地震破裂对油气运移、储集也具有积极作用, 因此震积岩研究还具有重要的应用价值。当然, 对个别现象(如臼齿构造)也存在其是否为地震成因的不同认识和争论。

与国际震积岩研究对比来看, 上世纪90年代以前, 国内震积岩研究基本是跟踪国际研究。21世纪以来, 国内震积岩研究基本与国际同步, 而且出现很多地震引发的软沉积物变形的新认识。但需要指出的是, 国内震积岩研究与国际震积岩研究基本是脱离的, 缺乏国际合作和交流, 体现在国内学者很少与国际震积岩学者进行合作研究, 也很少在国际刊物上发表文章和在国际会议上进行交流, 国内提出的一些概念很少引起国际学者的关注, 这是值得以后改进的地方。

地震软沉积物变形的模拟是值得进一步深入研究的一个方面, 鄢继华等(2007, 2009)通过模拟试验再现了几种常见的地震引起的软沉积物变形。期待构造模拟的学者更多地加盟地震事件沉积研究, 取得更多的研究成果。

地震事件的定年、地震幕次的识别是地震事件沉积研究中值得关注的又一个问题。对于同生地震事件沉积, 其背景沉积的时间和地震的时间是一致的, 可以通过背景沉积的生物地层、年代地层、磁性地层等研究完成定年。但对于地震引起的准同生变形及后生变形来说, 地震定年和幕次识别就存在很多困难, 目前尚需要确定地震作用形成的新的且可以测年的矿物。