赛拉赫(Seilacher, 1969)首先提出“ 地震岩” 这个成因术语, 用来表示由地震引起的变形的岩层, 即具有SSDS的岩层。“ 地震岩” 是一个有问题的术语, 这些问题是本来就有的, 即在此术语被提出时就有了的。请看本文的第2节。现举例说明如下:

1)Seilacher(1969)提出的“ 地震岩” 这一成因术语, 其特征是: 地震岩不同于正常的海底沉积物的滑动。海底沉积物的顶部岩层呈粥状, 也没有底部的滑动面(G. Einsele, 私人通信, 1969)。地震岩可能是略微倾斜的海底沉积的泥, 在水和沉积物界面之下, 在压实作用逐渐增大时, 由于地震的冲击作用而形成的。在这个时候, 海底沉积物的正常的滑动作用还难以充分地发生。因此, 由地震冲击作用引起的变形构造就在这个阶段被“ 冻结” (即保留)下来。但这仅仅是地震岩的一种。根据海底沉积的泥的密度和古斜坡, 以及地震冲击的强度、持续时间和类型, 各种变形构造都可以形成。对于完全水平的泥沉积层, 很弱的冲击对它没有什么影响, 但可使其液化。其下部岩层的逐渐被压实和其上层面的逐渐地变明显, 可使其层状构造更为清楚。在另一种情况下, 古斜坡上的泥沉积层受到较强的冲击时, 也可以产生正常的滑动或浊流。这样形成的一些沉积决不能加上“ 地震岩” 的标签。

2)Seilacher(1969)有2个重要的贡献: (1)提出“ 地震岩” 这一成因术语; (2)还提出“ 地震岩” 自上而下的4个纵向的序列组成:

a-粥状层(顶部);

b-破碎层;

c-破裂层;

d-未受干扰层(底部)。

3)Seilacher(1969)启用了2个同义的术语, “ 地震层” (earthquake-beds)和“ 地震岩” (seismites), 二者的含意是有所不同的。“ 地震” (earthquake)是指地球表面的震动, 而“ 地震作用” (seismicity)是指地震时期的地震频率和地震强度。但是, 在古代的沉积记录中, 却没有客观的标准去鉴别由地震或地震作用形成的沉积, 即“ 地震层” 或“ 地震岩” 。

4)尽管地震岩问题是沉积学、构造地质学和大地构造学中的一个复杂的问题, 但是已故的Seilacher(1925-2014)是一位卓有造诣的古生物学家, 他还是遗迹化石的开拓者(Briggs, 2014)。

5)很清楚, “ 地震岩” 这一个术语是指由地震这一个触动因素^①形成的岩层, 它没有涉及某一个特定的和必须有的沉积作用(参看本文第2节)。SSDS常常被当作地震引起的独有的特征(亦参看本文第3节)。因此, 凡是变形的岩层就被认为是地震岩, 即地震是它的唯一的成因。这样一来, 所有其他的对古代沉积记录中的变形岩层的成因解释就都被排除在外了。这么一个顽固的思路对于实事求是地分析和寻求其他成因的可能性是十分有害的。

6)最关键的问题是Seilacher(1969)提出的地震岩的标准垂向序列(a, b, c, d), 是仅仅根据美国加利福尼亚州的一个露头的短时间的野外考察而提出的, 此外再没有其他地区的证据。而鲍玛(Bouma, 1962)提出的浊积岩的垂向序列(自下而上分为Ta, Tb, Tc, Td, Te), 则是根据18个野外露头的详细研究提出的, 包括法国、瑞士、德国、荷兰和意大利的野外露头(参看表2)。

7)Einsele 等(1996)指出: “ 原地地震的构造(In-situ^① earthquake structures)可以称为“ 地震岩” , 它包括砂墙(sand dikes)、砂喷(sand blows)、 泥火山(mud volcanoes)” 。这句话很重要, 它表明地震岩的成因不涉及沉积物的搬运作用和沉积作用。“ 地震岩” 仅指已有的沉积的变形作用。当然, 并不是所有岩石记录中的变形构造都是由地震冲击形成的。虽然形成深水浊积岩的浊流可能是地震引起的, 例如1929年的 “ Grand Bank的地震” (Piper et al., 1988)。但是地震本身并不是沉积作用。Seilacher(1984)强调, 虽然地震岩具有变形构造, 但是地震岩的独立的成因证据仍然是十分需要的。换句话说, “ 地震岩” 这个术语纯粹是个装饰性的(cosmetic)术语。

8)在英国的三叠系中, 有一个“ 地震岩” 层被一个具有波状交错层理及波痕的砂岩“ 海啸岩” 层覆盖(Simms, 2003)。但是, 这个上覆的“ 海啸岩” 层应是“ 风暴岩” 层。这里的问题是用一个成因性的术语“ 地震岩” 来解释另一个成因性的术语“ 海啸岩” 。

9)在西班牙东部的贝蒂克山链中的中新统上部的砂质沉积中, 有载荷模、球枕和管状构造组成的软沉积物变形构造(SSDS)。这些变形构造是由液体化作用(液化作用或流体化作用)形成的, 却被解释为地震冲击的结果, 即地震岩(Alfaro, 1995)。但是Alfaro 等(2002)却又把此具有SSDS的沉积重新解释为风暴形成的, 即“ 风暴岩” 。这就是说, 同样一个地质现象, 但其前后的解释却完全不同。这说明还没有一个客观的标准去解释“ 地震岩” 。

10)Merriam 和 Neuhauser(2009)发表了一篇文章《地震岩表明美国堪萨斯州艾利斯县更新世的地震活动》。该作者用一个解释性的术语“ 地震岩” 作为“ 资料” 依据, 证明他们的解释, 即该岩层是由地震活动引起的。这是一个偱环式的论证。

11)即使在地震活动地区, 例如在北圣安卓斯断裂(Northern San Andreas Fault)地区, 鉴别地震活动对某一沉积的影响, 也是需要认真思考的(参看Shanmugam, 2009)。

虽然Moretti 和 Van Loon(2014)曾警示性地提出地震岩这一概念的限度, 但是研究者们仍然继续使用这一概念。地震岩这一概念已经广为流行(Sims, 1975; Seilacher, 1984; Obermeier, 1996; Rodrí guez-Pascua et al., 2000; Ettensohn et al., 2002; Greb et al., 2002; Wheeler, 2002; Jewell and Ettensohn, 2004; Mazumder et al., 2006, 2016; Montenat et al., 2007; Moretti and Sabato, 2007; Van Loon, 2009, 2014; 高红灿等, 2010; 邵宸等, 2012; Moretti and Van Loon, 2014; 田媛等, 2015; Feng et al., 2016; Wiezevich et al., 2016; 等)。现在, 用广泛分布的SSDS作为鉴别地震岩的标准已是司空见惯(Allen, 1986; Mohindra and Bagati, 1996; Moretti, 2000; Rodrí guez-Pascua et al., 2000; Agnon et al., 2006; Mazumder et al., 2006; Zhang et al., 2007; Pinto and Warme, 2008; 杜远生, 2011; Martí n-Chivelet et al., 2011; Su and Sun, 2012; Van Loon and Pisarska-Jamro z˙y, 2014; He and Qiao, 2015; Kale et al., 2016; Roy and Banerjee, 2016)。

宋天锐(1988)在北京明十三陵地区的元古界雾迷山组中的地震-海啸序列中, 发现了板刺状角砾。Song和Einsele(1996)在第30届国际地质学大会的地质考察中, 又提出SSDS的沉积学意义。Ettensohn 等(2011)把这些构造称作“ 手风琴式褶皱” (accordion folds), 并认为这种构造是地震成因的新标志。然而反常的是, Seilacher(1969)提出的地震岩的4个垂向序列(a, b, c, d)却至今没有广为引用。“ 地震岩” 这个有问题的成因术语及其在地质学应用中的脱节, 确实是一个麻烦的问题。在沉积学和构造地质学中, 这确实是一个紧迫的和严峻的问题。

本文的主要目的是评价“ 地震岩” 这个成因术语的学术价值及其在地质记录中的应用。具体的目的如下:

1)把提出“ 地震岩” 这一成因术语的地质基础及其垂向序列弄清楚。

2)对成因术语名称、历史和统计等, 提出了一些基本的原则。

3)引用了许多砂岩石油储集层的岩心中的SSDS。这些岩心柱的表面均呈现出原始的非常清晰的沉积特征(图 2至图15, 图22, 图23, 图25-C, 图28-B, 图29-C, 图31-C, 图35)。此外, 还有少数的作者, 如Kirkland 和 Anderson(1970), Zheng 等(2015), Ezquerro 等(2015), 也提供了一些岩心中的SSDS。

4)用触动因素 ^①和液化作用, 对SSDS的地震成因提出了挑战。

5)这些挑战把地震成因的SSDS的横向延伸和海啸及陨石冲击成因的SSDS的横向延伸, 区分开了。

6)讨论了SSDS对评价石油储集层的重要性。

本文是我早期发表的一篇文章《海啸岩问题》(The tsunamite problem)(Shanmugam, 2006b)的继续, 是一系列的挑战性的评论文章的第6篇。这6文章表明这些问题确实是沉积学中的重要问题, 特别是深水作用、深水沉积及深水环境中的重要问题。

这6篇文章是:

1)50年来的浊积岩问题(50 years of turbidite problem)(Shanmugam, 2000);

2)海啸岩问题(The tsunamite problem)(Shanmugam, 2006b);

3)块体滑动问题(The landslide problem)(Shanmugam, 2015);

4)海底扇(Submarine fans)(Shanmugam, 2016a);

5)等深流岩问题(The contourite problem)(Shanmugam, 2016c);

6)本文。

本文涵盖了近153年(1863-2016)来的研究, 引用文献达260篇。

在撰写本文时, 我不仅采用了传统的方法去评价地震岩的已刊文献, 还对全世界的32个油田中的35个深水沉积的块状砂岩储集层进行了描述。这些砂岩储集层的岩心和露头描述的比例尺是1︰20 到 1︰50, 其总厚度达11, 463, m。这些描述是我在博士生时期(1974-1978)、在美孚石油公司当雇员时期(1978-2000)和在该公司当顾问时期(2000-现在)完成的。这些全球性的研究包括123口井的岩心, 共7832, m, 涉及32个油田(Shanmugam, 2015; 该文的 图1和 表2)。这些现代的和古代的深水沉积包括海洋环境和湖泊环境。在本文中, 从上述的岩石描述中选择了一些岩心和露头描述的实例, 主要是墨西哥湾、挪威海、北海、尼日利亚滨海、赤道几内亚滨海、加蓬滨海、孟加拉湾的实例(Shanmugam, 2006a, 2012a, 2015, 2016a, 2016b)。

表2

Table2

表2(Table2)

表2 赛拉赫(Seilacher, 1969)和鲍玛(Bouma, 1962)的沉积学原始概念的比较 Table2 A comparison of studies on original concepts in sedimentology by Seilacher(1969)and by Bouma(1962) 内容 赛拉赫(Seilacher, 1969) 鲍玛(Bouma, 1962) 原始概念 成因术语--“ 地震岩” 浊积岩的相模式--“ 鲍玛层序” 研究的 地质单元 美国加利福尼亚州中新统蒙特雷组页岩 法国滨海阿尔卑斯山始新统-渐新统阿诺组砂岩 垂向层序 a-粥状层(顶部) b-破碎层 c-破裂层 d-未受干扰层(底部) Te-泥岩(泥灰岩)段(顶部) Td-上部平行纹理段 Tc-流水波状纹理段 Tb-下部平行纹理段 Ta-递变纹理段(底部) 成因 地震(触动因素) 浊流(运移过程和沉积过程) 概念 与触动因素有关的层序, 触动因素在沉积记录中不能识别 与沉积过程有关的层序, 可以在沉积记录中推测出来 野外研究的 可靠性 基于一次简短的对美国加利福尼亚州圣巴巴拉市北部埃尔伍德海滩的考察 基于鲍玛博士期间的研究, 范围覆盖法国、瑞士、德国、荷兰和意大利的18个野外点, 历时几年(参见Bouma, 1962, 该文的图4) 出版物 5页 期刊的简讯 168页 书 文件 图幅: 1 图版: 1 图幅: 31 图版: 8 表: 17 附件: 3 引用参考 文献数量 及其相关性 引用参考文献数量: 5 只有2篇参考文献与地震相关(Barrett, 1966; Dill, 1969), 但即使是这2篇参考文献也与地震岩序列无关。全部5篇参考文献均与中新统蒙特雷组的地质研究无关 引用参考文献数量: 322 所引参考文献非常全面, 综合性很强, 与议题及研究对象完全相关 科学分析 没有提供任何独立的证据, 去解释 “ 地震岩” 的垂向序列是分析研究地震的唯一的模式, 也没有考虑该时期发表的蒙特雷组中的软沉积物变形构造(SSDS)的不同假说 提供关于浊积岩沉积的各个方面的详细讨论; 虽然仍然存在争议(参见Shanmugam, 2016a) 影响 虽然“ 地震岩” 这一成因术语在一些学术领域中很常见, 但其4分的垂向地震序列(a, b, c, d)却没有被广泛接受。即, 全球地质学界仅接受了这个装饰性的术语“ 地震岩” , 却没有接受这个垂向序列 自下而上分为5个层段的鲍马层序已获得全球地质学界的广泛接受

表2 赛拉赫(Seilacher, 1969)和鲍玛(Bouma, 1962)的沉积学原始概念的比较 Table2 A comparison of studies on original concepts in sedimentology by Seilacher(1969)and by Bouma(1962)

图5

Fig.5

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	图5 挪威近海岸白垩系Lysing组砂质滑塌单元柱状图和岩心照片(据Shanmugam et al., 1994)Fig.5 Sedimentological log and core photograph showing entire sandy slump unit of the Cretaceous Lysing Formation in offshore Norway(after Shanmugam et al., 1994) A-柱状图, 指示夹在未变形的泥岩之间的滑塌褶皱砂岩层, 可见基底剪切带; B-岩心照片, 滑塌褶皱变形的砂岩层及其上覆未变形的泥岩层

图6

Fig.6

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	图6 尼日利亚近海岸Edop Field地区Mobil 25C井中的不对称滑塌褶皱(据Shanmugam, 2006a)Fig.6 Asymmetrical slump fold from Well Mobil 25C, Edop Field, offshore Nigeriar(after Shanmugam, 2006a) A-IQI-3剖面测线图; B-等深柱状图; C-岩心照片, 泥岩中一个不对称滑塌褶皱, 其上砂岩层未变形, 箭头指示岩心的相对层位。据Shanmugam(2006a), 爱思唯尔许可

图7

Fig.7

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	图7 角砾状泥岩碎屑岩心照片Fig.7 Core photographs showing brecciated mudstone clasts A-细粒砂岩中的角砾状泥岩碎屑(浅灰色部分), 始新统, 英国北海, 照片引自Shanmugam(2012a), 爱思唯尔许可; B-砂质基质中的角砾状泥岩碎屑, 可能代表砂质碎屑流的初期阶段, 白垩系阿加特组(Agat Formation), 挪威近海岸, 据Shanmugam 等(1994), 美国石油地质学家协会(AAPG)许可

图8

Fig.8

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	图8 英国北海始新统泥岩中的拉张断裂和砂岩负载岩心照片(据Shanmugam, 2012a)Fig.8 Core photographs showing tensional fault and loading of sand in the Eocene mudstone, U.K. North Sea(after Shanmugam, 2012a) A-泥岩中的拉张断裂(下箭头所指)和变形砂岩中的缺陷层(上箭头所指); B-主砂岩负载沉积于其下泥岩中(箭头所指), 基底泥岩中见重荷模

图9

Fig.9

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	图9 变形砂岩中的石香肠构造和旋转火焰构造岩心照片(引自Shanmugam, 2012a)Fig.9 Core photographs showing deformed sand with boudins and rotated flame structure(from Shanmugam, 2012a) A-变形砂岩中见由不同岩性颗粒组成的石香肠构造和碳质(煤)碎屑, 古新统, 英国北海; B-滑塌砂岩中的旋转火焰构造, 上新统, 尼日利亚近海岸

图10

Fig.10

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	图10 砂岩中的碟状构造和泄水构造岩心照片Fig.10 Core photographs showing water-escape dish structures and water-escape pipe structures A-在粒度细、分选性好的砂岩中, 见由液化作用形成的碟状构造, 岩心上部箭头指示一个上凹(碟状构造)的色偶与由于变形导致其左翼从水平到斜向45° 的侵入, 岩心下部2个碟状构造之间横切, 即早期形成的碟状构造“ 1” 被后期形成的“ 2” 所终止尖灭, 始新统, 英国北海, 照片引自Shanmugam(2006a), 爱思唯尔许可; B-岩心照片, 通道(泄水构造), 古新统, 英国 大西洋陆缘, 照片引自Shanmugam(2012a), 爱思唯尔许可

图11

Fig.11

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	图11 液化砂岩与泥岩(富黏土层)的接触关系Fig.11 Core photographs showing contact relationship between liquefied sand and mudstone A-含垂直砂柱(箭头所指)的液化砂岩横切泥岩, 左下是底部, 右上是顶部, 上新统, 尼日利亚近海岸, 照片引自Shanmugam(2012a), 爱思唯尔许可; B-砂岩岩层水平, 毗邻的白色富黏土层产状较陡, 白垩系阿加特组, 挪威 近海岸, 据Shanmugam等(1994), 美国石油地质学家协会(AAPG)许可

图12

Fig.12

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	图12 泥岩中的砂岩注入体岩心照片(引自Shanmugam, 2012a)Fig.12 Core photographs showing sand injection in mudstone(from Shanmugam, 2012a) A-1个液化砂岩碎块注入到泥岩中, 可解释为液化砂岩的注入体, 始新统, 英国北海; B-1个砂岩注入体的侧向尖灭(箭头所指), 始新统, 英国北海

图13

Fig.13

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	图13 英国北海始新统砂岩交错层理及变形层理内部的富黏土层和泥岩碎屑(引自Shanmugam, 2012a)Fig.13 Core photographs showing cross￣bedded sand layers and passively deformed internal clay-rich sand layers with mudstone clasts of the Eocene, U.K. North Sea(from Shanmugam, 2012a) A-具交错层理的砂岩(中间部位)侵入到块状砂岩中, 不同岩性的明显变化揭示了具交错层理的砂岩注入体和寄主砂岩之间的纹理 和颜色的变化, 虚线标记砂岩注入体的上下边缘; B-变形砂岩内部的富黏土层(箭头所指)和泥岩碎屑

图14

Fig.14

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	图14 英国北海始新统砂岩注入体的岩心照片(引自Shanmugam, 2012a)Fig.14 Core photographs of sandstone injections of the Eocene in North Sea, U.K.(from Shanmugam, 2012a) A-砂岩注入体, 泥岩沿渗透方向向下拖曳(箭头所指); B-砂岩注入体的弯曲分支及其在多个方向的衍生物, 见岩墙(垂向箭头所示)和岩床(水平箭头所示), 这些注入特征指示无论是寄主沉积物还是注入体都处于一种软沉积的状态

图15

Fig.15

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	图15 砂岩注入体岩心照片(引自Shanmugam, 2012a)Fig.15 Core photograph showing sandstone injections(from Shanmugam, 2012a) A-砂岩注入体中见1个由压实作用形成的岩墙的肠形褶皱(箭头所指), 上新统, 尼日利亚近海岸; B-小型砂岩注入体, 寄主泥岩中微破裂被砂岩填充, 见小型正断层, 始新统, 英国北海

图16

Fig.16

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	图16 触动因素的多种类型、液化作用状态和软沉积物变形构造(SSDS)的关系Fig.16 Selected types of triggers, state of liquefaction, and SSDS

共有21种触动因素, 直接或间接地与沉积物的搬运、沉积和液化有关(表4)。构造的和非构造的触动因素均会在形成SSDS的过程中经历液化作用。地震只是形成SSDS的触动因素之一, SSDS不是地震岩。蓝箭头: 一个或多个、存在或不存在流体转变的沉积物搬运过程 (Fisher, 1983)。灰箭头: 最终沉积。有关此21种触动因素的例举讨论, 参见Shanmugam(2006a, 2006b, 2012a, 2013)

如前所述, 赛拉赫(Seilacher, 1969)首先提出“ 地震岩” 这一个成因术语。这个术语是有成因意义的, 即由地震引起的。因此, 其他成因的可能性就都被排除在外了。由于这个限制, 很值得对这个成因术语的成因进行评论。

在科学中, 术语的用词应有清晰和固定的含义。但是在地质学中, 常常不是这样(Shanmugam, 2006b)。在沉积地质学中, 成因术语的先例是从“ 浊积岩” (turbidite)的引入开始的。“ 浊积岩” 是指在深水环境中由浊流形成的一种沉积(Kuenen, 1957)。Kuenen 和 Migliorini(1950)和 Kuenen(1967)提出, 一个浊积岩层的正常递变是一个浊流的衰退的沉积结果。

在沉积作用中, 一个成因术语的含义应是: (1)它必须有扎实的流体动力学的原理; (2)它的用词必须准确(accurate; 对于沉积学的描述)、确切(precise; 对于某个沉积作用)和固定(consistent; 在时间和空间的应用上); (3)必须有流动的特征(Shanmugam, 2006a)。然而, 有些作者却把“ 浊积岩” 的含意扩大到浊流沉积以外了。结果, 就使“ 浊积岩” 这一术语包括了: (1)非典型的浊积岩, (2)滑塌浊积岩(fluxoturbidites), (3)半浊积岩(hemiturbidites), (4)高浓度的砂质浊积岩(high-concentration sandy turbidites), (5)大浊积岩(megaturbidites), (6)可疑的浊积岩(problematica turbidites), (7)地震浊积岩(seismoturbidites), (8)浪成浊积岩(undaturbidites)。所有这些术语都不能揭示流动的特征(表 1)。

Van der Lingen(1969)首先发表了一篇文章“ 浊积岩问题” (The turbidite problem), 指出了浊积岩这一术语的一些主要的争论问题。但是, 一些研究者仍然误用了浊积岩这一成因术语。例如Mutti 等(1999)把“ 浊积岩” 当作“ 碎屑流岩” (debrite)。Stow 等(2008)提出 “ 等深流岩” (contourite)就是“ 潮积岩” (tidalite; 参看Shanmugam, 2016c的评论)。“ 海啸岩” 这一术语是没有沉积学意义的(Shanmugam, 2006b)。最突出的一个例子是把“ 注入岩” (injectite)当作碎屑注入体(clastic injections; 表 1)。这些术语大都是沉积后成因的和构造成因的。

2.2 统计 一个成因术语的调查资料表明, 近82年(1931-2013)中, 地球科学家们曾至少提出了39个成因术语(表 1), 平均每2年提出1个。在这39个术语中, 只有10个是真正沉积成因的, 其他的一些术语都是很草率地提出的, 都应该废弃。

这一术语的成因剖析 为了了解“ 地震岩” 问题的根源, 有必要对提出这一成因术语的背景进行评价(参看Seilacher, 1969)。

1)在19世纪60年代晚期, 赛拉赫(Adolf Seilacher)教授被聘为美国加利福尼亚大学(Santa Cruz)的访问教授。在该校的领导及地质系主任Aaron Waters博士的支持下, 他实现了一项研究, 即对美国加利福尼亚州Santa Barbara北部的Eldwoods海滩上的、强烈倾斜的、中新统蒙特雷页岩(Miocene Monterey Shales), 进行了一次短期地质考察。赛拉赫(Seilacher, 1969)曾对这次地质考察作了如下的描述:

在这次很短的地质考察中(1968年5月), 只有大约10, m的狭窄地区没有被砂掩盖。尽管这样, 还是可以看到3个主要的由断层分开的递变层(fault-graded beds), 如图版1和 图1所示。每个递变层都呈现出同样的面貌。整个露头约50, m, 但其面积也许更大。

2)根据这个简要的研究, Seilacher(1969)在《沉积学》(Sedimentology)刊登的文章中, 提出了“ 地震岩” 这个成因术语。该文是一个“ 简讯” (Short communication), 与Bouma(1962)的文章相比, 不是一篇正规的研究文章( 表 2)。

3)该文对研究的地层没有详细的描述或详细的沉积学记录。

4)该文对研究的地层也没有地层学和构造地质学的概述。这是个十分严峻的问题, 因为中新统蒙特雷组(Miocene Monterey Formation)是由下部的钙质相、中部的向磷酸盐过渡相、上部的厚层硅质相组成的, 其上部的硅质相由硅藻岩及其成岩作用的产物燧石、瓷状岩等组成(Isaacs et al., 1983)。

5)在研究历史上, 加利福尼亚的蒙特雷组是研究和论述相当好的地层单位之一。在地质学方面的文献有Bramlette(1946)、Behl(1999); 在石油潜景方面的文献有Crawford(1971)。但是, 很令人失望, Seilacher(1969)的关于蒙特雷组文章中的5篇参考文献, 均未被上述著作引用。

6)没有独立的证据证明中新统蒙特雷组沉积时期有地震。

7)也没有其他的学说解释蒙特雷组中的变形构造是由地震引起的。

但是, 其他的研究者却对加利福尼亚的蒙特雷组中的SSDS以及其他深水沉积, 提出了不同的成因。例如:

1)Bramlette(1946)在美国地质调查专业报告212中, 曾对加利福尼亚州的蒙特雷组作过专门的论述, 这一论述比Seilacher(1969)早23年。Bramlette(1946, 该文的图版19-B)展示了一个经典的实例, 即褶皱的岩层三明治式地位于未褶皱的岩层之间(即SSDS), 该图版的说明是“ 该地层组内的变形是沉积作用过程中的滑塌作用形成的” 。但是, Seilacher(1969)却没有引用这个最有关的文献。这个文献对中新统蒙特雷组中的变形岩层提出了一个与地震没有关系的同沉积作用的成因。

2)Grimm 和 Orange(1997)认为中新统蒙特雷组中的变形岩层三明治式地位于未变形的岩层之间的产状, 是同沉积作用形成的, 即斜坡上的沉积物失控和质量运动形成的。

3)也许最令人印象深刻的文献是Chang 和 Grimm(1999)写的关于中新统蒙特雷组中的夹在未变形岩层之间的一个三明治式的滑塌褶皱(此文的 图11-B)。他们认为这个褶皱是同沉积作用成因的, 与地震无关。

4)Surpless 等(2009)研究了Gaviota海滩的中新统的蒙特雷组, 该海滩位于Seilacher(1969)研究的Santa Barbara海滩以西的大约50, km处。Surpless 等在Gaviota海滩上出露的蒙特雷组中也看到了SSDS, 他们把此SSDS的成因归于深海环境中的斜坡冲沟的复杂成因(slope gully complexes)沉积。

5)Kennett 和 Fackler-Adams(2000)报导了美国加利福尼亚州上新近统深海沉积中的SSDS, 该SSDS大体与Seilacher(1969)描述的SSDS相当。他们认为这里的SSDS的成因很难确定(clathrate instability)。

总之, 蒙特雷组中的SSDS的成因很复杂, 决不是简单地由地震活动引起的。这个“ 地震岩” 的成因术语显然是在很匆忙的情况下提出的, 没有充分的野外证据支持, 也没有必要的地层学、构造地质学、岩石学和文献的资料。

用物理学的术语, 对软沉积物变形作了精确的阐述。他说: 多年来的沉积学和地层学的研究业已证明, 软沉积物常发生非构造成因的变形。这些变形构造有很多很多形式, 并越来越多地被人们称为软沉积物变形。这些软沉积物变形的野外证据很明显, 且与经验和理论相吻合。它们是在沉积作用时期形成的, 或者是在沉积物刚刚被埋藏后形成的。当然, 绝大多数的也可能是全部的软沉积物变形是在沉积物的固结作用的最早阶段形成的。在那个时期, 刚固结的沉积物还相当软弱, 其孔隙流体正在被快速地排出。这就促使了软沉积物发生变形, 并更加速了其孔隙流体的被排出。总之, 那个时期的孔隙流体总是处于运动状态。因此, Lowe(1975)就把软沉积物变形构造归类于泄水构造(water-escape structures)。这就是说, 软沉积物变形构造是在有水的环境中形成的。但是, 应当明白, 孔隙流体的运动常常是变形作用的结果, 很少是变形作用的直接原因。在这种情况下, 不管是液态还是固态, 能引起软沉积物变形的力都是很弱小的。这时, 能引起软沉积物变形的原因是液化作用。液化作用可以形成许多类型的软沉积物变形。

Maltman(1984)指出: 软沉积物变形包括一系列的作用及其形成的各种构造。但是, 这个词汇常被误解和歪曲。各种各样的原因, 特别是沉积物的性质在其变形后的变化, 杜绝了许多精确的定义。然而, 一个严谨的和大家都已约定俗成的构造术语, 即“ 软沉积物变形构造” , 终于出现了。这个术语需要详细的解释。“ 软” 意味着沉积物的凝聚力或黏合力。这样, 在靠近沉积物的表面, 就可以形成各种变形构造。形成的时间有早有晚。这里, 特别重要的是要指明, 是什么力才能引起软沉积物的运动并形成各种变形构造。众所周知, 重力或构造作用可以引起尚未完全固结的沉积物发生运动并形成变形构造。

用一个一般性的术语“ 液体化作用” (liquidization)来描述松散的颗粒从固态到液态的“ 快速” 转变的机制。有2种液体化作用, 即:(1)液化作用(liquefaction), (2)流体化作用(fluidization)。

液化作用(liquefaction)是在强大的孔隙流体压力促使松散堆积的和分选良好的颗粒完全瓦解的时候形成的。它是颗粒组构的原地瓦解, 通常是地震冲击、沉积负载等的结果。它是颗粒组构抗切强度的减小以致完全消失的结果。液化作用没有外部流体注入颗粒组构, 也没有颗粒体积的变化。Lowe(1979)指出:液化流(liquefied flow)是沉积物重力流的一种, 在液化流的沉积物中, 并没有充满着孔隙流体, 但这种孔隙流体却可以向上移动。液化流与其他的沉积物流(如碎屑流和浊流)不一样, 它不能使沉积物向下移动, 即不能搬运沉积物沿着斜坡向下移动, 因为它是一个原地的作用。因此, 这个液化流并不是沉积物重力流的一种。在深水斜坡和深水峡谷环境中, 分选良好的砂的快速沉积作用, 通常是砂质碎屑流和滑塌作用的结果, 即同沉积作用或后沉积作用的液体化作用(liquidization)的结果。在向上逃泄的流体中快速沉积的粒状物质可形成泄水构造( 图 10-A)。这种向上逃泄的流体, 当其遇到低渗透的岩层阻挡时, 常把其携带的下部层位的泥质堆积在上部层位中( 图 10-A)。这种阻挡改变了流体运动的方向, 使其向上运动方向变为水平运动方向(Lowe and Lopiccolo, 1974)。这样, 就形成了色偶(color couplet), 即浅色的下部岩层(黏土被向上移动的流体带走了)和上部的深色岩层(黏土被向上移动的流体带来因而相对地富集了)的色偶( 图 10-A)。色偶的次数可以用来确定向上逃泄的流体的次数或水平层遭受变形的次数。色偶还可以用来确定相关岩层被横切时的相互关系( 图 10-A)。滑动的沉积物内部的滑动面是形成色偶的有利界面。

流体化作用(fluidization)是在孔隙流体与其被浸泡的颗粒的重量达到平衡时快速发生的(Allen, 1984)。流体化作用需要外部流体的流入。这是流体化作用与液化作用的区别。

虽然触动因素有很多种, 例如地震和沉积负载, 但形成SSDS的最终的原因还是液化作用及变形作用( 图 16)。按 图16的模式, 各种触动因素对SSDS的形成都是没有直接关系的(inconsequential)。因此, 人们不能鉴别SSDS是地震形成的或者是沉积负载形成的。同样, 搬运作用和沉积作用与SSDS的形成也是没有直接关系的。例如, 人们不能鉴别SSDS是与滑动有关或者与碎屑流有关。因此, SSDS不能作为鉴别与地震活动有关的岩层(即地震岩)的证据。总之, 在古代的沉积记录中, “ 地震岩” 这一术语是误用的。

Maltman(1994a)用以下的一些术语论述了沉积物变形机制的各个方面, 即:(1)由于埋藏而引起的体积变化; (2)沉积物的强度; (3)沉积物变形作用; (4)孔隙流体的作用。

变形是指沉积物总体形状的变化。变形是在沉积物被埋藏的早期发生的。相关的物理作用如下(Collinson, 1994):

1)沉积物强度的部分消失和密度的变化(例如火焰构造);

2)黏结性沉积物负载的增加(例如泥质底辟);

3)沉积物强度和剪切力的部分消失(例如滑塌褶皱);

4)流体化作用引起的孔隙水向上逃泄(如碟状和柱状构造)和沉积物-水混合物(例如砂沸(sand boil)和沉积注入体);

5)同沉积作用断层(例如伸张断层和压缩断层);

6)沉积物的收缩(例如地表的干裂和水下的脱水收缩裂开);

7)沉积物的浸润(例如阻止风成砂丘沿陡坡的下移);

8)压实作用(例如沉积物倾斜表面的倾斜度的减小)。

Allen(1984), Collinson(1994), Boggs(2001)和本文作者, 都对SSDS作出了总结。参看 表3。

Mills(1983)认为: 软沉积物变形构造的最终的和最好的研究结论是, 必须综合研究所有的岩石学、构造学和古沉积学的资料。

要想把某一沉积定为“ 地震岩” , 必须首先把地震和相关的SSDS之间的关系搞清楚。问题是地震是一个触动因素 ^①, 而SSDS则是液化作用的产物。液化作用是一种沉积状态(Allen, 1984), 它发生于触动因素(trigger)的开始作用与SSDS形成之间的时间( 图 16)。许多触动因素 ^①可以引出液化状态( 图 16)。现在, 还没有一个唯一的标准去鉴别液化状态是由哪一种触动因素引起的, 例如地震、陨石冲击、沉积负载等等( 图 16)。虽然许多研究者已经承认这个与触动因素有关的问题(Owen, 1987; Moretti, 2000; Owen et al., 2011), 但是仍有一些研究者继续应用“ 地震岩” 这个术语, 并强调地震是唯一的触动因素。这真是一件麻烦事。在自然界, 液化作用及其伴随的地震形成的碟状构造, 与沉积负载作用形成的碟状构造, 看起来是一样的。牵引(作用)和悬浮(作用)形成的原生沉积构造(Sander, 1963)可以用沉积作用来推测。但是, SSDS却不能鉴别出是哪一种触动因素形成的。虽然也有人认为可以鉴别出触动因素的类型(Moretti and Sabato, 2007; Owen and Moretti, 2011)。为了搞清楚这个纠缠不清的与触动因素有关的沉积学问题, 需要综合研究和评论触动因素与沉积作用的诸多方面的问题。

在这里, 可把触动因素 ^①确定为引起土壤的物理性质、化学性质和地球化学性质变化的第一作用(primary process), 它导致了土壤的剪切力(shear strength, 亦可译为剪切强度)的丧失, 这将引起沉积物的失控(sediment failure)和移动。通常, 对于沉积物的失控来说, 触动作用(triggering process)是“ 外部” 作用(Shanmugam, 2015)。在大陆边缘, 若干个触动因素 ^①(例如地震触动的海啸)可同时发生。Sowers(1979)曾对单一的触动因素 ^①引起沉积物的失控表示过极大的怀疑。他说: “ 在很多情况下, 是若干个起因(causes)同时存在。因此, 试图确定哪一个起因引起沉积物的最终失控, 不仅仅是困难的, 而且也是不正确的。触发地球上许多接近失控边界的物体发生运动, 其最终的因素常常并不重要。比如(一个人)点燃导火线, 引起达纳炸药爆炸, 毁掉一个建筑, 从而造成一场灾难。在这个事件中, 很难确定哪一个因素是最重要的。”

虽然多个触动因素 ^①可以引起某个作用过程(例如碎屑流), 但是还没有一个客观标准能从沉积记录中鉴别出某种触动因素 ^①和搬运作用(Dott, 1963; Middleton and Hampton, 1973; Shanmugam, 1996, 2006b, 2012b; Mulder et al., 2011)。这是沉积学的一条根本原则。此外, 还有一个未解决的问题, 即沉积重力流的流体转变(flow transformation)问题。Fisher(1983)提出沉积重力流的流体转变有4种类型: (1)整体转变(body transformation); (2)重力转变(gravity transformation); (3)表面转变(surface transformation); (4)淘洗转变(elutriation transformation)。流体转变是不能确定的, 除非知道: (1)初始流动状况; (2)搬运机制; (3)最终流动状况。但是, 没有什么标准去识别沉积记录中的初始流动状况和搬运机制(Dott, 1963; Walton, 1967; Middleton and Hampton, 1973; Carter, 1975; Stanley et al., 1978; Lowe, 1982; Postma, 1986; Middleton, 1993; Shanmugam, 1996; Talling et al., 2007)。例如, 海底上的浊流沉积层, 既可能是碎屑流沉积, 亦可能是在沉积时期由流体转变作用形成的浊流沉积。参看Hampton(1972)的实验。因此, 不能用地震资料、露头或钻井资料, 去解释沉积记录中的搬运机制。从沉积记录中也不能解释各种触动因素 ^②。然而, 了解这些与液化作用和变形作用有关的触动因素 ^①( 图 16)还是很必要的。

至少有21种触动因素 ^①可以在地面或海底环境中起动沉积物的失控(Shanmugam, 2015; 表4)。这21种触动因素 ^①按其活动的时间长短, 可以分为3个主要的类别: (1)短期事件, 几秒钟到几个小时, 几天到几个月(例如地震、火山喷发、陨石冲击、海啸、热带龙卷风、季风、洪水等); (2)中期事件, 几百年到几千年(例如构造事件、最大冰川的负载、沉积负载, 天然气水合物的分解等); (3)长期事件, 几千年到几百万年, 例如低位的海平面(Shanmugam, 2012a, 2012b)。也可以设想, 有的中期事件可以持续更长的时期。最重要的是, 短期事件和长期事件在其时间上是决然不同的。

表4

Table4

表4(Table4)

表4 引起沉积物失控的触动因素①的类型与持续时间 (Shanmugam, 2016a, 综合多篇文献资料) Table4 Types and duration of triggering mechanisms of sediment failures(Compiled from several sources. Updated after Shanmugam, 2016a) 触动因素 ①的类型 沉积环境 触动因素 的持续时间 1. 地震(Heezen and Ewing, 1952; Henstock et al., 2006) 陆上(地表) 和水下(海底) 短期事件: 几分钟、 几小时、 几天、 几个月 2. 陨石冲击(Claeys et al., 2002; Barton et al., 2009, 2010) 陆上(地表) 和水下(海底) 3. 火山活动 (Tilling et al., 1990) 陆上(地表) 和水下(海底) 4. 海啸波浪(Shanmugam, 2006b) 陆上(地表) 和水下(海底) 5. 巨浪(Dysthe et al., 2008) 水下(海底) 6. 龙卷风波浪(Bea et al., 1983; Prior et al., 1989; Shanmugam, 2008b) 陆上(地表) 和水下(海底) 7. 内波和内潮汐(Shanmugam, 2013) 水下(海底) 8. 落潮流(Boyd et al., 2008) 水下(海底) 9. 季风降雨(Petley, 2012) 陆上(地表) 10. 地下水渗流(Brö nnimann, 2011) 陆上(地表) 和水下(海底) 11. 山火(Cannon et al., 2001) 陆上(地表) 12. * 人类活动(Dan et al., 2007) 陆上(地表) 和水下(海底) 1. * * 构造事件: 特别是, (a)构造超陡(Greene et al., 2006); (b)裂谷带拉张力(Urgeles et al., 1997); (c)斜海底山俯冲(Collot et al., 2001), 等 陆上(地表) 和水下(海底) 中期事件: 数百年 到数千年 2. 冰川最大负载(Elverhø i et al., 1997, 2002); 冰川融水(Piper et al., 2012) 水下(海底) 水下(海底) 3. 盐体运动(Prior and Hooper, 1999) 水下(海底) 4. 沉积负载(Coleman and Prior, 1982; Behrmann et al., 2006) 水下(海底) 5. 静水负载(Trincardi et al., 2003) 水下(海底) 6. 海底流(Locat and Lee, 2002) 水下(海底) 7. 海底峡谷生物侵蚀(Dillon and Zimmerman, 1970; Warme et al., 1978) 水下(海底) 8. 天然气水合物分解(Popenoe et al., 1993; Maslin et al., 2004; Sultan et al., 2004) 水下(海底) 1. 海平面低位域(Damuth and Fairbridge, 1970; Shanmugam and Moiola, 1982, 1988; Vail et al., 1991) 水下(海底) 长期事件: 数千年到 数百万年 * 尽管人类活动被认为是有史以来引起海底质量运动的第2常见的触动因素(仅次于地震)(Mosher et al., 2010), 但其实人类活动对于解释古代岩石记录是无关紧要的。 * * 一些构造事件可能经历数百万年。

表4 引起沉积物失控的触动因素①的类型与持续时间 (Shanmugam, 2016a, 综合多篇文献资料) Table4 Types and duration of triggering mechanisms of sediment failures(Compiled from several sources. Updated after Shanmugam, 2016a)

总之, SSDS不能揭示 图16中的各种触动因素的任何东西。

^① 作为一个准则, 一个成因术语必须代表一个沉积作用( 表 1)。“ 构造岩” (tectonite)这个术语是代表构造成因的具变形特征的岩石(Turner and Weiss, 1963)。后来, “ 地震岩” (seismites)这个术语用来代表地震引起的具变形特征的岩石(Seilacher, 1969; Einsele et al., 1996)。但构造活动和地震的区别常常是欠明确的, 因为地震可能是而且常常是构造活动的不可缺少的组成部分。例如, Ruff(1996)曾指出:“ 俯冲带产生世界上大部分的地震活动和所有的大地震” 。然而, Allen(1975)讨论了在地质记录中识别地震的挑战。

在 图17和 图18中, 我起用了“ 双向叠层构造” (duplex-like structures)这个术语, 即S形变形构造(sigmoidal deformation structure)。在Allen(1984)的SSDS的分类中, 这个“ 双向叠层构造” 相当于叠瓦构造(imbricate structures; 表3)。这个“ 双向叠层构造” 是变形构造的一个特殊类型, 它见于美国Quachita山脉中的宾夕法尼亚系Jackfork群的深水砂质岩相中(Shanmugam et al., 1988; Shanmugam and Moiola, 1995)。通常情况下, “ 双向叠层构造” 属于石化的地层中的构造成因的变形构造(Boyer and Elliott, 1982; 图19)。但是, 在Jackfork群中的S形变形构造不大可能是构造成因的, 因为在其相邻的地层中有相反方向的叠瓦构造。这些具相反方向的叠瓦构造, 很难用构造成因来解释。因此, 这些叠瓦片体的成因就被归因于沉积滑塌作用(Shanmugam et al., 1988)。这个结论是部分地根据实验室中的软可塑性物质的实验产生的小规模的双向叠置构造而提出的(Shanmugam et al., 1988; 该文的 图3)。具叠瓦片体的S形变形构造也可以在砂质碎屑流的水槽实验中产生(Shanmugam, 2000; Marr et al., 2001; 图20-A)。阿拉斯加的冰川碎屑流也可以产生叠瓦状层理( 图 20-B)。倪良田等(2015)把中国柴达木盆地西部侏罗系中的双向叠层制造的成因定为同沉积作用的滑塌作用, 但与地震有关。

表3

Table3

表3(Table3)

表3 不同作者和本文提供的各种软沉积物变形构造(SSDS) Table3 Soft-sediment deformation structures(SSDS)suggested by various authors and those documented in this study Allen(1984) 1. 旋卷层理(纹理) 2. 重荷模 3. 重矿物下垂 4. 被动变形层理 5. 碟状构造 6. 褶皱和砂丘 7. 薄片滑塌 8. 叠瓦状构造 9. 变形交错层理 Collinson(1994) 1. 重荷模 2. 火焰状构造 3. 假结核(假团块) 4. 旋卷层理 5. 泥质底辟 6. 碟状-柱状构造 7. 沉积物注入体 8. 砂火山 9. 同沉积断层 10. 沉积物收缩 11. 压实构造 12. 早期化学沉淀 Boggs(2001) 1. 滑塌构造 2. 负载和垮塌构造 3. 注入(流化)构造 4. 流体逃泄构造 5. 干裂构造 6. 撞击构造 本文 1. 微褶皱(图 2) 2. 包卷层理(图 3-A) 3. 含微褶皱的滑塌单元(图 3-B) 4. 滑塌褶皱(图 4) 5. 砂质滑塌, 典型SSDS(图 5) 6. 泥质滑塌(图 6) 7. 角砾状碎屑层(图 7) 8. 伸张断层(图 8-A) 9. 重荷模(图 8-B) 10. 石香肠(图 9-A) 11. 旋转火焰构造(图 9-B) 12. 碟状构造(图 10-A) 13. 管状构造(图 10-B) 14. 含柱状构造的液化砂岩(图 11-A) 15. 倾斜的富黏土层(图 11-B) 16. 液化砂团(图 12-A) 17. 尖灭砂层(图 12-B) 18. 变形交错层理(图 13-A) 19. 被动变形层理(图 13-B) 20. 含阻力碎屑注入体(图 14-A) 21. 含支流碎屑注入体(图 14-B) 22. 含碎屑的褶皱状碎屑注入体(图 15-A) 23. 砂质填充显微断裂(图 15-B) 24. 双向叠层构造(图 18) 25. 含肠状褶皱的碎屑注入体(图 23-A) 26. 主砂质层之下的碎屑注入体(图 25-C) 27. 滑塌褶皱中的拉伸碎屑物(图 31-C)

表3 不同作者和本文提供的各种软沉积物变形构造(SSDS) Table3 Soft-sediment deformation structures(SSDS)suggested by various authors and those documented in this study

图17

Fig.17

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	图17 美国阿肯色州沃希塔山脉宾夕法泥亚系Jackfork群DeGray泄洪道东侧剖面的双向叠层构造及其横向延伸性(箭头所指)(据Shanmugam et al., 1988)Fig.17 Outcrop photograph showing duplex-like structures(i.e., sigmoidal deformation structures)and laterally extensive nature(arrow)of the Pennsylvanian Jackfork Group at DeGray Spillway East Wall Section, Ouachita Mountains, Arkansas(after Shanmugam et al., 1988)

根据实验结果和野外露头的观察( 图 21-A), 本文作者提出了一个海底峡谷中的双向叠层构造的成因模式, 它有3个发育阶段( 图 21-B):

第1阶段: 沿着海底峽谷的延伸方向, 生成了重力流沉积。

第2阶段: 沿着海底峽谷的左侧谷壁, 由于沉积物的失控而发生的质量流 ^②, 以垂直于第1阶段生成的沉积物的方向, 滑落在它的上面, 从而形成“ 叠层1″(duplex 1)。请注意, 这个“ 叠层1” 的倾向与第1阶段生成的质量流沉积的倾向是相反的。

第3阶段: 沿着海底峽谷的右侧谷壁, 由于沉积物的失控而发生质量流, 又以垂直于第2阶段生成的沉积物的方向, 滑落在它的上面, 从而形成了“ 叠层2” (duplex 2)。

图18

Fig.18

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	图18 美国阿肯色州沃希塔山脉宾夕法泥亚系Jackfork群DeGray泄洪道东侧剖面的2个相邻的S形变形构造, 即双向叠层构造(据Shanmugam et al., 1988)Fig.18 Outcrop photograph showing two adjacent sigmoidal deformation structures(i.e., duplex-like structures)with opposing dips of imbricate slices of the Pennsylvanian, Jackfork Group at DeGray Spillway East Wall Section, Ouachita Mountains, Arkansas(after Shanmugam et al., 1988)

图19

Fig.19

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	图19 逆冲推覆构造中的双向叠层构造理论成因模式(修改自Boyer和Elliott, 1982; 引自Shanmugam等, 1988)Fig.19 Theoretical stages of development of duplex-like structures in thrust tectonics (Simplified after Boyer and Elliott, 1982. Diagram from Shanmugam et al., 1988)

图20

Fig.20

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	图20 具叠瓦片体的砂质碎屑流和地表泥浆流特征Fig.20 Characteristics of sandy debris flows with imbricate slices and subaerial slurry flows A-水槽侧视图, 斜向箭头指示被冻结的具叠瓦片体的砂质碎屑流, 其中流体本身受到破坏, 当其由于压力作用逆冲推覆到前面的片体上时, 在砂质碎屑流中会形成叠瓦构造, 岩石记录中的类似构造(如双向叠层构造)已被归于同沉积成因(Shanmugam et al., 1988), 砂质碎屑流向从右到左, 照片引自Shanmugam(2000); B-地表泥浆流, 为从左向右运动的塑性泥石流, 展示了阿拉斯加马塔努斯卡冰川 正面区域所发育的同沉积褶皱(Lawson, 1981), 其成因类似于砂质碎屑流中叠瓦片状体(参考图21-A), 照片由G. D. Klein提供

图21

Fig.21

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	图21 双向叠层构造的理想地层柱状图和沉积模式(据Shanmugam et al., 1988)Fig.21 Ideal stratigraphic column and depostional model of duplex-like structures(after Shanmugam et al., 1988) A-不同组分组成的双向叠层构造的理想地层柱状图; B-海底峡谷中双向叠置构造的成因模式: 第1阶段, 发育轴向沉积物重力流沉积; 第2阶段, 由右侧通道触发的重力流所引起的未经岩化的沉积物变形, 形成为叠层1(Duplex 1); 第3阶段, 由左侧通道触发的重力流 所引起的未经岩化的沉积物变形, 形成为叠层2(Duplex 2)

图22

Fig.22

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	图22 挪威近海岸白垩系阿加特组砂岩注入体及其注入期次划分Fig.22 Sandstone injection of the Cretaceous Agat Formation offshore Norway and its relative timing of different injection events A-岩心照片, 具肠状褶皱构造的砂岩注入体; B-不同注入作用事件的相对时间。照片引自Shanmugam(2012a), 爱思唯尔许可

图23

Fig.23

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	图23 尼日利亚近海岸上新统砂岩注入体岩心照片(据Shanmugam, 2012a)Fig.23 Core photographs showing sandstone injection of the Pliocene in offshore Nigeria(after Shanmugam, 2012a) A-砂岩注入体中见由于压实作用形成的肠状褶皱(箭头所指); B-第1期砂岩注入体和第2期注入体的分支

图24

Fig.24

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	图24 由地震-液化作用引起的砂岩注入体示意剖面图Fig.24 Schematic section showing occurrence of seismic-liquefaction induced sand injections in subsurface 这种情况适用于可能受到震动影响的地下及海底环境。原文参考Obermeier等(2005), 也可参考Obermeier(1996)。 照片引自Shanmugam(2012a), 爱思唯尔许可

图25

Fig.25

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图25 英国北海始新统砂质滑动/滑塌特征(据Shanmugam, 2012a)Fig.25 Characteritics of sandy slide/slump unit of the Eocene in North Sea, U.K. (after Shanmugam, 2012a) A-砂质滑塌的伽马测井特征; B-沉积相柱状图, 其中主滑动面(滑脱构造)为主要位移发生的基本/基础滑动面, 次级滑动面为次级位移发生的内部滑动面, 泥质碎屑位于基底接触面之上一定距离处; C-岩心照片, 上砂岩段(浅色部分)与下砂岩段(深色部分)互层, 基底接触面(箭头所指)被解释为一个砂质滑塌的主滑动面(滑脱构造)。关于这一岩心段的其他照片已发表在Shanmugam(2012a)文中的图3-10、3-12、3-13和3-14。由于剪切应变, 被许多近似平行的破裂/断裂压碎并角砾化的 岩石单元构成剪切带, 剪切带底部见1个砂岩墙(注入体)

图26

Fig.26

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	图26 沉积负载引起的砂岩注入体成因模式(据Shanmugam et al., 1994)Fig.26 A model for origin of sandstone injections controlled by depositional loading(after Shanmugam et al., 1994)

图27

Fig.27

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	图27 类似于海底山脊的沟-叶状砂岩注入体(Surlyk, 1987)(A)和高速沉降引起的与断层作用相关的砂质碎 屑流及其注入体的沉积模式(B)Fig.27 Gully-lobe sands characterized by sand injections as sills(Surlyk, 1987)(A) and depositional model showing sandy debrites with injections associated with faulting induced by high rates of sedimentation(B)

这个同沉积作用成因的双向叠层构造, 在解释野外地层中的双向构造的成因上, 比常见的构造成因的观点, 更有说服力。依据动力学的观点, 这个双向成因的模式更符合重力驱动的变形作用(Waldron and Gagnon, 2011)。

^①(In-situ earthquake structures)可以称为“ 地震岩” , 它包括砂墙(sand dikes)、砂喷(sand blow)、泥火山(mud volcanoes)” 。这句话扩大了“ 地震岩” 这个术语的原来含意, 使它包括了成因多样而且复杂的“ 碎屑注入体” 。碎屑注入体的触动因素 ^②有: (1)沉积滑塌(Truswell, 1972); (2)沉积负载(Hiscott, 1979; Surlyk, 1987; Shanmugam et al., 1994); (3)冰川负载(Le Heron and Etiene, 2005); (4)构造应力(Peterson, 1966); (5)地震活动引起的液化作用(Obermeier, 1989); (6)岩浆侵入(Andersen et al., 1998); (7)盆地中的流体垂直移动(Brooke et al., 1995); (8)其他冲击原因(Srurkel and Ormö , 1997)。Jolly 和 Lonergan(2002)认为, 地震和沉积作用是形成碎屑注入体的2个最常见的触动因素 ^②。

Shanmugam(2012a)发表了世界各地的许多石油储集层的岩心照片, 其中有不少砂岩中的和泥岩中的碎屑注入体( 图 14, 图15, 图22, 图23), 他把这些注入体(SSDS)归因于同沉积的成因。但是, 肠状褶皱却与构造活动有关(Godfrey, 1954)。重要的砂岩注入体(sandstone injection)见于智利的更新统的大海啸沉积中(Le Roux et al., 2008)。Obermier 等(2005)描述了多种与地震活动有关的碎屑注入体( 图 24), 尤其是由地震引起的含有棱角的泥岩碎屑的砂注入体(sand injection)。

在巨厚的砂质搬运沉积(sandy mass-transport deposits, 即SMTD)的下面, 在与之紧接的泥岩中, 有许多砂岩注入体( 图 26)。据此, 一个由 SMTD 的沉积负载引起的碎屑注入体成因模式( 图 26)就提出来了(Shanmugam et al., 1994)。这个模式包括以下的沉积层序:

1)上斜坡的沉积物的失控形成了砂体滑塌(sandy slumps)、砂体滑动(sandy slides)和砂质碎屑流沉积(sandy debrites)的囊状体。

2)这些砂质囊状体很快就被后来的泥质碎屑流(muddy debris flows)掩埋和封闭起来。这些砂质囊状体是具有超高压的。

3)后来的砂体滑塌和砂体滑动又覆盖在已被掩埋的砂质囊状体上面, 使这些砂质囊状体又受到沉积负载并发生液化作用。

Surlyk(1987)曾指出: 在格陵兰东部杰姆逊陆地(Jameson Land)的上侏罗统哈利组(Hareelv Formation)中, 有一个60~75, km²的地区。在这一地区, 有一个200~500, m 厚的黑色页岩, 其中分布着一些砂岩岩体。这些砂岩充填在很深的、壁很陡的沟谷中和长形的冲沟中, 具较平整的、横向延伸的和平行的边缘, 但在沟口处呈舌状沉积。在这些舌状沉积中, 有砂注入体(sand injections), 例如岩床状的注入体( 图 27-A)。在Shanmugam(2012a)的研究地区, 深水砂质碎屑流沉积(debrites)常与 SMTD 共生, 还常位于断裂带(faulted zones)中( 图 27-B)。

等(2006)根据中东地区死海盆地的野外研究, 提出“ 内碎屑角砾岩岩层” (intraclast breccias layers)是鉴别地震成因的沉积的标志。但是, 这种角砾岩层在我的研究地区是很常见的, 例如北海( 图 7-A, 图8-A)、尼日利亚( 图 7-B)、孟加拉湾(Shanmugam, 2009)和其他地区(Shanmugam, 2012a)。这些地区的角砾状碎屑都很相似, 都是当地物源的泥岩的角砾。因此, 这个角砾状碎屑岩层的成因问题没有必要涉及地震。

各种地下的深水沉积的石油储集层已在我以前发表的文章中有详细的论述(Shanmugam et al., 1994, 1995, 2009; Shanmugam, 2006a, 2012a)。这些研究包括墨西哥湾( 图 28)、北海(图 25, 图29)、赤道几内亚(图 30)、孟加拉湾(图 31)等。这些地区的深水砂岩 ^①的下伏岩石均为具SSDS的泥岩 ^②。这是一个十分显著的地层学和沉积学的特征。这个地层学的格架提供了一个令人信服的证据, 即沉积负载是SSDS的主要成因。

以下为2个实例。

4.5.1 与质量运动(mass-movement)有关的SSDS Shanmugam 等(1995)曾报道过英国陆棚(U.K. Continental Shelf)上的克里封-哈丁地区岩心中的砂岩岩床和岩墙。Purvis 等(2002)也报道过克里封地区的注入体。在克里封地区, 在下始新统的储集层的测井曲线中, 块状的无尖峰的层段(blocky log motif)( 图 29-A)很发育。这个岩心段主要是薄层的砂岩岩层, 其上界面清晰, 底界面为陡峭的剪切力滑动面( 图 29-B)。这些砂岩分选差, 含5%~15%的杂基, 含漂浮的泥岩碎屑(直径达15, cm, 图29-C), 还有泄水构造。这些特征表明它们是砂质质量搬运沉积(sandy mass-transport deposits), 例如砂质滑动沉积、滑塌沉积和碎屑流沉积。这个9/18b-7井中的近122, m(400英尺)连续的岩心是采用人工合成地震图(synthetic seismograms)标定出来的(Shanmugam et al., 1995)。

在这个122, m(400英尺)厚的砂岩层段与其下伏的巴尔德火山凝灰岩(Balder tuff)之间的滑动面是非常截然的( 图 29-B)。这个具白垩状结构的凝灰岩为砂质质量运动(sandy mass movement)提供了滑动剪切面。其结果, 就在此泥质岩相中产生了SSDS( 图 29-B)。这个实例很像前面论述的与沉积负载作用有关的碎屑注入体( 图 25), 它显然是与深水质量运动(mass movement)有关的沉积负载作用的沉积。Shanmugam(2015)曾讨论过孔隙水压力和液化作用在海底滑动中的作用。Alves(2015)也讨论过深水盆地中的海底滑动块体和软沉积物变形。Odonne 等(2011)也曾以西班牙比利牛斯山始新统的Sobrarbe三角洲和秘鲁安第斯山的中白垩统Ayabacas组为例, 讨论过海底滑动与软沉积物变形。

4.5.2 与峡谷有关的SSDS Krishna-Godavari(KG)盆地位于印度孟加拉湾的东部大陆边缘( 图 31-A)。Shanmugam 等(2009)根据现代海底测深资料、常规的岩心和地震资料, 对该盆地进行了综合研究。3口井的岩心表明它们是上新世的深水滨外沉积。该地区的现代测深资料表明, 在这个上斜坡环境中广泛发育着质量搬运沉积(mass-transport deposits)和海底峽谷。

根据岩心的岩相特征, 本文作者提出了一个海底峡谷模型( 图 31-B)。这个海底峡谷充填着砂质碎屑流和砂质潮汐流沉积。在这个峡谷壁之下的泥岩中, 有滑塌褶皱、高角度倾斜的组构、角砾状泥岩碎屑、漂浮的砂岩碎屑和砂质注入体( 图 31)。Le Roux 等(2004)也报道过, 在智利中-北部的崩塌海底峡谷中, 在中新统-上新统中, 也有类似的变形构造。

在 图31的峡谷壁附近, 充填着砂质碎屑流沉积(即在厚层砂岩中有漂浮的石英颗粒和泥岩碎屑)、泥质滑塌沉积(即泥岩中的扭曲的层和剪切构造)和砂质潮汐沉积(即细砂岩中的分散的泥质波痕)。在KG盆地中, SSDS发育在峡谷中和峡谷壁之下( 图 31-B), 这是当地的质量搬运沉积、沉积负载作用以及其他有关的变形作用的结果。

图28

Fig.28

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	图28 墨西哥湾第四系含漂浮泥岩碎屑的砂岩柱状图和岩心照片(引自Shanmugam, 2012a)Fig.28 Sedimentological log and core photograph showing sand with floating mudstone clasts of the Quaternary in Gulf of Mexico(from Shanmugam, 2012a) A-含漂浮泥岩碎屑的砂岩厚层段柱状图, IG 45-20, 东断层区域, 水深1416, m; B-岩心照片, 下伏泥岩中的砂岩注入体, 见砂岩的基底剪切面, 砂岩呈逆粒序, 含漂浮的泥岩碎屑, 可能代表了砂质滑塌与砂质碎屑流之间的过渡阶段, 箭头表示地层位置

图29

Fig.29

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	图29 英国北海Gryphon 油田地区下始新统砂岩的沉积特征(据Shanmugam et al., 1995)Fig.29 Depositional characteristics of the Lower Eocene sand, Gryphon Field Area, U.K. North Sea(after Shanmugam et al., 1995)

图30

Fig.30

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	图30 西非赤道几内亚近海岸Zafiro油田2号井上新统块状砂岩及其顶部的泥岩碎屑柱状图及测井曲线(引自Shanmugam, 2012a)Fig.30 Sedimentological column and log curves of amalgamated massive sandy units and mudstone clasts near the top of the Pliocene from Well Zafiro 2 in Zafiro Field, offshore Equatorial Guinea(from Shanmugam, 2012a) A-伽马测井曲线; B-电阻率测井曲线; C-混合(合并)后的块状砂岩及其顶部附近含量增加的泥岩碎屑柱状图

图31

Fig.31

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	图31 孟加拉湾克利须那河-哥达瓦里河盆地峡谷填充相特征Fig.31 Characteristics of canyon-fill facies of Krishna-Godavari(KG)Basin on Bay of Bengal A-克利须那河-哥达瓦里河盆地位置图, 位于印度的东大陆边缘, 孟加拉湾; B-一个由砂质碎屑流沉积、砂质潮汐沉积和泥质滑塌所构成的峡谷填充相的实例, 内峡谷沉积相由泥质滑塌和碎屑流沉积与砂岩注入体组成, 在峡谷壁的上、下方均存在明显的严重的沉积物变形, 峡谷壁上岩心采样的缺失可能正是由于这种极端严重的沉积物变形所致; C-岩心照片, 泥岩中的滑塌褶皱(虚线部分)和拉伸碎屑物, 2号井, 2083.2, m处, 峡谷填充相。据Shanmugam等(2009), 沉积地质学协会(SEPM)许可

为了配合《古地理学报》的“ 多成因的软沉积物变形构造及地震岩” 专辑的出版, 让我们共同研究孟加拉湾Krishna-Godavari(KG)盆地的多成因的SSDS。液化作用是形成SSDS的一个重要条件(Allen, 1984)。引起液化作用的基本因素是孔隙水的超高压力。学术界、政府部门和石油工业单位的专家们已对KG盆地的超高压带的各个方面进行了研究(Goud and Bhavana, 2010; Samanta et al., 2010; Jain et al., 2012; Singha and Chatterjee, 2014; Chatterjee et al., 2015)。Dewangen 等(2010)在描述KG盆地的与超高压有关的诸多因素的复杂性时, 曾这么说: “ 由于该研究地区位于页岩构造区, 该地区的中新统具有超高的压力。我们认为该地区的超高压带是一个中新世的页岩底辟构造。这个页岩底辟构造使其上覆的岩层形成了许多断层和裂隙。这些断层和裂隙作为流体和气体可渗透的通道, 从而在此页岩底辟隆起构造附近形成了天然气水合物和冷水渗出。”

KG盆地的SSDS的成因由多种触动因素 ^①引起。它不仅受海啸的影响( 图 32-A), 也受其他因素如龙卷风、季风等的影响( 图 32-C)。这与该盆地的位置有关。该盆地位于印度大陆的东部边缘, 多种触动因素引起了该地区的沉积物失控、超高压力、液化作用和SSDS的发育。下面的一些因素, 是按引起该盆地液化作用的重要性的顺序列出的:

图32

Fig.32

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图32 2004年的印度洋地震引起的海啸在孟加拉湾克利须那河-哥达瓦里河盆地的传播和相关的海平面变化及SSDS控制因素(修改自NOAA, 2005)Fig.32 Schetch showing propagating tsunami waves and relative sea level change caused by the 2004 Indian Ocean Earthquake towards Krishna-Godavari(KG) Basin in Bay of Bengal, and controlling factors of SSDS(modified from NOAA, 2005) A-2004年12月26日, 印度洋地震, 震中位于苏门答腊岛西海岸以外(坐标3.307° N, 95.947° E), 海啸波自震中向孟加拉湾的 克利须那河-哥达瓦里河盆地(实圆点)传播, 海平面测量数据来自地震2 h后的Jason-1卫星航测; B-X-X'剖面的相对海平面变化; C-孟加拉湾克利须那河-哥达瓦里河盆地中SSDS的控制因素

图33

Fig.33

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图33 白垩纪-第三纪之交(K-T, 约65, Ma以前)发生的希克苏鲁伯陨石撞击事件在墨西哥尤卡坦半岛的影响位置示意图Fig.33 Map showing the site of Chicxulub meteorite impact at the K-T boundary in Yucatan, Mexico 五角星代表与K-T边界墨西哥希克苏鲁伯陨石撞击事件有关的块体运移沉积(MTD)和海啸沉积的大概位置(Bourgeois et al., 1988; Smit et al., 1996; Grajales-Nishimura et al., 2000; Takayama et al., 2000; Claeys et al., 2002; Lawton et al., 2005); 虚线代表海啸波传播; 底图来自于NOAA卫星和信息服务, http: //www.ssd.noaa.gov/imagery/gmex.html, 2010年5月31日访问获取; 希克苏鲁伯陨石撞击事件的位置, http: //www.unb.ca/passc/ImpactDatabase/NorthAmerica.html, 2010年5月31日访问获取。古近系威尔科特斯趋势(Wilcox Trend) 概要参考几篇文献(如Meyer et al., 2007)。图片引自Shanmugam(2012a), 爱思唯尔许可, 许可证书号: 3880791279258

图34

Fig.34

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	图34 触动因素级别、沉积物运移、液化状态 和具有SSDS的沉积体之间的复杂关系示意图Fig.34 Diagram illustrating complex interrelationships among order of triggers, sediment transport, state of liquefaction, and deposition of SSDS

共有21个触动因素直接或间接引发了运移过程、沉积机制及相关液化作用( 表 4), 其中地震会引发海啸, 海啸又能引发块体运动。红箭头表示其他触动因素, 蓝箭头表示具有或不具有流体转换的一个或多个沉积物运移过程(Fisher, 1983), 灰箭头表示最终沉积。块体运移既是一种触动因素, 又是一种运动过程。关于此图中所列触 动因素的具体事例的讨论, 参考Shanmugam(2006a, 2006b, 2012a)

1)海啸波浪。众所周知, 在2004年, 在印度洋发生了1次大海啸(NOAA, 2005)。在印度洋地区, 在416-2007年期间, 共有128次海啸和998次高浪(Shanmugam, 2008b)。影响到孟加拉湾的海啸, 在最近的270年中达48次, 即每6年有1次。按这个频率, 在现在的海洋高位期, 应发生过3000多次的海啸。这些海啸都与地震有直接关系(参看Shanmugam, 2008b, 该文的 表3)。Young 等(2009)也曾论述过孟加拉湾的海啸及其对液化作用的影响。

2)龙卷风波浪(即台风波浪)。在1891-2000年, 在孟加拉湾, 每年有10次龙卷风(Mascarenhas, 2004)。按这个频率计算, 在现在的海洋高位期间, 该地区应有200, 000次龙卷风(Shanmugam, 2008b; 该文的 图7-B)。看来, 把孟加拉湾当作世界上的风暴浪之首也不为过(Chu et al., 2002)。龙卷风对液化作用的意义已被许多研究者论述过(Madsen, 1978; Finn et al., 1983; Okusa, 1985; Lee and Foo, 1990), 还有美国2005年的Katrina飓风(Robertson et al., 2007)和中国台湾2009年的Morakot台风(Hale et al., 2012)的特殊文献。

3)质量运动(mass movement) ^①在峡谷上斜坡的优势(Shanmugam et al., 2009)。Shanmugam(2015)还论述了与质量运动有关的液化作用的诸多方面的问题。

4)与季风有关的快速沉积作用(Solheim et al., 2007)。

5)陆棚边缘的三角洲沉积作用(Bastia et al., 2006)。

6)与海底断层陡坡有关的沉积作用(Forsberg et al., 2007)。

7)地震(Sukhtankar et al., 1993)。

8)页岩底辟构造(Dewangan et al., 2010)。

9)天然气水合物(Ramana et al., 2006)。

10)退潮潮汐流(Narasimha Rao, 2001; Shanmugam et al., 2009)。

11)内波及内潮汐(LaFond and Rao, 1954; Antony et al., 1985)。

具SSDS的沉积单位的横向延伸, 不管其成因是什么, 已在全世界范围内广为论述。例如, 在英国的南威尔士, 在有球枕构造(SSDS)的石炭纪煤系中, 同一个层位可以追索15, km以上(Kuenen, 1948; Allen, 1982)。Mutti(1992)曾把西班牙中南部下始新统的深水滑塌层对比到近18, km。在盆地-平原的浊积岩层中, 具包巻层理的岩层可以延伸几百千米以上(Shanmugam, 2006a)。但是, 这些岩层都可以用同沉积作用的机制解释, 与地震没有关系。

在强调地震岩的横向延伸时, Simms(2003)指出: “ 在英国三叠系瑞替阶Penarth 群Cotham段中, 被一个海啸岩覆盖的一个2~4, m厚的地震岩, 可以在250, 000, km²的范围内进行追索。它的稳定的厚度、强烈的变形和滑塌褶皱轴的优势定向, 说明引起这个地震岩的地震震级> 10级, 其震中在英国中部以西或西北的600, km处” 。这么大范围的和长距离的延伸很难与理论和经验一致。Allen(1986; 该文的 图1), 利用日本的地震(Kuribayashi and Tatsuoka, 1975), 说明能引起SSDS的液化作用的位置, 可以在震级为7.5级的地震震中以远的700, km处。Allen(1986)还讨论了预测由地震引起的SSDS的横向延伸的限度。

变形层段的长距离的对比还被一些地质学家用来鉴别古地震的一个标准(Sims, 1975; Owen and Moretti, 2011)。但是, 这个标准是站不住脚的。请看下面的实例:

1)前面说过, Kirkland 和 Anderson(1970)曾把美国新墨西哥和得克萨斯的得拉华盆地(Delaware Basin)的二叠系卡斯提尔组(Castile Formation)的构造成因的厘米级厚的SSDS, 对比到113, km 的距离(亦参看Kirland et al., 2000; 该文的 图10)。

2)一般来说, 与5~7级地震有关的SSDS, 仅发生在以震中为中心的小于20, km 范围内(Papadopoulos and Lefkopoulos, 1993)。

3)地震岩和SSDS的空间分布和横向变化, 比地震和SSDS的横向延伸的关系, 要复杂得多(Rodrí guez-Lopez et al., 2007; Alfaro et al., 2010)。

4)关于这一问题, Van Loon 和 Pisarska-Jamro z˙y(2014)曾指出: “ 从逻辑上讲, 大范围的延伸标准, 作为一个规律, 在实践中是很难实行的, 因为长距离地追踪地震岩是不可能的, 它可能受到地质构造的干扰, 也可能被剥蚀掉。”

6.1 与海啸有关的沉积

海啸沉积, 包括其变形的特征(Shanmugam, 2012b), 曾被用来长距离的对比(Pinegina and Bourgeois, 2001; Bourgeois, 2009)。在地中海, 一个12, m厚的海啸沉积竟在lonian深海平原分布至少1100, km²(Hieke, 1984)。虽然这一沉积层并没有变形特征, 但它确实是大面积的有海啸侵入的沉积。这一沉积层与大约3500年前 Santorini Caldera的“ 崩塌” (collapse)引起的海啸有关。这一火山事件(?)与这一广泛分布的海啸沉积层有成因关系(可参看 Cita et al., 1996; 这句话中的“ ?” 是译者加的)。

最近的海啸沉积的大面积横向延伸的实例, 是印度的泰米尔纳都(Tamil Nadu)2004年的印度洋海啸(Srinivasalu et al., 2009)。此次海啸的海浪高达15, m。印度尼西亚西部的苏门答腊岛, 接近断裂边界, 浪高10, m。而斯里兰卡和泰国的浪高则4, m多(NOAA, 2005)。在印度洋的另一侧, 非洲的索马里和塞舌尔群岛亦受到4, m高的海浪冲击。 图32是在地震2, h后, Jason-1卫星测到的印度东海岸(在 图32中, 是苏门答腊西海岸)的海浪高度。

在这个大面积的海啸袭击的范围内, 至今尚未见到有关SSDS的报导(这句话是译者加的)。

6.2 与陨石冲击有关的沉积

世界上最重要的10个陨石冲击构造, 见于Shanmugam(2012a)的 表5.3。北美各地质时代的陨石冲击文献亦见于Shanmugam(2012a)的 表5.3。Schulte 等(2010)评论了墨西哥尤卡坦半岛北部K-T界线处的希克苏鲁伯(Chicxulub)小行星冲击的地质意义( 图 33)。这个K-T界线事件不仅产生了由这个小行星冲击引起的地震震动(Brawlower et al., 1998; Busby et al., 2002; Norris and Firth, 2002; Day and Maslin, 2005), 还产生了由这个冲击触发的海啸(Smit et al., 1996; Claeys et al., 2002)。据文献记载, 在这个K-T界线处, 由希克苏鲁伯陨石撞击事件(Chicxulub事件)引起的块体移动沉积(MTDs)及其他沉积, 遍布整个墨西哥湾( 图 33)(Bourgeois et al., 1988; Smit et al., 1996; Grajales-Nishimura et al., 2000; Takayama et al., 2000; Claeys et al., 2002; Lawton et al., 2005)。问题是现在还没有证据, 能把与地震有成因关系的海啸沉积和与陨石冲击有成因关系的海啸沉积区分开。

图35

Fig.35

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	图35 英国北海始新统油浸的砂注入体和砂岩碎屑岩心照片Fig.35 Core photographs showing oil-stained sand injection and sandstone clasts of the Eocene in North Sea, U.K. A-1个砂注入体的直接分支(箭头处), 砂岩中深色区域为油斑, 图片引自Shanmugam(2012a), 爱思唯尔许可; B-沿滑动褶皱轴捕获的 被石油浸染着色的砂岩碎屑, 始新统中部, 英国北海中央地堑, 图片引自Shanmugam(2012a), 爱思唯尔许可。许可证书号: 3880791279258

许多研究者都论述过砂注入体(sand injections)在石油储集层评价中的重要作用(Shanmugam et al., 1993, 1994, 1995; Purvis et al., 2002; Shanmugam, 2006a, 2012a; Hurst and Cartwright, 2007; 等)。砂注入体有各种大小和形状, 可让流体在砂岩体中进行纵向的和横向的流动。这些砂岩通常是油浸的( 图 35-A)。这表明这些碎屑注入体是流体移动的通道。有时, 油浸的砂岩位于滑塌褶皱的轴部( 图 35-B)。因此, 对于深水层序的实际地质模式的开发和水动力学的储集层的模拟, 尤其是对于碎屑注入体, 都是很重要的。

在论述SSDS对石油储集层评价的重要性时, Zheng 等(2015)曾经指出: 这些变形的岩层对石油的聚集是十分有利的, 例如沉积岩墙(sedimentary dikes)可以穿过许多岩层并作为流体运移的通道。由地震引起的断层和裂隙也可以作为石油运移的通道或油贮。

1)在近82年(1931-2013)中, 共出现了39个成因术语, 平均每2年出现1个。在这39个成因术语中, 只有10个术语是真正沉积成因的(例如浊积岩), 其他的术语都是很草率地提出的(例如地震岩、海啸岩、滑塌浊积岩等)。

2)“ 地震岩” 这个成因术语, 是赛拉赫(Seilacher, 1969)根据美国加利福尼亚州中新统蒙特雷组的一个10, m露头提出的, 没有扎实的科学分析, 是一个误用的术语。

3)虽然“ 地震岩” 这一成因术语在一些学术领域中很常见, 但它的4分的垂向地震序列(a, b, c, d)却没有被全世界的地质学家接受。换句话说, 全世界的地质学界仅接受了这个装饰性的术语“ 地震岩” , 却没有接受这个垂向序列。

4)“ 地震岩” 这个成因术语指是由地震这个触动因素 ^①引起的。地震不像沉积作用那样, 它的影响不能在沉积记录中保存下来。

5)软沉积物变形构造(SSDS)常被用来作为鉴别古地震的标准, 其实它是液化作用的产物。液化作用可以由21种触动因素 ^①中的任何一种所引起。

6)中东地区死海盆地中的角砾状碎屑, 即所谓的典型的由地震引起的沉积, 其实是碎屑流的沉积。

7)SSDS的横向延伸, 常作为鉴别古地震的证据, 这是不可信的。因为由海啸和陨石冲击引起的大量沉积常常是这样的。

8)世界各地的地下的砂岩石油储集层的实例表明, 沉积物负载是一个解释SSDS成因的可信的(viable)触动因素 ^①。

9)位于印度东部大陆边缘的Krishna-Godavari(KG)盆地中的SSDS, 是一个理想的由沉积物失控、超高压和液化作用引起的多成因的实例。但更重要的是, 却没有一个特定的沉积学标准去鉴别这些SSDS是由地震或其他触动因素 ^①形成的。

10)基于以上原因, “ 地震岩” 这个成因术语应当废弃。

11)在石油地质学中, SSDS(例如碎屑注入体)确实是很有用的, 因为它是石油迁移的通道。

12)在石油勘探中, 用触动因素 ^①(例如地震)去命名某一种沉积为“ 地震岩” 是很危险的。因为该沉积仅仅反映沉积过程的最后时期的流体性质。沉积过程及其相关的碎屑成分才是决定原生储层的几何形态和性质的因素。换句话说, 触动因素 ^①对认识石油储集层的成因是没有直接关系的。

致谢 我首先感谢《古地理学报》(中文版和英文版)的主编、中国石油大学(北京)的冯增昭教授, 他邀请我为2016年9月23-25日在河南理工大学召开的第14届全国古地理学及沉积学学术会议中的“ 多成因的软沉积物变形构造及地震岩” 专题研讨会, 写一篇综述性的文章, 即本文。我还要感谢中国地质大学(武汉)的杜远生教授, 他向冯增昭教授建议, 最好把此文的全文翻译成中文, 并在《古地理学报》(中文版)中刊出。我更感谢冯教授接受了这个建议, 并决定和《古地理学报》(英文版)的编辑刘敏博士共同翻译此文。《古地理学报》(英文版)的副主编王媛女士全力支持上述工作。我还要感谢D.W. Kirkland博士同意使用美国新墨西哥州二叠系卡斯蒂尔组的岩心照片, 并对此岩心照片中的微褶皱的成因提供了珍贵的意见。我还要感谢本文的评审人冯增昭教授、杜远生教授、中国地质科学院地质研究所的宋天锐研究员、美国D.W. Kirkland博士、和一位匿名的专家对本文的评审。他们都对本文提出了许多详细的建议, 从而极大地改善了本文的质量和图件的清晰度。我还要感谢我的妻子Jean Shanmugam, 她对本文提供了很多建议和帮助。最后我还要说明, 假如没有我在美国美孚公司工作阶段(1978-2000)和以后在世界各石油公司和世界各国的政府部门当顾问阶段所积累的大量资料, 是很难完成本文的编写工作的。

本文的英文稿“ The seismites problem” 已在Journal of Palaeogeography, 2016, 5(4):363-380, 刊出。