張邦花 田洪水 張?jiān)銎?杜圣賢

(1.山東師范大學(xué) 濟(jì)南 250014;2.山東地質(zhì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究院 濟(jì)南 250013;3.山東建筑大學(xué) 濟(jì)南 250101)

0 引言

饅頭山位于濟(jì)南南部山區(qū)，濟(jì)南南部寒武系出露廣泛(圖1)。華北下—中寒武統(tǒng)龍王廟階—張夏階標(biāo)準(zhǔn)(層型)剖面處在饅頭山;這里不僅發(fā)育十三個(gè)三葉蟲化石帶，形態(tài)別致的“饅頭狀”山頭，河流環(huán)繞、風(fēng)景秀麗，而且，地質(zhì)研究歷史悠久，Willis B和Blackwelder E、孫云鑄院士及盧衍豪院士等中外著名地質(zhì)學(xué)家都曾來這里開展地層與古生物學(xué)研究［1］。當(dāng)今，到饅頭山一帶開展地學(xué)考察和研究的學(xué)者依然絡(luò)繹不絕。所以，饅頭山被譽(yù)為地質(zhì)名山。筆者近年來在饅頭山、青楊村東、紅葉谷及滾球山等地發(fā)現(xiàn)了早寒武世地震沉積事件記錄，并在饅頭山、紅葉谷和青楊村東山做了剖面研究。

1 地質(zhì)背景

圖1 研究區(qū)地質(zhì)略圖Fig.1 The geological sketch of the study area

表1 研究區(qū)下—中寒武統(tǒng)劃分對(duì)比Table 1 Division-correlation for the Lower-middle Cambrian in the study area

濟(jì)南以東約200 km處為古郯廬斷裂帶，此斷裂帶形成于前震旦紀(jì)［2，3］，其分布與現(xiàn)在郯廬斷裂帶基本一致(圖1)。有關(guān)研究表明，古郯廬斷裂帶于震旦紀(jì)—奧陶紀(jì)曾發(fā)生強(qiáng)構(gòu)造與地震活動(dòng)［4～6］。早寒武世時(shí)期，包括濟(jì)南在內(nèi)的魯西地區(qū)為濱海、薩布哈及陸表海(潮坪)環(huán)境，在當(dāng)時(shí)的海底沉積形成了一套陸源碎屑、泥質(zhì)夾碳酸鹽等的沉積物，其地層自下而上依次為李官組、朱砂洞組及饅頭組石店段，下寒武統(tǒng)各組、段間均呈整合接觸［7，8］。濟(jì)南南部下寒武統(tǒng)朱砂洞組和饅頭組廣泛發(fā)育，李官組僅發(fā)育在古地形較低洼的紅葉谷及滾球山等地。各組巖性、沉積相、厚度、化石帶及與華北其它地區(qū)的對(duì)應(yīng)地層見表1。

區(qū)域地質(zhì)調(diào)查成果表明，魯西地區(qū)寒武系底部朱砂洞組產(chǎn)有數(shù)層燧石團(tuán)塊或燧石條帶白云巖，含半球狀硅質(zhì)疊層石或丘狀硅藻疊層石［8］，其中的燧石團(tuán)塊或條帶、以及硅質(zhì)疊層石屬硅質(zhì)巖。由于朱砂洞組中的硅質(zhì)巖順層分布，有的橫向彼此相連，延伸較遠(yuǎn)，分布穩(wěn)定，內(nèi)含藻絲體，圍巖的紋層環(huán)繞燧石團(tuán)塊，研究證明這些硅質(zhì)巖屬同生生物化學(xué)成因［9］。劉寶珺指出:在深鉆井中可見到十分柔軟的燧石，其最初的成分是含水硅膠體(SiO2·nH2O)，軟燧石經(jīng)脫水形成玉髓和石英，完全脫水成巖至少十萬年以上［10］。在研究區(qū)內(nèi)，青楊村東山的朱砂洞組中發(fā)育八層硅質(zhì)巖，每層厚度10～15 cm，縱向間隔5～40 cm，其中的四至五層發(fā)生了軟塑性彎曲變形，它們最初是軟沉積物。

2 地震沉積事件記錄

地震沉積事件記錄是強(qiáng)地震作用于深度不超過30 m的沉積盆地的軟至未完全固結(jié)沉積物，使其發(fā)生液化、底辟、卷曲、滑動(dòng)、沉陷、塌落、錯(cuò)斷、震裂及震碎等同沉積變形，從而形成具同沉積變形構(gòu)造的震積巖［11～24］，它們的共同特征是層內(nèi)沉積變形構(gòu)造，一般尺度較小(mm級(jí)至m級(jí))，無論其規(guī)模、形態(tài)或產(chǎn)狀如何變化，一般不改變上下圍巖的產(chǎn)狀。在濟(jì)南南部山區(qū)，新近發(fā)現(xiàn)的多種地震成因的同沉積變形主要保存在李官組和朱砂洞組中，在饅頭組中僅見混插沉積、地裂縫、微斷裂和震褶曲。

2.1 震褶巖與滑移構(gòu)造

震褶巖又稱為卷曲變形或微褶皺紋理，是地震振動(dòng)作用于軟沉積物、尤其是紋層狀沉積物而形成的層內(nèi)褶曲，在饅頭山、青楊村東山及滾球山都均發(fā)育此種變形構(gòu)造(圖2-4，圖5A-C和圖5G)，其厚度10～50 cm，長(zhǎng)度10～100 cm，褶曲軸面或變形紋層無一定產(chǎn)狀，有的震褶層被侵蝕截切且與上覆層呈震積不整合接觸(圖5G)，但不造成上下巖層產(chǎn)狀的變化;可與粒序微斷層及孤立巖塊等伴生。

滑移構(gòu)造發(fā)育在被震裂的半固結(jié)的白云巖的泥質(zhì)夾層中，呈橫向延長(zhǎng)的楔形體(圖5E，圖6)，其內(nèi)層理與原始層面近垂直，是黃色鈣質(zhì)軟泥受不均勻的地震力而滑移的結(jié)果。

根據(jù)此種變形構(gòu)造中的層理與層面接近垂直(圖5E)，圍巖為震裂巖，震裂隙充填物與滑移體均是黃色鈣質(zhì)泥巖，其形成的機(jī)理見圖6:(1)震前:半固結(jié)白云巖夾紋層狀軟鈣質(zhì)泥巖，在沉積層自重應(yīng)力σo下暫時(shí)保持穩(wěn)定;(2)強(qiáng)地震:半固結(jié)白云巖被震裂(此時(shí)，σsz＞σsh);當(dāng)水平震動(dòng)附加應(yīng)力σsh≥豎向震動(dòng)附加應(yīng)力σsz時(shí)，黃色的軟鈣質(zhì)泥沉積物形成震褶曲，部分黃色的軟鈣質(zhì)泥擠入震裂隙;(3)在地震彎矩力Ms作用下，軟泥沉積物發(fā)生滑移(大箭頭表示滑移方向)，震褶曲消失，變形紋層理與層面呈大角度相交;(4)震后:在上覆沉積層自重應(yīng)力σo+ΔP作用下，壓固成巖。震前白云巖(沉積物)呈半固結(jié)狀態(tài)，而泥質(zhì)沉積物夾層呈軟塑狀態(tài)，是因?yàn)樘妓猁}沉積物比泥質(zhì)沉積物固結(jié)快得多［5］。

2.2 粒序微斷層

粒序微斷裂一般長(zhǎng)3～15 cm，斷距0.5～5 mm，剖面上呈階梯狀組合(圖2—4，圖5B、C和 D，圖9D)，也有僅發(fā)育一條的情況(圖5C)，與各種地震沉積變形構(gòu)造共生，分布廣泛，在饅頭山、青楊村東山、滾球山、紅葉谷及天晴峪均有發(fā)現(xiàn)。它們是在地震結(jié)束后，受地震擾動(dòng)、破壞的沉積物發(fā)生調(diào)整而產(chǎn)生的層內(nèi)錯(cuò)斷。

2.3 震裂角礫巖與震碎角礫巖

它們發(fā)育在朱砂洞組中(圖2;圖5E和F，圖7)，是半固結(jié)狀態(tài)的沉積物被地震震裂或震碎而成的脆性變形［5，11，14，17］。震裂角礫巖(圖5E、圖5Fa)中角礫是由震裂隙分割的具拼接性的棱角狀巖塊，成分單一。震碎角礫巖(圖5Fb)的角礫成分復(fù)雜，角礫間不具拼接性，在重力作用下由震碎巖屑或角礫堆積而成，可充填地裂縫，橫向不連續(xù)，與上覆未震層(圖4Fc)呈震積不整合接觸。

2.4 震滑塌褶曲與枕狀體和負(fù)載構(gòu)造

震滑塌褶曲與負(fù)載構(gòu)造和枕狀體共生于紅葉谷、滾球山和天晴峪等地的李官組泥質(zhì)砂沉積層中?；耷鸀檩S面接近平臥的復(fù)式褶曲(圖7Af，圖7Bf)，其中的褶曲軸面與次級(jí)褶曲軸面的傾向一致，符合滑塌褶曲的特征，同地點(diǎn)的以往研究［25］指出，這類滑塌褶曲具同沉積特征，推測(cè)由古地震引起。枕狀體(圖7AP)伏于滑塌褶曲(圖7Af)之下，應(yīng)是地震負(fù)載體墜落的枕狀、橢球狀塊體(球—枕構(gòu)造)。負(fù)載構(gòu)造內(nèi)部層理發(fā)生向斜式下彎(圖7Cld，圖7D)，由上覆密度較大、粒度較粗(粒徑0.1 mm)的鈣質(zhì)細(xì)砂層左右受地震震動(dòng)和重力作用沉入下伏密度較小、粒度較細(xì)(粒徑＜0.005 mm)的泥質(zhì)層中而成，負(fù)載體間發(fā)育被擠入的下伏較細(xì)顆粒巖層的火焰狀構(gòu)造(圖7Cfm)。負(fù)載及球—枕構(gòu)造已被中外地震地質(zhì)學(xué)家認(rèn)定為地震形成的軟沉積變形構(gòu)造，而且被模擬試驗(yàn)驗(yàn)證［13，16，20，21］。

2.5 震裂縫和混插沉積

震裂縫發(fā)育在朱砂洞組(圖5F)和饅頭組中(圖8A和B)，是地震拉張力使古地表半固結(jié)的沉積層發(fā)生“V”字形裂開，屬于脆性變形。震裂縫深度為15～40 cm，被上覆沉積物充填而形成了剖面上呈楔形的充填構(gòu)造。

混插沉積(Plunged sediment mixtures)是兩種不同性質(zhì)的沉積物，在強(qiáng)震作用下，上下疊置面上或在側(cè)向上彼此之間發(fā)生的混合侵位而形成的軟沉積變形構(gòu)造，其概念由Rossetti 2010年提出［24］。在紅葉谷的饅頭組中(圖8A和B①)，受豎向震動(dòng)作用影響，上部的黃色液化粉—細(xì)砂(粒度0.01～0.1 mm)首先向下侵位于下部的紅色泥質(zhì)沉積物(粒度＜0.005 mm)中;然后，在橫向震動(dòng)作用下，黃色液化粉—細(xì)砂與紅色泥質(zhì)沉積物，在側(cè)向上發(fā)生相對(duì)侵位，部分紅色泥質(zhì)沉積物疊于部分液化粉—細(xì)砂之上，從而造成了相互包容現(xiàn)象。

2.6 軟硅質(zhì)巖的變形構(gòu)造

由于朱砂洞組中的硅質(zhì)巖最初是軟沉積物，此類軟硅質(zhì)巖受地震作用也形成了各種變形構(gòu)造。主要有軟硅質(zhì)脈、軟硅質(zhì)層的布丁構(gòu)造、塑性彎曲、蘑菇狀底辟構(gòu)造、沉陷構(gòu)造與觸變楔等。

圖6 滑移構(gòu)造的地震成因機(jī)理Fig.6 Seismogenetic mechanism of sliding structures

2.6.1 軟硅質(zhì)脈

硅質(zhì)脈與燧石團(tuán)塊或燧石條帶相連(圖9A)，表明硅質(zhì)脈源于燧石團(tuán)塊或燧石條帶;脈寬0.5～10 mm，長(zhǎng)3～10 cm。切割含脈的巖石樣品，顯示硅質(zhì)脈在空間上呈不規(guī)則板狀體(圖9B)。硅質(zhì)脈呈塑性彎曲狀態(tài)(圖9A、C)，表明形成時(shí)發(fā)生了軟塑性彎曲。顯微鏡下觀察，脈由玉髓、微粒石英組成，玉髓、微粒石英是同生SiO2·nH2O在成巖過程中經(jīng)脫水作用形成。軟硅質(zhì)脈是軟燧石團(tuán)塊或條帶受地震力作用擠入圍巖裂隙中的產(chǎn)物。

軟硅質(zhì)脈源于巨型或大型的軟燧石團(tuán)，其形成的機(jī)理:(1)震前，軟硅質(zhì)團(tuán)塊在較小的自重應(yīng)力σ0作用下保持平衡;(2)強(qiáng)震附加應(yīng)力作用使軟硅質(zhì)團(tuán)塊的圍巖產(chǎn)生震裂隙，同時(shí)軟硅質(zhì)團(tuán)塊中的硅膠體受振動(dòng)觸變，流變性增強(qiáng);(3)強(qiáng)震附加應(yīng)力繼續(xù)作用，硅質(zhì)團(tuán)塊中的硅膠被擠入圍巖裂隙，形成了軟硅質(zhì)脈;(4)震后，隨著上覆沉積層的自重應(yīng)力增加，受壓后脈變得更加彎曲。

2.6.2 布丁構(gòu)造、下彎褶曲

軟硅質(zhì)巖的布丁(香腸)構(gòu)造是軟硅質(zhì)層受地震拉伸力形成的產(chǎn)物。有的被拉斷，有的未被拉斷，它們常與粒序微斷裂共生(圖4，圖9D)。有的軟硅質(zhì)層狀布丁構(gòu)造受地震水平擠壓力作用而形成了下彎的倒轉(zhuǎn)褶曲(圖4)，也可見到上彎的倒轉(zhuǎn)褶曲。

2.6.3 蘑菇狀底辟和硅質(zhì)疊層石變形

蘑菇狀底辟構(gòu)造是軟硅質(zhì)層受地震擠壓力形成的底辟式向上穹凸，形似蘑菇而得名，蘑菇體半徑約5 cm，下部與硅質(zhì)層相連(圖9E)。受震動(dòng)軟硅質(zhì)層中的SiO2·nH2O粘度變小、流變性增強(qiáng);然后，受水平擠壓力發(fā)生自下向上的底侵(圖3)而成。這種地震成因的蘑菇狀底辟構(gòu)造，在紅葉谷和青楊村東山均可見到。

硅質(zhì)疊層石變形是指受地震剪切力作用的層狀硅質(zhì)疊層石發(fā)生的局部小尺度錯(cuò)斷和扭曲(圖9F)，即層狀疊層石局部雖有錯(cuò)斷和扭曲，但由于斷距(mm級(jí))很小，疊層石層仍大致橫向延伸。

2.6.4 沉陷構(gòu)造與觸變楔

飽和砂土或飽和微晶碳酸鹽受強(qiáng)震振動(dòng)會(huì)發(fā)生液化。然而，飽和粘性土、軟黏土及硅膠體沉積物受強(qiáng)震或外力擾動(dòng)不能發(fā)生液化，但其粘稠度變小、抗剪強(qiáng)度降低、流塑性增強(qiáng);當(dāng)強(qiáng)震或外力擾動(dòng)停止后，其粘稠度和強(qiáng)度逐漸恢復(fù)，軟黏土和硅膠體等的這種“一觸就變”的性質(zhì)稱為觸變性［26～29］。沉陷構(gòu)造是地面以下飽和沉積物受震液化、觸變而引發(fā)的地面下沉構(gòu)造［18］，沉陷構(gòu)造的主要特征是在縱剖面上，地面以下的沉積層斷開且向下彎曲，造成地面沉陷。在地震區(qū)沉陷構(gòu)造反映的震害稱為震陷或稱震沉現(xiàn)象［18，28］。

青楊村東山的朱砂洞組硅質(zhì)白云巖中發(fā)育多個(gè)沉陷構(gòu)造，其中，有三個(gè)相連，中間的一個(gè)已轉(zhuǎn)變?yōu)橛|變楔(圖4，圖10A，B)，三者間隔0.5～1.1 m。沉陷構(gòu)造變形層的厚度為0.5～0.6 m，每?jī)蓚€(gè)沉陷中心之間的沉積層呈背斜式上彎。它們的原始沉積物是軟硅質(zhì)層與灰泥(經(jīng)成巖形成了層狀燧石與白云巖)。觸變楔與地震斷層崩積楔有著很大差別，后者發(fā)育在陸相發(fā)震斷層中，由地震震碎或崩落碎屑巖組成［29］，屬于震斷層構(gòu)造巖，但兩者均稱為地震楔。

Montenat等研究了意大利拉布里亞區(qū)(Calabria，Italy)更新世濱海相砂屑灰?guī)r楔(圖10C，D)和西班牙阿利坎特省(Province of Alicante，Spain)的碎屑巖楔后，提出觸變楔(Thixotropic wedge)是一種地震成因的軟沉積物變形構(gòu)造［21］。但Montenat等沒有闡明觸變的原理，他們實(shí)際上將此種變形構(gòu)造歸類于“淺部液化(shallow depth lequefaction)”(見文獻(xiàn)［21］Fig.3)。本文所闡述的觸變楔(圖10B)與圖10C，D比較，形態(tài)特征相同，生成原理有別——灰泥受震液化的同時(shí)，非液化的軟硅質(zhì)層受震發(fā)生了觸變。

沉陷構(gòu)造和觸變楔的形成過程如下(圖11):(1)震前:水平的沉積層在自重應(yīng)力σo下暫時(shí)保持穩(wěn)定;(2)強(qiáng)地震:受地震觸動(dòng)軟硅質(zhì)層變得更軟、而灰泥發(fā)生了液化;在豎向地震應(yīng)力σsz作用下，沉積層斷開、下彎、沉陷，形成沉陷構(gòu)造(此時(shí)，σsz＞σsh);(3)地震應(yīng)力增大，沉陷向深處發(fā)展，下伏的半固結(jié)層也發(fā)生下凹變形，兩側(cè)下彎的硅質(zhì)層匯聚，形成了楔狀體;同時(shí)，楔狀體兩側(cè)的水平應(yīng)力σsh增大，下彎巖層因擠壓產(chǎn)生背斜式彎曲，背斜核部灰泥底辟上隆，軸面上部派生張應(yīng)力(圖11雙向箭頭線);(4)震后:地震應(yīng)力消失，被上覆沉積層覆蓋，自重應(yīng)力σo+ΔP增大，壓固成巖。

圖11 沉陷構(gòu)造和觸變楔的地震成因機(jī)理Fig.11 Seismogenetic mechanism of settlement structures and thixotropic wedges

在此有必要對(duì)觸變楔與震裂縫及震裂縫充填構(gòu)造的差別作必要分析。三者的差別如下:(1)觸變楔主要是軟的非液化沉積物受地震觸動(dòng)使其粘度降低、流塑性變大(觸變)而發(fā)生的塑性變形，由沉陷構(gòu)造向深處發(fā)展而成，楔體的形成與其圍巖變形同步;(2)震裂縫則是地震作用于半固結(jié)至未完全固結(jié)的沉積物生成的“V”形張性裂開，屬于脆性變形;(3)震裂縫充填構(gòu)造也常呈楔形，但其充填物可是軟沉積物，也可是脆性的震碎角礫，楔體與裂縫的形成過程一般不同步。

3 意義和結(jié)語

本文所闡述上述的地震沉積事件記錄對(duì)應(yīng)的地質(zhì)時(shí)代為早寒武世滄浪鋪—龍王廟期(約520～525 Ma)。根據(jù)山東省區(qū)域地質(zhì)研究和有關(guān)文獻(xiàn)［1～4，7，8］，當(dāng)時(shí)距研究區(qū)最近的活動(dòng)斷裂構(gòu)造為濟(jì)南以東約200 km的古郯廬斷裂帶;也鑒于郯廬斷裂地震帶這類超巖石圈深大斷裂地震帶的實(shí)際范圍不僅包括其本身，也包括其附近約150～200 km的活動(dòng)地帶，在此范圍內(nèi)的發(fā)生的地震事件都直接或間接地反映了深大斷裂帶的構(gòu)造與地震活動(dòng)［30］;因此，這些地震沉積事件記錄是加里東構(gòu)造運(yùn)動(dòng)初期的華北板塊板內(nèi)強(qiáng)地震記錄，屬古郯廬斷裂帶構(gòu)造活動(dòng)的響應(yīng)，它們與古郯廬斷裂帶附近的遼寧下寒武統(tǒng)大林子組和陜西洛南朱砂洞組地震沉積事件記錄［2，31］都屬于華北古板塊板內(nèi)同一古地震活躍期的產(chǎn)物。

在濟(jì)南南部饅頭山附近發(fā)現(xiàn)的上述古地震沉積事件遺跡(卷曲變形、粒序微斷層、滑移構(gòu)造、滑塌褶曲、負(fù)載構(gòu)造、枕狀體、混插沉積、軟硅質(zhì)脈、軟硅質(zhì)層底辟構(gòu)造、硅藻疊層石變形、沉陷構(gòu)造、觸變楔、布丁、震裂縫、震裂角礫巖及震碎角礫巖等)是很好的地球科學(xué)研究新資料，豐富了饅頭山和濟(jì)南南部地區(qū)的地質(zhì)科學(xué)內(nèi)涵。

致謝 感謝審稿專家，為本文的完善提出的許多建設(shè)性修改意見與建議。

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