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A Study of Seismic Events in the Late Sinian Carbonates of Dalian

彭阳杨天南乔秀夫李典志王国桢杨中柱杨小波

本文为辽东半岛南端旅顺地区7幅1:50000地质调查成果。辽南末前寒武系已变质，且变形复杂，过去依据岩性将旅顺地区与大连相对比。通过地质填图过程中，用地震灾变事件进一步证实了旅顺与大连地区对比符合客观地质记录。论文是实际工作的总结，并用较详细的岩石学研究讨论了液化脉的地震成因机理。论文将地震事件层位与层序地层相结合，进一步论证了液化泥亮晶脉形成于浅水环境。由于有事件地层及构造研究方面的新成果，图幅被评为国优图幅。原文刊于2001年地质学报，第75卷第2期，现刊印文仅作了个别文字补充。

大连地区的上震旦统南关岭组、甘井子组和营城子组碳酸盐岩地层中，可识别出以震动液化脉、震动液化角砾岩、碳酸盐岩浊积岩等震积岩为代表的古地震灾变事件层。地震记录的研究进一步提高了辽南震旦系的研究程度，证明了辽南地区晚震旦世存在4个地震活跃期，从而为区域地层对比提供了新的实际材料。新发现的甘井子组白云岩中的地震灾变事件层表现为白云石质的震动液化脉及液化卷曲变形，是对辽南震旦系研究程度的提高和丰富。

20世纪80年代末，乔秀夫等（1994,1996a）在大连北部复州地区南关岭组、营城子组碳酸盐岩中识别出的泥亮晶碳酸盐岩脉及某些角砾岩系地震引起的震动液化作用的产物，在大连金州区龙王庙剖面和金石滩剖面的营城子组、兴民村组灰岩中也识别出了震积岩，并据此建立了震积岩序列。但在辽东半岛最南端的旅顺—大连地区，变形强烈的震旦系碳酸盐岩石的结构构造常常被破坏，液化脉及液化角砾常常被强制性沿劈理定向，且重结晶严重，这给震积岩的识别带来了很大困难。

笔者在1:5万区域地质调查等工作中，从沉积学和构造变形等多角度分析，确认大连工作区（图1）同样存在南关岭期、营城子期的地震事件，为区域地层对比提供了准确依据。并且在甘井子组中识别出了一个新的地震事件层位，大连金州兴民村组中的震积岩是震旦纪最晚期的地震事件，因此辽南晚震旦世共有4个地震活跃期，从而修正了华北地台东部晚震旦世地层对比的标尺（乔秀夫等，1995,1996b）。

1大连工作区上震旦统碳酸盐岩中的地震灾变事件

大连地区上震旦统自下而上由南关岭组、甘井子组、营城子组、十三里台组、马家屯组、崔家屯组、周家崴子组、王家坦组、兴民村组构成，其中南关岭组、甘井子组、营城子组、兴民村组等4个碳酸盐岩组中的地震灾变事件记录丰富多彩，因兴民村组在工作区范围内未出露，本文只涉及3个地震事件层（图2）。

图1 大连工作区及主剖面位置图

概述

图2 大连地区上震旦统碳酸盐岩震积岩序列（黄龙尾剖面）

DS—层序，QP3—第四系；TST—海侵体系域；CS—凝缩段；HST—高位体系域，1～10—小级别地震活跃期

大连地区上震旦统碳酸盐岩地震灾变事件层总的特征是具液化脉和液化角砾的碳酸盐岩所代表的地震灾变事件层与间震期正常碳酸盐岩互层。

南关岭组和营城子组中的震积岩由具液化脉粉晶灰岩、具液化脉砂屑鲕粒灰岩、震动液化钙质角砾岩、具地裂缝泥晶灰岩、具粒序层理砂屑灰岩（浊积岩）构成；甘井子组中的震积岩由具液化脉白云岩、震动液化卷曲变形白云岩组成。总之，大连工作区最常见的震积岩类型是具震动液化脉碳酸盐岩和震动液化角砾碳酸盐岩（图2中a—k，图版I）。

旅顺—大连地区的液化脉均为亮晶碳酸盐岩脉。各期的震动液化脉虽然有不同的颜色、成分、结构、产状、规模和出现频率，但有两个共性：①结构上的等粒性——液化脉内的方解石近似等轴粒状（白云石液化脉除外），均为亮晶。受构造变形影响而定向时，表现为沿劈理方向拉长的各颗粒不再是等轴粒状，但粒度均一，明显与围岩不同；②成分上的纯净性——液化脉内方解石颗粒间的杂质比围岩中的要少得多（图版Ⅰ－8,9）。

同样，各期震动液化角砾岩虽然有不同的厚度、粒度和成分，但有3个与其他成因角砾岩相区别的共性：①砾石成分单一、棱角状，彼此之间具可拼合性（图2b，图版Ⅰ－4）。受构造变形影响而定向时，表现为各砾石沿劈理方向拉长，但保留棱角状特征，且沿应力拉开方向复原时仍具可拼合性；②纵向上一般与具液化脉灰岩互层；③横向上常与具地裂缝灰岩及具液化卷曲变形灰岩共生（图2e）。

与红海现代沉积物中地震事件记录的比较

将大连工作区上震旦统液化脉、液化卷曲变形及液化角砾岩与红海现代地震事件记录进行对比，二者的相似性进一步证明大连地区的液化脉及液化角砾是地震灾变事件的产物。

红海泥质碳酸盐岩中发育的液化脉[图3(a)]与大连工作区震旦系中的液化脉（图2、4、5及图版Ⅰ－1～3、5～7）十分相似；钙质泥岩中的液化卷曲变形[图3(b)]与甘井子组白云岩中的液化卷曲变形（图5、图版Ⅰ－3）十分相似；具纹理灰岩中的粗粒震动液化角砾岩[图3(c)]与南关岭组（图2b）和营城子组（图版Ⅰ－4）中的粗粒震动液化角砾状纹理灰岩非常相似。因此，震旦系碳酸盐岩中液化脉及液化角砾岩系古地震产物。

南关岭期的地震灾变事件

大连信台子剖面的南关岭组由含粉砂泥晶灰岩、含砂砾屑鲕粒灰岩、砂砾屑灰岩组成，标志着震旦系碳酸盐岩台地的真正开始。底界是碳酸盐岩上超面，顶界是明显的岩性和沉积相转换面（图2）。

图3(a）砾岩中的砂岩“岩墙”；（b）钙质泥岩中液化卷曲变形造成的石香肠构造；（c）地震引起的液化角砾岩—成岩过程中形成，向上过渡到原始纹理灰岩层

（据Plaziat et al.,1990)

图版Ⅰ大连上震旦统地震灾变事件记录

地层中地震记录

南关岭组地震事件层位于该组上部、南关岭层序高位体系域，具多个以液化脉含粉砂泥晶灰岩、具液化脉砂屑鲕粒灰岩、震动液化角砾岩、具地裂缝泥晶灰岩为代表的地震灾变事件序列（图2、4），代表大连地区震旦纪的第1个地震活跃期。

图4 大连信台子南关岭组震积岩序列剖面图

南关岭组中的震积岩序列可划分为3个（图2a—d），其各序列特征如下：序列1连续发育了10个次级震积岩序列，如图4所示；序列2为具液化脉砂屑泥粒灰岩与粒泥灰岩互层（图2c）；序列3为具液化脉撕裂状砂屑灰岩与粉晶灰岩互层（图2d）。

液化脉不切穿自然层，是未固结或弱固结地层对地震的响应；地裂缝常切入下伏地层，由与液化脉特征相同的方解石填充，与液化角砾岩共生，代表已固结的硬地层对地震的响应（图4a）。

显微镜下，液化脉中的亮晶方解石颗粒均沿劈理定向，可分为两类：①较为平直的水平状：由～细晶方解石组成，粒度均一，含泥质少，该类液化脉发生在液化初期或末期（露头特征见图2c）；②不规则竖直或斜交状：由左右细晶方解石组成，粒度均一且比围岩细，含个别石英粉砂（围岩中含15%的石英粉砂），上下穿刺纹理，该类液化脉发生在液化高峰期（露头特征见图2a，图4，图版Ⅰ－1）。

液化脉常被地震诱发的强风暴打碎形成碎屑（图2d，图版Ⅰ－7），砂屑与鲕粒受变形影响而定向、拉长。

甘井子期的地震灾变事件

甘井子组底部是潟湖相灰白色细晶白云岩（含黄铁矿1%）、灰色细晶质泥晶白云岩、砂屑粒泥白云岩；下部是浅潮下带灰白色藻砂屑填隙的叠层石白云岩、灰色藻纹层白云岩，深灰色鲕粒白云岩，灰色具液化脉含燧石白云岩（图版Ⅰ－2、3及图2e、图5）夹灰色薄层具液化脉白云质灰岩（甘井子组一段）；上部是灰红色含燧石具粒序层理细晶质泥晶白云岩（具帐篷构造、泥裂、鸟眼、浅水藻席等）、具不规则斜层理的粉晶质泥晶白云岩（含黄铁矿2%）（甘井子组二段）。

在甘井子组一段顶部、海侵体系域（DS2）的灰色厚层块状含燧石白云岩夹灰色薄层灰岩中识别出多个震积岩层，液化脉出现在白云岩中，为白云石质液化脉，这在辽东半岛地区是首次发现，丰富了震积岩序列的岩石类型（已识别出的南关岭组、营城子组、兴民村组液化脉均是方解石质、出现在灰岩中），代表大连地区震旦纪第2个地震活跃期。

甘井子组液化脉成分为细晶白云石，露头呈灰白色、白色细小不规则状脉，水平或向上、向下穿刺纹理。与南关岭组及营城子组中的液化脉相比，甘井子组中的液化脉总体上更细小，脉体粗细更不均匀，看上去密集且杂乱无章（图版Ⅰ－2、3及图2e、图5）。显微镜下由自形、半自形细晶白云石晶体充填，粒度较方解石质液化脉粗，等粒化程度不高，这是白云石质液化脉与方解石质液化脉结构上的区别。

图5 大连信台子剖面甘井子组白云岩中的细小液化脉及软沉积物变形

甘井子组中的液化卷曲变形构造发生在液化脉层间，卷曲引起了纹理的牵引变形（图2e，图版Ⅰ－3及图5）。

甘井子组中的白云石液化脉与裂隙型碳酸盐岩脉的区别表现在：①露头呈不规则状、上下穿刺使纹理弯曲，但不穿过自然层（图5），后期碳酸盐岩脉常常较平直规整并切穿自然层；②显微镜下液化脉内白云石粒度较围岩粒度粗，为半自形粒状，较均匀，不具孔隙充填特征，后期碳酸盐岩脉常常粒度不均匀、呈脉壁粒度细、脉中央粒度粗的孔隙充填特征。

甘井子组中震积岩序列可分为4个：①灰白色中层藻黏结白云岩—具粒序层理含砂屑藻白云岩（粒序由砂屑显示）—灰色中层含燧石具液化脉细晶白云岩（图版Ⅰ－2）；②藻粘结白云岩—砂屑白云岩—具液化脉砂屑（或粉晶）白云岩—具粒序层理（由细晶粒度显示）含燧石细晶白云岩；③灰白色细晶白云岩—具液化脉细晶白云岩—灰色薄层液化卷曲变形细晶白云岩（图2e及图5）；④灰色薄层泥晶质细晶白云岩—深灰色中层液化角砾岩—具液化脉细晶白云岩。

营城子期的地震灾变事件

营城子组一段是潮下带灰色厚层粉晶灰岩，下部夹数层灰质液化角砾岩，底部以古喀斯特角砾岩与下伏甘井子组分界，发育多层震积岩；营城子组二段是粉白色中薄层具纹理白云岩（潮间潟湖相）；营城子组三段是潮下缓坡相叠层石灰岩、细晶灰岩、细砾砂屑灰岩、藻砂屑鲕粒粒泥灰岩，发育多层地震液化脉及液化角砾岩；营城子组四段是灰黄色、灰红色页岩，下部夹泥质灰岩（缺失中上部地层），营城子组的4个段分别与4个三级层序相当，在各层序的TST及HST中发育了10个震积岩序列，代表大连地区震旦纪第3个地震活跃期。

黄龙尾剖面中震积岩序列出现在营城子组一、三、四段中，共有10个液化脉相对集中分布的层段，代表10个小级别地震活跃期（图2）：

序列1具液化脉细晶灰岩—含砂屑粒泥细晶灰岩—多成分砾屑灰岩。砾屑是：具藻凝块藻粘结灰岩（65%）、暗色均匀粉晶灰岩（10%）、具弯曲变形纹理的粉晶灰岩（25%），为风暴碎屑流沉积；液化脉不规则状，由均匀细晶方解石组成，与劈理方向一致。

序列2具液化脉泥晶灰岩—具浅灰色液化脉细碎屑的砂屑灰岩。浅灰色液化脉不规则状，与劈理斜交（图2f）；砂屑灰岩中的砂屑以碎屑状液化脉为主，结构成分与之相同，是液化脉被地震诱发的风暴打碎后经短距离搬运再沉积而成（图2g，图版Ⅰ－7）。液化脉碎屑层与下伏具液化脉层（原地）之间为明确的不平整的物理面一震积不整合面。

序列3具低角度斜层理泥晶灰岩—具稀疏液化脉藻纹层粉晶灰岩、具稀疏液化脉具纹理粉晶灰岩—具液化脉砂屑的砂屑灰岩（图版Ⅰ－7）。露头上砂屑灰岩底部具冲刷面，液化脉在单层顶部集中。显微镜下液化脉由浅色均匀拉长定向的方解石细晶组成（～），拉长方向与劈理一致。

1～3地震层出现在营城子组第一段，营城子组二段白云岩中及三段底部灰岩中没有震积岩，代表间震期。

序列4具浅灰色、灰色、深灰色密集液化脉粉晶灰岩—含黄铁矿砂屑填隙的板条状震动液化角砾岩。液化脉由泥晶—粉晶方解石组成，常常沿劈理方向拉长定向（图2h、i，图版Ⅰ－5）；板条状砾块灰岩为纹理灰岩被震动液化搅起形成粗粒度震动液化角砾岩（图版Ⅰ－4），与具液化脉灰岩互层。

序列5具稀疏液化脉水平层理泥晶灰岩—具液化脉粉晶灰岩，岩石结构不均匀，水平层理由暗色富铁质纹理泥晶方解石与浅色粉晶方解石互层显示；灰白色液化脉（5%）上下穿刺，方向各异。

序列6具水平纹理藻砂屑鲕粒泥粒灰岩—青灰色具液化脉粉晶灰岩。鲕粒已白云石化（半径～），约35%，暗色藻砂屑（半径～），约20%，泥晶方解石胶结；由的粉晶方解石构成的液化脉（30%）被改造，沿劈理拉长、变形呈破碎状。

序列7泥晶灰岩、砂屑泥粒灰岩—具液化脉粉晶灰岩—泥质泥晶灰岩填隙的灰色砾块灰岩。砂屑为：眼球状具泥晶套细晶方解石（15%）、泥或粉晶灰岩（44%）、暗色藻屑（1%），不典型放射同心鲕粒5%；浅灰色液化脉（15%）由粉晶、泥晶方解石组成，不含铁质杂质，色较围岩深，粒度较围岩细，与劈理平行或斜交（图2j）；砾块灰岩分选不好，次棱角状，成分：少量具浅灰色液化脉粉晶灰岩、大量粉晶灰岩，与具液化脉灰岩互层，为地震诱发的近源津浪碎屑流沉积（图2k）。

序列8浅灰色具液化脉、具纹理砂屑粒泥灰岩—具液化脉、具纹理含泥晶粉晶灰岩—藻黏结灰岩与粉晶灰岩互层。液化脉10%～15%，由均匀粉晶方解石组成，沿劈理拉长定向；藻黏结灰岩由暗色泥晶团均匀分布显示，在野外露头上表现为砂屑状。

序列9具液化脉暗色泥晶灰岩—具液化脉纹理粉晶灰岩—（含硅质）砾砂屑颗粒灰岩；暗色泥晶中含大量有机质，不均匀状，浅色不规则状液化脉由粉晶方解石组成，沿劈理定向；大量液化脉（60%）上下穿插岩石，破坏纹理，并使岩石成碎屑状；砾砂屑成分为：具暗色泥晶套多晶方解石屑（15%）、长条状液化脉屑（5%）、长条状富有机质砂砾屑（55%）。

序列10灰色具液化脉、具纹理粉晶灰岩—具液化脉砂屑粒泥粉晶灰岩—粉晶灰岩—含砾砂屑颗粒灰岩（图版Ⅰ－6）。浅色液化脉由等轴粒状（）粉晶方解石组成（15%～30%），量少，规模小，可切穿两个细层，也可顺层分布；砂屑成分为粉晶方解石，具正粒序，底面常为浅冲刷面（碳酸盐岩浊积岩）；粉晶灰岩中常有细晶方解石小团块（液化角砾）。

4～10地震层出现在营城子组第三段。

2地震灾变事件地层的形成机制及其与沉积环境、层序的关系

如图2所示，具液化脉灰岩、液化角砾岩等岩石组合均在海侵体系域、高位体系域中出现，很少出现在凝缩段或与之相当的地层中，故推测在较深水环境地震不会引起液化；另一种解释是：地震在海平面下降与上升的拐点、即盆地沉降与抬升的转折点时不发生，而发生在上升或下降的过程中。

液化脉最早被称为“molar tooth”，国外的地质学家将其解释为：脱水收缩缝、生物沉淀、方解石替代藻类或蒸发矿物、微晶方解石沉淀在沉积物孔隙中、早期成岩构造和地震裂隙（Frank et al.,1998），中国地质学家乔秀夫等（1996）、宋天锐等（2000）详细研究了华北中元古代（串岭沟组页岩中的泥晶方解石液化脉）、新元古代（震旦系中的碳酸盐岩液化脉）、下寒武统（大林子组泥岩中的白云质液化脉）的震积岩，成功地将液化脉与各种形态相似的物理、化学、生物构造区别开来，并将其与现代地震中形成的沙土液化构造相类比，限定了其为地震诱发的振动液化脉，并详细解释了其向上、向下穿刺的机理；在宏观构造上，Guiraud等（1993）排除了由于古斜坡、重力负载及成岩作用等引起的变形构造，将不和谐的液化卷曲变形与同沉积断层活动引发的地震相联系，并更细致地考虑到了震源深度和强度与液化的关系：弱而浅源的地震引起的液化变形范围小（级，1～5km），强而深源的地震引起的液化范围大（级，80km）；Plaziat等（1990）认为埃及红海现代沉积砾岩中发现的砂岩“墙”与火山岩的形成相类似，是地震引起砂质成分的向上穿刺所致，并讨论了不同地震波引起的颗粒的不同变形（Plaziat et al.,1993）；但在外国地质学家的解释中，液化脉被认为只向上穿刺。

笔者认为大连的地震灾变事件是晚震旦世Rodinia裂解所引起的板内扩张的信号。在露头上所观察到的现象是液化脉向多个随机方向穿刺、逃逸，并非只限于上、下两个方向，因为液化脉穿刺方向为外压应力小于液化物质内部张力的方向，在一次地震过程中液化物质的内部张力与围岩应力都不是均匀的，因此岩石中的液化物质的穿刺方向是随机的。地震震荡使孔隙水集中并重新溶解围岩，形成富含碳酸钙、镁的饱和溶液，由于浓度高、结晶中心多、沉淀速度快，因此液化脉内常常沉淀快速再结晶而成的纯化的、近等粒度的细粒方解石晶体。

在薄片中可清晰地观察到液化脉发生、发展的不同阶段的记录：液化初期（即地震初期），孔隙水开始集中，并破坏了原始层理，形成了似团块状构造（图版Ⅰ－8），岩石由深浅两种颜色的成分组成，似砾状、团块状，在野外常常被命名为砾屑灰岩；在薄片中，深色部分常常是含泥铁质杂质的微晶或细晶方解石（图版Ⅰ－8中的A成分），即原岩，浅色部分是近等粒粒状方解石（图版Ⅰ－8中的B成分），与液化脉的结构及成分特征完全一致，两种成分之间并无明确物理界线（据此与砾屑相区别）。这两种成分的分异现象，在整个岩石中均匀分布，用地震震荡诱发的液化分异成因来解释是最合理的。此时不形成液化脉，可能与能量有关。但这种现象可能只发生在液化初期，在野外不很常见，而且亦容易误认为是一般的砾屑灰岩，应给予特别注意。

液化中期到后期（即地震高峰期），孔隙水与碳酸盐沙开始连通并穿刺，形成各种方向的液化脉，以各种角度斜交或垂直层理。液化脉是地震引起的碳酸盐岩软沉积物变形的最稳定表现形式，因此在野外露头上最为常见。例如：当地震初期，液化脉表现为水平为主，此时最大应力方向应为垂直方向；地震中后期，液化脉以斜交和竖直为主，向上或向下穿刺，此时的最大应力方向应为水平方向。

3结语

（1）各液化脉均为亮晶碳酸盐岩而非初始沉淀的泥晶碳酸盐岩，显示其准同生期受震动而再次活化、沉淀的特征；液化脉在地层中的产状不同反映了地震波应力强度和方向在时间上和空间上的变化。

（2）大连震旦系中的地震灾变事件的识别，有助于恢复震旦纪的构造环境与认识当时的盆地性质，如大连地区上震旦统碳酸盐岩中的一系列地震灾变事件与Rodinia的裂解密切相关，因此识别地层中的地震灾变事件也是历史大地构造研究的重要手段。

（3）已强烈变形的大连工作区震旦系中的3个地震灾变事件层，在不变质的复州地区震旦系中也同样存在，确认二者属同一个沉积盆地。

（4）第4个地震灾变事件层在金州兴民村组中，因此辽南震旦纪存在4个地震活跃期，修正了华北地台东部晚震旦世地层对比的标尺（乔秀夫等，1995,1996b），为辽东半岛南端与北部以及苏皖北部地区震旦系岩组之间的对比提供了准确的事件依据。

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