山西平陆黄河北岸第四纪软沉积物变形构造的古地震成因研究

:/DOI10.14075..2019.10.002jjgg

大地测量与地球动力学

JournalofGeodesndGeodnamicsyay

Vol.39No.10

,Oct.2019

()文章编号:1671-5942201910-0997-05

山西平陆黄河北岸第四纪软沉积物

变形构造的古地震成因研究

史双双1 赵 强2 薄建杰1 韩晓飞1 张 丽1 杨会丽3

北京市华严里甲1号,3 中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室,100029

太原市长风西大街1号,2 山西省应急管理研究中心,030006

1 山西省地震局,太原市水西关南街2号,030021

摘 要:为研究山西南部平陆地区黄河北岸一级阶地中软沉积物变形构造的触发机制,对观测剖面中发育的比软沉积物变形的地震成因,推测剖面中的变形构造为地震成因,并依此建立山西南部平陆地区的地震成因,地层沉积序列。光释光测年结果显示,该变形构造形成年龄为1.通过影响烈度的计算并结合山西9±0.2ka及邻近省的地震资料发现,2次历史地震可能与该软沉积物变形构造相关。关键词:软沉积物变形构造;液化变形;地震成因;沉积序列;山西南部中图分类号:P315 文献标识码:A

碟状构造、液化卷曲构造和球枕构造等3类软沉积物变形构造的特征进行描述,分析其形成机制,通过总结对

软沉积物变形构造(soft-sedimentdeforma-,是用来描述未成岩沉积物tionstructureSSDS)

]1

,的变形构造[其在现代和古代沉积物中都有记2-4]

。对地震作用最敏感的沉积物具有对比性载[

一组由碟状构造、液化卷曲构造及球枕构造组成的多重变形构造。

和分选性好(粉砂质)的特点,如交错的、分选好的粉砂、土及泥质层。地震成因的SSDS主要发育在冲积平原、潮滩、河口三角洲或平原、湾顶、湖泊

5]

。各种流及沼泽环境的含水粉砂质和粘土层中[

态化和液体喷出的现象不一定是地震成因,也有可能是快速沉积卸载导致的流体超高压、河道沉积、泥石流等因素造成,而液化作用和流体化是

;;FQFQF1峨眉台地南缘断裂(3)2中条山北麓断裂(4)3中条

;山南麓断裂(QFQ1)4华山山前断裂(4)

MW≥5地震中和震后在未固结的沉积物中形成

[]

但绝大多数其他非地SSDS都会经历的过程6,震因素在湖(河)相环境中则不会形成液化和流体

7]

。因此,化[区分地震成因和非地震成因的变形

1 软沉积物变形构造特征

图1 区域构造及剖面位置

Fi.1 Reionalstructureandsectionpositiongg

构造需要对其形成机制及沉积环境进行准确的分析。第四纪沉积物中记录的地震成因变形构造可

]6

。以用来确定地震及地震复发周期[

1.1 碟状构造

碟状构造位于剖面的粉砂层中,岩性为深褐

山西南部运城市平陆地区黄河北岸一级阶地

)、)。最大色粘土,呈向上弯曲状(图2(图2(ab)的碟状构造长约5条带宽0发育8cm,.8~2.0cm,于粉砂层的底部,其上发育大量黑色纹层液化卷曲())。碟状构造是一种泄水构造,变形构造(图2本c次研究中与粉砂层有关。富含水的砂层由于其高渗透性特性,在外力作用下产生高水压,压力通过

全新世地层剖面位于灵宝断陷盆地东北部三门峡(,水库北侧(图1)黄河34°46'31″N,111°6'58″E)丰水期剖面拔河高度为1.枯水期拔河高度2m,约为2.是2m。剖面中发育软沉积物变形构造,

收稿日期:2018-10-23

););)。项目来源:国家自然科学基金(山西省青年基金(山西省地震局重点科技项目(41702222201701D221019SBK-1633,SBK-1932

:第一作者简介:史双双,博士,高级工程师,主要从事地震地质学及新构造年代学研究,E-mailshishsh@126.com。

:通讯作者:赵强,工程师,主要从事灾害地质研究,E-mail80351474@q.com。q

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]5,8

,渗透、流体向上流动及发生液化泄水来释放[液

化泄水砂脉向上冲断条带状薄层或纹层,上覆薄纹层被向上泄水的细脉牵引发生弯曲,被破坏改造的1.2 液化卷曲构造

液化卷曲构造位于剖面中部及下部的粉砂层液化卷曲构造遍布整个粉砂层,夹有红褐色、褐色粘土条带及环状条带,具有较为明显的液化流动层理,其中,粉砂层的中部及底部以褐色泥质条带为主,上部则以红褐色泥质条带为主。液化卷曲构造是在外力作用下,软沉积物颗粒液化后发生水塑性变形,并重新组合排列形成的微结构纹理。1.3 球枕构造

球枕构造位于剖面粉砂层中,厚约2球0cm,

]9

。薄层或纹层便形成向上弯曲的碟状构造[

()),不等(图2其下伏粉砂层具有强烈的液化变d形,而上覆砂层变形较弱。球枕构造是地层中很特殊的软沉积物变形构造,其变形机理与砂层的)液化作用有关,其宏观特征为:球枕构造与负载1)构造共生;球、枕体位于岩层的不同部位,球枕2构造与负载构造共存于同一个软沉积物液化层()中标出了强液化层中不同球、枕体的形状。球d

枕构造层是在外力作用下沉积物发生液化,粗颗粒沉积物比下伏细颗粒沉积物比重大,在重力作用及剪切的振动摇晃下,下沉到下伏强液化层中,负载体脱离母岩层后形成。这类构造可能是由于

8]

,密度驱动不稳定导致[也可能是由于地震产生]10

。负载构造的地震震动向上的短时水压造成[

[]

成因被O模拟的负载构造位于中砂与wen8模拟,]9

。图2中,这为球枕构造成因解释提供了基础[

()),中(图2厚约4岩性为褐黄色粉砂岩。c0cm,

状体位于粉细砂层的不同部位,直径为2~8cm

细砂界面之下,是由于中砂下沉到细砂层内形成。

图2 观测剖面及软沉积变形构造特征

Fi.2 Theobservationsectionandcharacteristicsofsoft-sedimentareformationstructuresgyd

2 变形构造的成因解释

无论是碟状构造、液化卷曲构造还是球枕构,造,均属于软沉积物变形构造(三者变形SSDS)机理有别,但是否均由地震触发有待进一步考察分析。同一时代层位中,地震引起的SSDS能够

帮助地震学家认识M≥5的古地震事件及当时的

[1]

构造活动。R研究喜马拉雅中部藏南拆ana等1

离系B结urfu湖软沉积物变形构造的地貌背景、构属性及沉积环境认为,软沉积物变形构造发育在平静的湖相环境中,与第四纪地震活动有关。

]5

,液化绝大多数时候是由地震引起[但有时候这

第39卷第10期

史双双等:山西平陆黄河北岸第四纪软沉积物变形构造的古地震成因研究

999

些扰动并非是地震激发的,也有可能是波浪、洪

]3

。因此,水、快速沉积和地下水运动造成[判断是

可以追溯古地震发生的时间。

[]

)发生在地震活跃地区;Sims2提出有以下几点:1

)主要集中在某一具体的层位中;在一个沉积23)

否为地震成因的S需要考虑一系列的标准,SDS,)盆地内部大范围内可追踪到;没有发现其他的4斜坡滑动或斜坡塌陷。

3 变形构造的沉积序列

地震变形构造所在地层的沉积序列是地震时形成的沉积单元组合,反映了地震的沉积环境变化3.1 平陆地区变形构造所在地层的沉积序列

对于研究区构造剖面来说,沉积层垂向序列)由下至上可总结为:1A段下伏未震层;2)B段碟状构造和液化卷曲变形层;3)C段球枕构造层;)液化卷曲变形层(对应图2(中变形粉砂B段)a,)层(层③)球枕构造层(对应图2(中层③C段)a顶部和变形粉细砂层夹亚粘土层(层②)底部,上覆未震层(对应图2中未变形粉土层(层D段)。由此,建立山西南部平陆地区完整的包含软①)

)。沉积物变形构造的沉积序列(图3

[]17

。规律(环境相)或沉积作用变化过程(事件相)

[2]

也总结出震积成因地层Hilbert-Wolf等1

())岩石)的几条标准:与断层有明显的相关性;12

观测到的变形与已知地震成因的变形一致;一3))定范围内普遍分布;越往震中方向,密度和频率4))越高;没有其他机制的标志;垂向上出现多期56))多次变形层;变形层处于未变形层之间;层间78

[]

岩石)的标准Owen等3提出地震成因地层(

)是:发育范围较大;地震成因的液化通常与12)

)下伏未震层(对4D段上覆未震层。其中,A段)

(),应图2中未变形亚粘土层(层④)碟状构造和a

出现角砾岩、砾岩和块状砂岩楔状体相关的断层。

[3]

。地震对沉积物的影响通常是M≥5地震有关1

[]14

,在距离震中40km范围内(90%的地震事件)

尽管这个距离与沉积物的特性有关,但由于地震变形可能被构造干扰而中断,也有可能局部被剥蚀,很难追踪很远的距离,因此这个标准在实践中很难应用。

育的S发育不止一种类型SDS具有以下特征:1))的软沉积物变形,且均与沉积物的液化相关;剖2面位于黄河一级阶地,除地震因素外,不具备发生水下滑坡这一导致沉积物液化作用的其他外力因))素;变形构造具有侧向连续性;343类变形构造

根据以上描述和分析,平陆地区黄河沿岸发

)有史料记载以来,山西平陆地区及周边地震频5

16]

;繁,曾发生多次5级以上地震[排除其他非6)地震的触发因素。

[1,]15

;具有与地震相关的SSDS相同的构造特征1

DS所具有的特征预示着这些变形是由古地震事件

产生的,其变形构造为地震成因,剖面中的SSDS是地层记录中的古地震证据。因此,无论是碟状构造、液化卷曲构造还是球枕构造,变形机理有别,但均为由地震触发液化变形引起的软沉积物变形构

对比以上标准,山西平陆黄河沿岸发育的SS-

3.2 软沉积物变形构造年龄的确定

为了探讨平陆地区软沉积物变形构造形成的时代,在新鲜暴露的剖面上用钢管采集了2个样品,用于光释光方法(测年,测年原理参照文OSL)]。样品1(献[位于剖面层①与层②18-19PL-01)()的分界处,距地表约1样品2位于层7cm;PL-02。距地表约4②中部,0cm。光释光测年结果见表1

图3 山西南部平陆地区黄河沿岸地震变形

构造所在地层的沉积序列

Fi.3 DeositionalseuencesalonheYellowgpqgtrivercoastofPinlureioninsouthernShanxigg

造,根据不同时代地层中记载的SSDS构造变形,

送样号PL-01PL-02

-1埋深/·m测量方法α计数率/CountsKs

Tab.1 TheaesandparametersfortheOSLsamlesinPinlureiongpgg

10.1±0.310.2±0.3

/%K2.02.1

-1实测含水量/%年剂量率/·Gkay

表1 山西省平陆地区光释光样品测年结果

0.170.40

SMARSMAR

1717

3.8±0.23.8±0.2

等效剂量/Gy6.4±0.27.5±0.5

1.8±0.22.0±0.2

年龄/ka

,样品1的沉积年龄为1 结果显示,.8±0.2ka

,样品2的沉积年龄为2样品1比样品2.0±0.2ka

略年轻。由于软沉积物变形构造位于层②之中,可以推断,变形构造形成于层②沉积之后、层①沉积

1000

大地测量与地球动力学

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之前,年龄可取二者的平均值,即4 1.9±0.2ka

讨山西省是我国强烈地震活动带之一 。论

。为进一

步讨论软沉积物变形构造与地震的关系,通过计算历史地震对研究区影响烈度的方法来确定与变形构造相关联的地震。依据中国历史强震目录[16]及近代地震目录[20

]000km范围内选取,首先从研究然后从华区周围1

(下地震,1并建立地震目录06°~118°E7,.30级及以上地震,

北地区0°。~4根据中国东部烈度平3°N)选取6.9级以均轴衰减关系式,计算各个地震对研究区造成的影响烈度:

I=4.493+1.454M-1.792ln(R+16

σ=0.5304

)式中,R为震中距(单位为取烈度为Ⅵ度以上的地震建立影响烈度的初

km),M为地震震级。

始目录。通过查阅相关资料,并与等震线图及相关破坏情况记载等宏观资料进行对比,筛选出对研究区产生Ⅵ度以上影响烈度的地震共有于距今。

700a左右,与9次,但这些地震最早发生本文剖面的变形构造没有关联考虑到存在地震漏记的可能,通过收集更早时期地震现场的碑刻、题记和古建筑的地震破坏遗迹等资料发现,研究区周围在距今过2次有影响的地震[21

]:1)

公元20前00年左右发生27年(距今约明00;亡记录20)a

公元)长安北地震,震中洛阳144年(距今约,有伤亡记录。综合以上分析可以看出1900a),洛阳地震但震中位,置,有伤不在山西南部平陆地区及周边古地震发生频繁,地震震级较大(有人员伤亡)。通过影响烈度的计算得出,1303~1827年间,

对研究区造成震就有地震为9次(不含漏记地震),其中造成最大影响的Ⅵ度以上影响的地k对研究区造成1815年平陆Ⅷ6度破坏.75级地震,

距离研究区仅。通过收集地震遗迹8等资料发现m,

,距今1.9±0.2ka有2次地震可能在黄河沿岸的沉积物中记录下来。

5 结通过上述分析与讨论 语

,可以获得如下初步认识:

沉积物变形构造1

)在山西南部平陆地区:碟状构造、液化卷曲构造和球枕,至少发育有3种软构造。这SSDS相同的构造特征3类软沉积物变形构造具有与地震相关

,均为地震成因,与研究区的地震活动背景一致。

2

)建立了山西南部平陆地区包含软沉积物变形构造的地层沉积序列。

年龄为3

)据光释光测年结果推算1.9±0.2ka。

,2次古地震可能与本文剖面,研究区变形构造中的变形构造相关尽管本文从地质上获得了一些软沉积物变形构造的地震成因证据,但这些认识仍是初步的。受露头剖面高度及古地震资料记录的完整度等因素所限,目前的研究还不能很好地划分地震变形构造的期次,有关地震与地震软沉积物变形构造的关系也只能通过估算和推测,与断裂的关系尚不明确。尽管如此,本文的新资料已经显示出山西南部具有研究地震软沉积物变形构造的条件与优势,相关的认识将在今后的调查与研究中进一步深化。参考文献

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formationinducedbarthuakesatabout1.9±0.2ka.Basedontheinfluenceintensitcalculationandseis-yeqy

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:,;,;FoundationsuortNationalNaturalScienceFoundationofChinaNo.41702222YouthFundofShanxiProvinceNo.201701D221019Keypp:,,,:AboutthefirstauthorSHIShuanshuanPhD,seniorenineermaorsinseismicgeolondneotectonicchronoloE-mailshishshgggjgyagy@126.com.

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