地震是一种常见的灾变性地质事件, 而震积岩被看作是记录古地震信息的载体。1969年, Seilacher^[1]研究了美国加州海滩中新统具有递变断裂特征的蒙特里页岩, 发现了该种页岩是由地震活动改造未固结的水下沉积物所形成的再沉积地层, 并首次提出“ 震积岩” 的概念。国内对震积岩的研究始于20世纪80年代末^[2]。近20多年来, 我国学者对国内多个地区、不同时代的震积岩进行了广泛探索与研究, 成果颇丰, 其中较有代表性的成果有乔秀夫等^[3]在华北地台东部建立的碳酸盐岩震动液化地震序列; 梁定益等^{[4, 5]}以川西、滇西地区为例建立的震积不整合序列; 杜远生^[6]对震积岩的文献综述等。目前, 针对湘西北地区志留系震积岩的研究尚少。笔者在湖南湘西北保靖地区页岩气的勘探研究中, 发现下志留统小河坝组发育有大量特殊的变形构造^[7], 经分析研究, 认为具有震积岩的特征。这一发现对恢复研究区构造背景、地层对比与储层预测具有重要意义。

本文研究区为湘西北保靖地区, 其构造位置属中扬子准地台西缘湘鄂西隔槽式冲断褶皱带(图1)。中扬子区在经历了吕梁运动、四堡运动和晋宁运动后, 形成统一的变质基底^[8]; 之后, 沉积形成了巨厚的盖层。显生宙以来, 区内相继发生了加里东、海西, 印支、燕山和喜山等多期次构造运动, 其中以加里东期构造运动最为重要, 以NE向的褶皱变形和深大断裂为主。褶皱构造带的形成开始于四堡期, 定型于加里东期; 深大断裂则由保靖— 慈利断裂和张家界— 古丈— 吉首断裂所组成, 呈NE向展布^[9]。

图1

Fig.1

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	图1 湘黔地区区域地质简图[7]Fig.1 Sketch map of regional geology in Hunan and Guizhou[7]

研究区内志留系地层由下至上依次发育龙马溪组、新滩组、小河坝组、马脚冲组、溶溪组、吴家院组、回星哨组和小溪峪组。在整体上, 志留系地层以一套碎屑岩建造为主, 区内分布稳定。其中, 小河坝组顶、底分别与马脚冲组和新滩组整合接触, 厚度为285~512 m。小河坝组岩性组合下部主要发育灰白色中至厚层石英杂砂岩、薄至中层泥质粉砂岩和粉砂质泥岩; 上部主要发育深灰色薄层泥质粉砂岩和粉砂质泥岩夹少量薄层细砂岩。小河坝期, 湘西地区前陆盆地已形成并持续发展, 来自雪峰古陆的物源不断向盆地内沉积^[10], 沉积物大量、快速堆积, 受到地震作用容易引发软沉积物变形, 形成震积岩。

通过对研究区探井岩心观察, 在下志留统小河坝组发现了大量由古地震引起的沉积变形构造, 包括阶梯状微断层、串珠状构造、球-枕状构造、重荷模和火焰状构造、液化粉砂岩脉、液化卷曲变形构造、环状层理、假结核、震裂缝和角砾状构造等。

2.1 阶梯状微断层和串珠状构造

阶梯状断层是极为典型的震积岩特征, 在研究区小河坝组中主要为一系列的微型近平行排列的正断层组合, 在粉砂岩岩层内部发育, 不穿层, 其铅直断距一般为2~9 mm, 倾角多为50° ~60° 不等(图2(a))。整体上, 由下向上断距减小, 沿断面的拖拽构造逐渐发育, 局部形成似串珠状构造; 同时, 在部分粉砂岩底部岩层内还伴随有脆性裂解。

图2

Fig.2

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	图2 小河坝组震积岩特征Fig.2 Seismite characteristics of Xiaoheba Formation

通过对区内保参1井、保参2井和保参3井纵向震积岩特征的统计, 共识别出74层古地震层。其中, 保参1井9层、保参2井24层、保参3井41层(图3)。

图3

Fig.3

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	图3 小河坝组岩心震积岩特征素描图Fig.3 Sketch of seismite characteristics of Xiaoheba Formation in the well cores

乔秀夫等^[20]在震积岩的研究中提出了地震幕的概念, 将在厚度很小的地层中密集的震积岩层与正常沉积层一并作为一个地震幕, 地震幕间隔着较厚的沉积层。多个相邻的地震幕为一个地震活跃期。根据这个概念, 保参1井可分出3个地震幕, 保参2井可分出5个地震幕, 保参3井可分出3个地震幕。结合上述3口探井震积岩特征的横向对比可以看出, 大部分地震幕主要集中在小河坝组的2段地层(保参1井809~812 m和963~978 m, 保参2井587~593 m和672~708 m, 保参3井567~571 m和888~920 m)。因此, 小河坝期可分为2次古地震活跃期和3次平静期(图4)。

图4

Fig.4

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	图4 钻井岩心中小河坝组古地震记录Fig.4 Paleseimic records of Xiaoheba Formation in the well cores

前人^[21]研究认为, 震积液化作用的发生至少要满足有≥ 5级的地震发生。大规模的液化作用发生, 震级强度要达5.5~6级; 形成负载构造的液化作用发生, 震级强度在6.5级以上; 出现液化角砾的液化作用发生, 震级强度在7.5级以上^{[22, 23]}。本区3口探井中的小河坝组震积岩发育广泛, 且重荷模、火焰状构造等负载亦多处可见(图3), 部分层段出现液化角砾岩。因此可以推断, 小河坝期地震强度至少在6.5~7.5级。根据刘颖等^[24]所做的地震砂层液化变形与震级的关系图(图5), 结合小河坝期的地震强度, 可以判断本区距离震中距离为25~140 km。

图5

Fig.5

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	图5 震级与液化变形最大震中距的关系Fig.5 Relationship between earthquake intensity and maximum epicenter distance of liqufaction-induced deformation

袁照令等^[25]将保靖— 慈利断裂带由北到南分3段: 北段从张家界青天坪至慈利县城北缘, 中段从青天坪至保靖县, 南段从保靖县至石耶司(图1)。这3段的演化分别归属于加里东构造系(北段)、燕山构造系(中段)和喜山构造系(南段)。可以认为保靖— 慈利断裂带北段在加里东期是活动的。本区与保靖— 慈利断裂带北段距离为60~150 km, 因而可以初步判断震积岩的形成与保靖— 慈利断裂带的活动相关。

(1)湘西北保靖地区小河坝组震积岩具有阶梯状微断层、球-枕状构造及伴生构造、液化粉砂岩脉、液化卷曲变形构造、环状层理、假结核、震裂缝和角砾状构造等特征。

(2)小河坝组震积岩反映了志留纪早期古地震活动活跃, 且波及范围广泛。在小河坝期, 地震活动具有周期性, 有2个活跃期和3个平静期。

(3)小河坝组震积岩的形成与保靖— 慈利断裂带加里东期的活动有关。

(4)研究区正在进行页岩气的勘探工作, 小河坝组震积岩的发现, 反映了区内志留系的古地震活动, 而地震活动会使页岩储层产生大量裂缝, 这为页岩气的储集和运移提供了通道。深入研究区内包括小河坝组在内的志留系地层震积岩发育特征及空间展布规律, 对页岩储层预测具有重要意义。

目前, 对本区震积岩特征的发育与构造演化的关系研究尚显不足, 有待进一步深入。同时, 对震积岩在地层对比方面研究程度不够, 下一步可结合生物地层等研究成果深入探索地层对比的方法。