鄭秀才　(長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，湖北 荊州 434020)

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河北寬城高于莊組震積巖與古地震發(fā)生頻率

鄭秀才(長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，湖北 荊州 434020)

[摘要]河北寬城中元古界高于莊組發(fā)育一系列特征明顯的震積巖，包括液化變形(底辟、液化脈及液化卷曲等構(gòu)造)、擠壓變形(板刺狀角礫和丘-槽構(gòu)造等)、拉伸變形(環(huán)狀構(gòu)造)以及脆性變形(層間小斷層)。上述變形集中發(fā)育在組內(nèi)第2段、第5段和第9段，代表了3個(gè)地震活躍期，地震活躍期的間隔(地震節(jié)律)約為13Ma，每個(gè)地震活躍期的持續(xù)時(shí)間約為3.5Ma，13Ma地震節(jié)律反映了燕山裂陷槽軸部同生斷裂活動規(guī)律。利用液化最大震中距估算出的震級為6～7級。

[關(guān)鍵詞]震積巖；地震節(jié)律；中元古代高于莊組；河北寬城

震積巖(seismite)最早由Seilacher于1969年提出，是指未固結(jié)沉積物受到地震活動改造再沉積的沉積層[1]，后在對比現(xiàn)代和古代震積成因的沉積物基礎(chǔ)上，提出粒序斷層、微褶皺紋理和均一層等震積成因的標(biāo)志[2]。中國震積巖的研究開始于20世紀(jì)80年代末期[3]，廣大地質(zhì)工作者對國內(nèi)不同地區(qū)、不同時(shí)代形成的震積巖進(jìn)行了廣泛且深入的研究，概括和總結(jié)了震積巖的分類和識別標(biāo)志，建立起了碎屑巖地震液化序列[4]、海相碳酸鹽巖震動液化地震序列[5]、震積巖與震積巖不整合面序列[6，7]、大陸邊緣震積巖序列[8]。

華北中新元古代高于莊組(Chg)沉積時(shí)期為地震活躍期[9]，中朝板塊北部的燕遼裂陷槽軸部發(fā)育凌源-平泉-興隆-密云北東向同沉積斷裂[10],識別出的Chg震積巖均位于該斷裂附近[11]。劉鵬舉[12]、喬秀夫等[11]和梅冥相[13]對Chg震積巖的特征進(jìn)行了詳細(xì)的研究，認(rèn)為河北平泉Chg沉積時(shí)曾經(jīng)歷了3個(gè)地震活躍期，計(jì)算出地震節(jié)律約65Ma，并且指出該地震節(jié)律反映的是燕山裂陷槽北部邊緣的斷裂活動規(guī)律。筆者在對燕山地區(qū)中新元古代儲層研究過程中，通過野外實(shí)測剖面和室內(nèi)分析，結(jié)合揚(yáng)子燕山裂陷槽的構(gòu)造演化背景，識別出河北寬城Chg的震積巖，不僅是燕山地區(qū)震積巖研究的又一例證，而且對研究燕山裂陷槽活動演化的規(guī)律具有重要意義。

1區(qū)域地質(zhì)背景

河北寬城中元古代位于燕遼裂陷槽軸部發(fā)育的凌源-平泉-興隆-密云同沉積斷裂帶中部南側(cè)。燕遼裂陷槽的演化經(jīng)歷了長城系沉積時(shí)期的斷陷海槽、薊縣系沉積時(shí)期的強(qiáng)烈凹陷和青白口系沉積時(shí)期的穩(wěn)定陸表海3個(gè)發(fā)展階段[14～16]，沉積了一套海相碳酸鹽巖夾碎屑巖地層,其橫向上分布穩(wěn)定且厚度巨大，總厚度約8000～14000m，自下而上包括中元古界的長城系、薊縣系和新元古界的青白口系，該次研究的目的層段Chg位于中元古界長城系上部，上、下分別為大紅峪組和楊莊組。

Chg沉積時(shí)期，燕山北部地勢較為平坦，地殼持續(xù)平穩(wěn)下降導(dǎo)致了海域面積擴(kuò)大，沉積物由陸源碎屑巖轉(zhuǎn)變?yōu)橐蕴妓猁}巖為主。初期繼承了大紅峪期的淺水環(huán)境，發(fā)育碳酸鹽潮坪沉積；中期海平面上升，演化為盆地至斜坡相；晚期水體相對變淺發(fā)育潮坪沉積。實(shí)測剖面位于河北寬城尖山子(圖1)，Chg出露完整，厚度938.5m，自下而上包括官地亞組、桑樹鞍亞組、張家峪亞組和環(huán)秀寺亞組，依據(jù)巖性特征劃分為10個(gè)巖性段(圖2)。

圖1　研究區(qū)地理位置及地層分布略圖

圖2　寬城尖山子剖面綜合柱狀圖

1)官地亞組厚255.94m，以硅質(zhì)條帶白云巖、疊層石白云巖和含錳白云巖為主，中部夾白云質(zhì)泥巖和石英砂巖薄層或條帶，疊層石類型多樣，主要呈層狀、波狀、錐狀、柱狀和球狀，指示了潮上-潮間帶沉積的特征，底部石英砂巖與下覆大紅峪組整合接觸。

2)桑樹鞍亞組厚124.37m, 下部主要為薄層含錳泥質(zhì)粉砂巖、含錳頁巖、含錳白云巖和含錳粉砂質(zhì)白云巖，顏色以深灰色為主，產(chǎn)狀為薄層狀，表現(xiàn)為潮下帶沉積特征；上部主要為潮間帶灰色中-厚層含錳細(xì)晶白云巖。

3)張家峪亞組厚449.88m，主要為盆地至斜坡相的深灰色薄-中層狀灰質(zhì)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、含瘤狀灰?guī)r的頁巖、瘤狀灰?guī)r、灰色硅質(zhì)巖和含炭的硅泥質(zhì)頁巖。

4)環(huán)秀寺亞組厚108.62m，下部為潮下帶深灰色白云質(zhì)灰?guī)r和白云巖；上部為潮間帶燧石條帶白云巖和疊層石白云巖。

震積巖主要發(fā)育在官地亞組上部第2段、張家峪亞組中部第5段和環(huán)秀寺亞組第9段。

2震積巖特征

2.1液化變形

Chg白云巖中發(fā)育有大量的硅質(zhì)，野外呈層狀、條帶狀、團(tuán)塊狀和結(jié)核狀。正常沉積情況下，硅質(zhì)產(chǎn)狀多為層狀或者斷續(xù)狀。但地震發(fā)生時(shí)，富含水的硅質(zhì)物發(fā)生液化，形成形態(tài)各異的液化變形構(gòu)造，主要有液化底辟構(gòu)造、液化脈構(gòu)造、液化卷曲變形構(gòu)造和枕狀構(gòu)造等。

2.1.1液化底辟構(gòu)造

液化底辟構(gòu)造表現(xiàn)為深灰色硅質(zhì)含量較高的物質(zhì)液化，向上穿刺上覆薄-中層狀較純的白云巖圍巖。底辟體呈錐狀，高度10～40cm，一般為20cm左右。錐體在層內(nèi)沿走向順層多次出現(xiàn)，其內(nèi)部不發(fā)育紋層，高角度穿刺圍巖。被穿刺的圍巖橫向上斷續(xù)順層展布，斷裂成可拼接的“角礫”(圖3(a))。 圍巖側(cè)向上不發(fā)育液化物，與液化錐體相接觸的圍巖向上牽引彎曲變形，指示向上液化流動特征(圖3(b))。錐體與下伏液化層相連通，表明其源于下伏液化沉積層[17～21]。

2.1.2液化脈構(gòu)造

液化脈的形成是由于強(qiáng)烈地震引發(fā)的振動導(dǎo)致沉積物液化泄水的結(jié)果。區(qū)內(nèi)液化脈的主要成分為硅質(zhì)，脈體切割的圍巖為白云巖。野外露頭上硅質(zhì)脈呈灰色或灰白色, 在空間上呈不規(guī)則板狀體。在不同層位中發(fā)育的硅質(zhì)脈走向不同，剖面上總體表現(xiàn)出：與圍巖層面高角度相交產(chǎn)出的液化脈長而窄，一般呈線狀，脈寬1～5mm，長8～15cm；而大致平行層面產(chǎn)出的硅質(zhì)液化脈，一般短而寬，脈寬5～10mm，長3～5cm。液化脈的硅質(zhì)礦物主要為玉髓和微晶石英(圖4(a))，與液化硅質(zhì)團(tuán)塊相連(圖4(b))。顯微鏡下觀察，硅質(zhì)脈顯示出明顯的流動特征(圖4(c))，表明其物質(zhì)來源為液化硅質(zhì)團(tuán)塊。

圖3　底辟構(gòu)造野外照片

圖4　硅質(zhì)液化脈構(gòu)造野外及鏡下照片

2.1.3液化卷曲變形構(gòu)造

液化卷曲變形構(gòu)造是地震發(fā)生時(shí)由于沉積物液化導(dǎo)致的一種層內(nèi)彎曲變形構(gòu)造,其主要特點(diǎn)是僅限于層內(nèi)發(fā)育, 大小不一，形態(tài)各異,褶曲軸面無規(guī)律可循。該類震積巖在Chg中十分發(fā)育, 主要表現(xiàn)為硅質(zhì)團(tuán)塊或硅質(zhì)條帶的塑性形變。野外觀察具有以下特征：①硅質(zhì)團(tuán)塊或硅質(zhì)條帶液化卷曲變形限于層內(nèi)部, 其上覆及下伏土褐色層狀中-厚層白云巖層均未受影響，具有良好的成層性，并夾有深灰、灰色順層發(fā)育的硅質(zhì)團(tuán)塊、硅質(zhì)條帶或薄層(圖5(a))；②液化變形硅質(zhì)團(tuán)塊或硅質(zhì)條帶形態(tài)各異，大小不等，可以單個(gè)出現(xiàn)，也可以多個(gè)相連；③液化變形硅質(zhì)團(tuán)塊或硅質(zhì)條帶產(chǎn)狀雜亂，無明顯的順層產(chǎn)出特征，產(chǎn)狀多樣，甚至以高角度與上下巖層相交；④液化卷曲變形硅質(zhì)團(tuán)塊或硅質(zhì)條帶的邊部呈現(xiàn)不規(guī)則的齒狀、刺狀、港灣狀(圖5(b))等，硅質(zhì)本身具有明顯的液化流動特征, 其內(nèi)部可以俘獲與圍巖成分相同的白云巖角礫，并且與液化硅質(zhì)細(xì)脈共生；⑤圍巖為中-厚層白云巖層且不發(fā)育紋層，液化硅質(zhì)物引起圍巖變形，從而難以識別，總體表現(xiàn)為成層性變差，而液化硅質(zhì)本身的變形更為突出。

2.1.4枕狀層構(gòu)造

枕狀層是指軟沉積物由于地震振動引發(fā)變形而形成的不規(guī)則枕狀、球狀層[19]，表現(xiàn)為巖層內(nèi)密集的扁橢球體[20]。在野外露頭剖面上，枕狀層上球枕呈橢球體、串珠狀、豆莢狀、香腸狀排列，層內(nèi)重疊在一起，大小不等，長度0.5～20cm，厚15～30cm(圖6(a))。層面上表現(xiàn)為不規(guī)則狀，大部分球枕體以不同形式交連，具有明顯軟變形特征(圖6(b))，主要以他形粒狀細(xì)粉晶方解石為主，含少量白云石、有機(jī)質(zhì)和陸源砂。陸源砂多呈棱角-次棱角狀，成分主要為石英，粒徑多小于0.1mm。球枕體間的基質(zhì)與球枕體不同，主要表現(xiàn)為泥質(zhì)和硅質(zhì)含量較高，幾乎不含陸源砂，礦物顆粒較細(xì)，基質(zhì)見有變形紋層，當(dāng)單個(gè)球枕出現(xiàn)時(shí)，因負(fù)載體下沉明顯使得基質(zhì)紋層向下彎曲變形。

圖5　液化卷曲變形構(gòu)造野外照片

圖6　枕狀層構(gòu)造野外照片

2.2擠壓變形

2.2.1板刺狀角礫

板刺狀角礫是由宋天銳[3]在研究北京地區(qū)前寒武紀(jì)碳酸鹽巖地層中地震-海嘯序列時(shí)提出，是指“曾經(jīng)被擾動過的紋層狀藻席(疊層石), 成為許多碎片, 表現(xiàn)為放射狀角礫, 從側(cè)面看, 每一個(gè)角礫具有刺狀外形”，并將其解釋為地震成因，出現(xiàn)在地震-海嘯序列的第2個(gè)單元。喬秀夫等[11]認(rèn)為板刺狀角礫巖以橫向與直立緊密褶皺連接，礫石僅直立及疊瓦排列區(qū)別于風(fēng)暴礫巖，是在地震持續(xù)擠壓力作用下形成的。

從區(qū)內(nèi)板刺狀角礫層的特征看，多由直立及疊瓦緊密堆積排列的片狀硅化白云巖角礫構(gòu)成，缺少螺旋狀、倒小字及雜亂狀等排列方式，單個(gè)角礫呈片狀、板狀，一般角礫長5～10cm，寬約3～5mm,棱角明顯，無分選，無磨圓，不同單層的角礫傾斜方向不同。板刺狀角礫層是半-未固結(jié)的薄層沉積巖層在地震時(shí)持續(xù)受到北東-南西向水平擠壓發(fā)生褶曲，當(dāng)擠壓力足夠大時(shí)，褶曲層破裂形成板刺狀角礫(圖7)。

2.2.2微型褶皺

微型褶皺通常表現(xiàn)為小型的層間褶皺，沉積物液化和未固結(jié)的沉積巖層受到水平擠壓，形成微型褶皺。因此，與枕狀層和液化脈構(gòu)造一樣，微型褶皺被認(rèn)為是一種典型的地震驅(qū)動的軟沉積物變形構(gòu)造[22]。區(qū)內(nèi)微型褶皺發(fā)育在厚層白云巖所夾的含硅質(zhì)條帶白云巖中，以硅質(zhì)條帶的彎曲為特征。與后期構(gòu)造形成的褶皺變形不同，微型褶皺屬于層內(nèi)變形，其上覆及下伏巖層均未受到影響，褶皺形態(tài)不規(guī)則，單個(gè)褶曲變化較大(圖8)。

圖7　板刺狀角礫巖　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖8　微型褶皺

2.2.3丘-槽構(gòu)造

丘-槽構(gòu)造是頂部的軟沉積物，在受到地震應(yīng)力作用下擠壓變形而形成的褶皺[22～24]，夾于上、下未變形巖層之間，表現(xiàn)為一組交替出現(xiàn)的背斜(丘) 與向斜(槽)，沉積物在丘頂?shù)纳铣亲R別丘-槽構(gòu)造的重要標(biāo)志[20]。

區(qū)內(nèi)丘-槽構(gòu)造發(fā)育在第75層，軟沉積物擠壓變形形成的褶皺表現(xiàn)為零星斷續(xù)分布的白色硅質(zhì)條帶，且具一定的彎曲變形。剖面上表現(xiàn)為2個(gè)小背斜夾一個(gè)小向斜的丘-槽-丘形態(tài)，對稱出現(xiàn)，丘、槽形態(tài)完整(圖9)。丘體底部長60cm，高20cm，一側(cè)較為平緩，與下伏巖層夾角約為30°，與槽相連的一側(cè)較陡，夾角約為70°，發(fā)育在成層性好的中層白云巖之上；槽體長約40cm，槽深約10cm，槽內(nèi)沉積物為薄層泥質(zhì)白云巖，向兩側(cè)的丘頂有明顯的上超。從上述特征來看，在丘-槽構(gòu)造的兩側(cè)，地震導(dǎo)致的擠壓應(yīng)力是相等的。

2.3拉伸變形

區(qū)內(nèi)拉伸變形導(dǎo)致的環(huán)形構(gòu)造是由一系列扁的薄層硅質(zhì)白云巖同心環(huán)體構(gòu)成，夾于厚層未變形的白云巖之間。野外剖面上，環(huán)形構(gòu)造橫向上每個(gè)環(huán)形體沿走向順層分布，相鄰2個(gè)環(huán)狀體之間是被一組剪切力分割，拉伸變細(xì)甚至斷開(圖10)。Rodriguez-Pascua等[25]和袁靜等[26]將環(huán)形層解釋為深湖相或靜水弱4級以下地震晃動的產(chǎn)物。有研究表明，環(huán)狀構(gòu)造不僅發(fā)育于湖泊季節(jié)性紋層，在陸表海的紋層狀巖石中同樣發(fā)育環(huán)形構(gòu)造[17,20,27]。計(jì)算機(jī)模擬顯示，紋層狀碳酸鹽巖沉積在兩側(cè)的張性拉力下可以形成環(huán)形層[17]。

圖9　丘-槽構(gòu)造圖　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖10　環(huán)形構(gòu)造

圖11　層間小斷層

2.4脆性變形

研究區(qū)脆性變形導(dǎo)致的層間小斷層為一組斷距較小，近平行排列的正斷層，位于厚層白云巖中所夾的薄層內(nèi)。層間小斷層主要截?cái)啾影自茙r，上覆及下伏巖層均未受到影響，以張性正斷裂為特點(diǎn)，斷裂面平直，產(chǎn)狀大致近似，相互平行，傾角近乎直立(圖11)。斷層上、下盤之間的斷距小，一般不大于5cm，未見褶皺或撕裂現(xiàn)象，表明薄層白云巖成巖后的脆性變形是導(dǎo)致層間小斷層形成的主要原因。層間小斷層被認(rèn)為是震積巖中最典型的構(gòu)造類型，是重要的古地震證據(jù)[1]。

3古地震發(fā)生頻率

河北寬城中元古位于燕遼裂陷槽中部，緊鄰燕遼裂陷槽軸部發(fā)育的凌源-平泉-興隆-密云同沉積斷裂帶，該斷裂帶始于中元古界常州溝組沉積期，長城紀(jì)持續(xù)活動，斷裂活動引發(fā)地震導(dǎo)致寬城中元古代Chg震積巖十分發(fā)育，主要集中在3個(gè)層段。

1)第2段該層段厚度約66.19m，震積巖以液化卷曲變形和液化脈震積巖為主，表現(xiàn)出壓應(yīng)力形變特征，具典型的溝槽構(gòu)造、微褶皺變形和板刺狀角礫巖。

2)第5段該層段厚度約65.57m，震積巖以枕狀層構(gòu)造為特征，另外發(fā)育液化卷曲變形和粒序斷層。

3)第9段該層段厚度約65.5m，震積巖以張應(yīng)力形變?yōu)樘卣?，表現(xiàn)為小正斷層、環(huán)形構(gòu)造和地裂縫等。

喬秀夫等[28]對受古郯廬斷裂帶和白云鄂博裂陷槽的活動所引起的地震研究后認(rèn)為，華北地臺東部震旦系及下古生界中地震節(jié)律為40Ma及30Ma。劉鵬舉[12]對凌源-平泉-興隆-密云同沉積斷裂帶北側(cè)河北平泉Chg震積巖進(jìn)行過詳細(xì)的研究，認(rèn)為Chg沉積時(shí)期經(jīng)歷了3個(gè)地震活躍期，計(jì)算出的地震節(jié)律約為65Ma，并認(rèn)為該地震節(jié)律反映的是燕山裂陷槽北部邊緣的斷裂活動規(guī)律。

河北寬城Chg震積巖集中分布的3個(gè)層段代表了3個(gè)強(qiáng)烈的地震活躍期。Chg的沉積時(shí)限精確到1600～1550Ma，寬城尖山子實(shí)測的Chg厚度為938.55m，地層沉積速率約為18.8m/Ma。據(jù)此計(jì)算出的地震節(jié)律大致約為13Ma(12.2Ma和13.6Ma)，每個(gè)地震活躍期的持續(xù)時(shí)間大約為3.5Ma。以此與劉鵬舉計(jì)算的地震節(jié)律(約65Ma)對比，兩者區(qū)別主要在于Chg的沉積時(shí)限的選擇，該次研究選擇了梅冥相[13]對Chg沉積時(shí)限的最新研究成果，故可信度更高。

筆者認(rèn)為，平泉和寬城Chg的地震節(jié)律反映出的是燕山裂陷槽軸部同生斷裂活動的規(guī)律。河北寬城與平泉相鄰，寬城位于河北平泉的南部，且寬城和平泉分別位于燕遼裂陷槽軸部凌源-平泉-興隆-密云同沉積斷裂帶的南北兩側(cè)，均受燕遼裂陷槽軸部同生斷裂帶構(gòu)造活動的控制。

利用喬秀夫等繪制的震級與液化最大震中距的關(guān)系圖，將寬城到凌源-平泉-興隆-密云同沉積斷裂帶垂直距離確定為Chg沉積時(shí)期地震的震中距，估算出的震級約為6～7級。

4結(jié)論

1)河北寬城Chg識別出多種類型震積巖，包括軟沉積物液化變形、擠壓變形、拉伸變形和脆性變形等。

2)Chg沉積時(shí)期區(qū)內(nèi)存在3個(gè)強(qiáng)烈的地震活躍期，每個(gè)地震活躍期的持續(xù)時(shí)間大約為3.5Ma，活躍期之間的間隔(地震節(jié)律)大致約為13Ma，估算出的震級為6～7級。

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22 Seismites and Ancient Earthquake Frequency in Gaoyuzhuang Formation of Kuancheng in Hebei Province

Zheng Xiucai

(Author’sAddress:CollegeofEngineeringandTechnology，YangtzeUniversity,Jingzhou434020，Hubei，China)

Abstract:A series of distinctive tectonic characters of seismites were developed in Mesoproterozoic Gaoyuzhuang Formation in Kuancheng Area of Hebei Province，which included liquefaction deformation(diapirs,liquefied veins and liquefied curl)，extrusion deformation(planar-spiny breccia and hillock-trough sructure)，tensile deformation(circular layer)and brittle deformation(small faults between layers).Most of relative seismites were concentrated in the second，fifth and ninth stratigraphic segments which represented three seismic active times.The interval of seismic active time (earthquake rhythm) was 13Ma，each of seismic active duration was about 3.5Ma.The 13Ma of earthquake rhythm reflected the contemporaneous fault regularity of trough axis on Yanshan rift.According to the second segment of seismite frequency，it can primarily estimate that the ancient seismic frequency is about 0.15Ma.By utilizing the relationship of magnitude and the largest liquefied epicenter distance, the estimated magnitude is 6 to 7.

Key words:seismite；earthquake rhythm；Mesoproterozoic Gaoyuzhuang Formation；Kuancheng Area in Hebei Province

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號]1673-1409(2016)11-0022-08

[中圖分類號]P512.2

[作者簡介]鄭秀才(1963-)，男，研究員，主要從事沉積與儲層和高等教育方面的研究工作，1250709111@qq.com。

[基金項(xiàng)目]中國石油化工有限股份公司海相前瞻性研究項(xiàng)目(YPH08026)。

[收稿日期]2016-02-01

[引著格式]鄭秀才.河北寬城高于莊組震積巖與古地震發(fā)生頻率[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版),2016,13(11):22～29.