地震觸發下砂巖侵入體變形模擬實驗研究

摘 要 砂巖侵入體形成的觸發機制有差異壓實、地震、流體注入、波浪、重力滑動等，但普遍認為地震是最常見的一種觸發機制。目前對于地震觸發的砂巖侵入體的變形機理研究還相對薄弱，通過建立一套模擬地震觸發砂巖侵入體的實驗裝置，成功地模擬了地震發生不同階段的砂質變化過程。基于實驗結果觀察、分析，將地震觸發砂巖侵入體的形成過程分為三個演化階段，即：（1）震前階段，局部地層因差異壓實或地層飽含流體，導致砂質地層微弱起伏變形或無變化；（2）震中階段，由于地震循環剪切波的影響以及不同介質內地震波波速存在差異，地層異常壓力迅速增大并突破上覆蓋層破裂強度，產生裂縫，同時砂質發生液化、流化形成一系列的變形構造；（3）震后階段，伴隨余震的產生，液化砂質會繼續進行小規模的遷移改動直到地震完全結束，砂巖侵入體整體形態固定。地震作用可以獨立觸發砂巖侵入，也可以誘發其他地質作用，共同控制砂巖侵入體的形成。

關鍵詞 地震；砂巖侵入體；物理模擬；形成機理

第一作者簡介 劉作松，男，1997年出生，碩士，沉積模擬，E-mail： liuzuosong126@126.com

通信作者 易雪斐，女，博士，E-mail： yxf@yangtzeu.edu.cn

中圖分類號 P512.2 文獻標志碼 A

0 引言

砂巖侵入體（sand injectites）是指地下未固結砂質沉積體被弱滲透性的沉積物所密封，在某些機制作用下形成孔隙超壓，產生液化、流化、砂質再活動并侵入周圍地層形成的一種特殊砂體[1]。砂巖侵入體又稱作侵入砂巖、再活動砂巖、砂巖貫入體（injected sandstone，remobilized sandstone，sand injec?tites，sand injections）[2]。由于砂巖侵入體中也可以形成大量各種各樣的變形構造，而且地震作用是砂巖侵入體最重要的一種觸發機制，所以砂巖侵入體很容易與軟沉積物變形構造（soft sediment deformationstructures）和震積巖（seismite）這兩個概念相混淆。

所謂軟沉積物變形構造是指沉積物沉積之后、固結成巖之前處于軟沉積物階段時由于物理作用發生變形所形成的一系列構造[3?4]。軟沉積物變形構造中變形的巖石類型豐富，可以是砂巖、泥巖以及碳酸鹽巖等不同巖性[5]；變形構造樣式包括重荷模與火焰構造、球—枕狀構造、環形層理、液化卷曲變形構造、碟狀構造與泄水構造、碎屑巖脈、多邊形斷層、包卷層理、底辟構造等多種類型[3，6]。故砂巖侵入體隸屬于軟沉積物變形構造，是由未固結的砂質沉積物發生的一類變形構造。而震積巖（seismite）概念剛提出的時候特指地震作用改造未固結的水下沉積物形成的再沉積層[7]，也同樣隸屬于軟沉積物變形構造。震積巖是地震觸發機制下形成的一類軟沉積物變形構造，軟沉積物變形構造的觸發機制還包括不均勻壓實、快速充填、波浪、洪水等[8]。后期，震積巖中發生變形的地層還擴展到完全固結石化的硬巖層和松散沉積物（不含水）[3]，常見于砂泥巖互層的地層[9]，對地層的成巖程度沒有限定，這樣就超出了軟沉積物變形構造的范疇。而砂巖侵入體和震積巖既有重疊的部分，也有不同之處。目前地震作用被普遍認為是砂巖侵入體最重要、最常見的觸發機制，故地震觸發的砂巖侵入體屬于震積巖的范疇，而其他機制觸發的砂巖侵入體與震積巖無關。

自20世紀90年代以來，陸續在北海油田（英國和挪威）發現了砂巖侵入體油氣藏[10]，并在北海、安哥拉海域、墨西哥灣、非洲西部大陸邊緣等深水區取得了一系列成功勘探[11]。同時，露頭、測井和巖心數據的綜合應用增強了地質學家和石油學家對砂巖侵入體的認知度[12]，高精度三維地震解釋技術的發展也推動了砂巖侵入體的精細解剖[11，13]。砂巖侵入油氣藏的提出改變了地質學家對常規油氣藏的看法[14]，從而掀起了砂巖侵入體的研究熱潮。雖然國內尚未發現砂巖侵入油氣藏，但是多個大型含油氣盆地，如渤海灣盆地、珠江口盆地、準噶爾盆地、柴達木盆地、鄂爾多斯盆地、松遼盆地等都有關于砂巖侵入體的相關報道[15?19]，但目前都是針對一些零散的砂巖變形構造的描述，缺乏對砂巖侵入體形成機理的分析。

然而，關于砂巖侵入的觸發機制，學者們認為地震、波浪、潮汐、流體流動、巖漿作用、海嘯、隕石、彗星或小行星撞擊地球等外部因素以及重力滑動或滑動等內部因素都可以觸發[19?20]。其中地震、波浪、流體流動和重力滑動較為常見，地震觸發機制最為典型[21?23]。早期，國外一些學者開展了部分軟沉積物變形構造的一些模擬，然而多數只是關注層狀沉積物的流化行為[24?25]；Rodrigues et al.[26]通過驅使壓縮空氣穿過砂層、玻璃球和硅粉來模擬了北海地區的砂巖侵入體，但是需要對實驗材料和邊界條件進行調整，才能獲得更準確的模型；Ross et al.[27]模擬了流體注入作用下砂巖噴出體的形成，卻只關注了水驅流化作用下的差異壓實產生的砂巖侵入和噴出，無法對比分析其他觸發機制。截至目前，國內喬秀夫等[28]多年致力于軟沉積物變形構造方面的研究，也開展了碳酸鹽粉砂、灰泥的地震震動模擬實驗，但關注對象并非砂巖侵入體。只有筆者所在團隊近些年一直致力于不同機制下砂巖侵入體的沉積模擬，先后分別模擬了流體注入、重力滑動、波浪作用下的砂巖侵入體的形成過程，并對其形成機理進行了適當的分析[29?32]。由于尚缺乏地震觸發機制下砂巖侵入體的形成機理的分析以及不同觸發機制下砂巖侵入體的對比研究，本文設計研發了一套相關的實驗裝置，通過震動平臺帶動水槽中疏松砂體震動實現地震觸發機制的模擬，探索了對地震觸發下砂巖侵入體的形成過程的影響因素。深入分析其觸發機制和形成機制，不僅可以豐富該領域的地質理論，還可以為地震與古地震的研究提供參考。

1 實驗原型

通過對文獻報道中大量砂巖侵入體實例的分析，總結了目前所發現的國內外30例地震觸發的砂巖侵入體的基本特征（表1）。此類砂巖侵入體變形構造幾何形態大小變化范圍很大，長（寬）度在0.1 cm～15 km，高（厚）度在0.1 cm～77 m的范圍內均有發現，大多數為厘米級[19，60]。同樣，這類砂巖侵入體可以出現在不同地質年代地層中（早至奧陶紀，晚至全新世，甚至現代沉積物），變形砂質可以來自不同的沉積環境（包括第四紀沉積、河流、湖泊、淺海、深海等環境，其中深海環境最為常見），砂巖侵入體的巖性多以中砂質—細砂質為主（含少量砂礫），侵入體的宿主巖性（圍巖）以泥質或土壤層居多，少量見砂質。同時，還對近現代全球14次比較著名的強震特征進行了統計（表2）。這些地震震級基本都是7級以上的強震—大震，地震持續時間長短也各不相同，較長可達100～140 s，多數在50 s以內。以上數據都為本次模擬實驗中實驗參數的設計提供了參考依據。

2 實驗設計

2.1 實驗裝置

本次研究自行研制了一套實驗模擬裝置，包括模擬機構、測量機構、變頻控制器和實驗桌。圖1a為實驗裝置設計圖，圖1b為實際的實驗裝置照片。其中模擬機構包括水槽（為600 mm×600 mm×600 mm大小的圓柱體，水槽外壁上附有標尺，用來規定水槽內沉積物及水的高度）、進水管和進水閥、出水管和出水閥、沉積物（三層沉積物）、震動儀（電壓380 V、功率250 W、平臺面積為750 mm×750 mm，平臺承重量為0～200 kg）；測量機構包括支架（豎桿、橫桿）、水準器、指針和刻度盤（0°～45°）、伸縮桿、轉動塊、貼板。實驗裝置中支架及測量機構可用于模擬不同坡度地層條件下地震觸發變形實驗，本次實驗重點介紹應用水平地層背景下的模擬過程。實驗時保持水槽內裝填物按設計方案水平放置（可使用測量機構驗證水平），緩慢加水至所需高度，靜置至水槽中的沉積物全部沉淀下來，最后開啟震動裝置進行模擬實驗。

2.2 實驗參數

本次實驗自然界和人工生產的砂和泥為原材料，采用一個簡化的三層模型。共設計出5組17輪對比實驗，分別考慮中間層沉積物粒度、上覆沉積物層厚、震動頻率、震動時長和水深的影響開展地震觸發下的砂巖侵入體變形構造模擬實驗。具體參數設置（表3）：（1）沉積物粒度：中間層選取了細砂、中砂、砂礫三種類型（細砂粒徑：0.25～0.1 mm、中砂粒徑：0.5～0.25 mm、砂礫粒徑：0.5～2 mm，部分顆粒粒徑大于2 mm）。本次實驗頂層和底層選取的是細—粉砂和泥（細—粉砂粒徑：0.05～0.01 mm、泥粒徑：0.005 mm以下）；（2）上覆地層厚度：上覆地層的厚度體現了中間層所承受的載荷的大小，選取3 cm、5 cm和7 cm進行對比實驗；（3）震動頻率：模擬不同震級下地震對砂巖侵入體變形構造的影響，設置不同的震動頻率用以模擬不同強度的地震，設計了10 Hz（弱地震）、30 Hz（一般地震）和50 Hz（強震）三組對比實驗；（4）震動時長：將本次模擬實驗設置了30 s、60 s、90 s和120 s的不同的震動時間；（5）水深：模擬深水環境中不同深度條件下地震對砂巖侵入體形成的影響，分別設置水深10 cm、20cm和30 cm。

3 實驗過程和結果

3.1 實驗過程描述

在模擬過程中，地震作用的模擬是最關鍵的技術。本文成功模擬了地震的發生、震動強度由強變弱以及余震的影響過程。頻率是震動物體在單位時間內的震動次數，頻率的單位為次/秒，即Hz。震動頻率表示物體震動的快慢，與震動速度成正比。由于震動臺的質量不變，故其產生的動能W=mv2，與速度的平方成正比，即與震動的頻率的平方成正比。根據能量守恒，震動臺產生的能量轉化為沉積物的震動能量。通常我們用震級來反映沉積物遭受地震破壞的強度規模大小。所以，本次實驗通過控制地震震動臺的頻率來反映地震震級的大小，頻率越高，震級越大，反之亦然。逐漸減小地震臺頻率，震動臺震動的幅度也隨之減弱，代表地震的震級逐漸減弱；最后完全關閉震動臺電源，在慣性作用下，震動臺會繼續震動一定的時間，但是強度逐漸減弱，直至最終完全靜止，這一過程可以模擬對應的余震。

每輪實驗的步驟大致相似，以其中一輪實驗為例，具體實驗模擬步驟如下。

（1） 實驗前對所需的沉積物材料進行過水清洗，使所有沉積物飽含水，以便實驗時各地層比較均勻。根據沉積模擬實驗的參數要求將飽含水的沉積物均勻鋪在水準器保持水平的水槽中。實驗開始后，向地層中緩慢注水直至水深達到參數設計的深度后，靜置10 min，待水槽中的沉積物盡量沉淀下來，水槽中的水基本恢復清澈（圖2a）。

（2） 上述程序完成后，開啟變頻控制器將震動儀的震動頻率設置為預定參數，啟動震動平臺。剛開始，可以觀察到水槽內中間層沉積物頂面上出現一定的隆起變形，但還沒有出現明顯的地層破裂或變形；緊接著上覆頂層受到地層異常壓力的影響，地層出現裂隙，地層開始出現明顯的砂巖液化現象（圖2b）；隨著震動的繼續，砂巖液化現象更加明顯，并且變形構造更加復雜多樣（圖2c）。模擬后期逐漸調整震動儀的頻率，緩慢減小直至關閉，模擬地震由強震逐漸減弱的過程。直至震動儀關閉后，在慣性作用下，地層仍有微弱的震動，變形仍會持續一段時間，之后地層逐漸趨于穩定，變形過程結束。從外部可以看到部分砂體的侵入甚至噴出變形構造（圖2d）。

（3） 實驗結束后將水槽中的水全部抽干后，將水槽容器和飽含水分的沉積物進行晾曬處理，待飽含水分的沉積物固結形成半干沉積物；對水槽內沉積物按照垂直一條直徑的方向進行切片處理，同時控制切片厚度，在實驗現象豐富的地方進行密集切片（圖3a），無現象或者現象不明顯的地方可以適當的增大切片間隔，水槽內沉積物按照（圖3b）所示進行切片劃分，黑色線為切片位置，紅色線為圓形沉積物的一條直徑。以其中一輪實驗為例，震動結束后共進行了14次切片（圖4），切片位置為Y1=23 cm、Y2=25.5 cm、Y3=27 cm、Y4=29.5 cm、Y5=31 cm、Y6=33.5cm、Y7=36 cm、Y8=39.5 cm、Y9=41.5 cm、Y10=44 cm、Y11=46.5 cm、Y12=49.5 cm、Y13=53 cm、Y14=55.5 cm。并將所得的一系列縱向切片按照切片的先后順序進行拍照記錄。

（4） 整理水槽中沉積物殘余，清理水槽。

3.2 實驗結果

通過對實驗過程觀察，以及對實驗結果進行切片分析，本次模擬實驗中可以識別出地震觸發下多種類型的砂巖侵入體，包括砂巖液化卷曲變形構造、砂巖透鏡體、碟狀構造、階梯狀微斷層、重荷模、火焰狀構造、液化砂巖脈、球枕狀構造、砂火山等。本次實驗中模擬出的砂巖侵入體變形構造與實際野外觀察的砂巖侵入體具有很好的相似性。圖5 左側（a～e）為Jiang et al.[58]在青藏高原東部理縣湖相沉積地層中發現的因地震觸發產生的砂巖變形構造，依次為砂巖脈、球枕狀構造、火焰狀構造、微斷層、微褶皺構造。右側（f～m）為本次模擬實驗中觀察到的變形構造。

圖5f、圖5g為本次模擬實驗中觀察到的液化砂巖脈，液化巖脈在剖面上多表現為不規則的蛇曲狀或腸狀，多數與層面垂直或斜交，少數沿水平方向順層發育，側向分叉現象較普遍，頂端多在圍巖內尖滅或與上部巖層連通，巖脈兩側的圍巖紋層具有較明顯的向上拖曳變形構造；圖5h、圖5i為本次模擬的球枕狀構造，砂質層斷開并陷入至下伏泥質層中的一些呈緊密或稀疏排列的球狀或枕狀，是由于縱向上相鄰沉積物存在較大的密度差，在地震產生的水平剪切震動下，密度相對較高的上覆粗粒沉積物受重力驅動發生局部沉陷，在下陷的過程中負載體逐漸脫離母巖層，最終以大小不等的球狀或枕狀體陷落至下伏細粒沉積物中形成的；本次實驗也模擬出圖5j火焰狀構造和泄水構造，細粒層頂面發生局部沉陷，密度相對較高的砂質顆粒受重力驅動向下陷入到下伏細粒層中而形成，同時細粒沉積物呈火焰狀補償性地向上穿插到上覆砂質層中形成火焰構造。而孔隙水逃逸通道兩邊的紋層沿泄水方向彎曲形成一系列邊緣向上翹起的不規則碟狀上凹沉積紋層，稱為泄水構造；圖5k 為實驗中觀察到的階梯狀斷層，它們通常是高角度平面正斷層，微斷層斷距為1～10 cm，主要是由于砂質顆粒在液化作用之后重新壓實過程中差異下沉而形成；圖5l、圖5m為實驗中觀察到的微褶皺變形，在細粒物質含量偏高的地層中，液化卷曲變形構造進一步演化為微褶皺變形，液化的砂質顆粒在層間移動，同時拖動上覆細粒物質發生變形、移位，形成各種形態各異的卷曲、扭曲現象。

4 變形機理分析與討論

實驗成功地模擬了地震觸發機制下砂巖侵入體形成過程。綜合觀察和對比17輪模擬實驗可以發現，每輪實驗過程基本上都會經歷相似的幾個階段，但最終形成的砂巖侵入體的類型、形態、組合樣式、規模受實驗條件的影響略有差異。在地震作用下，砂質沉積物發生液化—流化的過程如圖6所示。圖6a為原地堆積的松散、未成巖的砂質顆粒，顆粒之間呈點—線接觸，孔隙間充填地層水；圖6b為地震誘發顆粒液化階段，持續的循環剪切會導致孔隙水壓力積累，可突然增加到靜態圍壓，導致水和砂質顆粒產生較大應變和流動。沉積物的體積沒有明顯的變化，但固態砂質顆粒已經轉變為黏性、液態狀態（即液化），顆粒間逐漸失去接觸；圖6c為砂質顆粒發生流化階段，循環剪切波的持續向上傳播，顆粒孔隙水壓力超過上覆地層的破裂壓力，隨著地層流體壓力的釋放，液化顆粒隨流體一并發生向上的運動，離開原始地層，原始砂質顆粒之間間距進一步擴大，部分顆粒運移到上覆低滲地層中；圖6d為地震作用結束后，原地的砂質顆粒重新排列，顆粒變得更加密實，而部分砂質顆粒已經遠離原始母體砂質，向周圍地層發生侵入。

通過對實驗過程進行分析，認為地震觸發的砂巖侵入體的形成過程可分為三個階段，即：震前階段、震中階段、震后階段（圖7）。（1）震前階段：地層沉積或成巖初期，局部地層可能存在差異壓實或地層飽含流體，引起砂質層與上覆低滲透層交界面上發生微弱的隆起變形或未變形；（2）震中階段：此階段是砂巖侵入體發生變形的主要階段，產生各種變形構造。在此階段中又可以細分為a、b、c三個階段：首先是在地震的強烈作用下，由于地震循環剪切波的影響以及地震波波速存在差異，導致沉積物界面處孔隙間迅速產生超壓，形成超壓地層，部分砂質顆粒被液化（階段a）；隨后當孔隙壓力達到一定界限時（超過上覆地層破裂壓力），此時上覆沉積地層出現裂縫，流體沖破上覆地層壓力而發生泄水作用，超壓孔隙水攜帶懸浮其中的液化砂質顆粒向上運動產生流化，與此同時上覆蓋層破裂程度繼續增強，液化的砂巖侵入頂（底）層沉積物中，產生大量的液化卷曲構造、火焰狀構造、階梯狀斷層等（階段b）；最后階段，地震強度逐漸減弱，頂層沉積物裂縫持續擴大，蓋層持續破裂形成液化砂巖管道以及砂火山，相繼在沉積物層中形成有球枕狀構造、負荷構造等（階段c）；（3）震后階段：在余震作用下，變形構造逐漸趨于穩定。直至地震作用完全結束，管道內的砂質顆粒穩定形成各式管道，最終管道關閉，整體變形形態固定。

地震作用之所以成為最為常見、最為重要的一種觸發機制，一方面是由于地震本身在地球歷史中是一種頻繁發生的地質作用，Obermeier[54]認為現今6級以上的地震就可以產生砂巖巖脈，這種強震在地質歷史中非常常見；另一方面，地震作用還可以誘發或者強化一些其他地質作用，比如波浪、潮汐、海嘯、重力滑動、火山噴發等，這些因素也被認為是砂巖侵入體的觸發機制，但可能實際上真正的觸發因素是地震，或者大量的砂巖侵入體是地震和這些地質作用共同作用的結果[7，61]。

通過對前期多種觸發機制下砂巖侵入體的結果的初步分析，發現不同的觸發機制，可能形成的砂質變形構造有所不同，波浪和重力滑動觸發機制下，砂質變形構造多見以顆粒液化運動形成的液化卷曲構造、火焰狀構造和液化砂巖脈等，而流體注入和地震觸發機制下，砂質變形構造類型更為豐富，除了多種液化變形構造外，也可見多種以顆粒流化運動形成的高角度液化砂巖管道、重荷模、砂火山等變形。本次實驗也存在一定的不足之處，目前只是完成了簡化的三層模型的模擬，實驗條件也相對簡單，后期可以考慮模擬多層砂泥互層的地層模型，以更好地還原地震觸發的野外地層中砂質或軟沉積物的變形過程。后期還可參考喬秀夫等[28]對軟沉積物變形構造的詳細解剖，繼續深入對比分析不同觸發機制下，砂巖侵入體的形態、規模、類型上的差異，以及加強不同地震強度下，砂質變形構造異同的分析。

5 結論

（1） 設計和組建了一套地震觸發機制下的砂巖侵入體變形實驗裝置，并利用設計的實驗裝置成功地模擬了砂巖侵入體的形成過程。隨著地震整個過程的發生，層狀地層中的砂巖發生一系列液化、流化變化，形成多種不同形態、不同樣式的砂巖侵入體變形構造，包括砂巖巖墻、砂巖巖床、砂巖管道、火焰狀構造、重荷模、球枕狀構造、碟形構造、階梯狀微斷層、砂火山等。

（2）通過對實驗現象的觀察和分析，建立了地震觸發機制下砂巖侵入體變形構造的演化模式，即：震前、震中、震后三個階段，震前階段：局部地層存在異常地層壓力，砂質層頂部發生微弱的變形；震中階段：超壓砂質侵入體周圍地層發生破裂，液化砂體產生一系列的侵入和噴出活動，形成各種各樣的砂巖侵入體變形構造；震后階段：受余震影響，變形構造逐漸發生微弱變化，最終趨于穩定。

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