龙门山前陆盆地南段乐地1井须家河组震积岩特征及地质意义

胡文超, 李 勇, 颜照坤, 邓 涛, 董顺利, 陈 剑, 陈 斌

(油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059)

地震是由于地球内动力(如断裂构造活动、火山活动等)因素诱发的具有瞬时性、突发性、破坏性的灾变性地质事件[1]。地震活动使沉积岩层中已固结或未固结的沉积物发生变形，形成震积岩。震积岩是记录古地震事件的载体。早在1952年，B.C.Heezen等就已经开始研究由地震活动引起的海底沉积物变形构造[2]。1969年Seilacher首次提出震积岩的概念，指尚未固结的水下沉积物在构造活动区内由于地震活动发生变位变形形成的沉积层[3]。中国对震积岩的研究起步相对较晚，从1988年宋天锐建立了碳酸盐岩地震-海啸序列开始，乔秀夫、梁定益、杜远生等，对海相地层震积岩进行了大量的研究，总结了震积岩类型及震积岩典型特征标志，并建立了碳酸盐岩振动液化地震序列[4-8]。近些年来，袁静、鄢继华等对陆相湖盆震积岩也进行了研究[9-10]。2016年9月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“多成因的软沉积物变形构造及震积岩”专题研讨会上，对现阶段软沉积物变形构造和震积岩的研究进行了总结[11-14]。

龙门山前陆盆地上三叠统须家河组沉积期，盆地边缘的龙门山造山带表现为强烈的上冲推覆和构造隆升[15]，构造活动强烈，具备发育震积岩的条件。已有学者对龙门山前陆盆地须家河组震积岩进行了初步研究[16-18]，但前人对于龙门山前陆盆地南段须家河组震积岩的研究主要以地表露头为主。乐地1井须家河组为完全取心，利用乐地1井可以更加准确地对龙门山前陆盆地须家河组的震积岩进行分析。本文通过对乐地1井须家河组岩心的系统观察，对须家河组震积岩发育特征、层位分布及与龙门山构造隆升活动的关系进行分析。

1 地质背景

位于四川盆地西部的龙门山前陆盆地是中国较为典型的前陆盆地之一，是在中三叠世被动大陆边缘的基础上形成的造山带前陆盆地[19]。晚三叠世中晚期在甘孜—阿坝地区发生了强烈褶皱、岩浆侵入与区域变质，在此影响之下龙门山发生隆升、上冲推覆，逐渐形成山系[20]。根据构造变形特征、变质程度和成因机制等，可将现今川西地区分为4个构造带(图1),即松潘-甘孜褶皱带、龙门山冲断带、龙门山前陆盆地和龙泉山前陆隆起[15]。

晚三叠世龙门山前陆盆地充填地层的剖面几何形态显示为西厚东薄的楔形体，由北西向南东逐渐变薄，呈现不对称状[21]。乐地1井位于龙门山前陆盆地南段，晚三叠世时期主要沉积地层为须家河组[22]。在乐地1井须中，马鞍塘组、小塘子组、须家河组第三段(简称“须三段”)、须家河组第五段(简称“须五段”)主要由黑色泥页岩组成，夹灰色细砂岩和粉砂岩；须二段、须四段和须六段主要以灰白色细砂岩和粉砂岩为主，夹灰黑色泥页岩和灰白色中砂岩(图2)。

2 震积岩沉积特征

地震作用形成的同沉积变形构造可以作为震积岩的标志[1]。通过对乐地1井岩心的观察和分析，发现了软沉积物液化变形构造和脆性变形构造这两类变形构造(图2)。

2.1 软沉积物液化变形构造

软沉积物液化变形构造是指在沉积物尚未固结或半固结时，经一系列的机制触发而形成的沉积变形构造[1]。不同的软沉积物液化变形构造，具有不同的触发机制以及变形过程，其成因机制与地震的强弱以及距震中位置的远近存在相关关系。

2.1.1 液化砂岩脉

液化砂岩脉是在砂、泥岩互层的地层中形成的一种沿着地层应力薄弱位置不规则穿透周围岩层而形成的砂质岩脉。软沉积物通过地震-断裂作用液化泄水形成液化砂岩脉,其形态和成因与碳酸盐岩震动液化序列中的泥晶碳酸盐脉相似[23]。在乐地1井中发育许多灰白色液化砂岩脉构造，主要发育在须三段。液化砂岩脉体一般宽度为0.3～1.5 cm，长度在0.5 cm到十几厘米之间，界线清晰，规模大小不等(图3)。砂岩脉的形态存在一些差异，一种垂向穿透岩层，从上到下宽度由粗变细，剖面上呈倒”V”字形特征；另一种呈不规则弯曲，中间宽大，两端变细逐渐尖灭(图3)。

图1 龙门山前陆盆地南段构造简图Fig.1 Simplified tectonic map showing the southern section of the Longmenshan foreland basinF1.汶川-茂县断裂; F2.映秀-北川断裂; F3.彭灌断裂; F4.大邑断裂; F5.蒲江-新津断裂; F6.龙泉山断裂; A1.雾中山背斜; A2.平落坝背斜; A3.张家坪背斜; A4.莲花山背斜; A5.汉王场背斜; A6.大兴场背斜; A7.熊坡背斜; A8.苏码头背斜; A9.龙泉山背斜

图2 乐地1井须家河组震积岩特征和产出层位Fig.2 Characteristics of seismites and their occurrence horizon of Xujiahe Formation in Well Ledi-1

2.1.2 液化卷曲变形与混滑层

液化卷曲变形是较为典型的软沉积物液化变形构造，又称为震褶岩。在薄层泥岩和砂质泥岩中受到地震活动的影响形成大小不一的卷曲、扭曲、弯曲构造变形，对上下层均不影响，仅发育于层内。乐地1井中卷曲变形在须二段、须三段和须四段中均有发育，以平缓褶皱居多，层内发育液化砂岩脉、负载构造等软沉积物变形构造，单个褶曲的大小为3.0～5.0 cm，枢纽、轴面不规则，褶曲程度高(图4)。地震成因触发的岩层卷曲变形和由重力失稳岩层滑塌导致的卷曲变形是有差别的，地震成因形成的卷曲变形其褶皱面是不规则的，而重力滑动成因的卷曲层则具有相对统一的褶皱轴面，因此可判断乐地1井中液化卷曲变形是由于地震活动形成的。

混滑层是液化卷曲变形层在地震多类多向应力持续作用下形成的一种软沉积物变形序列[24]。混滑层主要由未褶皱层、褶皱层(液化卷曲变形层)、破裂层和粒序层构成，在乐地1井中主要发育在须三段和须四段的过渡位置(深度在 1 341.5～1 348.96 m,图5)。混滑层和液化卷曲变形都是由地震作用形成的软沉积物变形，既存在于湖泊环境中，也可能存在于浅海环境中[24]。

2.1.3 负载构造及球枕状构造

负载构造是上覆地层中较为粗粒的砂岩在重力作用和地震剪切力作用下，下沉到下伏未固结泥岩中的一种变形构造，包括重荷模和火焰状构造。重荷模是砂岩层受到负荷压力在下伏塑性泥岩中形成瘤状凸起的变形构造，同时下伏泥岩穿刺到上覆砂岩层形成火焰状构造。

在地震震动作用下，上覆砂岩层负载体受到重力作用脱离砂岩层完全落入下伏泥岩层中形成的球体或椭球体[25]，即球枕状构造。乐地1井中负载构造和球枕状构造在各个层位大量发育，形态各异，大小不一。重荷模的大小在0.5～2.5 cm，球枕状构造直径为1～4 cm，大多数呈水平长轴的椭球形构造(图6)。球枕体的宽度取决于陷落深度，陷落越深宽度越大，椭球体越扁；而负载构造的大小与液化层厚度有关[26-27]。

图3 乐地1井须家河组液化砂岩脉Fig.3 Liquefied sand-veins in Xujiahe Formation from Well Ledi-1

图4 乐地1井须家河组卷曲变形Fig.4 Liquefied and crimpled deformation structures in Xujiahe Formation from Well Ledi-1

图5 乐地1井须家河组混滑层Fig.5 Mixed slipping layers in Xujiahe Formation from Well Ledi-1

图6 乐地1井须家河组负载构造及球枕状构造Fig.6 Load structures and ball-and-pillow structures in Xujiahe Formation from Well Ledi-1

2.1.4 环形层理

环形层理是细粒薄互层泥砂质沉积物的变形层理[1]。由于地震的拉张作用，未固结的薄层泥砂质沉积物形成环状或链条状。在乐地1井中环形层理主要由粉砂岩和泥岩条带构成，集中发育在须二段和须三段。环形层理边缘呈椭圆状，较为光滑，内部条带呈波状，单个环形层理高为1.5～6 cm，长为4～8 cm(图7)。

图7 乐地1井须家河组环形层理Fig.7 Loop bedding in Xujiahe Formation from Well Ledi-1

2.2 脆性变形构造

2.2.1 震裂岩

震裂岩是未固结或半固结的泥岩层在地震作用下，发生撕裂形成的泥岩撕裂屑。这类震积岩具有无排列性、无分选性的特征，大多数为次棱角状、棱角状。乐地1井中震裂岩主要发育在须三段与须四段的过渡层中，这也间接反映了须三段和须四段之间的安县运动在龙门山前陆盆地南段的地层沉积响应[28]。震裂岩直径一般为1～3 cm，相邻的泥岩屑横向上具有可拼接性，说明震裂岩位移不大，为原地或准原地沉积(图8)。

图8 乐地1井须家河组震裂岩Fig.8 Seismic-induced shatter breccia in Xujiahe Formation from Well Ledi-1

2.2.2 微断层

微断层是沉积物在地震活动压实作用的影响下，发生差异下沉，形成的以张性断裂为主的小型张性断层。微断层主要形成在较薄的泥砂互层段，可以单独发育，也可以呈阶梯状排列。乐地1井须三段中发育微断层，垂向微断距为0.1～1 cm，倾角较陡(图9)。这种变形特征是沉积物在液化作用之后的重新压实过程中，由于差异性下沉所形成的[29]。

乐地1井中的软沉积物液化变形和脆性变形构造主要发育在须二段、须三段和须四段中(井深为 1 301.5～1 539.2 m,图2)，液化变形、塑性变形(卷曲变形，微褶皱)、重力作用形成的负载、球枕状构造、环形层理、微断层以及震裂岩等变形构造共生，进一步证明了这些变形构造为地震成因。

3 震积岩的地质意义

地震活动主要发育在盆地及盆地动力学相关的毗邻地区 ，可以通过震积岩来反映古地震和古构造活动[30]。龙门山历经了印支期、燕山期和喜马拉雅期多期次构造复合-联合的叠加变形[31]，晚三叠世是龙门山发生上冲推覆构造隆升的重要时期，古特提斯洋向东逐渐闭合，此时松潘-甘孜地块与扬子板块挤压，龙门山开始早期隆升[22]，冲撞过程中发生构造作用、岩浆作用和区域变质作用，同时伴随着强地震作用，扬子板块西缘由被动大陆边缘转为前陆盆地[20]。

图9 乐地1井须家河组微断层Fig.9 Microfault in Xujiahe Formation from Well Ledi-1

经过系统统计(图2)，乐地1井须家河组震积岩集中出现在以下5个层段，第一段和第二段发育在须二段，井深分别为 1 496.62～1 509.5 m和 1 465.01～1 478.8 m；第三段和第四段发育在须三段，井深分别为 1 434.58～1 449.3 m和 1 363.63～1 414.87 m；第五段发育在须四段，井深为 1 334.6～1 348.96 m。在须二段、须三段和须四段沉积时期发育了大量的震积岩特征构造，说明在这段时间该地区构造活动较强。不同类型的震积岩特征的类型和分布能够反映地震活动的强弱，形成负载构造和火焰状构造的地震活动较弱；随着地震活动的增强形成了震裂岩；地震活动的进一步增强，发育液化卷曲变形和微断层[32]。通过图2看出，乐地1井中在须三段和须四段交界的地方发育液化卷曲变形和微断层较多，并且该段发育的震积岩与其他段相比较多，说明该时期构造活动最强。

根据前人的研究发现，在晚三叠世早期龙门山断裂带马鞍塘组、小塘子组、须二段、须三段和须四段的地层中就已经发现震积岩[18]，但在乐地1井中马鞍塘组和小塘子组并没有发现震积岩。如图10所示，当时龙门山推覆体距离乐地1井所在位置较远，地震活动并没有影响到乐地1井。而在须二段、须三段和须四段沉积期，随着龙门山的隆升，并向南东推进，龙门山推覆体距离乐地1井越来越近，地震活动对乐地1井所在地层的影响越来越强烈，并发育震积岩。在经历过须四段的强烈构造活动之后，须五段和须六段沉积期进入地壳平静期，构造活动很弱。因此，乐地1井中震积岩主要发育在须二段、须三段和须四段中。

综上所述，乐地1井中须家河组震积岩的研究有助于对龙门山南段构造活动演化的认识。由于震积岩的形成发育与龙门山南段断裂活动相关，因此本区震积岩的研究对探讨龙门山南段断裂带上冲推覆构造运动及强弱有重要意义。

4 结 论

a.在龙门山前陆盆地南段的乐地1井须家河组中发现了多种类型的震积岩特征构造，液化作用成因的包括液化砂岩脉、液化卷曲变形与混滑层、负载构造及球枕状构造和环形层等，脆性变形成因的包括震裂岩和微断层等，主要集中在须二段、须三段和须四段。

b.龙门山前陆盆地南段晚三叠世的地层主要受到龙门山构造活动的控制，通过乐地1井中震积岩的分布特征，反映出龙门山前陆盆地南段在须二段、须三段和须四段构造活动强烈，并且以须三段和须四段交界时期最强。

c.龙门山前陆盆地在须二段到须四段时期，造山带快速向南东方向推进，造成了震积岩在早期(马鞍塘组和小塘子组)未在乐地1井发育，而在后期(须二段到须四段)大量发育的现象。

图10 龙门山前陆盆地南段晚三叠世地质结构演化与震积岩分布Fig.10 Geological and structural evolution and seismite distribution of the late Triassic in the southern segment of the Longmenshan foreland basin