新疆泥火山發育區場地震陷災害機理探討

許世陽, 柴少峰, 尹光華, 王 平, 蒲小武

(1. 中國地震局蘭州地震研究所 中國地震局黃土地震工程重點實驗室, 甘肅 蘭州 730000;2. 新疆維吾爾自治區地震局, 新疆 烏魯木齊 830011; 3. 防災科技學院, 河北 065201)

0 引言

目前,國內外相關研究主要集中在泥火山分布、成因與噴出物組分等方面[1-4]。泥火山活動伴隨地下水、天然氣及泥質碎屑物由地下向地表搬運,當泥漿噴涌劇烈,會在地表堆積成火山錐狀,同時部分泥火山噴出氣體成分含有甲烷,會發生自燃現象,泥火山因此作為一種特殊地貌逐漸被關注[5-8]。雖然多數泥火山活動強度弱,對周邊自然環境影響較小,但是少數泥火山活動劇烈,噴涌出的泥漿移動速度快、體積大,會對周邊環境及人員安全造成威脅,已成為重點關注地質災害之一。如2006年5月印尼東爪哇區域爆發泥火山,泥漿噴涌劇烈,最大速率達到180 000 m3/d,約7.8 km2區域被泥火山噴出的泥漿所覆蓋,泥漿厚約20 m,對4萬人的生活及安全造成影響[11]。已經證實,泥火山活動受地震誘發,一般地震過后,泥火山往往會發生噴發現象。如2001年1月26日巴基斯坦南部的7.7級地震后,該區域發生了泥火山噴發[9-10]。泥火山活動過程中泥漿搬運地下沉積物在地表再次沉積,新沉積的黃土層物性參數可能發生改變,影響其抗震陷性能。沉積粒度組分中黏粒含量是影響黃土的震陷性的參數之一[11-12],當黏粒含量小于17%時,黏粒含量越小殘余變形越大,越容易震陷,黃土的殘余變形隨黏粒含量的增加而減少,含黏粒黃土抗震陷性能隨黏粒含量的增加而增加[13-15]。本文主要討論泥火山活動對沉積碎屑物粒度組分的改造對泥火山發育區域場地震陷災害之間的關聯性。泥火山分布區多為厚層土狀沉積層[16-17],受地下水及天然氣的影響,土狀固態沉積物粒度被改造,粒度組分改造前后對震陷特性造成影響。本文采集泥火山泥漿樣品與發育區域背斜軸部地層樣品,通過粒度分析確定改造前后粒度組分變化與場地抗震陷性關聯性探討,可作為泥火山泥漿沉積層場地震陷災害判斷依據之一。

1 泥火山的分布及基本特征

泥火山分布廣泛,著名的泥火山有美國的黃石公園、伊朗的馬克蘭、羅馬尼亞的布扎、阿塞拜疆的巴庫及中國新疆北天山泥火山群等。在中國,在海底和陸地都發育泥火山。我國陸地與海底至少在有11處發現了200多座泥火山[9]。海底泥火山主要集中在南海臺西南盆地,陸地發育最大的泥火山群則在新疆北天山區域內,分別集中在獨山子、沙灣、艾其溝和白楊溝等區域(圖1)。其中艾其溝泥火山群發育的泥火山為兩座相距40.2 m且規模較大的椎體[圖1(c)]。東側的錐體高11.5 m,錐孔直徑7.0 m,噴口直徑4.3 m,凹坑中有大量泥漿,噴出的泥質沉積物為青灰色,表面漂浮黑色油漬,具有汽油味,仍處于活動狀態,有氣泡冒出,外圍干枯的部分有泥裂[圖1(a)]。西側的錐體高8.4 m,上錐孔直徑5.7 m,噴口直徑1.4 m,噴口周圍泥質已干枯固結,中心泥質含一定水分[圖1(b)]。我國陸地已發現的泥火山除新疆北天山區域外,還在青藏高原羌塘盆地內、臺灣島的臺南與高雄處發現泥火山活動[9]。

圖1 研究區泥火山分布范圍及取樣位置示意圖Fig.1 Distribution of mud volcanoes and sampling location in the study area

2 樣品的采集與測試

共采集2處泥火山噴出的泥質沉積物樣品進行粒度分析。其中樣品A1為已停止活動的固結泥質碎屑,樣品A2為泥火山活動中噴涌出的泥漿。同時選取泥火山群臨近區域出露的地層,采集9個連續地層沉積物樣品進行粒度測試,目的是通過兩類樣品粒度參數的對比,探討泥火山活動對原地層沉積物粒度組分的改造作用。

使用Mastersizer 2000型激光粒度分析測試儀進行粒度分析,測試由中國地質大學粒度分析實驗室完成。激光測試結果的粒度分布曲線如圖2所示。由于泥火山噴發過程中伴隨油氣,泥質噴出物含有大量的有機質膠結物,地層沉積物樣品也含有一定量有機質與碳酸鹽等膠結物,這類膠結物對于粒度實驗具有很大的影響,樣品前處理可以去除這些膠結物,使顆粒得到有效的分離,保證實驗數據的有效性。實驗粒度儀的測量范圍為0.02～2 000 μm,在測量區間共可獲得100個粒級的百分含量數據,并給出每一粒級的百分含量,同時可提供粒度分布曲線和累積曲線[16]。

圖2 泥火山樣品與地層樣品懸浮液粒度分析圖Fig.2 Particle size distribution of suspension in mud volcano samples and stratum samples

3 泥火山及地層沉積物粒度分析

激光粒度分析的主要參數分別有中值(Md)、均值(Mz)、標準偏差(σφ)、偏度(SK1)和峰度(KG)。其中,Md是累計曲線上碎屑含量50%處對應的粒徑,它在粒度上居于沉積物的中央,有一半重量的顆粒大于它,另有一半小于它;Mz表示粒度分布的集中趨勢,反映搬用介質的平均動能;σφ代表了碎屑的分選性,分選性的好壞可以作為沉積類型判別標志之一。總體而言,沉積環境由風成砂丘-海(湖)灘砂-河道砂-冰川和沖積扇沉積,其分選程度依次變差;SK1用來判斷粒度分布的對稱程度,表示非正態粒度分布下的偏斜程度,當SK1=0時表示峰兩側粗細粒徑的百分比含量互相對應地減少,形成以峰為對稱軸的對稱曲線;SK1>0時表示正偏,峰偏向粗粒度一側,細粒一側有一低的尾部;SK1<0時表示負偏,峰偏向細粒度一側,粗粒一側有一低的尾部。偏度正負大小與多種因素有關,它主要受沉積物屬性控制,既與沉積環境類型密切相關,又與環境能量是否對應平衡有關。如負偏表示因搬運介質動力強,細粒沉積物在該地沉積少而虧損;正偏表示因搬運運動力弱,粗粒物質不足。KG用來衡量粒度頻率曲線尖銳程度,通常沉積物是多種來源的混合物,如果兩個粒度分布總體大致均等混合時粒度頻率曲線成鞍狀寬峰,如果單一粒度占絕對優勢時,曲線呈尖峰分布;峰態表示粒度頻率曲線單峰、雙峰或者多峰等特征。圖2可以直觀的反映峰態與峰度參數特征。一般認為,沉積物的平均粒徑和標準偏差主要受物源控制;最后沉積環境對原來沉積的改造,主要表現在某些原有組分的丟失或新組分的加入,即主要反映在頻率曲線上粗、細尾部的變化,而尾部極微弱的變化,即尾部粒級含量的微弱增減,都會引起峰態和偏度的明顯改變[16]。樣品的激光粒度分析測試參數結果如表1所列。

表1 地層樣品粒度參數統計

經過粒度分析,泥火山泥質沉積物粒度主要為0.2～100 μm,以溫德華粒級分類,組分粒級分別為黏土粒、粉砂粒、極細砂粒、細砂粒與中砂粒。A1與A2樣品組分中各個粒級含量相似,組分中以粉砂為主,粉砂粒占56%,黏土含量占44%,如圖3所示。粒度參數顯示:樣品分選性差;偏度相似,以近對稱為主;峰態相似,以中等為主;粒度分布曲線以單峰正態分布曲線為主。地層泥質沉積物粒度主要為0.2～80 μm,較粗部分為80～150 μm,組分粒級分別為黏土、粉砂、極細砂。組分中各個粒級含量相似,以黏土與粉砂為主,黏土含量占17%～55%,粉砂含量占45%～74%,部分組分中含有極細砂,含量占10%～13%,如圖3。粒度參數顯示:樣品分選性差;偏度以近對稱為主,部分為正偏;峰態以中等為主,部分為平坦;粒度分布曲線以單峰正態分布曲線為主,部分為單峰或雙峰正偏曲線。

圖3 樣品粒級百分含量Fig.3 Percentage of the sample grain size

通過粒度分析對比發現,兩者組分以粉砂粒與黏土粒為主,多數樣品粉砂含量超過50%。粒度參數顯示,兩者分選較好,且粒度分布曲線都以單峰正態分布曲線為主。整體來看泥漿樣品組分中黏土含量相對地層樣品較少。將泥火山活動的改造作用主要為泥漿的搬運、混合、沉積過程當中粒度組分改變與顆粒膠結物溶解。改造強弱受泥漿水動力條件、搬運距離與原沉積物粒度組分影響,改造過程具有差異性,但多數樣品基本保持地層組分,改造程度低,整體顯示為黏土減少,顆粒變粗的趨勢,說明泥漿搬運距離較短,來源深度較淺,混合與分選改造程度低。

4 泥火山活動對沉積物組分改造及對其震陷性影響

泥質碎屑的孔隙率與膠結物是影響震陷的重要因素[13-14,19]。淺層泥質沉積物通過泥火山活動搬運至地表,在這一過程中不同粒度組分發生混合、分選,最后在地表沉積,泥漿持續堆積形成椎狀地貌體。新疆已發現的泥火山泥錐高度不一,艾其溝泥錐高度達8～10 m。艾其溝泥火山泥質沉積物粒度組分中以粉粒為主,占56%左右,黏粒含量約為44%,粒度分布以偏眾數,正偏態。黃土地層樣品粒度組分以粉粒為主,占60%～70%左右,但黏粒含量差異較大,與每一層地層的沉積環境差異有關,其中黏粒含量在15%～20%之間,極細粒含量占10%,與典型天山黃土粒度組分相似[17-18],個別地層中黏粒含量在43%～55%之間與艾其溝泥火山泥質沉積物粒度組分相似。

根據含黏粒黃土中黏粒含量對黃土動力學穩定性相關性研究發現[13],含黏粒黃土的抗震陷性能隨黏粒含量的增加而增加,黏粒含量越小殘余變形越大,越容易震陷,抗震陷性能最低點在黏粒含量16%～17%之間,如圖4所示。對比泥火山沉積物與地層沉積物中黏粒含量發現,前者黏粒含量均值為44%,后者為36.5%,這與泥火山活動改造作用主要以黏土組分減少,顆粒變粗的趨勢有關,二者都具有較高的抗震陷性能,但地層沉積物個別層內含黏粒量在17%,處于抗震性較地點,具有震陷危險。因此泥火山活動對沉積物的改造將粉質黃土逐漸向黏質黃土過渡,而黏質黃土的穩定性較高,從而提高了沉積物的抗震陷性能。

圖4 含黏粒黃土殘余強度與黏粒含量關系Fig.4 Relationship between clay content and residualstrength of clayey loess

黃土沉積過程中孔隙水使沉積物在原始孔隙中發生物理化學沉淀作用,沉淀的礦物能將疏松的沉積物黏結并使之固結成巖。易溶鹽是膠結作用的重要組成部分,在含水量較低時,易溶鹽處于微晶狀態,附于顆粒表面,起膠結作用。研究證明含水量是影響土體內聚力最重要的因素之一,土體內聚力隨含水量與土體黏粒含量比值的增大呈減小趨勢。通常泥火山發育區域為構造背斜核部,斷裂發育,泥火山活動中泥漿流沿斷裂向地表運動,受泥漿流的浸水作用,顆粒之間的黏力降低。艾其溝泥火山仍然持續活動,錐體中心泥漿含有大量水分,中心至椎體外側泥質碎屑物含水率逐漸降低。整個椎體內含水率中心高,周緣低,使椎體中心形成震陷的易發生帶。

5 結論

(1) 艾其溝泥火山泥質沉積物粒度組分中以粉粒為主,占56%左右,黏粒含量約為44%,粒度分布以偏眾數,正偏態;黃土地層樣品粒度組分以粉粒為主,占60%～70%左右,但黏粒含量差異較大,其中黏粒含量在15%～20%之間,極細粒含量占10%,與典型天山黃土粒度組分相似,個別地層中黏粒含量在43%～55%之間與艾其溝泥火山泥質沉積物粒度組分相似。

(2) 泥火山活動對泥質碎屑沉積物溶解、搬運與沉積后以黏土組分減少,顆粒變粗的趨勢,將粉質黃土逐漸向黏質黃土過渡,而黏質黃土的穩定性較高,從而提高沉積物的抗震陷性能。黃土抗震陷性受多因素影響,定量分析泥火山活動對場地的震陷災害的影響還需要進一步研究。