高健发表的论文

Records of Earthquake Event in Sedimentary Strata and Its Significance

宋天锐

1问题的由来

20世纪80年代初在研究北京十三陵中元古界常州沟组沉积岩时，发现本组中部潮坪相砂岩－粉砂岩韵律层中的“掘穴状”充填构造。当时认为两种可能的成因，一种是最古老的遗迹化石，另一种是由于地震产生的充填管构造（宋天锐、高健，1985）。后来又发现层面上似遗迹化石痕迹（宋天锐、高健，1985;Song Tianrui and Gao Jian,1985）并初步鉴定为：Planolites sp(?）；由于常州沟组的地层时代比伊迪卡拉动物群的地层早10亿年以上，还是暂定为“疑生物化石”（Dubious trace fossils）（宋天锐、高健，1987）。至于“掘穴状”的充填构造为什么在古元古代晚期的碎屑岩中特别发育，在新元古代碳酸盐岩中也很普遍的问题，国内外文献记载中有不同的认识，一种观点认为是由于干缩裂缝充填产生的（D.L.Kidder,1990），本文的观点认为是由于地震事件造成的（宋天锐， 1988；乔秀夫、宋天锐等，1994,1996;Song Tianrui and G.Einsele,1996;I.J.Fairchild,G.Einsele and Song Tianrui,1997）。其实地震事件对沉积物的影响早已被注意，例如，阶梯状断层（A.Seilacher,1969），海底地震能够使沉积的壳屑反转倒置（A.Seilacher,1984），地震事件在地层中的旋回性（G.Einsele,W.Ricken and A.Seilacher,1991）以及地震引起砂体液化等（朱海之、冯先岳、宋和平等，1982;M.Greene et al.,1994）。本文仅就地震事件记录的研究加以论述。

第四纪地震和现代地震记录包括地层错动、喷砂、褶曲、垮塌等等（丁国瑜，1982；冯先岳等，1982），但是元古宙十几亿年中所发生过的地震－海啸等一定更多，由于这些大地震的记录难以辨认，所以宏观至微观的相似的沉积构造需要引起注意。此外，由于现代地震记录主要是在陆地发生的，至于在海洋沉积中的地震记录特别是微细沉积构造更难以比较地层学方法加以研究，例如臼齿状构造（molar tooth），因此出现了其他解释，Fairchild等（1992）对大连震旦纪兴民村组研究后，同意地震解释的正确性，并从机理上加以说明。

2沉积地层中的地震事件记录

2.1地震事件记录属异常沉积构造

正常的沉积构造是按剥蚀—运移—沉积—成岩作用的顺序发生的，而地震事件造成的沉积构造是打乱了正常的顺序而形成的特殊记录，无论是在海洋或在陆地，由断裂、火山爆发、大规模塌陷甚至天体撞击等产生的地震事件，达到一定的烈度时，都将产生异常的宏观和微观的沉积构造，沉积地层的局部不连续、塌陷、角砾化和泄水构造等是最常见的异常沉积构造。

2.2宏观记录

1981年中国第四纪研究委员会全新世分会与陕西省地震局在西安举办了“中国史前地震学术讨论会”，研讨了我国新疆、山西、北京、江苏、云南、四川等省（市、自治区）发现的古地震遗迹及其研究成果，包括了地震造成的断裂错动、沉积物变形、各种有关的地貌现象、生物现象、岩石矿物以及其他的微观标志等（丁国瑜，1982）。沉积地层中的断层蠕动及砂体液化、喷砂、液化旋卷层和砂质岩脉等是最典型的宏观标志（朱海之，1982；冯先岳等，1982;Xiang Hongfa et al.,1996）。时代较老的沉积地层中保存地震事件记录的条件更为复杂，后期的构造活动、岩浆热液活动以及频繁风暴活动等，都可能为准确判断地震事件记录造成影响（龚一鸣等，1988）。由地震引发的异常沉积构造可以出现在砂岩、泥岩和碳酸盐岩地层中，也可以出现类似浊积岩和风暴岩中的粒序层和丘状—洼状层理，因此，砂体液化、层内褶曲和层内微断层等就成为鉴别地震事件记录的最特征的标志。本文对地震事件的宏观标志和微观标志的判定强调其综合性，既要考虑个别的异常沉积构造，又要考虑异常沉积构造的序列性及其相互联系，同时也要考虑产生异常沉积构造的事件环境，例如：沉积地层所处的大地构造活动阶段、火山活动的迹象、沉积环境及沉积物堆积速度及堆积量以至天体物质坠落的可能性等。

（1）断层、同生断层和错动位移

地壳上纵横分布的大小断层是很多的，但并不是每一条断层带都可以找到地震事件的记录。一种情况是断层活动期已过，旧的遗迹不复保存，另一种情况是断层产生的震动较小，持续缓慢不足以产生地震事件记录的异常沉积构造。但是在一个成因上有共同性的沉积盆地单元，断层、同生断层和错动位移是联系的，甚至可以根据盆地边部的错动位移推断盆地内部同生断层的存在，A.Seilacher(1969）首先将阶梯状断层解释为地震岩（Seis-mites）；错动位移亦可称之为微断层（Micro-faulting.)(A.Seilacher,1991），其错动位移的层间距只有几厘米，代表盆地周缘距断层地震中心的距离较远，但盆地中心则由于断距较大，伴随着一系列垮塌的角砾化现象。例如，华北元古宙燕山裂陷槽盆地是一个具有10亿年历史的沉积的盆地，在盆地西部的北京十三陵常州沟组中存在错动位移或微断层（宋天锐等，1991），在东部的河北宽城一带的同层位也存在梯阶状断层（图1），而盆地中心则存在大量同生断层及垮塌角砾化现象，表现为强烈地震事件的记录（和政军等， 1994）。密云火郎峪一带长城系同生断层的断距达数百米王清晨，燕山长城系沉积盆地中碎屑岩的沉积相、沉积环境、沉积模式和沉积背景兼论该盆地的形成演化特点，中国科学院地质研究所博士论文，1985年。。

（2）层内褶曲

层内褶曲是指上、下两层平行层位之间产生的对称或不对称的褶曲，可判定地震发生在上、下两个沉积层形成的中间，规模大小不一，但是都与周围的地震事件记录相伴出现。新疆温宿县新近系两层砂岩中的泥岩为对称的层内褶曲，波长可达10m（宋天锐，1982）；北京十三陵中元古界雾迷山组两层白云岩中的黑色硅质岩为对称的层内褶曲，波长为30cm；另一层白云岩层内褶曲为不对称褶曲，约1.5m；而在团山子组出现的揉皱状层，层内褶曲只有40cm左右；雾迷山组所见的叠层石揉皱褶曲，如同卷心菜状，也是由于地震所形成的。层内褶曲亦可叠加而成龙皮状构造（宋天锐，1988），也可由滑动而成卷皮状构造（Skin slump)(A.Seilacher,1991）。

图1 燕山山脉元古宙常州沟组发现的古地震记录

A.燕山西段北京卜三陵常州沟组中的地层记录，表现在潮坪沉积段中压扁－透镜层理相互成层内的层内断层、砂体液化脉、充填管状构造等，显微构造中包括火焰构造、层内错动、硅质盲脉等；Lf：常州沟组中段为潮坪泥岩＋砂岩互层；B.北京十三陵常州沟组中压扁－透镜层理中发现由地震引发砂体液化脉，这些沉积构造不同于干裂构造，泥质干裂表现为层面构造，向下贯入并呈V字形，而砂体液化脉既向下也向上贯入；Ls：透镜状砂岩；Fm：泥披状压扁层理，其中含粉砂薄层理；Lq(1）：砂液化脉向下贯入；Lq(u）：砂液化脉向上贯入；C.燕山东部宽城常州沟组出现地震滑塌角砾（Sb）;D.宽城常城沟组砂岩层中在两个平行层之间出现层内正断层是由地震引起，这些拉张性构造与燕山拉张裂陷槽的形成机制一致；PL：平行的砂岩层理；Ift：层间正断层

（3）层内角砾化

震积角砾不同于正常沉积的角砾岩，可根据堆积方式和角砾大小与其他地震记录相配合识别，例如在川西、滇西地区，震积角砾岩与震积不整合共生（梁定益等，1991），与泄水构造共生（乔秀夫等，1994,1996），与地震－海啸序列共生（宋天锐，1988）。前二例的层内角砾多是无序杂乱的，而后者产生的层内角砾则呈板刺状平行或放射状排列，易被误认为是风暴产生的角砾岩。

（4）海啸风暴层理

典型的丘状－洼状风暴层理产生于海洋浪基面以下（S.Greewood and D.J.Sherman,1986），但是由地震引起海啸时，可以造成浅海—滨海地带海水平面的骤然升高。据记载，于1896年和1933年在日本本州的三陆海岸发生两次地震海啸，海平面上升了20～24 m;1975年夏威夷的Kahio湾发生的一次海啸冲击长达4h以上，两次海啸波峰相同达15 min，海啸造成的波长与水深有关，等于 d,g为重力加速度，d为海水深度（B.A.Bolt,1978）。由此可见，受海啸影响形成风暴层理——丘状－洼状层理的条件是存在的。北京十三陵中元古界雾迷山组碳酸盐岩中的地震－海啸序列中存在丘状－洼状层理以及粒序递变层等典型的风暴层理证明了这一点（宋天锐，1988）。

（5）泄水构造

近代地震引起碎屑沉积层中砂体液化产生“砂岩墙”、“砂岩床”、“砂岩旋卷层”等穿层现象多有记载（朱海之等，1982）。北京十三陵中元古界常州沟组、串岭沟组和蓟县的串岭沟组都发现类似的砂体液化现象，也在有关文献中加以报道（宋天锐等，1985;1986;Song Tianrui and G.Einsele,1996）。碳酸盐岩中的泄水构造在北京十三陵雾迷山组的地震－海啸序列中的筑丘状构造的顶部也有出现（Song Tianrui and G.Einsele,1996），但是规模较小。大连金石滩震旦系兴民村组的白云质石灰岩中的泄水构造十分普遍，被确认为是由地震振动产生的液化泥晶脉（乔秀夫等，1994,1996）。这种锯齿状的泥晶脉在国外被称之为“臼齿纹构造”（molar tooth structure)(Smith,1968;Connor,1972;Horodyski,1976），但是对于其地震成因的解释是国内首次报道。I.J.Fairchild等在该地考察后亦赞成地震成因的结论，他认为其形成过程可分为六个阶段：①原岩由泥质到砂质黏结度递减，但水饱和度增大，石化作用则呈反方向态势；②在盆地或沟槽内由于重力作用可拉成裂缝；③深埋作用中黏结度由上向下加大而水分递减，于是，上部可产生软沉积变形，下部受乐夫波的影响产生裂缝；④兴民村组是由风暴岩和泥晶白云质石灰岩互层组成，裂缝多集中在白云灰岩层内；⑤互层岩层在沟槽内产生局部液化；⑥由地震影响，裂缝产生充填－胶结、弯曲和断裂，最终形成“臼齿纹构造”（图2）。

2.3微观记录

地震事件既然可以产生宏观记录，当然也可以在微观范围内产生影响，但是由于微观现象产生的因素颇多，类似的现象难以辨认，因此，对于判定是否由地震事件诱发的微观构造应持慎重态度，最主要的是应在宏观构造被确认的前提之下，探索微观构造的形成机理，同时，也应与一套沉积物形成的沉积相和沉积环境相联系进行分析判断。

图2 由于地震抖动导致“臼齿纹”构造的产生

a 不同岩性；b.开裂与重力；c.埋深作用；d.不同层位；e.在槽中的不同层位；f.裂缝发展

（1）显微层内错位

地震诱发的显微层内错位常见于泥－砂互层的岩性之中，由于地震波的加速力使层理产生错位，但是泥质层的抗剪切力比砂质层抗剪切力强，于是在泥－砂互层之间产生了错位构造（I.J.Fairchild et al.,1997）。北京十三陵中元古界常州沟组和串岭沟组都见到与其他宏观地震事件记录相伴生的显微层内错位，错距为0.25mm，呈“正断层”状；当然，另一些层内错动也可能呈“逆断层”状在地震岩中出现（A.Seilacher,1991）。

（2）显微泄水构造

由于北京十三陵中元古界常州沟组和串岭沟组中宏观的地震事件记录较明显，特别是串岭沟组发现了火山活动与地震记录伴生（Song Tianrui and G.Einsele,1996；宋天锐等， 2000），因此推断一系列充填状显微构造为地震诱发的显微泄水构造，而不是成岩作用或干裂充填现象。显微泄水构造的三种类型：①具有向下和向上充填的粗粉砂脉呈弯曲状或“臼齿纹”状（Song Tianrui and Gao Jian,1985）；②泥岩和粉砂岩层纹状岩石中，粉砂岩上层面呈“显微旋卷”状构造或“火焰状”构造；③粉砂岩－砂岩层内出现微晶硅质细脉穿插，细脉之间形成阶段不同，并可显示层内错位，以此与一般的成岩作用微晶硅质脉相区分。显微泄水构造产生充填物或管状充填构造都是相对颗粒较粗的组分，这是因为在相同地震烈度的情况下，“颗粒组分越细，它的相对密度值越高，越难于液化”（黄兴根等， 1982）。

（3）碎裂单颗粒晶体和晶格错位

目前发现在碎屑岩和碳酸盐岩中都有单颗粒晶格碎裂和晶格错位的例子，很可能是在剧烈冲击下产生，但是由于有些颗粒是陆源碎屑物，因此有必要研究晶体碎裂的阶段和晶格错位产生的背景，这一微观记录的存在为今后进一步研究提供了线索。

总之，国内外文献中记载了多种地震事件的记录（图3），很显然，地层中所判定的地震事件记录比起地质历史中发生的地质事件次数少得多，“这是为什么？①沉积学家们可能不像判定浊积岩或风暴岩那样，也能够判定出震积岩；②地震标志在大多数地方可能被后来的风暴事件或生物扰动消灭，尤其是在缺氧盆地沉积的细粒纹层泥岩中；③由于机制性质未搞清楚，难以肯定沉积物是地震变形而不是其他原因”（A.Seilacher,1991）。

3地震事件记录的意义

以前对于沉积地层中的地震事件记录缺乏确定的判断，因此难以认识其重要意义，近十几年来由于多方面研究的结果，有理由区别沉积地层中的地震记录与风暴岩、浊积岩等的差异，从而开始探索地层对比和区域地震对比等问题，随着今后积累资料增多，认识将更加深入。

概述地震事件记录的意义可分三方面：

（1）根据历史记载（李善邦，1981）可划分地区发震等级，但是由各省区人口分布、文化发展和记载条件的差异，地震记录的准确程度不尽相同（表1），例如在陕西省历代帝王建都较多，记载资料可靠，从公元前1177年起的地震记录都有案可查，而新疆地广人稀，多民族聚居区，且早先以游牧民族为主，记录条件较差，自公元前1716年才有地震记录，然而新疆是地震多发区，这些记录很可能也是不完全的。另外，西藏、青海、黑龙江古代人迹稀少，高山、荒漠面积大，地震虽频繁发生但历史资料较少。按李善邦（1981）整理的统计数字还是可以看出各省区地震发生率的差别，本文划分为八个级别，西藏、台湾、云南、甘肃是历代地震多发区。虽然按省区划分与按大地构造单位划分有所不同，但是根据新近系和第四系沉积层在地质历史上的继承性关系，新近系厚度较大，第四系和新近系不整合接触面较多，对于划分地震等级方面也有启示意义（宋天锐， 1986）。

（2）沉积地层中地震引起的异常构造对近代地震带的预测具有一定的意义。

前述及地震事件产生一系列宏观和微观的异常沉积构造，而且在第四系更新统中已报道多处活动地震断层和喷砂构造等（王挺梅，1982;Xiang Hongfa et al.,1996），因此，在进行第四纪钻探工程、水文地质勘探中，顺便研究、观察地震引起的异常构造及频繁程度，将有于益于地震带和继承性强烈地震发生区的预测。

图3 文献记载中的地震构造记录

华北元古宙的地震－海啸构造（左）；简化的地震岩（右）（据A.Seilacher,1991）

（3）根据地震事件记录进行大范围地层对比。

进行地层大范围对比时，尤其是对缺少带化石地层，如前寒武系，根据碳酸盐岩中存在地震泥晶脉（“臼齿纹”构造）进行对比已经得到验证（乔秀夫等，1994,1996,2001）。在中元古界常州沟组—串岭沟组碎屑岩中也普遍存在砂质层液化充填脉，不仅在中国而且在美洲也发现类似现象不是偶然的，有可能与元古宙早期全球性地壳活动产生的频繁地震事件有关。

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第5章《碳酸盐岩振动液化地震序列》原文刊于地质学报1994年第68卷第1期，英文刊于1994年《Acta Geologic Sinica》Vol.7,No.3.现刊印文增添了1996年《辽东半岛南部震旦系—下寒武统成因地层》一书中的部分内容，并依1996年之后的工作在内容方面作了新的补充与解释。

（1）对碳酸盐岩中的泥亮晶脉与围岩成分上的差异进行解释，宋天锐于1996年提出“盲脉”的概念，结合液化模拟实验指出液化沙脉有一些是与液化母源层连结，有一些则脱离液化母源沙层而形成“盲脉”，“盲脉”与其侵位周围沙层在成分及粒径上略有差异，对比解释了泥亮晶“盲脉”的成因。

（2)1996年之后的研究工作中，在胶辽徐淮地区的震旦系中识别出四个地震活跃期，并进行了新的震旦系对比，现刊印文（图20）仍保留原文三个地震活跃期，未作修改，仅将震旦系上统底界年龄置于550 Ma。有关四个地震活跃期可阅本书第22章《中朝板块古地震带》一文及本书中有关文章。

（3）增添了若干图件与照片。

原文自1994年发表后，受到中外地质学家的关注，法国地质学家Plaziat于1995年的私人通信中热情支持，认为系对地球动力学最深刻的解释，并赠予大量国外文献及其本人在红海裂谷地区的地震研究成果。Fairchild等还专门考察了辽东半岛震旦系的地震记录，发表了相应的地震观点论文。国内众多地质学家多次引用本文（地质学报引用率高的论文之一），推动了地层中地震事件的研究。论文的基本事实、解释已经历了十余年地质实践的检验。

我们高兴地看到，1994年文对于提高我国地质调查中地层研究深度与构造解释方面起到推动作用，因此在本专著中对1994年文增补了资料，并对某些地质记录作了进一步解释，现刊印文与原文已有一定区别，是一个再创作的科学总结。

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