震积岩形态特征及地质意义综述

2013-09-04杜芳鹏师学耀

地下水 2013年4期

杜芳鹏，邓辉，师学耀，2

(1.西北大学地质学系，陕西西安 710069;2.陕西延长石油(集团)有限责任公司，陕西西安 710075)

地震活动是一种常见的地质事件，是地壳在内、外营力作用下，聚集的构造应力突然释放，产生震动弹性波，从震源向四周传播引起地面颤动，颤动能引起沉积物的变形，而具有地震引起的变形构造的岩层被称作震积岩(seismites)。虽然从广义上讲，所有具有古地震记录的岩石都可以归入震积岩的范畴，但研究中往往取其较为狭义的概念，即具有地震引发的软沉积变形构造的岩石。

震积岩(Seismites)一词是 Seilacher［1］于 1969年在研究美国加利福尼亚中新统蒙特利页岩中的递变断层时提出的，是指构造活动区水下未固结的沉积物在地震活动的改造后再沉积的沉积层。之后有一大批地质学家对震积岩进行研究，工作集中在对震积岩识别标志的描述和解释两方面［2－6］。时至今日，仍没有明确的标准可以将地震成因的软沉积变形与其他多种成因的软沉积变形区分开来。我国的震积岩研究始于1988年宋天锐对北京十三陵前寒武纪碳酸盐岩地层中“异常的沉积构造”的研究［7］。90年代，国内学者对震积岩的研究定位在建立垂向沉积序列，并取得了一定的成果:吴贤涛、尹国勋(1992)［8］建立了碎屑岩原地系统的地震液化序列;梁定益等(1991、1994)［9－10］建立了震积岩与不整合面序列，乔秀夫等(1994)［11］建立了海相碳酸盐岩震动液化地震序列;孙晓猛等(1995)［12］建立了大陆边缘震积岩序列。进入21世纪，震积岩的报道几乎遍布全国各个盆地，报道较多的有渤海湾盆地的济阳凹陷、东濮凹陷、惠民凹陷、东营凹陷中的沙河街组［13－19］、柴达木盆地西南区［20－22］、鄂尔多斯盆地延长组［23－25］、松辽盆地青山口组［26－27］，准噶尔盆地、塔里木盆地、川东、藏北等地区均有震积岩发现。然而，这些报道也多限于现象描述，震积岩的研究似乎遭遇瓶颈，一时难以取得突破性的进展。值得一提的是，鄢继华等［28］于2009年在水槽模拟实验中观察到了多种软沉积变形构造，虽然模拟的沉积环境单一、震级单一，但是给震积岩的研究提供了很好的思路。

1 震积岩识别标志

尽管至今仍没有明确的标准可以从众多成因的软沉积构造中识别出震积岩，然而前人的不断探索已经取得了丰硕的成果，以下沉积构造普遍被学者们认同为震积岩的识别标志。虽然这些构造单独来看可能有多种形成机制，地震振动只是其中一种，但这些构造的组合特征对其形成机制判定有这重要帮助。

1.1 阶梯状小断层

阶梯状小断层为一系列小型近平行排列的小断层，基本上都是正断层。一般仅发育在岩层中较薄范围内，断距3～10 mm，倾角较陡，呈阶梯状排列。阶梯状断层产生于强烈地震的斜坡地带，振动作用产生的地震剪应力大于斜坡抗剪强度，使得斜坡带沉积物发生断阶滑塌，形成断阶。此外，振动作用诱发的斜坡带滑塌体对下部沉积物的差异压实也会产生一系列断层［29］。

1.2 液化砂岩脉(墙)

在地震作用的震动过程中，尚未固结或弱固结的少黏性沉积物的砂、水关系被打乱，重新配置形成悬液，在泥岩夹砂岩或砂泥岩互层的地层中，液化砂岩沿裂隙充填或主动刺穿围岩侵位而形成液化砂岩脉(墙)，液化砂岩脉与岩层呈高角度或垂直相交。规模上，这种构造在垂向上延伸为几厘米到几米变化不等。以向上刺穿的脉体为主，也见向下侵位的脉体，沿侵位方向不规则地变窄，直到尖灭。然而，并非所有地震都能造成液化，一般认为只有地震震级大于5级砂岩才会液化［30］，当然，与沉积物的类型、类型和状态也有密切联系［17］。

1.3 震碎角砾

有两种角砾可能是地震过程中形成的。一种是薄层沉积物被拉成链状砾石层(loop bedding)，砾石间有时呈“藕断丝连”状，作用进一步加强就会分离，但是砾石间具有可拼合性，能追踪出它原始的层。它们很明显是原地的，未经过搬运。它们的形成被解释为薄层未固结或半固结的沉积物对一系列低等级地震造成的张应力场的响应，从根本上是对张性断裂缓慢活动的响应。由于沉积物力学性质的不同，可能会形成从纯塑性到纯脆性的角砾。另一种角砾则是液化砂岩脉向不同方向侵位，使得上覆薄泥岩角砾化，从而形成泥岩角砾，有些可以拼接，看到原来的层，而有些则被打乱，没法拼接到一起了。

1.4 砂侵蘑菇

沙侵蘑菇在形态上类似于小型的底辟构造，一般是分选较好的细砂、粉砂侵入到上覆泥岩层并造成其变形，形成近似蘑菇状的构造。在平面上，砂体呈带状分布。砂侵蘑菇常与液化砂岩脉、球枕构造混层共生，说明它们形成机理、条件上的近似性。

1.5 液化卷曲变形

液化卷曲变形主要表现为细砂、粉砂等在地震波的影响下，塑性泥质、粉砂质沉积物液化引起的水平层卷曲，形成以一系列形态各异的小型褶曲，呈波状、槽状起伏。

1.6 枕状构造

这种构造横向展布的一系列向上弯曲的粉砂、细砂质地质体，每个枕状体内的纹层平行于枕状体的地面弯曲，其顶面为平直的截切面［5］。枕状构造的形成的解释，一种是由于下伏塑性细粒沉积物挤入上覆弱液化层，形成火焰构造，相应地，砂岩发生卷曲变形形成枕状构造;另一种是下伏粉、细砂岩层产生液化时，底辟侵位到上覆较粗弱液化砂岩层，使上覆层的岩石纹层沿向上流动的方向牵引弯曲，形成枕状构造。

1.7 球枕构造

这种构造是地震液化作用结束后，沉积物体积收缩，加上振动和重力作用，上覆细砂、粉砂等较高密度层向软性低密度泥质沉积中沉陷，形成球枕构造。形态上呈不规则的碎块状、球状、枕状、瘤状等。此类构造多出现在以泥质沉积物为主的层段中。

1.8 液化均一层

该层是软沉积物层在地震液化作用中，沉积物经历振动、液化、稀释作用后，上层的沉积物结构、性质趋向均一并在地震结束后形成的沉积层，反映了地震活动所引起的软沉积物液化作用以及构造变形的结束。

2 震积岩垂向序列

如前所述，所发育的单个沉积变形构造不能证明其为震积岩，因而学者们以大量的实际素材总结出了震积岩在垂向上所具有的特征，即单个变形构造在垂向上的排列规律——震积岩垂向沉积序列。1988年引进震积岩这一概念以来，国内学者们建立的多种沉积环境下的震积岩垂向沉积序列，典型代表有海相碳酸盐岩震积系列和陆相碎屑岩震积序列。

2.1 海相碳酸盐岩震积岩垂向序列

乔秀夫等［11］研究了华北地台震旦系几下寒武统的震积岩，建立了盐岩振动液化序列，包括原地系统和异地系统。原地系统自下而上分为A、B、C三个单元。A单元:液化泥晶碳酸盐岩脉和碳酸盐泥块体;B单元:液化变形的各种卷曲变形构造及震褶岩、震裂岩与震塌岩;C单元:液化作用即将结束或停止形成的层内韵律断层、阶梯状断层、地裂缝以及地面下沉形成的开启性质的地裂缝。

2.2 陆相碎屑岩性震积岩垂向序列

国内最早建立碎屑岩震积垂向序列的是吴贤涛、尹国勋［8］，将震积岩自下而上分为未震层、微断裂层、微褶皱层、碎块层及液化均一层，上覆见有未震层。之后又很多学者对自己研究区震积岩的实际发育状况对这一序列进行了些微改动(如图1所示)，但总体特征变化不大，这从另一个侧面表明典型的震积岩垂向序列与此差别不大，而实际工作中能观察到的多数为发育不完整垂向序列的震积岩。

图1 碎屑岩垂向震积序列

3 结语

(1)现代地震多发育在板块边界和板块内部的活动断裂带，“将今论古”，古海洋裂谷盆地、活动大陆边缘盆地、残余盆地、前陆盆地、内陆断陷盆地存在震积岩的可能性比较大［29］。现今的诸多报道中，震积岩发育层位的古构造背景无疑都是十分活跃的。比如松辽盆地震积岩发育的青山口组，同时还发育着火山岩和火山灰沉积;鄂尔多斯盆地的震积岩最发育的延长组长7油层组，同样发育有多层的凝灰岩，并且长7期为印支运动幕式活动最强的时期;渤海湾盆地震积岩发育最多的沙三、沙四期则处于盆地控盆(凹)断裂活动最强期。由上不难看出，震积岩的发育是区域内强烈构造活动的表现之一，因此，详细研究震积岩对于区域古构造活动的强度甚至是期次分析具有重要意义。

(2)震积岩发育在深大断裂附近，以及特殊背景下的成岩作用、孔隙演化与烃类成熟、运移方向的配套性表明，地震作用形成的震裂角砾岩是一种较好的储集层;同时地震造成的滑移不整合面可作为油气运移通道。因此，开展生油断陷、坳陷湖盆中震积岩的研究具有一定的石油地质意义。

(3)震积岩的研究经历了40多年的发展，取得了丰硕的成果。由下至上发育的阶梯状小断层、液化卷曲变形、液化砂岩脉(墙)、砂球枕构造以及液化均一层这一垂向序列是确定震积岩的重要证据，然而必须清醒地认识到实际工作遇到的往往是不典型的沉积构造序列，这就要求我们能够综合其古构造背景、沉积环境、水底地形等条件来加以分析判断。震积岩的细致研究有着重大的构造意义及油气意义，尽管研究难度大，但所能获得的价值必将远高于所付出的。

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