地質名山饅頭山及其附近早寒武世古地震沉積事件研究①

張邦花 田洪水 張增奇 杜圣賢

(1.山東師范大學 濟南 250014;2.山東地質科學實驗研究院 濟南 250013;3.山東建筑大學 濟南 250101)

0 引言

饅頭山位于濟南南部山區，濟南南部寒武系出露廣泛(圖1)。華北下—中寒武統龍王廟階—張夏階標準(層型)剖面處在饅頭山;這里不僅發育十三個三葉蟲化石帶，形態別致的“饅頭狀”山頭，河流環繞、風景秀麗，而且，地質研究歷史悠久，Willis B和Blackwelder E、孫云鑄院士及盧衍豪院士等中外著名地質學家都曾來這里開展地層與古生物學研究［1］。當今，到饅頭山一帶開展地學考察和研究的學者依然絡繹不絕。所以，饅頭山被譽為地質名山。筆者近年來在饅頭山、青楊村東、紅葉谷及滾球山等地發現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 地質背景

圖1 研究區地質略圖Fig.1 The geological sketch of the study area

表1 研究區下—中寒武統劃分對比Table 1 Division-correlation for the Lower-middle Cambrian in the study area

濟南以東約200 km處為古郯廬斷裂帶，此斷裂帶形成于前震旦紀［2，3］，其分布與現在郯廬斷裂帶基本一致(圖1)。有關研究表明，古郯廬斷裂帶于震旦紀—奧陶紀曾發生強構造與地震活動［4～6］。早寒武世時期，包括濟南在內的魯西地區為濱海、薩布哈及陸表海(潮坪)環境，在當時的海底沉積形成了一套陸源碎屑、泥質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，下寒武統各組、段間均呈整合接觸［7，8］。濟南南部下寒武統朱砂洞組和饅頭組廣泛發育，李官組僅發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的對應地層見表1。

區域地質調查成果表明，魯西地區寒武系底部朱砂洞組產有數層燧石團塊或燧石條帶白云巖，含半球狀硅質疊層石或丘狀硅藻疊層石［8］，其中的燧石團塊或條帶、以及硅質疊層石屬硅質巖。由于朱砂洞組中的硅質巖順層分布，有的橫向彼此相連，延伸較遠，分布穩定，內含藻絲體，圍巖的紋層環繞燧石團塊，研究證明這些硅質巖屬同生生物化學成因［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］。在研究區內，青楊村東山的朱砂洞組中發育八層硅質巖，每層厚度10～15 cm，縱向間隔5～40 cm，其中的四至五層發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沉積物，使其發生液化、底辟、卷曲、滑動、沉陷、塌落、錯斷、震裂及震碎等同沉積變形，從而形成具同沉積變形構造的震積巖［11～24］，它們的共同特征是層內沉積變形構造，一般尺度較小(mm級至m級)，無論其規模、形態或產狀如何變化，一般不改變上下圍巖的產狀。在濟南南部山區，新近發現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 震褶巖與滑移構造

震褶巖又稱為卷曲變形或微褶皺紋理，是地震振動作用于軟沉積物、尤其是紋層狀沉積物而形成的層內褶曲，在饅頭山、青楊村東山及滾球山都均發育此種變形構造(圖2-4，圖5A-C和圖5G)，其厚度10～50 cm，長度10～100 cm，褶曲軸面或變形紋層無一定產狀，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狀的變化;可與粒序微斷層及孤立巖塊等伴生。

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

根據此種變形構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泥巖，其形成的機理見圖6:(1)震前:半固結白云巖夾紋層狀軟鈣質泥巖，在沉積層自重應力σo下暫時保持穩定;(2)強地震:半固結白云巖被震裂(此時，σsz＞σsh);當水平震動附加應力σsh≥豎向震動附加應力σsz時，黃色的軟鈣質泥沉積物形成震褶曲，部分黃色的軟鈣質泥擠入震裂隙;(3)在地震彎矩力Ms作用下，軟泥沉積物發生滑移(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力σo+ΔP作用下，壓固成巖。震前白云巖(沉積物)呈半固結狀態，而泥質沉積物夾層呈軟塑狀態，是因為碳酸鹽沉積物比泥質沉積物固結快得多［5］。

2.2 粒序微斷層

粒序微斷裂一般長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)，也有僅發育一條的情況(圖5C)，與各種地震沉積變形構造共生，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現。它們是在地震結束后，受地震擾動、破壞的沉積物發生調整而產生的層內錯斷。

2.3 震裂角礫巖與震碎角礫巖

它們發育在朱砂洞組中(圖2;圖5E和F，圖7)，是半固結狀態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，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載構造

震滑塌褶曲與負載構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砂沉積層中。滑塌褶曲為軸面接近平臥的復式褶曲(圖7Af，圖7Bf)，其中的褶曲軸面與次級褶曲軸面的傾向一致，符合滑塌褶曲的特征，同地點的以往研究［25］指出，這類滑塌褶曲具同沉積特征，推測由古地震引起。枕狀體(圖7AP)伏于滑塌褶曲(圖7Af)之下，應是地震負載體墜落的枕狀、橢球狀塊體(球—枕構造)。負載構造內部層理發生向斜式下彎(圖7Cld，圖7D)，由上覆密度較大、粒度較粗(粒徑0.1 mm)的鈣質細砂層左右受地震震動和重力作用沉入下伏密度較小、粒度較細(粒徑＜0.005 mm)的泥質層中而成，負載體間發育被擠入的下伏較細顆粒巖層的火焰狀構造(圖7Cfm)。負載及球—枕構造已被中外地震地質學家認定為地震形成的軟沉積變形構造，而且被模擬試驗驗證［13，16，20，21］。

2.5 震裂縫和混插沉積

震裂縫發育在朱砂洞組(圖5F)和饅頭組中(圖8A和B)，是地震拉張力使古地表半固結的沉積層發生“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造。

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

2.6 軟硅質巖的變形構造

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

圖6 滑移構造的地震成因機理Fig.6 Seismogenetic mechanism of sliding structures

2.6.1 軟硅質脈

硅質脈與燧石團塊或燧石條帶相連(圖9A)，表明硅質脈源于燧石團塊或燧石條帶;脈寬0.5～10 mm，長3～10 cm。切割含脈的巖石樣品，顯示硅質脈在空間上呈不規則板狀體(圖9B)。硅質脈呈塑性彎曲狀態(圖9A、C)，表明形成時發生了軟塑性彎曲。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在成巖過程中經脫水作用形成。軟硅質脈是軟燧石團塊或條帶受地震力作用擠入圍巖裂隙中的產物。

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

2.6.2 布丁構造、下彎褶曲

軟硅質巖的布丁(香腸)構造是軟硅質層受地震拉伸力形成的產物。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)。有的軟硅質層狀布丁構造受地震水平擠壓力作用而形成了下彎的倒轉褶曲(圖4)，也可見到上彎的倒轉褶曲。

2.6.3 蘑菇狀底辟和硅質疊層石變形

蘑菇狀底辟構造是軟硅質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，下部與硅質層相連(圖9E)。受震動軟硅質層中的SiO2·nH2O粘度變小、流變性增強;然后，受水平擠壓力發生自下向上的底侵(圖3)而成。這種地震成因的蘑菇狀底辟構造，在紅葉谷和青楊村東山均可見到。

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

2.6.4 沉陷構造與觸變楔

飽和砂土或飽和微晶碳酸鹽受強震振動會發生液化。然而，飽和粘性土、軟黏土及硅膠體沉積物受強震或外力擾動不能發生液化，但其粘稠度變小、抗剪強度降低、流塑性增強;當強震或外力擾動停止后，其粘稠度和強度逐漸恢復，軟黏土和硅膠體等的這種“一觸就變”的性質稱為觸變性［26～29］。沉陷構造是地面以下飽和沉積物受震液化、觸變而引發的地面下沉構造［18］，沉陷構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。在地震區沉陷構造反映的震害稱為震陷或稱震沉現象［18，28］。

青楊村東山的朱砂洞組硅質白云巖中發育多個沉陷構造，其中，有三個相連，中間的一個已轉變為觸變楔(圖4，圖10A，B)，三者間隔0.5～1.1 m。沉陷構造變形層的厚度為0.5～0.6 m，每兩個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層與灰泥(經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，后者發育在陸相發震斷層中，由地震震碎或崩落碎屑巖組成［29］，屬于震斷層構造巖，但兩者均稱為地震楔。

Montenat等研究了意大利拉布里亞區(Calabria，Italy)更新世濱海相砂屑灰巖楔(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造［21］。但Montenat等沒有闡明觸變的原理，他們實際上將此種變形構造歸類于“淺部液化(shallow depth lequefaction)”(見文獻［21］Fig.3)。本文所闡述的觸變楔(圖10B)與圖10C，D比較，形態特征相同，生成原理有別——灰泥受震液化的同時，非液化的軟硅質層受震發生了觸變。

沉陷構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力σo下暫時保持穩定;(2)強地震:受地震觸動軟硅質層變得更軟、而灰泥發生了液化;在豎向地震應力σsz作用下，沉積層斷開、下彎、沉陷，形成沉陷構造(此時，σsz＞σsh);(3)地震應力增大，沉陷向深處發展，下伏的半固結層也發生下凹變形，兩側下彎的硅質層匯聚，形成了楔狀體;同時，楔狀體兩側的水平應力σsh增大，下彎巖層因擠壓產生背斜式彎曲，背斜核部灰泥底辟上隆，軸面上部派生張應力(圖11雙向箭頭線);(4)震后:地震應力消失，被上覆沉積層覆蓋，自重應力σo+ΔP增大，壓固成巖。

圖11 沉陷構造和觸變楔的地震成因機理Fig.11 Seismogenetic mechanism of settlement structures and thixotropic wedges

在此有必要對觸變楔與震裂縫及震裂縫充填構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使其粘度降低、流塑性變大(觸變)而發生的塑性變形，由沉陷構造向深處發展而成，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至未完全固結的沉積物生成的“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 意義和結語

本文所闡述上述的地震沉積事件記錄對應的地質時代為早寒武世滄浪鋪—龍王廟期(約520～525 Ma)。根據山東省區域地質研究和有關文獻［1～4，7，8］，當時距研究區最近的活動斷裂構造為濟南以東約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際范圍不僅包括其本身，也包括其附近約150～200 km的活動地帶，在此范圍內的發生的地震事件都直接或間接地反映了深大斷裂帶的構造與地震活動［30］;因此，這些地震沉積事件記錄是加里東構造運動初期的華北板塊板內強地震記錄，屬古郯廬斷裂帶構造活動的響應，它們與古郯廬斷裂帶附近的遼寧下寒武統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同一古地震活躍期的產物。

在濟南南部饅頭山附近發現的上述古地震沉積事件遺跡(卷曲變形、粒序微斷層、滑移構造、滑塌褶曲、負載構造、枕狀體、混插沉積、軟硅質脈、軟硅質層底辟構造、硅藻疊層石變形、沉陷構造、觸變楔、布丁、震裂縫、震裂角礫巖及震碎角礫巖等)是很好的地球科學研究新資料，豐富了饅頭山和濟南南部地區的地質科學內涵。

致謝 感謝審稿專家，為本文的完善提出的許多建設性修改意見與建議。

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