河床底部沙火山特征、演化及其研究意義

馮陣東，李令喜，吳偉，王光緒，王運所，于靜

1.河南理工大學安全科學與工程學院，河南焦作 454003 2.中石化中原油田分公司勘探項目管理部，河南濮陽 450001 3.河南理工大學資源環境學院，河南焦作 454003

0 引言

沉積后尚未固結的砂體在飽和孔隙流體和外部動力觸發機制作用下發生液化、流化，砂體侵入圍巖或者噴出地表形成的侵入單元、噴出單元，與液化后的母巖單元共同組成砂巖侵入體系[1]。大量報到的震積巖、軟沉積變形層基本對應母巖單元，而砂脈、砂巖墻則對應侵入單元中的液化砂體。地質歷史時期，由于噴出單元形成于古地表或古水底，顆粒細小、顆粒之間粘滯力低，在風流、水流的干擾下很難被保存于地層中[2-11]，現有文獻報道的沙火山大部分是現代地震的產物[12-15]。地震可以為母巖液化提供足夠的能量，高震級的地震常伴有砂體液化、侵入和噴出，目前比較公認的砂體液化觸發機制為地震作用[2,16-23]，大量專家學者認可地震重要作用的同時，提出海嘯、隕石、彗星或者小行星撞擊、火山噴發、山體滑坡等非地震事件同樣可以觸發砂體液化[24-39]。能量較強的地質事件，觸發形成的砂體液化發育時間短，現代沉積的相關工作多開展于地震等事件發生之后，地質現象也多為構造定型后的產物。而關于砂體液化形成過程和發育機制的相關研究，絕大多數與物理模擬實驗有關[40-46]。本次報道的沙火山形成于現代河道之中，規模不同的沙火山組成及火山口涌出物質具有明顯差異，筆者認為不同特征的沙火山處于不同的演化階段，對其特征及形成機制進行研究可以為軟沉積變形研究提供參考。

1 沙火山形態及分布特征

本次報到的沙火山發育在山東省菏澤市一小型河道內，河水水位降低，河床底部出現大量丘狀隆起（圖1），組成該類構造的沉積物粒度較細，以粉砂和泥為主，堆積物形態與火山構造極為相似（圖2），為典型的沙火山構造。

圖2 不同演化階段的沙火山特征Fig.2 Characteristics of sand volcanoes atdifferent stages of evolution

從單個沙火山看，其結構一般由圓錐狀的沙丘、沙火山口、液化砂巖（或者水）溢流通道組成。沙火山規模大小不一，較小火山錐底面直徑8 cm左右、高度小于10 cm，而規模較大的沙火山底面直徑大于70 cm，高度大于40 cm。溢流通道一般對應規模偏大的沙火山，絕大多數溢流通道位于火山錐靠近河道中心一側（圖1）。沙火山口規模及涌出水流不同，小型沙火山對應的火山口一般偏小，溢流出的水體渾濁，而多數火山口較大的沙火山溢流物質為清澈水流。

圖1 河床底部沙火山分布特征Fig.1 Distribution of sand volcanoes at base of river bed

空間分布極不均衡，可以是孤立的火山錐，也可以由多個沙火山連片形成長條狀的隆起帶，隆起帶長軸一般與河道延伸方向一致，局部存在與河道近垂直排列的連片沙火山（圖3），本次發現最大的隆起帶長軸大于6 m，寬度1 m左右，高度大于0.4 m，隆起帶上具有特征明顯的沙火山口17個（圖1）。

根據規模及組成特征可以將河床沙火山劃分為2 種類型：有溢流通道型沙火山、無溢流通道型沙火山。其中，有溢流通道型沙火山一般規模偏大，直徑一般大于30 cm，高度一般大于20 cm，火山口涌出物為清澈水流，因組成沙火山碎屑顆粒小、清澈水流改造，致使沙火山口有明顯的增大跡象，該類沙火山口直徑可達10 cm 以上；與之相對比的是，無溢流通道型沙火山整體規模偏小，火山口涌出物質為渾濁水流，沙火山口直徑絕大多數小于5 cm。對于不同類型的沙火山成因，在后續章節中結合形成的環境及動力進行詳細分析。

2 誘發砂巖液化的原因分析

產生本次砂體液化現象的河道具有特殊的背景條件，河道清淤，上覆沉積層重力突然降低是造成砂體液化的主要原因。作為農村灌溉為主的河道，河床底部形態十分特殊，河段兩端靠近橋頭地區河床偏高，中間相對低洼。雨季，河水上漲，可以漫過下游隆起端，防止洪澇災害，實現自然向下游泄洪。旱季，河道的中間低洼部位可以儲存一定量的河水，方便農田灌溉。該河流因其特殊的河床形態，上層水流速度相對較快，靠近底層的流速緩慢，雨水沖刷兩側堤岸及洪水期上游攜帶的碎屑礦物，在河床底部常年淤積，河道明顯變淺。河床中間低洼段與兩側高部位高差降低，基本喪失了儲水功能，當地水利部門對其進行了清淤活動，人為的將河床底部1.5 m左右的沉積物清除。清淤活動之前，液化母巖層地層壓力與上覆沉積物重力、上覆巖層沉積物突破壓力處于平衡狀態，因清淤活動造成上覆巖層變薄，重力、突破壓力降低，為液化砂巖的噴出提供了便利，清淤活動打破壓力平衡條件是觸發砂體液化的主要原因。

季節性的地下水位上升，也可能是觸發該河道砂體液化的原因之一。河道清淤活動發生于2019年春季，降水相對較少，地下水位較深，清淤完成之后，并未發現地下水涌出現象。夏季，河道所處的魯西南地區降水量大，地下水位相應的升高，存在于母巖層內的流體在壓力差作用下水平移動，河床部位因上覆巖層的突破壓力較小，可以作為超壓流體的壓力突破點，水體上涌過程中攜帶粉砂、泥等碎屑物質共同噴出地表，在水底形成沙火山構造。

河道內水位突然降低，地下水位調整也可能造成砂體液化。發現本次砂體液化的季節為2019年秋季，正是該地區秋種之后集中灌溉的階段，多個抽水泵同時活動造成水位快速下降，河床及其底部的沙火山露出水面。在此過程中，河道對應的水體深度降低較快，河道段下伏的砂體孔隙壓力較低，河道周圍地層壓力較高，在壓力差作用下，地下水向河道匯聚，水流攜帶碎屑物質上涌，形成沙火山。

綜合以上幾點，河道清淤、地下水位抬升、河道水位快速下降等因素都可以形成壓力差，致使砂體孔隙中的水體向河道匯聚，并在薄弱部位噴出地表，形成沙火山構造。

3 沙火山的形成及演化

在壓力差作用下，水流攜帶顆粒向低勢能區域流動，在壓力容易突破的薄弱區域形成沙火山。不同規模的沙火山，具有的組成要素和涌出水流特征存在差異（圖2），可能處于不同的演化階段（圖4）。

沙火山生長階段：處于該階段的沙火山規模較小，無明顯的溢流通道，火山口涌出水流渾濁。在砂體母巖單元中流體與河道地表壓力差的推動作用下，攜帶碎屑顆粒的水流突破地表后向四周溢散，水體上涌及溢流過程中速度降低，在火山口周緣堆積。物源從中心向四周減少，造成靠近中心堆積速度較快，開始形成中間高周緣低的構造形態。在此過程中，攜帶碎屑物質的渾濁水流突破火山口之后，在四散水流、碎屑物質自然安息角的控制下，沙火山規模逐漸增大。由于水流向四周溢散的速度基本相等，水流攜帶的碎屑物質又可以填平相對低洼的火山口周緣，水流沒有優勢的流動方向，故而缺少相應的火山溢流通道。

沙火山消亡階段：進入該演化階段的沙火山規模相對較大，最明顯的特征在于火山口涌出水流變成清水，溢流通道逐步形成。造成水體變清的主要原因可能有兩個方面：地層壓力和地表壓力之間的差值固定，在此壓力差下流動的地層水攜帶砂體的能力變化較小，母巖單元能夠被該流速水流攜帶的碎屑物質逐步減少，故而水體逐漸變清；另外，沙火山生長過程中，地表之上的碎屑物質堆積造成地表高程增大，地表至火山口之間的液柱壓力增大，在母巖單元地層壓力相對穩定的條件下，地層壓力與火山口之間的流體壓力差逐漸降低，攜帶碎屑物質的能力相應的降低，也可能是水流漸漸變清的原因之一。火山口涌出水流變清之后，因缺少母巖碎屑物質補償，沙火山停止生長。由于河床底部堆積的松散沙火山沉積物本身具備一定的滲透性，水流有向低部位流動的趨勢，火山口溢散水流與沙火山孔隙滲流共同疊加后，靠近河道中心一側（構造低部位）具有更大的重力勢能，從而造成該方向水流速度偏大，對沙火山侵蝕強度最大，該部位率先產生溢流通道，從而造成火山溢流通道的方向性，絕大多數沙火山溢流通道的指向河道中心（構造低部位）。當沙火山周緣存在障礙物的條件下，溢流通道方向可能會發生改變，以圖3 中沙火山為例，水流溢散過程中在障礙物附近發生變化，繞過障礙物的水流與火山口溢流水體疊加，造成障礙物兩側水流速度高于其他方向，溢流通道沿著障礙物一側形成并逐步加深。溢流通道一旦形成，火山口內的水流無法突破火山頂最高部位，因水流仍有四散溢流的特性，在此狀態下開始侵蝕火山口，造成火山口逐步變大，水流在火山口內部形成小型的對流環境，經歷翻滾對流之后的水體最后經過溢流通道流出沙火山，流出的水體進一步侵蝕沙火山，造成溢流通道逐步加寬加深，溢流出的水體攜帶的沉積物在沙火山外圍呈扇形展開，受地形因素影響，溢流通道兩側的侵蝕程度存在差異，靠近低部位一側被侵蝕更嚴重，高部位一側可以形成長條狀砂體隆起；從沙火山溢流出的水體，與河道水流疊加后，可以進一步改造沙火山，迎著水流一側沙火山被剝蝕，另一側受沙火山遮擋，水體流速降低，砂體再次沉積，從而造成了沙火山整體的不對稱形態。

總之，沙火山形成之后，演化過程受壓力差、周圍環境控制，其形態及組成先后具備：規模增大、涌出水流變清、溢流通道產生、沙火山口增大、沙火山改造后再沉積等特征，河道底部存在的不同特征的沙火山可能處于沙火山演化的不同階段。

4 研究意義

本次報道的沙火山形成所需的流體壓力差小，活動過程中相應的動力弱，保存了相對完整的演化過程，其形成雖受人為活動影響，地質歷史時期盆地的特殊構造部位仍可能滿足形成條件，開展相關的工作對含油氣盆地沉積的研究具備重要的啟示意義，主要表現在：

（1）可以為震積巖相關構造的形成及演化研究提供參考。地震活動過程中，可以形成噴出地表的沙火山、沙錐，液化砂體向上刺穿地層能量較弱時又可以形成液化砂脈、砂席等構造，橫向作用力造成局部的隆起，又可以形成無口型沙火山、砂脊等構造。與河床底部沙火山可以類比的是沙火山、砂錐，不同的是地震活動中形成的沙火山需要更大的能量，足夠造成流體快速流動攜帶液化母巖內的碎屑物質上涌，母巖單元內碎屑物質被高速流體帶出地表，地震結束后，地層壓力降低，顆粒之間孔隙被壓縮，從而造成地表塌陷的火山口；河床底部弱流體壓力差下形成的砂巖液化，對母巖單元破壞能力有限，不存在碎屑物質回填現象，故而造成火山口周緣整體偏高的地貌。在規模上，河床沙火山明顯大于地震活動中形成的砂錐[23]，由于地震活動過程中局部超壓流體可以噴出地表，流體可以是液態水，也可以是壓縮后的高壓氣體，而氣流攜帶碎屑的能力偏弱，地表形成的沙火山規模偏小，由此推斷部分砂錐可能是高壓氣體噴出后的產物。

（2）低壓力差形成的沙火山在地質條件下可能更具有普遍性。震積巖中各種構造的形成多發生在強震之后[16-18,22-23]，本次發現的低流體壓力差下，只要存在上覆蓋層的薄弱帶，便可能形成沙火山，由此可以推斷：河床的下切、地下水位的上升、斷層活動后地層壓力的調整都可以導致沙火山的形成。與本次河道清淤活動類比，單次斷層活動斷距1.5 m 左右，斷層帶及派生裂縫帶附近便可以滿足沙火山形成條件。中國東部中新生代斷陷盆地中普遍存在的正斷層，斷陷期必然存在大量斷距能夠滿足砂體液化壓力差的斷層，流體流動過程中攜帶的液化砂體可以充填斷層帶，這種類型的斷層具有較差的封閉性，且封閉性與兩盤對接巖性關系不大，從而影響油氣勘探過程中斷層封閉性評價工作；上盤作為主動盤，派生的低序級斷層較多，能夠為液化砂體提供足夠的通道，而正斷層活動后上盤可能位于更深的水體環境之下，從而為沙火山的保存提供有利的沉積環境。斷裂帶附近的砂體再次調整則可能影響斷層兩側的地層對比，進一步影響該部位的層序地層研究以及斷層控砂模式認識。

（3）地層中識別出的部分震積巖可能是斷層活動的產物。發育于河床底部的沙火山證實，只要母巖單元內流體壓力與地面壓力差足夠突破薄弱帶，便可以誘發砂體液化、沙火山形成。盆地斷陷活動過程中，斷層活動期常伴有強烈的地震，很難區分砂體液化是地震活動還是斷層活動引起的。地質時期，緩慢的差異熱沉降、沉積物的差異壓實同樣可以產生斷層，足夠提供薄弱帶以及誘發地層壓力重新分布的地質條件，從而產生低壓力差環境下的砂體液化。由此可以看出，地層中發現的液化砂巖脈、沙火山等構造發育時期不一定對應強烈的古地震，應該存在部分低壓力差誘發的產物。

（4）地質條件下，觸發砂體液化的條件很容易滿足，但沙火山的保存難度比較大，地層中該類型的沙火山可能指示極其低能的水環境。前已述及，上覆沉積物厚度變化1.5 m左右，形成的壓力差便足以形成長6 m、寬1 m、高0.4 m的連片沙火山，由此可以看出，觸發砂體液化的動力條件比較容易滿足。因河床頂面低于地下水位，地下水持續補給河道，造成該處沙火山出露時間十分短暫，人工抽水結束后沙火山被快速淹沒于水面之下，整體出露的時間持續不足3 個小時。筆者拍攝階段沙火山周圍仍有大量積水，因難以靠近，照片全部為河岸拍攝的俯視圖。此時，沙火山未固結，火山口仍處于噴水、噴砂階段，很難截取剖面，進行相應的內部結構及沉積特征描述。為獲取沙火山剖面特征，筆者在該年冬季（2020 年1月）河床完全干涸后重返該區域，調查發現秋季產生的沙火山已經完全被夷平，雖未能獲取沙火山截面特征，但也證實該類沙火山的保存難度極大。筆者推斷，該類型的砂巖液化能量遠小于地震，能夠噴出地表的沉積物粒度較細，在后期流水的改造下，噴出地表的松散沉積物很容易被破壞，低流速的水或地表的風足以破壞該類沙火山，而砂體上涌的通道保存難度相對較小，從而造成地層中液化砂巖脈普遍多于沙火山[1-11]。一旦在地層中發現該類沙火山，可能指示接近靜水狀態的水動力環境。

5 結論

（1）現代河床底部存在不同類型的沙火山，規模較大的沙火山常具有明顯的溢流通道、較大的火山口、火山口涌出物質為清水，規模較小的沙火山則火山口較小、無溢流通道、涌出水流渾濁。

（2）不同特征的沙火山可能處于形成演化的不同階段：在母巖單元地層與地面壓力差作用下，液化后的砂體沿著薄弱帶突出地表，火山口水流渾濁，均勻向四周溢散，無明顯溢流通道；后期母巖單元內可供流體攜帶的碎屑物質減少，沙火山規模增大，火山口處與地層之間壓力差減小，火山口內流速降低、攜砂能力降低、水流變清，沙火山終止生長。沙火山演化過程中先后經歷：規模增大、涌出水流變清、溢流通道產生、沙火山口增大、沙火山改造后再沉積等特征。

（3）只要母巖單元與地面的流體壓力差，足夠突破地層薄弱帶，便可以形成一定規模的沙火山，該類型沙火山可以與震積巖砂體液化構造相對比，且在地質歷史時期更容易產生，部分非地震活動伴生的斷層可以提供壓力差、薄弱帶，斷層帶及伴生裂縫帶附近可能發育沙火山，并在弱水動力條件下被保存下來。