2.1 液化卷曲构造
这种构造指细粒沉积物在未固结或半固结而呈塑性状态时,在振动力作用下可形成的小褶皱或微褶皱。它是在某一特定的层内产生的液化变形,液化卷曲变形层严重弯曲,形状如向斜和背斜,褶皱不遵循力学机制,无固定规律。液化卷曲构造是震积岩中最为常见的变形构造之一。
在岷江上游的叠溪古堰塞湖沉积中液化卷曲构造十分发育。图2a显示的是一个高度不足2 m的近水平地层段中发育的5个卷曲构造层。卷曲构造的“背斜”宽阔圆滑,“向斜”紧闭狭窄,轴面略向东倾。卷曲构造层由未发生变形地层分开。自上而下,5个卷曲构造层的振幅由10 cm左右减至5 cm,间隔层厚度由20 cm增至50 cm。发生液化卷曲构造的地层是纹层状的粉砂质泥层,底部地层平直或略有起伏,与下部水平层理渐变接触,上部中、细砂层的底部被褶曲包卷。图2b是规模较大的卷曲构造,约10～20 cm,剖面上仅见单个卷曲构造层发育,形态呈不规则的麻花状,纹层状泥砂互层发生强烈卷曲,中细砂被包卷成球状。卷曲构造的上、下均有中细砂层分布,上部砂层厚度可达几十厘米至数米。
笔者注意到,液化卷曲构造的上部均有一定厚度的砂层存在,薄层砂层下的卷曲构造振幅较小,厚层砂层下的卷曲构造振幅较大。其形成机制为:处于饱和状态的均质砂层覆盖在纹层状泥砂互层之上,在地震动时,含粘土颗粒较高的泥砂纹层具有很大的粘聚力而不发生液化,而颗粒
图2 典型软沉积物变形构造
(a)液化卷曲变形;(b)包卷构造,粉砂质粘土包卷细砂,形成砂球;(c)火焰状泄水构造(镜头盖直径
约5.5 cm);(d)柱状泄水构造;(e)球—枕构造;(f)火焰构造和重荷模构造;(g)液化泥脉
Fig.2 Typical soft-sediment deformation structures(a)hydroplastic deformation;(b)convolute bedding,silty clay is convoluted to sandy ball;(c)flame water-escape structures(Lens cap is about 5.5 cm in diameter);(d)columnar water-escape structures;(e)ball-and-pillow structure;(f)flame structure and load cast;(g)liquefied mud vein
支撑的砂层易于液化,在很小的切应力作用下产生流动,带动下伏的泥砂纹层发生塑性变形,形成轴面倒向流动方向的液化卷曲变形构造。厚层均匀砂层在液化时有更大的流动空间,可以带动厚度更大的纹层状互层产生变形。卷曲变形可向下传递,在有砂层覆盖的纹层状泥砂互层中发生塑性变形,随着变形能量的消退,卷曲构造的振幅渐小直至消失。
2.2 泄水构造
泄水构造是因砂层被限制在低渗透率的岩层中,在液化和流化作用下,水和流动的颗粒向上移动,切割、变形上覆的低渗透率沉积层而形成(Owen,1987)。
砂泥层呈火焰状上涌到中—细砂层中,前端发育不规则条带状的泄水脉和流化角砾坨(图2c)。当地层发生液化时,伴随孔隙水的泄出,液化层上涌、底辟使原始的沉积层理被破坏,泥质层破碎形成角砾,并与液化砂层混合形成流化角砾,侵入上部砂层中形成流化角砾坨。砂泥层呈柱状上涌到中细砂层中,相邻的泄水构造在剖面上呈串珠状分布,泄水构造的下方地层中伴随有小型的同生断层发育(图2d)。
研究区内的泄水构造在不同剖面的同一地层中呈大范围的串珠状分布,显示其为地震成因。
2.3 负荷构造
负荷构造是一种最常见的软沉积物变形构造,是上下相邻的存在一定密度差的软沉积物在振动和重力作用下,发生坠入或挤入而形成的塑性变形构造。负荷构造与重力不稳定性相关(Owen,1987,2003; Moretti,1999),变形发生在液化后或者沉积物内剪应力迅速减小后。Owen(2003)根据软沉积物变形的形态将其细分为:重荷模、假结核、火焰构造、球枕构造等。液化发生时,重力调整瞬时使密度大的沉积物下沉,轻的沉积物上升。砂层呈枕状或球状坠入泥层,就形成球—枕构造(图2e)。上覆的密度大的砂质沉积物下沉到下伏的密度小的泥质沉积物中形成重荷模构造,泥层挤入砂层形成火焰构造(图2f)。图3为球—枕构造形成示意图。
2.4 液化泥脉
在砂质为主的地层中出现各种不规则的泥脉,呈肠状等(图2g),是沙土液化的识别标志之一。液化泥脉是在液化作用发生后,沙与水浑然一体,
图3 球—枕构造形成示意图(乔秀夫,李海兵,2008)①负荷构造; ②球—枕体; ③下沉至岩层中部、下部及底部的球—枕体
Fig.3 Sketch map of Ball-and-pillow structure(Qiao,Li,2008)①load structure; ②ball-and-pillow structure; ③ball-and-pillow structure sinked to the bottom of the stratum
产生悬液,使砂层变动松散,泥质沉积物穿插、挤入或被流动的砂牵引形成。
2.5 阶梯状微断层和同生断层
阶梯状微断裂,也叫韵律断层,是振动液化过程中在层内形成的规模较小的阶梯状正断层。阶梯状微断裂是由地震动和重力联合作用形成的同沉积小断层,在振动液化完全停止之后,处于松散状态的沉积物重新压实使体积变小,导致沉积物表面差异性下沉而形成的(乔秀夫等,2006; 杜远生等,2007)。图4a的阶梯状微断裂发育在薄层砂层与砂质泥层的互层中,倾角较陡,呈上盘下降的正断层,断距小于1 cm,在数十厘米范围内消失,未进入下伏地层。
同生断层是地震过程中岩层受到挤压、扭曲或拉伸等力的作用而发生断裂、错动,形成大量形态较规则的断裂。图4b为在砂质粘土层中发育的穿切数层岩层的一组逆断层,线密度达1根/m,断距一般数厘米至十余厘米,基本无充填,未见向上覆和下伏地层穿越,在横向上形成震裂层。同生断层多分布在较密实或有一定固结的地层中,是一种脆性破裂,多出现在震积岩的下部(Neuwerth et al,2006)。地层随埋深增加,颗粒间的粘结度加大而水分递减,在地震动作用下上部可产生软沉积物变形,下部受勒夫面波的影响产生裂缝或断裂(宋天锐,1988)。
2.6 崩塌褶曲
崩塌褶曲常发育在纹层或薄层砂、泥互层的层段,局部发育的轴面陡立或平卧的大型褶曲构
图4 软沉积物变形构造(a)阶梯状微断层;(b)同生断层;(c)崩滑塌褶曲
Fig.4 Soft-sediment deformation structures(a)fault-graded;(b)synsedimentary fault; (c)large scale collapse-and-slump fold
造在近水平的地层剖面中显得异常突匹。这类褶曲形成于邻近基岩陡坡带不稳定的背景下,是崩滑塌碎屑流对堰塞湖地层扰动的结果。
图4c中崩滑塌褶曲构造层厚约2 m,夹于上、下未变形层中,显示其为事件型同沉积变形。崩滑塌褶曲构造层由崩滑塌物和褶皱变形湖积层构成,之间为不整合接触面。崩塌物由大小混杂、无分选、磨圆度差的碎石组成,碎石粒径最大可达1 m,小的仅为数厘米,排列无定向性,局部可见湖相砂泥质包裹碎石或充填于碎石空隙间,并保留有原始的沉积层理。崩滑塌物的前方和下方发育有大型纹层褶曲,形态为紧密同斜状、平卧状,褶曲轴面倾向崩塌物。在滑塌褶曲的周边地区,发育有众多的液化卷曲构造、泄水构造等地震特有的变形构造,因此该滑塌变形层极有可能为地震所引起。
崩滑塌构造依据崩滑塌体势能大小以及软沉积层的厚度等的不同,可形成规模差异很大的褶曲变形。在四川理县古堰塞湖沉积区,崩滑塌体前缘形成高约30 m的巨型褶曲构造。
