另据乔秀夫等报道,对我国1955年前近900a的地震喷水冒砂资料统计:震级和发生液化的范围有密切的关系,即震级越大,液化范围越大;同时,地震持续时间长,也可加重地震液化现象(表112;图1125,图1126)。
另据报道,2011年3月12日发生的日本东部地震(9级)在距震中数百千米的地区出现液化现象,距离异于寻常。
作者认为图1125可作为泥质岩及含膏盐地层中地震液化砂体的典范。图中展现了泥质岩中各种地震液化褶曲和微断裂现象,充分表现了液化混杂现象。而图1126则显示碳酸岩中的各种地震液化现象,其微褶曲和断裂的表现则更是达到极致。实际上A单元:顶面往往被侵蚀,由一层砾屑灰岩所覆盖,砾屑即下伏液化脉成分。砾屑灰岩成因有三种:碎屑流成因:新的海侵时形成的砾岩;风化残积砾岩,残积砾岩往往形成具硅质砾屑或钙质砾屑的硅结壳或钙结壳。B单元:液化卷曲变形、液化角砾岩、震裂岩、震塌岩等系液化后期产物。C单元:粒序断层(fault graded)(Seilacher,1969)与地裂缝,液化作用停止时的产物表示在碳酸岩中一个从底部到顶部的独立地震液化序列,代表了一次强烈地震发生后数分钟内沉积物液化的产物(Fieldetal,1982;刘颖等,1989),该序列代表了整个过程(冯先岳,1989)。
第四纪地层中的古地震遗迹除断层破碎带经常引人注意外,典型的地震喷砂砂脉和揉皱现象并不多见,且即使发现也有引起误会的可能。20世纪80年代在涞源虎头梁曾传说发现了古地震现象,即在砂砾中发现楔状及卷曲状砾石层,经作者等实地考察发现证明是古冰缘现象,即古冰楔和冰卷泥,是末次冰期时冰缘环境的产物。假若真的是由地震造成砾石层褶曲变形则震级一定是高得惊人。因为水平砾石层承压力是极高的,而事实上成规模的地震变形多发生在砂层和淤泥层中。朱海之等(1982)在宁夏就发现了阶地砂土层中大规模的喷水冒砂之砂脉和揉皱构造(图1127,图1128)。在江苏曹塘桥也发现类似的情况(图1129),地震断裂之间形成的细砂淤泥层中的揉皱十分清晰。因为有具体的地貌背景相衬,这比在老地层中发现类似情况印象要深刻得多(丁国瑜,1982;朱海之等,1982)。
(第四节)震碎岩——断层破碎带、断层混杂岩
作者认为地球内应力的释放引起地震,而地震则是形成断层的主因或全部原因——应力释放出口。故作者把断层破碎岩归结为震积岩的一种:震碎岩(照片116)。
断层破碎带所造成的构造混杂岩一直以来备受关注,它既是窥视地球动力的窗口,也是构造混杂岩的一个重要类型,在地质学和沉积学研究中也受到重视(夏德格,1986)。
诺布尔(Noble)(转引自邓巴,1974)把与冲断层相关的特种角砾岩称为混杂角砾岩(实际上是构造混杂岩的一种——作者注)。广布于美国加州死谷区的阿马戈塞混杂角砾岩,为厚约700m的混杂堆积,位于阿马戈塞的冲断层面上。从寒武纪到第三纪的石块杂乱地与细小的颗粒混聚一起,石块大者为400—800m,岩块完全粉碎,但岩块中的层理仍然可辨认。诺布尔相信它完全是构造成因的,但琼斯和恩格尔(JahusandEngel)注意到此类角砾岩在加州南部呈面状分布,虽说块石大小有所减小,故认为大部分是沉积成因,诺布尔也承认有部分沉积成因。
郎韦尔(1951)(转引自邓巴,1974)也谈到此类“巨大角砾岩”,强调:在山前很厚,而近山的源头区却很薄或缺失。既像是冲断层上盘,可以发展成巨大基岩岩块瞬间突然崩落,也似如滑坡一样冲下山坡,同时在平行山麓一线也和扇形地堆积互相穿插。故最终认为,此类巨大角砾岩是综合成因的,即部分是构造的,部分是沉积的(邓巴,1974)。再例如,有的海底倒石堆的形成是与海底断层崖直接相关,从倒石堆堆积可以演化到浊流沉积等系列沉积链。
邓巴认为(1974),大部分最粗的碎砾岩都与海底断层有关,其中最壮观的实例之一是纽芬兰的牛头角砾岩。它是在该区广泛出露的上寒武—下奥陶和中奥陶统的灰岩碎屑组成的角砾岩(图1130),角砾岩沿冲断层线状展布320km以上。这一段报道展示图1130纽芬兰西部港口半岛西海岸鸬鹚岬的海边悬崖剖面(邓巴,1974)了断层角砾岩的规模。
其中许多石块直径超过300m,最大一块灰岩块为宽130m、长200m、厚6.6m。当巨型灰岩块坠落时,落入当时还是软泥的页岩层中,并把软泥层挤开。整个角砾岩层中,灰岩块都是桌头灰岩,没有层理迹象,显然是一个巨大的海底倒石堆,此断层的破碎带和倒石堆角砾岩之间的界线并不清晰。与之相间的笔石层证明,此角砾岩是形成在海底,而断层也发生在桌头灰岩结束时期(邓巴,1974)。以上实例表明,在混杂堆积相中研究断层混杂岩有广泛意义。
断层混杂岩是构造岩的一种,是一种位于断裂带附近的次生岩组,是由构造运动所形成的断层破碎带及岩浆岩侵入所形成的破碎带中的产物(后者如何归类尚在讨论中,本书未涉及),是由机械作用及热动力作用共同作用的结果。所有这些动力形成的岩石,也统称为构造混杂岩。
构造混杂岩的物质组成、组织结构以及堆积特征,则因断层所切穿的岩层及断层两侧围岩的种类、作用力的性质与作用力的规模和方式不同而有显著的差异。因之,对断层混杂岩的特征与类型的划分,有理论与实用意义,十分必要。
根据强度理论及断层形成的力学机制,大多数断层都是剪切作用形成的,也有引张脆性破裂形成的。本节主要探讨由断层构造运动所形成的断层破碎带中的构造混杂岩。
各种不同力学性质所产生的构造断裂破碎带,实质上是不同力学性质的结构面,为对构造岩沉积、混杂堆积特征较为全面而深入研究,首先要对构造运动所形成的断层进行分类,以及对各种不同力学性质的结构面作一简单的说明。
一、断层的分类与命名
断层的分类与命名,在中外地质界里一直存在着争议,主要原因在于断层构造本身的复杂性。它涉及断层几何学、动力学和运动学等一系列学科中的问题,而这些问题又常常相互纠缠不易化解,有些则限于客观条件未能查明,结果使问题难以解决。
参考张文佑(1984)、Allen(1989)、朱志澄等(1990)、俞鸿年等(1998)等学者关于断层分类的意见,归纳有以下几类:
(1)重力断层,反映断层是在引张作用下形成的,是在重力控制下滑动,即张性断层。
(2)逆冲断层,断层是在区域挤压作用下形成的,即压性断层。
(3)平移断层,断层是在一定挤压作用下引发呈平滑状态下形成的,即走滑断层。
以上各类断层,比较全面地概括了断层的特点与实质,尤其是动力学分类考虑了不同力学模式。因为从不同构造带上地震破坏程度得知,压性的逆冲构造无论俯冲带或仰冲带上,地震破坏程度都很大(造成的海啸规模也大。地震会将俯冲带上方抬起几米高,从而引发大规模海啸。而走滑断层发生时地壳会发生纵向开裂,板块在互相滑动时不会大幅度改变河床高度,海啸规模也小)。由此可见,压性断层能造成大规模断层破碎带和混杂构造岩,而张性或走滑断层则不同。
二、断层破碎带的不同力学性质与构造混杂岩特征
(一)结构面的力学性质分类
从力学的角度看,应力可以分为挤压应力(压应力)、拉伸应力(张应力)与剪切应力(扭应力)。由于这些不同的应力作用,特别是复合力的共同作用,形成了不同力学性质的结构面。根据结构面本身所具有的特征以及与不同应力之间的关系,可以将结构面按力学性质划分为以下几种(邓起东等,1966):
(1)压性结构面,或称挤压面,压性结构面反映岩性、岩体压缩变形,其走向与应力作用方向垂直。
(2)张性结构面,或称张裂面,其走向与张应力作用方向垂直,或者与压应力作用方向平行。
(3)扭性结构面,或称扭裂面,扭性结构面也是剪切破裂面,它的走向与压应力或与张应力作用方向斜交。扭性结构面经常以不同方向的两组出现,一般来讲,其中两组发育的并不对称。
(4)压性兼扭性结构面,或称扭压面。既具有压性结构面特征,又具有扭性结构面特征。
(5)张性兼扭性结构面,或称扭张面。既具有张性结构面特征,又具有扭性结构面特征的破裂面。
对(4)和(5),无论是压扭面还是张扭面,都是在两种不同应力作用下所产生的双重结构面特征。
鉴定结构面的力学性质,主要是依据不同方式的应力作用所形成的结构面标志以及构造岩堆积特征,主要有以下几个方面(邓起东等,1966):
(1)断裂面产状的形态特征:断裂面在平面上及剖面上表现出的特点,是呈舒缓波状弯曲面,还是平直光滑面,抑或是粗糙不平、参差不齐而呈锯齿状面,以及断裂面陡缓和两侧地层的错动情况。
(2)断裂面两侧岩石的特征:断裂面上擦痕与阶步的表现,构造岩特征(包括断层角砾岩和糜棱岩),片理化及叶理发育特点。
(3)断裂面两侧的派生构造特征:牵引褶皱、羽状裂隙(分辨它是扭性还是张性)、旋扭构造。
(4)断裂面的组合特征:同序次的断裂与褶皱组合特点不同序次断裂组合特点。
(5)断裂面充填矿脉与岩脉特征:矿脉和岩脉产状是连续弯曲或是断续追踪,矿脉和岩脉是平直延伸或是雁行斜列。
(6)标志性褶皱轴面特征:根据组成褶皱地层的分布和产状,注意轴面在剖面(垂直方向)上的倾斜及组合特点,轴线在平面上是直线还是弧形弯曲(邓起东等,1966)。
(二)压性结构面(构造岩)及显微组构特征
这些特征与震碎岩关系密切,其主要特征如下:
(1)压性破裂面往往呈舒缓波状,沿断裂面的走向和倾向均有此特征,尤其在走向方向上更为明显,这是与其他结构面的显著区别。
(2)压性破裂面及其附近常常出现:
(1)因两盘相对运动摩擦生成的镜面、擦痕和阶步。可以利用擦痕和阶步来判断断裂面两盘相对运动的方向(照片118,照片1113);如四川龙门山东麓发现飞来峰,即二叠纪灰岩逆推到侏罗系和第三纪岩层之上。
(2)经常出现断层角砾岩、断层泥和糜棱岩(图1133,图1134;照片117,照片119,照片1110)(陈茂勋,1994)。
(3)断层带内塑性岩石遭受挤压作用,使片状、柱状及板状矿物(如云母、滑石与绿泥石等)沿挤压面平行定向排列,构成片理或叶理。
(4)在规模较大的挤压破碎带内,常常出现构造透镜体,它是断层带内较为脆硬的岩石,在挤压过程中被拉长,经细颈作用而呈串珠状,或呈断开的菱形透镜体。环绕着透镜体状岩石,片理和叶理十分发育,在这些透镜体的表面上,发育大量方向不同的擦痕;同时,在构造透镜体岩块上,经常可以见到压性、张性和扭性的小裂面。一系列构造透镜体的排列方向,基本上代表着断层带的方向。
(3)在压性断层一侧或两侧,有时出现派生构造现象。如牵引褶皱、羽状节理,根据这些局部构造形迹,可以判断断层两盘相对运动的方向。
(4)压性断层往往成群出现,有时是多条逆断层,并伴有一系列强烈挤压的紧密褶皱成带分布,在平面上延伸很远,构成很宽的挤压破碎带。在大型挤压破碎带中,地层直立、倒转等(邓起东等,1966;朱志澄等,1990;俞鸿年等,1998;李忠权等,2010)。