楊寶忠，金巍，曾佐勛，吳海輝

1.中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，武漢　430074 2.中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，武漢　430205

地震活動是由于自然原因引起巖石圈某處發(fā)生機(jī)械快速顫動，是一種常見的突發(fā)性地質(zhì)事件。板塊之間相互擠壓碰撞造成板塊邊緣及板塊內(nèi)部產(chǎn)生錯動和破裂，是引起地震的主要原因。地震具有突發(fā)性、瞬時性、高能性的特點(diǎn)[1]。保存在地層中能夠記錄地震活動的巖石稱為地震巖，是具有特殊構(gòu)造和沉積序列有一定成因聯(lián)系的一組巖石，由Seilacher[2]于1969年最早提出，原意指“具斷層—粒序的巖層可定為地震巖”。由于引起軟沉積物變形構(gòu)造的因素較多，不是所有的軟沉積變形都由地震引起，因此，現(xiàn)在地震巖是指真正由地震引起的具軟沉積物變形構(gòu)造的巖層[3]。現(xiàn)代地震主要發(fā)生在板塊邊界地區(qū)及板塊內(nèi)部的活動斷裂帶。地史時期的地震可以形成特征的地震事件沉積，為研究地震作用及其形成的沉積盆地構(gòu)造背景提供了物質(zhì)記錄[4]。

幾十年來關(guān)于地震巖的研究已取得重大進(jìn)展，在海相和陸相地層中均有地震巖的發(fā)現(xiàn)，并建立了不同時代、不同構(gòu)造環(huán)境、不同巖性的地震巖沉積序列與劃分方案。

Seilacher[5]對比現(xiàn)代和古代震積成因的沉積物后，提出以遞變斷層、微褶皺紋理和均一層作為地震成因的標(biāo)志性沉積構(gòu)造，首次建立地震巖標(biāo)準(zhǔn)序列。與此同時MarineGeology雜志出版“地震與沉積作用”專輯，對地震事件沉積作用進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)，從此地質(zhì)學(xué)家對地震事件開展了系統(tǒng)研究，并取得豐碩的成果。國內(nèi)對地震巖的研究與國外大致同步，海相地震巖的研究始于宋天銳對北京十三陵地區(qū)中元古界霧迷山組碳酸鹽巖的地震—海嘯序列建立[6]。其后，喬秀夫等[7-8]對華北中新元古代、古生代海相地震事件展開研究，建立了碳酸鹽巖震動液化地震序列及薩布哈地震巖序列；杜遠(yuǎn)生等[1,9]通過對滇西中元古界地震巖的研究，建立了以震積巖(地震巖)、海嘯巖等4個單元為代表的垂向沉積序列。陸相地震巖的研究始于吳賢濤和尹國勛對四川峨眉山晚侏羅世湖相地震液化序列的研究[10]。其后，眾多學(xué)者[11-16]通過對中國東部渤海灣盆地濟(jì)陽凹陷古近系巖芯中地震巖的研究，建立了陸相斷陷湖盆碎屑巖地震序列。2016年9月第14屆全國古地理學(xué)及沉積學(xué)學(xué)術(shù)會議“多成因的軟沉積物變形構(gòu)造及地震巖” 專題研討會無疑是軟沉積變形構(gòu)造和地震巖研究的重要的階段總結(jié)[3]。目前，國內(nèi)對地震巖的研究主要集中于中—晚元古代、早寒武世的海相碳酸巖和古近紀(jì)—新近紀(jì)陸相湖盆碎屑巖[13,17-21]，對大陸邊緣陸源碎屑巖中的地震巖研究較少。筆者在賀蘭山中段長城系黃旗口組中發(fā)現(xiàn)了大量與地震事件有關(guān)的陸緣海相(濱—淺海)軟沉積變形構(gòu)造，推測黃旗口組沉積時地殼活動較強(qiáng)烈。

1　地質(zhì)背景

賀蘭山大地構(gòu)造位置處于鄂爾多斯盆地西緣(圖1)，在構(gòu)造古地理上屬華北板塊西側(cè)的大陸邊緣[22]，西鄰阿拉善地塊。賀蘭山裂陷槽是自中元古代以來在東、西兩大陸塊之間形成的一個以裂陷沉積為主的北北東向槽狀海盆，西界為巴彥烏拉山東麓斷裂，東界為黃河斷裂。賀蘭山裂陷槽是在太古界—下元古界結(jié)晶基底之上形成了自中元古界至三疊系基本連續(xù)的沉積蓋層。中生代末期該帶大規(guī)模褶皺隆升，基底及上覆蓋層全部卷入強(qiáng)烈的褶皺與斷裂活動。

研究區(qū)位于賀蘭山中段，地層區(qū)劃屬華北地層大區(qū)華北西緣地層分區(qū)。區(qū)內(nèi)元古宙地層總體上以穩(wěn)定的淺海相碳酸鹽巖和陸源硅質(zhì)碎屑巖為主，自下而上劃分為古元古代趙池溝巖組、中元古代長城系黃旗口組和薊縣系王全口組、新元古代震旦系正目觀組、兔兒坑組五個地層單位。黃旗口組分布于賀蘭山中段的泉曲溝、冰溝、白寺口溝、小口子溝和呼吉臺一帶(圖1)，多呈南北向展布，主要為一套濱—淺海陸源碎屑巖，以小口子溝為沉積中心，向四周沉積厚度逐漸減薄。黃旗口組不整合于古元古代趙池溝巖組或古元古代花崗巖之上，與上覆的王全口組呈整合接觸。

2　黃旗口組沉積環(huán)境

黃旗口組巖性以灰白色、暗紫紅色淺變質(zhì)石英砂巖夾紫紅色板巖為主，中上部出現(xiàn)白云巖和白云質(zhì)灰?guī)r，根據(jù)巖性組合特征可分為二段(圖2，第二段省略)。本組發(fā)育脊?fàn)畈ê?、中小型交錯層理、泥裂等沉積構(gòu)造，具有濱—淺海環(huán)境特征。根據(jù)巖性組合、沉積構(gòu)造特征和沉積物粒度分析，可以劃分出潮間帶、碳酸鹽臺地、半封閉的海灣等沉積環(huán)境。

圖1　研究區(qū)地質(zhì)簡圖Fig.1　Geological sketch map of the study area

圖2　筆架山黃旗口組第一段柱狀圖(PM406)Fig.2　Stratigraphic column of the first member of Huangqikou Formation at Bijiashan (section PM406)

2.1　上潮間帶(潮間帶上部)

黃旗口組第一段下部(PM406第1～10層)由灰白色、紫紅色中細(xì)粒石英砂巖、中細(xì)粒含巖屑石英砂巖組成，夾灰綠色、暗紫色含絹云母中細(xì)粒褐鐵礦化砂屑鈣質(zhì)泥巖和泥質(zhì)絹云母板巖(圖2)。巖石碎屑顆粒以石英為主，大部分磨圓較好，但分選相對較差，除部分分選較好，達(dá)到石英砂巖外(圖版Ⅰ-a)，大部分為不等粒砂狀結(jié)構(gòu)，甚至出現(xiàn)泥質(zhì)砂巖或含砂質(zhì)泥巖，砂巖呈脈狀灌入泥巖(或泥巖呈脈狀灌入砂巖)中(圖版Ⅰ-b,c)。砂巖中發(fā)育大量的脊?fàn)畈ê?、中小型交錯層理和水平層理，局部見泥裂構(gòu)造。波痕多為不對稱波痕，少量為對稱波痕。波痕形態(tài)以脊?fàn)铑愋蜑橹?圖版Ⅰ-d)，波長一般3～6 cm，波高0.5～2 cm，對稱指數(shù)1.3～1.5，波脊走向220°～310°，平均為268°。泥裂構(gòu)造主要出現(xiàn)在粉砂質(zhì)板巖和泥質(zhì)板巖中(圖版Ⅰ-e)，呈四邊形或五邊形，寬5 mm左右，邊界較平直，泥裂中充填物為較細(xì)的粉砂質(zhì)。交錯層理以中小型比較常見(圖版Ⅰ-f)，常出現(xiàn)在紅色中細(xì)粒石英砂巖中，一般厚15～20 cm左右，細(xì)層與層面間夾角一般小于30°，細(xì)層上端發(fā)散下端收斂，指示地層為正常層序。平行層理一般發(fā)育在中粗粒砂巖中，細(xì)層厚度一般為厘米級，為水動力較高的條件下形成，往往與中小型交錯層理共生，多數(shù)出現(xiàn)在中小型交錯層理下部。水平層理常見于粉砂巖和泥巖中，細(xì)層厚度為1～3 mm，為靜水或低流速條件下形成，指示沉積環(huán)境能量較低。中小型交錯層理、水平層理、波痕和泥裂構(gòu)造的出現(xiàn)，反映了沉積環(huán)境水能量總體不高。脊?fàn)畈ê凼菫I海常見的沉積構(gòu)造，泥裂也反應(yīng)了環(huán)境有時暴露水面的特點(diǎn)。

粒度分析結(jié)果顯示(圖3A)，樣品粒度最低平均值φ值為2.17，最高平均值為φ值為1.46，粒度為極細(xì)砂至中砂。樣品粒度平均值變化不大，有小幅波動，說明水流變化不大，水動力處于中等強(qiáng)度。粒度分選系數(shù)0.4～1.18，多數(shù)處于0.6～1.0之間。樣品分選中等至較差。粒度的偏度從下向上表現(xiàn)以正偏為主，少量樣品出現(xiàn)負(fù)偏，粒度峰度處于平坦到尖銳。

圖3　黃旗口組第一段砂巖粒度分布概率累積曲線A.下部；B.上部Fig.3　Probability cumulative curves of sandstones in the first member of Huangqikou FormationA. lower part; B. upper part

淺海/河流判別中，顯示為海灘沉積。概率累積曲線主要為三段式和四段式，個別出現(xiàn)為五段式。跳躍載荷占主體，約50%～65%，懸移載荷一般不到10%，個別樣品懸移載荷總體可達(dá)30%?？傮w顯示水體能量較弱至中等，個別樣品顯示較強(qiáng)的水動力條件，但所有樣品的粒度分布概率累積曲線過于復(fù)雜，不是簡單的三段式，往往為多段式，并且?guī)r石具有明顯的高成分成熟度和低結(jié)構(gòu)成熟度，推測成分成熟度高與花崗巖物源區(qū)有關(guān)，而低結(jié)構(gòu)成熟度可能與搬運(yùn)距離相對較近有關(guān)，加之沉積時的地震活動使半固結(jié)的沉積物發(fā)生液化，導(dǎo)致不同粒度的碎屑再次混合，改變了原始的巖石結(jié)構(gòu)。

綜合巖石組合特征、沉積構(gòu)造以及粒度分析結(jié)果，本段沉積具有潮間帶的特點(diǎn)，環(huán)境能量總體不高。泥裂構(gòu)造的存在，表明沉積過程中有時底床暴露出水面，加之發(fā)育大量的脊?fàn)畈ê?，推測沉積環(huán)境為上潮間帶。

2.2　下潮間帶(潮間帶中下部)

黃旗口組第一段上部(PM406第11～16層)巖性以灰白色、白色淺變質(zhì)中細(xì)粒石英砂巖為主，局部夾少量粉砂巖、粉砂質(zhì)板巖。沉積構(gòu)造以交錯層理、平行層理為主，波痕僅局部可見。沉積序列上看，粒度相對較粗，具有向上變細(xì)的正韻律。環(huán)境能量較下部明顯增高，具潮間帶中下部特點(diǎn)，局部具有向淺水局限碳酸鹽淺灘過渡的特點(diǎn)(圖2)。

粒度分析結(jié)果顯示(圖3B)，粒度概率曲線多為三段式或二段式，推移載荷沒有或很少，懸移載荷較少或無。粗節(jié)點(diǎn)位于1.5～2φ附近，環(huán)境能量偏弱。細(xì)節(jié)點(diǎn)位于3.5～4φ之間，環(huán)境能量較弱至中等。跳躍載荷線段斜率較大，一般在60°以上，表明巖石分選較好。跳躍載荷線段一般可見兩個跳躍次主體，并且在整個粒度分布中占主要部分，顯示為海灘沉積，有海浪回流沖刷，水動力中等，水體總體比較穩(wěn)定。

從巖石組合、沉積構(gòu)造和粒度分析結(jié)果看，本段具有下潮間帶沉積特點(diǎn)。上部白云巖夾層，可能預(yù)示著潟湖(或封閉的海灣)環(huán)境的出現(xiàn)。

2.3　碳酸鹽臺地、半封閉的海灣及淺水陸棚

黃旗口組第二段巖性以灰白色中—細(xì)粒石英砂巖為主，夾灰?guī)r和白云巖。筆架山附近，主要夾灰色、淺灰黃色細(xì)晶灰?guī)r，反映當(dāng)時海平面震蕩上升，水體加深，出現(xiàn)碳酸鹽臺地沉積，但規(guī)模不大。在冰溝一帶則為半封閉的海灣環(huán)境，出現(xiàn)了白云巖沉積，其中夾有少量細(xì)粒石英砂巖和板巖。隨著海平面的上升，在筆架山地區(qū)出現(xiàn)了淺水陸棚沉積，以粉砂巖、泥巖夾細(xì)砂巖為特點(diǎn)，環(huán)境水體能量相對較低；在冰溝地區(qū)則出現(xiàn)了具有海平面震蕩上升的碳酸鹽臺地特征的沉積，沉積了細(xì)砂巖夾灰?guī)r的一套巖石組合。

3　黃旗口組軟沉積變形構(gòu)造

軟沉積變形構(gòu)造是指沉積物沉積之后、固結(jié)之前處于軟沉積階段時由于壓實(shí)、滑移、滑塌、液化等物理作用而發(fā)生變形所形成的一系列構(gòu)造，也稱為同沉積構(gòu)造或準(zhǔn)同生變形構(gòu)造等。黃旗口組中軟沉積變形構(gòu)造主要出現(xiàn)在第一段中、下部，包括液化砂巖脈、負(fù)荷—火焰狀構(gòu)造、砂巖球—枕構(gòu)造、水壓破碎構(gòu)造和角礫巖構(gòu)造、串珠狀構(gòu)造、卷曲變形構(gòu)造、階梯狀斷層等。主要見于小口子筆架山、冰溝、白寺溝等地，其中以小口子的筆架山發(fā)育最好，最具代表性。

3.1　軟沉積變形構(gòu)造特征

(1) 液化砂巖脈

液化砂巖脈發(fā)育于砂、泥巖互層沉積物中，多呈不規(guī)則的脈狀，一般切穿層面或?qū)永?，多為不?guī)則砂質(zhì)巖脈或巖墻，是黃旗口組中發(fā)育最為廣泛的一種軟沉積變形構(gòu)造。根據(jù)砂巖脈在巖層中的產(chǎn)出形態(tài)，液化砂巖脈可分為4種類型：1)腸狀砂巖脈(圖版Ⅰ-g)，常見于中薄層的砂、泥巖互層的巖層中，形狀似腸狀，多扭曲或分叉，垂直層面方向上既可向上底劈也可向下刺穿，常常連接上下巖層，顯示脈體源于液化層，水平方向順層發(fā)育，向兩端尖滅，是砂巖層由于擠壓發(fā)生彎曲的變形；2)直立砂巖脈(圖版Ⅰ-h)，發(fā)育于粒度大小不同的砂巖中，脈體往往近垂直方向刺穿上覆巖層，規(guī)模較小，長約4～6 cm，密度不大，一般不發(fā)生彎曲，與下伏液化層相連通，部分貫穿上部的砂巖層；3)無根砂巖脈(圖版Ⅰ-i)，見于砂泥巖互層中，砂巖脈往往孤立出現(xiàn)，呈近于平行層面的扁長透鏡狀，中間膨大，兩端尖滅，規(guī)模大小不一，被泥巖所分隔；4)不規(guī)則砂巖脈(圖版Ⅰ-j)，見于砂泥巖互層中，侵位方向往往不定，向不同的方向延伸展布。由于砂巖液化層水壓力較大，往往刺穿泥巖層，局部包裹泥巖團(tuán)塊。

(2) 負(fù)荷—火焰狀構(gòu)造

上覆砂巖層對下伏泥巖層不均勻負(fù)荷(差異壓實(shí)作用)而陷入泥巖層中，負(fù)荷體未脫離上覆砂巖層而形成的向下突起的不規(guī)則圓丘狀構(gòu)造稱為重荷模，泥質(zhì)沉積物呈尖角狀向上擠入重荷模之間稱為火焰狀構(gòu)造。負(fù)荷—火焰狀構(gòu)造在黃旗口組中發(fā)育較少，規(guī)模也比較小。圖版Ⅰ-k中負(fù)荷—火焰構(gòu)造是灰白色中粗粒石英砂巖向下陷入或向上擠入暗紫紅色細(xì)—粉砂巖中，圖版Ⅰ-l是顯微鏡下所見泥質(zhì)成分?jǐn)D入含泥質(zhì)中細(xì)粒石英砂巖層中形成的火焰狀構(gòu)造。

(3) 液化水壓破裂構(gòu)造和液化角礫巖

砂巖團(tuán)塊在液化作用形成的巨大孔隙壓力下，使砂團(tuán)破碎，向其圍巖(泥巖)侵位，形成一組近平行的液化砂巖脈，其中往往包含圍巖(泥巖)的碎塊，稱為液化水壓破裂構(gòu)造。黃旗口組中礫巖中泥巖礫石多呈次棱角—棱角狀，具塑性變形，或呈撕裂狀，無分選，大小約0.3～4 cm，排列方向與層面近于平行，順層分布，具有液化角礫巖特點(diǎn)(圖版Ⅰ-m,n)。

(4) 球—枕構(gòu)造

砂巖球—枕構(gòu)造是黃旗口組中比較發(fā)育的軟沉積變形構(gòu)造。砂巖球呈橢圓狀，短軸約4～6 cm，長軸約8～10 cm，原始形成負(fù)荷構(gòu)造的巖層已消失或大部消失(圖版Ⅰ-o,p)。

(5) 串珠狀構(gòu)造

串珠狀構(gòu)造一般與液化水壓破碎構(gòu)造伴生出現(xiàn)(圖版Ⅰ-q)。薄層中—粗粒石英砂巖中夾薄層粉砂巖或粉砂質(zhì)泥巖，其中中—粗粒石英砂巖為強(qiáng)硬層，而粉砂巖或粉砂質(zhì)泥巖為軟弱層。串珠狀構(gòu)造層一般厚8 cm左右，其中軟弱層厚1～2 cm，被拉斷的串珠長度不等，一般3～15 cm之間。

(6) 液化卷曲變形構(gòu)造

卷曲變形構(gòu)造發(fā)育于薄層砂巖中，其上覆及下伏巖層幾乎未受影響，表現(xiàn)為砂巖在巖層內(nèi)發(fā)生卷曲變形，呈現(xiàn)包卷狀、波狀等形態(tài)，連續(xù)性較好，垂直層面方向液化卷曲變形以平緩褶皺為主，局部發(fā)育尖棱褶皺，褶皺層內(nèi)發(fā)育微褶皺層理，可伴生粒序斷層(圖版Ⅰ-r)。

(7) 階梯狀微斷層

階梯狀微斷層是限制在同一巖層內(nèi)部的一組斷距很小的小型或微型正斷層，又稱粒序斷層、韻律斷層或微階梯狀斷裂等。黃旗口組內(nèi)的階梯狀微斷層主要發(fā)育在薄層砂巖中，規(guī)模較小，傾角較陡，階梯狀出現(xiàn)，其上覆與下伏均為正常巖層(圖版Ⅰ-s)。顯微鏡下發(fā)現(xiàn)切錯粉砂和泥巖紋層的微逆斷層(圖版Ⅰ-t)，推測也為地震成因。

3.2　軟沉積變形構(gòu)造成因

軟沉積變形構(gòu)造的幾何學(xué)特征和體系的初始特征識別對確定其變形機(jī)制和觸發(fā)因素非常重要。軟沉積變形構(gòu)造的形成一般需要三個條件：1)能改變沉積物原始特征的驅(qū)動力，2)促使沉積物變形的變形機(jī)制(使沉積物從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài))，3)觸發(fā)條件(地震，海嘯等)[23]。軟沉積變形的驅(qū)動力復(fù)雜，除了內(nèi)作用力(含重力)外，外作用力對軟沉積變形更為重要。引起軟沉積變形的應(yīng)力一般有：1)斜坡所產(chǎn)生的重力，2)不均一的負(fù)載，3)密度倒置所引起的重力，4)流體(水)所產(chǎn)生的剪切力，5)生物或化學(xué)作用所產(chǎn)生的應(yīng)力[24]。

黃旗口組沉積時為濱—淺海環(huán)境，無明顯的斜坡存在，無生物擾動現(xiàn)象，亦無明顯的上覆水體負(fù)荷壓力(脊?fàn)畈ê酆湍嗔训拇嬖诒砻魉w極淺，底床時有暴露)，因此，地震誘發(fā)濱、淺海半固結(jié)砂、泥質(zhì)沉積物液化幾乎為本組軟沉積變形構(gòu)造的唯一成因解釋，如液化砂巖脈一般發(fā)育于砂、泥巖互層沉積物中，多呈不規(guī)則的脈狀，一般切穿層面或?qū)永?，是地震作用引發(fā)軟沉積液化泄水的結(jié)果；負(fù)荷狀構(gòu)造是在弱地震作用下，上覆砂巖層對下伏泥巖層不均勻負(fù)荷(差異壓實(shí)作用)而陷入泥巖層中，負(fù)荷體未脫離上覆砂巖層而形成的向下突起的不規(guī)則圓丘狀構(gòu)造，火焰狀構(gòu)造是在弱地震作用下，泥質(zhì)沉積物呈尖角狀向上擠入重荷模之間形成的構(gòu)造；球—枕構(gòu)造是在地震作用和重力作用下，密度大的負(fù)荷體脫離母體陷入到密度小的泥質(zhì)巖或粉砂巖中形成的，球—枕構(gòu)造與負(fù)荷構(gòu)造有密切內(nèi)在成因聯(lián)系[25-26]；液化卷曲構(gòu)造是軟沉積物在地震作用下常見的液化變形構(gòu)造，是薄層砂巖在層內(nèi)發(fā)生的揉皺變形，限定在層內(nèi)發(fā)育，卷曲變形層的上覆和下伏巖層均為正常巖層，未受變形構(gòu)造的影響，液化卷曲變形是在地震波的作用下，原先作用于顆粒支撐沉積物上的有效壓力被傳遞到了孔隙流體中，形成超高的孔隙壓力，使流體壓力與圍巖壓力失衡，顆粒間摩擦力減小，發(fā)生液化。液化卷曲構(gòu)造形態(tài)多樣，不遵循力學(xué)機(jī)制，無固定規(guī)律，褶曲規(guī)模較小，軸面及樞紐的方向不定，紋層連續(xù)彎曲很少錯斷，無角礫化現(xiàn)象，一般厚度較小[27]；階梯狀微斷層是限制在同一巖層內(nèi)部的一組斷距很小的小型或微型正斷層，是地層在地震震動和重力聯(lián)合作用過程中形成的，以張性斷裂為主，邊緣斷層可為逆斷層，一般不具共軛性，斷面傾角較陡，斷層面在層內(nèi)尖滅，上覆及下伏巖層未受到影響，沿?cái)鄬用婵沙涮钌?泥)巖脈，斷層之間的巖層常發(fā)生褶曲和揉皺現(xiàn)象[26,28-29]。階梯狀斷層是原地沉積物受到地震波震動后在層內(nèi)形成的、規(guī)模相對較小、一系列相互平行的階梯狀斷層，也可以單獨(dú)發(fā)育或者是交織的網(wǎng)狀系統(tǒng)[28,30]。

4　黃旗口組地震事件和地震巖沉積序列

4.1　地震事件

黃旗口組中可識別出4次地震事件(earthquake event)沉積(圖2)，但多數(shù)沉積序列發(fā)育不全，僅事件Ⅱ沉積序列保存較完整。

事件Ⅰ(EEⅠ)：發(fā)育于剖面PM406第3層，巖性為暗紫色粉砂質(zhì)板巖，夾灰黃色石英砂巖。特點(diǎn)是震積序列不完整，主要包含液化砂巖脈層。地震巖發(fā)育層厚約1.4 m，其中液化砂巖脈層厚約0.8 m，顯示該次地震事件發(fā)震快速，強(qiáng)震階段持續(xù)時間不長，然后慢慢減弱，直至停止。

事件Ⅱ(EEⅡ)：發(fā)育于剖面PM406第6層，巖性為暗紫紅色細(xì)粒石英砂巖與灰綠色細(xì)粒石英砂巖互層，底部夾少量板巖，向上粒度變粗，層厚增加。地震沉積序列發(fā)育較完整，包含地震前期、地震強(qiáng)烈期、地震減弱期、地震停止期，缺少地震初始期，發(fā)育液化砂巖脈層、自碎角礫巖層、卷曲構(gòu)造層等(圖4)。地震巖構(gòu)造層厚約2.1 m，主體為地震強(qiáng)烈期產(chǎn)生的自碎角礫巖層和液化構(gòu)造層，厚約1.8 m。顯示發(fā)震快速，強(qiáng)震階段時間持續(xù)相對較長，然后慢慢減弱，直至停止。

事件Ⅲ(EEⅢ)：發(fā)育于剖面PM406第8層，巖性為紫紅色、暗紫紅色石英砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖，夾灰黃色不規(guī)則狀或斷續(xù)狀細(xì)粒石英砂巖薄層。包含地震前后的幾個時期，發(fā)育負(fù)荷構(gòu)造層、微階梯狀斷裂層、液化砂巖脈層、震裂縫層。地震巖構(gòu)造層厚約3.4 m，其中地震初始期沉積約1 m，地震強(qiáng)烈期沉積約1.8 m，地震減弱期沉積約0.6 m。由于該事件期內(nèi)沉積主要為石英細(xì)砂巖和石英粉砂巖，巖性差別不大，形成的砂巖脈主要為直立砂巖脈，反映地震強(qiáng)度要比事件1和事件2小。

事件Ⅳ(EEⅣ)：發(fā)育于剖面PM406第12層，巖性為暗紫紅色砂巖，夾灰黃色石英砂巖，頂部漸變?yōu)榘底霞t色粉砂質(zhì)板巖。地震巖構(gòu)造層只發(fā)育液化砂巖脈層，厚約1.4 m，顯示該次地震事件持續(xù)時間短，地震強(qiáng)度比前三個地震事件小，發(fā)震快速，停止迅速。

4.2　地震巖沉積序列

地震巖概念被引入中國以來[31]，許多學(xué)者對地震巖進(jìn)行了大量研究工作，對不同時代、不同構(gòu)造環(huán)境和不同巖性的地震巖進(jìn)行研究，建立了相應(yīng)的識別標(biāo)志和垂向序列[1,7,12,31-33]。由于地震震級差別、震源深度不同和沉積環(huán)境差異，地震巖垂向序列發(fā)育和保存情況也存在差異。概括起來了地震巖垂向沉積序列一般可分為8層，分別為下伏未震層(A)、負(fù)荷構(gòu)造層(B)、微階梯狀斷裂層(C)、液化砂巖脈層(D)、自碎角礫巖層(E)、卷曲構(gòu)造層(F)、震裂縫層(G)和上覆未震層(H)。一般保存完整的垂向沉積序列比較少見，本次工作在PM406剖面底部發(fā)現(xiàn)保存較完整的垂向地震序列(地震事件Ⅱ，即EEⅡ)，如圖4所示。

(1) 下伏未震層

下伏未震層為一套正常的碎屑巖沉積，處于地震作用的影響之外，層內(nèi)沒有受到地震震動干擾，保持良好的原生層理，顯示地震前期沉積(圖4A)。

圖4　賀蘭山中段黃旗口組地震事件Ⅱ垂向沉積巖序列Fig.4　Vertical sequence of the earthquake event Ⅱ in Huangqikou Formation in the middle part of Helan Mountain

(2) 負(fù)荷構(gòu)造層

負(fù)荷構(gòu)造層主要發(fā)育在中細(xì)粒石英砂巖和板巖互層或中粗粒石英砂巖和粉砂巖互層的巖層中，規(guī)模較小，主要現(xiàn)象是局部見層理彎曲變形，是由微弱振動導(dǎo)致比重大的物質(zhì)陷入比重小的物質(zhì)中形成，指示地震初始期(圖4B)。

(3) 微階梯狀斷裂層

微階梯狀斷裂層以發(fā)育小型的階梯狀正斷層為主，主要出現(xiàn)在厚層粉砂巖或粉砂質(zhì)板巖夾薄層砂巖中，規(guī)模普遍較小，斷距在0.2～2 cm之間，相鄰兩條小斷層間距一般5～7 cm。指示地震初始期地震發(fā)生的頻率增多，震級增大(圖4C)。

(4) 液化砂巖脈層

液化砂巖脈層是黃旗口組地震巖的主體部分，在4個地震事件層中均有出現(xiàn)，發(fā)育的厚度最大。液化砂巖脈層主要發(fā)育液化砂巖脈、砂巖墻、球—枕構(gòu)造。液化脈大小不等，粉砂巖或粉砂質(zhì)板巖中的液化脈發(fā)生強(qiáng)烈的彎曲變形，部分貫穿巖層連接上下兩層石英砂巖，而石英細(xì)砂巖中的液化脈一般近直立。球枕構(gòu)造中的砂巖球也是大小不等，以5 cm左右的居多。液化砂巖脈層表明當(dāng)時地震處于活躍期，強(qiáng)震頻繁發(fā)生(圖4D)。

(5) 自碎角礫巖層

自碎角礫巖層是地震強(qiáng)烈期的產(chǎn)物，主要發(fā)育水壓破裂構(gòu)造、角礫巖構(gòu)造和布丁構(gòu)造。弱液化層(薄層粉砂巖、粉砂質(zhì)板巖)被震碎或者被強(qiáng)液化層(粗砂巖)貫穿，形成大小不等的液化角礫。大多數(shù)角礫因拉張作用破碎而呈撕裂狀。串珠狀構(gòu)造主要發(fā)育于中層石英砂巖夾薄層粉砂質(zhì)板巖中，與傳統(tǒng)的石香腸很相似，但成因是由于地震作用引起的。自碎角礫巖層指示地震強(qiáng)烈期(圖4E)。

(6) 卷曲構(gòu)造層

卷曲構(gòu)造層發(fā)育于砂巖層中，表現(xiàn)為薄層砂巖出現(xiàn)彎曲，規(guī)模較小，5 cm左右，上、下層沒有明顯的擾動，反映了地震作用逐漸減弱，指示地震減弱期(圖4F)。

(7) 震裂縫層

震裂縫層以小斷層和地裂縫為特征，和地震作用初期產(chǎn)生的微階梯狀斷層相似，斷距較小，層內(nèi)發(fā)育。地裂縫頂部寬1～2 cm，延伸較長，被石英砂巖脈充填。震裂縫層指示地震減弱期(圖4G)。

(8) 上覆未震層

上覆未震層為地震活動結(jié)束或地震強(qiáng)度很弱時的產(chǎn)物。該層沒有受到地震作用的影響，接受正常沉積，發(fā)育正常層理和沉積構(gòu)造，不具備地震巖的特征，為地震作用停止后沉積(圖4H)。

5　黃旗口組地震巖地質(zhì)意義

研究表明，現(xiàn)代地震主要發(fā)生在活動的大地構(gòu)造背景下，如板塊邊界和板塊內(nèi)部的伸展地帶[34]。沉積物液化現(xiàn)象的出現(xiàn)至少需要5.0～5.5級的地震[35]。因此，賀蘭山長城系黃旗口組地震巖的發(fā)現(xiàn)具有以下主要意義：

(1) 對賀蘭山長城系黃旗口組中大量的軟沉積變形構(gòu)造做了較合理的成因解釋，認(rèn)為地震是這些軟沉積變形構(gòu)造的主要誘發(fā)機(jī)制，而且地震的級別較高，在濱—淺海環(huán)境中發(fā)育了較完整的震積沉積序列。

(2) 由于地震主要發(fā)生在活動的大地構(gòu)造背景下，黃旗口組地震巖的發(fā)現(xiàn)反映長城紀(jì)早期，賀蘭山地區(qū)處于活動構(gòu)造背景下，進(jìn)一步證明長城紀(jì)賀蘭山裂陷槽(坳拉槽)[36]存在的可能。

(3) 華北地臺中元古代地層中均發(fā)育有地震巖[7,37-44]。長城紀(jì)賀蘭山處于華北板塊西側(cè)的大陸邊緣，地震巖的發(fā)現(xiàn)，可能暗示著長城紀(jì)賀蘭山地區(qū)沉積演化過程與華北地臺燕遼裂陷槽具有相似性。

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