田洪水, 张邦花, 祝介旺, 张增奇, 李洪奎. (2011)早寒武世初期沂沭断裂带地震效应* [J]. 古地理学报, 13(6): 645-656
Tian Hongshui, Zhang Banghua, Zhu Jiewang, Zhang Zengqi, Li Hongkui. (2011)Seismic effects from Yishu Fault Zone during the earlier Early Cambrian[J]. Journal Of Palaeogeography, 13(6): 645-656. DOI:  
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早寒武世初期沂沭断裂带地震效应*
田洪水1, 张邦花1, 祝介旺1, 张增奇2, 李洪奎2
1 山东建筑大学土木工程学院,山东济南 250014
2 山东地质科学实验研究院,山东济南 250013

第一作者简介 田洪水,男,1956年生,副教授,从事地质学与地震事件研究。E-mail:Tianhongshui@yahoo.com.cn。

收稿日期:2011-08-30
基金:*山东省地学论坛攻关科研项目(编号:LDXHLT-2008-10-001)资助
摘要

早寒武世初期,随着从古沂沭海峡向西海侵的发展,鲁西地区沉积了厚度不等的主要由砂岩、泥岩和碳酸盐岩组成的滨海、潟湖及浅海相沉积,其层位属下寒武统底部的李官组和朱砂洞组。在它们沉积过程中,沂沭断裂带正发生着伴有频繁海底地震的构造裂陷活动,使海底沉积物在自沂沭断裂带向西 200 km范围内产生了不同的地震效应,形成了各种地震成因的同沉积变形构造。发育在朱砂洞组中的地震效应记录除有少量半固结沉积物的脆性变形外,主要是液化底劈、碳酸盐灰泥火山、液化脉、液化角砾岩、震褶曲、粒序断层和硅质脉等软沉积物变形;李官组中既有含滑塌褶曲、负载构造、球—枕构造等震滑塌堆积,也有震浊积岩。由海底地震效应记录所反映的震级为 5~8.9级。这些证据表明沂沭断裂带在早寒武世初期发生了强构造活动。从海底工程地质的角度来分析,上述地震效应是地震对海底沉积层的破坏形式,这为认识海底工程地基岩土层的地震破坏提供了直观的资料。

关键词: 同沉积变形; 地震效应; 海底地震; 沂沭断裂带; 早寒武世
中图分类号:P588.2 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2011)06-0645-12
Seismic effects from Yishu Fault Zone during the earlier Early Cambrian
Tian Hongshui1, Zhang Banghua1, Zhu Jiewang1, Zhang Zengqi2, Li Hongkui
1 School of Civil Engineering,Shandong Jianzhu University,Jinan 250014,Shandong
2 Shandong Institute and Laboratory of Geological Sciences,Jinan 250013,Shandong

About the first author Tian Hongshui,born in 1956,is an associate professor and is engaged in geology and seismic events.E-mail:Tianhongshui@yahoo.com.cn.

Abstract

In the earlier Early Cambrian,with the proceeding of the marine invasion from the Paleo-Yishu Strait to west,uneven thick deposits of sandstone,mudstone and carbonate rock of littoral,lagoon and neritic facies were deposited in western Shandong Province.The horizon of these layers belongs to the bottom part of Lower Cambrian consisting of the Liguan and Zhushadong Formations.Together with the depositional and formation processes,tectonic rift-depression was taking place in the Yishu Fault Zone,characterized by frequent submarine earthquakes with different seismic effects within 200 km range from the Yishu Fault Zone to west.Various seismogenetic syndepositional deformation structures are formed in the seismic records.Seismic effect records developed in the Zhushadong Formation are mainly soft-sediment deformations such as diapir structure,carbonate lime-mud volcano,liquefied vein,liquefied breccia,seismic fold,graded-fault,siliceous vein etc.,besides a few brittle deformation of semi-consolidated sediments.Those preserved in the Liguan Formation are not only slump fold,load structure and ball-and-pillow structure,but also some seismo-turbidite.Magnitude reflected by submarine seismic effects might be Richater magnitude of 5.0~8.9.These evidences indicate that strong tectonic activities occurred along the Yishu Fault Zone in the Early Cambrian.Analyses from the viewpoint of marine engineering geology show that seismic effects mentioned above are destructive forms of sediment layers caused by earthquake at the sea-bottom.This paper has provided intuitive materials for understanding earthquake destruction to rock-soil layers of seafloor-engineering foundation.

Key words: syndepositional deformation; seismic effect; submarine earthquake; Yishu Fault Zone; Early Cambrian

地震作用对地表的各种破坏现象及震害, 称为地震效应, 如喷沙冒水、沙火山、震断裂与地裂缝、地表扭曲、震陷、震沉以及诱发崩塌— 滑坡— 泥石流等(时伟, 2007)。震中位于海底的地震是海底地震, 同样会造成海底沉积物和海岸与海底地形的破坏及变化, 因此海底地震效应除有与内陆地震效应相同、相似的类型外, 另有海啸津浪层及海底震浊积层等特有的类型。Heezen和Ewing(1952)最早研究了现代海底地震产生的地震效应。Seilacher(1969)通过研究地史时期和现代地震活动都极频繁的美国加州地区的地震效应, 提出了震积岩的概念。震积岩是地震作用于松软的沉积物形成的具地震成因层内变形构造的岩层或土层, 即地震效应的产物。郯庐断裂带是中国东部长期活动的的深大断裂与地震带, 沂沭断裂带属郯庐断裂带中段, 是宽度最大、发生构造与地震活动最强烈的区段, 在其内部和附近形成了不同时代的震积岩。近年来, 笔者通过野外调查及对比研究, 从沂沭断裂带内及附近地区的下寒武统李官组和朱砂洞组中, 鉴别出了一些具有海底地震效应的沉积层— — 震积岩、震浊积岩及震滑塌堆积, 并选择鲁西地区沂水东西沟、临沂刘山、莱芜九龙山、济南红叶谷及馒头山等剖面(图 1)进行了研究。

1 地质背景

沂沭断裂带长330 km、宽20~80 km, 纵贯山东省中东部, 为“ 两堑一垒” 式深大断裂组合。研究区处在该断裂带及其西部地区(图 1), 属华北地层区鲁西地层分区(简称鲁西地区), 古生界发育, 下寒武统露头分布广泛, 但在该断裂带以东的鲁东地区古生界缺失。

最新的区域地质调查成果(宋明春和王沛成, 2003)表明:新元古代晋宁构造期, 沂沭断裂带张裂形成沂沭海峡, 标志着古沂沭断裂带形成。随后局限于沂沭海峡附近, 在基底之上沉积了总厚度达578 m的土门群海相泥— 砂质碎屑物与碳酸盐岩。土门群中下部二青山组— 浮来山组12个海绿石和伊利石矿物的同位素年龄平均值为671 Ma(宋明春和王沛成, 2003), 与国际地层年代表(Gradstein et al., 2004)对比, 表明沂沭断裂带形成于新元古代Cryogenian纪, 距今约700 Ma, 这与乔秀夫等(2001)、乔秀夫和张安棣(2002)阐释的古郯庐断裂带形成时期基本一致。震旦纪沂沭断裂带的强海底地震事件, 在土门群石旺庄组中留下了大量以微亮晶方解石液化脉为主的地震效应记录(乔秀夫等, 1994, 2001)。震旦纪末, 古沂沭海峡一度上升为陆, 但在之后的早寒武世再度沉陷, 古沂沭海峡再现, 并向鲁西地区发生海侵, 在沂沭断裂带和鲁西地区沉积了厚度不等的、主要由砂岩、泥岩和碳酸盐岩组成的滨海、潟湖、潮坪及浅海相沉积。

图1 沂沭断裂带及鲁西地区下寒武统分布及剖面位置（A— 地层分区; B— 下寒武统分布及剖面位置）Fig.1 Distribution of the Lower Cambrian and locations of section in Yishu Fault Zone and western Shandong Province

沂沭断裂带及鲁西地区下寒武统自下而上分为李官组、朱砂洞组及馒头组石店段, 各组、段间呈整合接触(张增奇和刘明渭, 1996; 宋明春和王沛成, 2003), 其与华北其他地区岩石地层的对比及下寒武统各研究剖面的地层厚度与变化见表1。李官组主要由滨海— 浅海相砂岩、粉砂岩、砂质页岩夹泥云岩组成, 底部为砂质砾岩, 属沧浪铺阶。朱砂洞组的沉积相和厚度自东向西有明显变化:沂沭断裂带附近由浅海相灰岩、页岩和藻纹层灰岩组成, 底部主要由碳酸盐岩组成, 属沧浪铺阶; 中、上部由页岩和纹层碳酸盐岩组成, 属龙王庙阶; 蒙阴— 沂源一线以西, 仅发育白云岩段, 由潮坪— 潟湖相纹层白云岩、燧石灰质白云岩夹泥云岩组成且含硅藻叠层石, 属龙王庙阶。馒头组石店段由潮坪相纹层状泥云岩夹灰岩及页岩组成, 属下寒武统龙王庙阶的上部, 上覆中寒武统毛庄阶— 徐庄阶馒头组页岩与砂岩。

表1 沂沭断裂带及鲁西地区下寒武统划分与对比 Table1 Division and correlation of the Lower Cambrian in Yishu Fault Zone and western Shandong Province
2 地震引起的同沉积变形构造— — 地震效应记录

地震引起的同沉积变形构造是活动断裂带产生强震时, 地震振动使震中附近沉积盆地中的沉积物发生各种各样的变形, 多属层内变形构造, 也是地震效应的记录及识别震积岩的主要依据(乔秀夫等, 1994, 2001; 孙晓猛等, 1995; 杜远生和韩欣, 2000; 陈世悦等, 2003; 吕洪波等, 2003; 田洪水等, 2003, 2005, 2006, 2007; 袁静, 2004; 殷秀兰和杨天南, 2005; 张传恒等, 2006; 杜远生等, 2007; 乔秀夫和高林志, 2007; 乔秀夫和李海兵, 2008, 2009; 何碧竹等, 2010), 但也有发生明显位移而产生的各种异地堆积, 如震滑塌、震浊积岩及津浪丘状层等。研究区内朱砂洞组和李官组的岩性和厚度变化、海底地震效应记录及其组合与分布见图2。

图2 沂沭断裂带及其西侧地区下寒武统李官组— 朱砂洞组中地震效应记录(剖面位置见图1)（(1)— 液化底劈构造; (2)— 灰泥火山; (3)— 液化脉; (4)— 硅质脉; (5)— 震褶层; (6)— 叠层石错断; (7)— 同沉积断层; (8)— 粒序微断裂; (9)— 震裂缝; (10)— 震碎角砾岩; (11)— 不协调岩块; (12)— 震滑塌堆积; (13)— 震浊积岩; (14)— 震积事件; Anz— 前震旦系; Z— 震旦系; ∈ 1l— 李官组; ∈ 1z— 朱砂洞组）Fig.2 Seismic effect records of the Lower Cambrian Liguan and Zhushadong Formations in Yishu Fault Zone and its western vicinity(see Fig.1 for profile section locations)

2.1 朱砂洞组中的地震效应记录

朱砂洞组中的地震效应记录以液化底劈构造、碳酸盐灰泥火山、液化脉、液化角砾岩、卷曲变形(震褶曲)、同沉积断层、硅质脉等原地型软沉积物变形构造为主, 也可见到脆性变形构造。

2.1.1 液化底劈构造

临沂地区刘山一带的朱砂洞组顶部发育地震振动液化微晶灰岩(灰泥沉积物)底劈构造, 其剖面形态呈锥形、舌形, 纵向延伸30~50 cm。代表性的液化底劈侵入体底部与含泥质的灰岩源层相连, 与围岩界限清晰, 下宽上窄, 下部宽度10~25 cm, 上部宽度5~10 cm, 纵向长度54 cm(图 3-A, 3-B); 下部具有向上收敛的树根状线纹, 这是向上涌侵时产生的流动纹; 在液化物向上涌侵时, 其穿过了岩屑砂层, 不仅使附近岩层向上拖曳弯曲, 也造成上覆厚度约15 cm的薄层灰岩与泥灰岩发生穹形拱曲, 而被拱曲岩层的上界面即为古地面。根据液化侵入体中的上涌流纹、上覆岩层穹形拱曲及被穿切围岩的变性特征, 确定此类底劈构造是强震液化灰岩(灰泥沉积物)在振动、挤压作用下向上涌侵, 发生向上底劈侵入后形成的。

图3 山东临沂刘山剖面下寒武统朱砂洞组中的液化底劈构造（A— 液化底劈构造; B— 照片解释:(1)— 液化灰岩(灰泥沉积物)舌形侵入体; (2)— 被岩墙侵入穿切的岩屑砂岩层; (3)— 被拱曲的薄层灰岩夹泥灰岩; (4)— 未变形岩层; 标尺笔长16 cm）Fig.3 Liquefied diapir structures in the Lower Cambrian Zhushadong Formation at Liushan section in Linyi, Shandong Province

图4 山东临沂刘山剖面下寒武统朱砂洞组中的碳酸盐灰泥火山（A— 碳酸盐灰泥火山照片; B— 照片解释:(1)— 液化CaCO3灰泥; (2)— 未喷出地表的液化脉; (3)— 半固结纹层泥灰岩夹泥岩, 照片中箭头指半固结状态的古地面; (4)— 灰泥火山; (5)— 古地面之上的沉积物。标尺笔长11 cm）Fig.4 Carbonate limemud volcanos in the Lower Cambrian Zhushadong Formation at Liushan section in Linyi, Shandong Province

图5 下寒武统朱砂洞组中的液化脉、液化角砾岩、卷曲变形及同沉积粒序断层Fig.5 Liquefied vein, liquefied breccia, convolute deformation, syndepositional graded-fault in the Lower Cambrian Zhushadong Formation

A— 液化脉(方解石)穿入纹层泥灰岩中; B— 箭头指向液化脉(白云石), 刺入微褶纹层泥云岩中; C— 液化角砾岩, 褐色钙质泥岩角砾间充填着浅色白云质液化脉; D— 卷曲变形, 翻卷褶曲与近直立褶曲相伴, 箭头指向粒序微断层; E— 8层沉积物中, ④~⑧层中有粒序微断层(箭头处), ①、②为卷曲变形(震褶曲)层, 由纹层紊乱且与层面斜交的泥云岩组成, ③层与②层呈震积不整合接触且含浅色棱角状孤石; F— 源于硅质结核的硅质脉刺入的卷曲变形; G— 尺度较大的同沉积断层, 断面充填物与下伏软沉积物(黄色泥云岩)一致。地点:A、B、F— 沂水东西沟; C— 临沂刘山; D— 沂水东西沟附近的骡马山; E— 济南馒头山。标尺物长度:蓝铅笔刀长7.5 cm; 绿铅笔刀长9 cm; 钢笔长14.5 cm

2.1.2 碳酸盐灰泥火山

根据中国地震烈度表, 强地震基本烈度Ⅵ 度区即可出现饱和砂土液化而产生喷沙冒水、沙火山现象, 这在国内外文献中均有报道(Purser et al., 1993; 杜远生等, 2007; Montenat et al., 2007; 乔秀夫和李海兵, 2009)。图4-A和 图4-B是临沂地区刘山一带朱砂洞组中的液化灰泥变形构造, 其由微晶灰岩(沉积物为灰泥)组成, 与围岩界线清晰, 下部与液化灰岩相连, 伴有未涌出古地面的液化脉。灰泥火山通道内部的纵向线纹是液化碳酸钙灰泥的流线, 该流线与Puser等(1993)报道的红海裂谷地震沙火山纵剖面中的流线非常相似。灰泥火山的形成经历了如下过程:强地震振动使半固结态的纹层泥灰岩夹泥岩之下的饱和灰泥液化, 几乎同时半固结态的纹层泥灰岩夹泥岩发生破裂, 液化灰泥沿裂隙喷出, 之后的振动— 喷涌使裂隙扩大, 地震结束后, 涌口处的灰泥在重力作用下略有沉落, 形成了与流线相交的线纹。

2.1.3 液化脉、液化角砾岩、卷曲变形(震褶曲)、粒序微断层及同沉积断层

液化脉和液化角砾岩主要见于沂沭断裂带内及其附近地区(图 2)。液化脉由微晶方解石、白云石组成, 剖面上脉宽5~8 mm, 长5~15 cm, 与围岩界限清楚。液化脉刺入纹层碳酸盐岩中, 刺入处纹层理发生弯曲, 表明当时的围岩呈软塑状态(图 5-A, 5-B)。该液化脉是饱和水的碳酸盐灰泥沉积物受地震液化, 沿围岩裂隙侵入、泄水形成, 又称液化泄水脉。液化角砾岩是呈互层或夹层的液化与非液化软沉积物受强震作用、非液化层在振动和液化层超孔隙水压力作用下发生破裂形成破碎角砾、液化物沿角砾间侵入而形成的角砾岩, 也可由含有液化脉的软沉积物转化而成(乔秀夫和李海兵, 2009)。因此, 其角砾岩间常发育液化脉, 但一般液化角砾岩所记录的地震强度较液化脉高。图5-C所示的液化角砾岩中, 其棱角状角砾间充填着液化物或液化脉, 符合液化角砾岩的特征。

卷曲变形是地震振动作用于软沉积物、尤其是纹层沉积物而形成的层内褶曲, 又称为震褶岩或微褶皱纹理。研究区各剖面中都发育此类变形构造(图 2), 其厚度10~50 cm, 长度10~100 cm, 褶曲轴面无一定方向, 与上下岩层面斜交、直交或平行, 但不造成上下岩层产状发生变化; 可被液化脉及硅质脉穿刺(图 5-B, 5-D, 5-E), 也可与粒序微断层等伴生(图 5-D, 5-E)。

粒序微断层规模较小, 一般长3~15 cm, 断距0.5~5 mm, 剖面上常呈阶梯状组合(图 2; 图5-D, 5-E), 是古地震刚结束后受地震破坏影响的沉积物发生调整产生的层内错断, 且是分布最广的同沉积变形构造。粒序微断层是地质学家最早用来确定震积岩的依据之一(Seilacher, 1969)。在东西沟— 九龙山一带朱砂洞组下部发育尺度较大的同沉积断层, 其产状较陡且横向延伸短, 垂直断距为15~40 cm(图 2; 图5-G), 多属张性正断层, 断面充填物与下伏软沉积物一致。

2.1.4 与硅质岩有关的软沉积物变形构造

鲁西地区寒武系底部朱砂洞组发育有燧石结核或条带灰质白云岩, 含半球状硅质叠层石或丘状硅藻叠层石(宋明春和王沛成, 2003), 其中的燧石结核和硅质叠层石属硅质岩。硅质岩的成因具多解性, 如同生期生物堆积、化学沉淀、成岩期硅质交代成因等(刘宝珺, 1980), 但鲁西地区朱砂洞组中的燧石结核应是同生期生物化学成因, 主要依据是:(1)燧石结核虽大小悬殊, 但顺层分布, 有的横向彼此相连, 分布稳定, 形成延伸较远的条带; (2)围岩的纹层环绕燧石; (3)燧石中含较多的藻丝体(狄明信等, 1996)。这表明朱砂洞组中的燧石结核或条带最初是软沉积物, 这是地震成因硅质软沉积物变形构造形成的必要前提条件。刘宝珺(1980)指出:在深钻井中可见到十分柔软的燧石, 其最初的成分是含水硅胶体(SiO2· nH2O), 软燧石经脱水形成玉髓和石英, 完全脱水成岩至少需要十万年以上的时间。

由于地震作用, 朱砂洞组中原有的软燧石形成塑性弯曲的硅质脉(图 5-F; 图6-A, 6-B)、软叠层石发生错断与褶曲(图 6-E), 并与燧石白云岩中的粒序微断层(图 6-D, 6-F)伴生。根据震积岩总与粒序微断层伴生(Whleer, 2002; Du et al., 2009)的特点, 认为它们是地震成因的软沉积物变形构造。依据硅质脉源于燧石结核和具塑性弯曲延伸的产状特征(图 5-F; 图6-A, 6-C)可知, 软燧石结核受强地震振动发生破裂的同时, 围岩形成了震裂隙, 而强地震继续振动使结核中的硅胶喷入了围岩裂隙, 形成了软硅质脉, 在震后受上覆沉积物重力作用软硅质脉变得弯曲(图 7), 之后软硅质脉经成岩脱水, 形成了主要由玉髓、微粒石英组成的硬硅质脉。

图6 下寒武统朱砂洞组中的硅质软沉积物变形构造Fig.6 Siliceous soft-sediment deformation structures in the Lower Cambrian Zhushadong Formation

A— 源于燧石结核的硅质脉; B— 显微镜下薄片中塑性弯曲的硅质脉, (+)视域对角线长3.6 mm, 由玉髓、微粒石英组成; C— 含硅质脉的岩石切面, 脉源于燧石结核, 标尺物长3 cm; D— 粒序微断层; E— 硅质叠层石被微断层错断; F— 硅质岩被粒序断层错断; A、C、E为济南红叶谷剖面; D、F为济南馒头山剖面

图7 硅质脉的地震成因机制（A— 震前的软燧石结核; B— 强地震振动能量传递给结核, 同时围岩产生震裂隙; C— 强地震持续作用使结核中的硅胶体喷入围岩裂隙; D— 震后硅质脉受上伏沉积物的重力作用而弯曲）Fig.7 Seismogenetic mechanism of siliceous veins

2.1.5 脆性变形构造

脆性变形构造是先成半固结或未完全固结沉积物被震裂、震碎而形成的产物, 属脆性震积岩(段吉业等, 2002; 田洪水等, 2006, 2007)。朱砂洞组中发现有震裂岩和震碎角砾岩, 主要发育在九龙山以西的震积层中(图 2)。两者都具脆性变性特征, 但震裂岩属原地震积岩, 发育震裂隙, 被震裂隙分割而成的岩块基本无位移, 大致可拼接, 角砾成分单一或与震前原沉积物相同 (图 8-A); 而震碎角砾岩属非原地震积岩, 无震裂隙, 角砾成分复杂, 不具拼接性, 有位移, 横向延伸不稳定, 是强地震将半固结或未完全固结的不同成分沉积物震碎、之后受重力或水体作用发生短距离位移、并在异地堆积的产物, 可充填“ V” 字形震裂缝(图 8-B)。现代地震在地表形成震裂缝, 古地震裂缝总被上覆沉积物充填。

图8 下寒武统朱砂洞组中的脆性变形(震裂岩和震碎角砾岩)Fig.8 Brittle deformations(shattered rock and seismic breccia)in the Lower Cambrian Zhushadong Formation

A— 震裂岩, 微固结状态的燧石结核白云岩被震裂形成裂隙密集、成分单一且大致可拼接岩块, 黑色物为硅质脉及残留的燧石结核, 左侧箭头所指的硅质脉与燧石相连(地点:济南馒头山); B— 震碎角砾岩(②), 角砾成分复杂, 充填下伏岩层 (①)中的震裂缝, 又被上覆的未震层(③)覆盖(地点:济南馒头山)

2.2 李官组中的地震效应记录

闫臻等(2005)以原来的地层划分方案为依据, 在济南红叶谷及莱芜— 新泰九龙山一带, 从“ 馒头组下部” 以碎屑岩为主的地层中识别出滑塌堆积及浊积岩。目前, 以砂岩为主的地层被划归为李官组, 上覆地层为朱砂洞组(图 9-A)。本次研究证实了李官组中滑塌堆积和浊积岩的存在, 如图9-B、9-C中的褶曲轴面倾角虽不等, 但总体倾向基本一致, 具滑塌褶曲的特征; 浊积岩由正粒序层理发育的砂质砾岩或含砾砂岩、包卷层理或旋卷层理发育的粉砂岩、平行层理及波纹层理发育的砂质泥岩组成(图 2)。

图9 下寒武统李官组中的滑塌褶曲, 负载构造, 球— 枕构造和粒序层理Fig.9 Slump fold, load structure, ball-and-pillow and graded bedding in the Lower Cambrian Liguan Formation

A— 红叶谷剖面中的李官组, 上覆朱砂洞组, 剖面处在东西向公路南测, 照片中的小柏树高1.5 m, 照片B、C、D均拍摄于此(地点:红叶谷); B— 白色标尺物(30 cm长)之上为近平卧的复式背形滑塌褶曲, 其中的次级小褶曲的轴面倾向相同、倾角不等, 褶曲之下发育枕状体, 虚线为轴线; C— 为轴面平行的背形与向形倾斜褶曲, 发育在照片B所示褶曲的右侧; D— 负载构造(见笔下侧, 笔长16 cm), 两负载体内层理呈向斜式弯曲, 上部相连, 下缘均呈弧形, 负载体间为火焰构造, 产在B所示褶曲的左侧; E— 负载构造与 球— 枕构造(地点:九龙山西北七星台); F— 九龙山剖面底部的浊积岩粒序层, 由棱角状砂质砾岩组成, 厚度1.9 m, 锤长39 cm

本次研究的新发现是李官组中发育负载构造、球— 枕构造或枕状体等同沉积软沉积物变形构造, 并与滑塌褶曲伴生(图 9-B, 9-D, 9-E)。这些软沉积物变形构造被确认为古地震记录(Rodriguez-Pascua et al., 2000; Du et al., 2009), 并已经被验证(乔秀夫和李海兵, 2009), 因此, 李官组中的滑塌堆积应是震滑塌堆积。负载构造是密度较大且难液化的粗粒沉积物受地震振动和重力作用下沉而形成的, 下沉过程中其内部层理可发生向斜式弯曲, 而下伏的软沉积物富含水且密度较小, 因此受挤压或发生液化而上侵, 形成火焰构造或液化脉。负载体受振动脱离母体, 落入下伏沉积层中, 而形成的球体、枕状体, 称为球— 枕构造。

九龙山以东地区发育浊积岩, 并断续延伸至沂沭断裂带, 且自西向东李官组中粒序层的层数变多、层厚变大, 基于当时的沉积环境为古陆缘滨— 浅海, 表明这是大规模的陆缘浊积岩。这种大陆边缘环境沉积的巨型浊积岩被认定为震浊积岩(Mutti et al., 1984; 孙晓猛等, 1995), 属刘宝珺(1980)划分的浅水浊积岩。地震浅水浊积岩的形成需要满足3个条件:(1)水深至少在浪基面之下; (2)位于海底斜坡; (3)诱发动力。古沂沭断裂带裂陷使古沂沭海峡附近(九龙山以东)的水深和海底坡度增大, 产生强构造地震, 为震浊积岩的形成提供了条件。

3 讨论与意义
3.1 海底地震强度及构造意义

根据中国地震烈度表(GB/T17742-2008), 产生山崩、滑坡震害现象时的地震烈度达11度, 所以, 李官组沉积时期鲁西西部红叶谷等地发生的震滑塌堆积所反映的地震烈度为11度, 其震中烈度(Io)应在12度左右, 据震中烈度(Io)与里氏震级(M)的关系式— — M=0.66Io+0.98(时伟, 2007), 计算出当时海底地震为8.9级。根据引发软沉积物发生液化的最小震级为里氏5级, 而由液化底劈构造反映的地震为里氏8级(Rodriguez-Pascua et al., 2000), 推算朱砂洞组沉积时期的海底地震强度为里氏5~8级。

研究区李官组— 朱砂洞组中遭受地震作用而形成的沉积变形构造的组合、分布及变化见图2。当时的震中距、沉积环境、沉积物的性质及古地形坡度是地震效应的主要影响因素。由图2和表1可知, 愈接近沂沭断裂带, 李官组和朱砂洞组的厚度愈大, 地层中含有地震效应记录的岩层数量和类型愈多, 由其组合反映的地震强度和烈度愈高, 表明加里东构造运动初期的早寒武世, 沂沭断裂带是持续发生裂陷活动的构造带, 震中区处在沂沭断裂带及邻近地区, 该断裂带的裂陷活动引发多幕次强海震, 在震中区周围约200 km的滨— 浅海底形成了各种各样的地震沉积变形构造。

上述地震效应记录表明, 距今约525~520 Ma前沂沭断裂带的裂陷作用引发了5~8.9级海底地震。它们和距今510 Ma左右鲁西地区产生的下寒武统顶部馒头组石店段震积岩记录的6~7.4级的海底地震事件(宋明春和王沛成, 2003; 田洪水等, 2003), 均是古郯庐断裂带构造活动的证据。

3.2 海底工程地质意义

科学研究服务于生产、为工程建设提供基础资料, 是其永恒的任务之一。文中以古海底断层发震对古海底沉积物的破环作用及破坏产物(震积岩)为主题, 引用了“ 地震效应” 、“ 地震效应记录” 、“ 海底地震” 等海洋工程地质或工程地质学常用、但沉积地质学家不常用的术语, 有着偏向工程应用的意图, 旨在启示和强调沂沭断裂带及其以西200 km范围内早寒武世留下来的这些地震遗迹, 就是海底断层活动引发海底沉积物破坏与变化的结果。人们一般难以观察到现代海底地震引发的海底沉积物的破坏与灾害, 但可在陆地上较容易地看到古代的海底地震沉积物, 因此可古为今用。目前, 在海震区布设电缆、输油管道、油井平台等海底工程时, 海底地震对海底工程地基岩土层的破坏不容忽视。

4 结语

鲁西地区在早寒武世初为滨— 浅海, 其东缘的沂沭断裂带为海底持续裂陷的发震断层带, 也是海底地震强烈活动区, 频繁的5~8.9级的强海震使沂沭断裂带及以西约200 km范围的海底沉积层形成了多种样式的地震效应, 即产生了各种各样的地震沉积变形构造。现代海底地震对海底沉积物产生的破坏和变化一般难以直接观察到, 但地史上海震效应的结果就展现在鲁西地区的地层中。这不仅丰富了鲁西地区的地质构造发展历史研究, 也为认识现代海底地震对海底沉积层产生的破坏和变化提供了借鉴资料。

作者声明没有竞争性利益冲突.

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