Seismites（地震巖）等術(shù)語(yǔ)的概念與名稱

1、Seismites地震巖等術(shù)語(yǔ)的概念與名稱摘要：seismites，按其字面意思理應(yīng)翻譯成地震巖，即與地震有成因聯(lián)系或受發(fā)震斷裂改造、變形的巖石。按發(fā)震時(shí)地質(zhì)材料的固結(jié)程度與力學(xué)性質(zhì)，地震巖可分為震積巖地震時(shí)尚未固結(jié)成巖的含水沙土層，即軟沉積物和脆性斷層巖地震時(shí)已經(jīng)固結(jié)成巖的沉積巖、巖漿巖和變質(zhì)巖。脆性斷層巖包括斷層角礫巖、碎裂巖、超碎裂巖、假熔巖和斷層泥等。發(fā)育由沙土液化形成的軟沉積物變形構(gòu)造的沉積巖，統(tǒng)稱為“沙土液化巖liquefactites，但是長(zhǎng)期以來(lái)一直被誤譯為seismites。大量的研究說(shuō)明，并不是所有的沙土液化和軟沉積物變形都是由地震造成的，也并不是所有地震都能導(dǎo)致沙土液化。

2、只有那些所在區(qū)域存在重要發(fā)震斷層、真正由地震引起的區(qū)域性的沙土液化造成的軟沉積物發(fā)育變形構(gòu)造的巖層才能稱之為震積巖seismicliquefactites。震積巖不應(yīng)再翻譯成seismites。零星出現(xiàn)的軟沉積物變形構(gòu)造與沙土液化構(gòu)造例如：砂涌丘缺乏以作為古地震的證據(jù)。關(guān)鍵詞：地震巖；沙土液化；震積巖；軟沉積物變形構(gòu)造；構(gòu)造巖；斷層巖中圖分類號(hào)：N04；H083；P5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8578.2021.06.006OnSeismites，LiquefactitesandFaultRocks/JIShaochengAbstract：Seismites

3、aretectonitesorfaultrocksthatweredeformedinabrittlemannerbyseismicfaultingintheEarthslithosphere.Theybroadlyincludeseismicliquefactitessoftsedimentssuchaswatersaturatedsandysoilsandbrittlefaultrockssuchasincohesivebreccia，cataclasite，ultracataclasite，pseudotachyllyteandfaultgougesolidstatesedimentar

4、y，igneousandmetamorphicrocks.Thesedimentaryrocksthatdevelopedliquefactioninducedsoftsedimentdeformationstructures，whichhavelongbeenerroneouslycalledseismitesintheliterature，shouldbenamedasliquefactites.Alargenumberofstudieshaveshownthatsoilliquefactionandsoftsedimentdeformationstructurescanbecausedn

5、otonlybyseismicshakingbutalsobyanyotherinstabilityeventsinvariousgeologicalsettingse.g.，waterwaves，tides，floods，icefloes，upwardescapeofwater，differentialstressinducedlateraldisplacement，landslides，andmudflow.Furthermore，notallearthquakescancauseliquefaction，dependingontheirmomentmagnitudes，thedistan

6、cesfromtheseismicfault，thethickness，watercontentandpropertiesofthesedimentse.g.，grainsizedistribution，porosity，andgrainsurfaceroughnessandtheverticaloverburdenstress.onlytheearthquakeinducedliquefactiondepositscanbecalledseismicliquefactites，whichshouldbemainlydistributedaboutaregionallyimportantsei

7、smicfaultassociatedwithbrittlefaultrockssuchasgouge，breccia，cataclasiteandpseudotachylyte.Asporadicoccurrenceofsmallscaledsoftsedimentdeformationstructuresandsandyliquefactionstructurese.g.，sandblowsarenotsufficientevidencetosupportthepresenceofpaleoearthquakes.Keywords：seismites；liquefaction；seismi

8、cliquefactite；softsedimentdeformationstructure；faultrocks收稿日期：2021-05-20修回日期：2021-11-01作者簡(jiǎn)介：嵇少丞1960，男，1987年獲法國(guó)蒙彼利埃大學(xué)博士學(xué)位，自1991年起任加拿大蒙特利爾工學(xué)院教授，主要從事構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、巖石流變學(xué)和物理性質(zhì)的教學(xué)與研究工作。通信方式：sjipolymtl.ca。一地震巖、構(gòu)造巖和斷層巖“seismites這一術(shù)語(yǔ)最初由德國(guó)學(xué)者賽拉赫Seilacher于1969年提出【1】，按其字面意思理應(yīng)翻譯成地震巖，即與地震有成因聯(lián)系或受發(fā)震斷裂改造、變形的巖石。如此這般，地震巖屬于構(gòu)造巖t

9、ectonite或斷層巖faultrock系列中與地震密切相關(guān)的一類特殊巖石。構(gòu)造巖與斷層巖是同義詞，兩者根本可以互換使用【2】。地震時(shí)已經(jīng)成巖的固態(tài)巖石火成巖、變質(zhì)巖與沉積巖和尚未成巖、富含水的軟沉積物具有非常不同的變形行為和差異極大的流動(dòng)強(qiáng)度。即使同為固體的巖石對(duì)構(gòu)造應(yīng)力與應(yīng)變的響應(yīng)不僅取決于巖性而且還取決于巖石所處的深度。隨著深度增加，圍壓與溫度相應(yīng)地增加，巖石由脆性、半脆性逐漸過(guò)渡到塑性。脆-韌性轉(zhuǎn)變帶的深度主要取決于巖性與地?zé)崽荻?。以石英和長(zhǎng)石為主控礦物的巖石的脆-韌性轉(zhuǎn)變溫度分別約為300和4503-4。假設(shè)某地區(qū)地?zé)崽荻葹?0/km，上述以石英和長(zhǎng)石為主控礦物的巖石的脆-韌性轉(zhuǎn)變

10、的深度那么分別為約15km和2223km。韌性變形域中的構(gòu)造巖屬于糜棱巖系表1，按重結(jié)晶的程度體積百分比可分為初糜棱巖90%。韌性變形域中巖石發(fā)生塑性蠕變，而不發(fā)生地震。位于脆-韌性轉(zhuǎn)變帶之上的脆性域中的斷層巖石具黏滑特性，即在兩次地震之間除了發(fā)生少量彈性變形之外，斷層鎖住不動(dòng)，只有當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力積累到脆性斷裂或摩擦強(qiáng)度之后才突然發(fā)生破裂、破碎與滑移，能量釋放引發(fā)地震，形成脆性構(gòu)造巖，屬于碎裂巖系表1。后者據(jù)碎裂程度可分為斷層角礫巖90%等。如果碎裂巖在其形成過(guò)程中因?yàn)槟Σ辽鸁岫l(fā)生局部熔融，而后再迅速冷卻形成含玻璃往往呈黑色的碎裂巖，那么叫?；瘞r或假熔巖pseudotachyllyte。淺表的斷

11、層巖，特別是那些被無(wú)數(shù)次地震研磨呈粉狀物碎粒比外表積大大增加，與地下水反應(yīng)，水化生成低溫黏土礦物例如：蛭石、蒙脫石、滑石、高嶺石、蛇紋石等，這類沒(méi)有完全固結(jié)的、超細(xì)晶粒的斷層物質(zhì)那么叫“斷層泥faultgouge。由上述黏土礦物組成的斷層泥的摩擦系數(shù)一般都比較低二沙土液化與軟沉積物變形地震特別是強(qiáng)震會(huì)造成發(fā)震斷裂通過(guò)的地區(qū)或附近區(qū)域發(fā)生強(qiáng)烈的地面震動(dòng)，導(dǎo)致松散軟沉積物的變形圖1。這類軟沉積物包括海底、河道與湖泊相的沉積物與流沙土等，它們空隙度大，內(nèi)含飽和水，具觸變性thixotropy。在靜態(tài)情況下，沙土中各個(gè)礦物顆粒是相互接觸的，顆粒間的流體壓力很低，缺乏以支離相鄰顆粒，影響顆粒接觸與應(yīng)力支

12、撐，固有一定的穩(wěn)定性。但在動(dòng)態(tài)情況下，例如地震波強(qiáng)烈晃動(dòng)下，顆粒間的流體壓力增加，能夠支離相鄰顆粒，降低其顆粒間的接觸與摩擦力，使得水飽和的松散沉積物瞬刻失去穩(wěn)定性，呈現(xiàn)出液態(tài)的物理性質(zhì)，這種地質(zhì)現(xiàn)象稱之為沙土液化liquefaction。沙土液化后發(fā)生流動(dòng)會(huì)形成一系列特殊的構(gòu)造，例如充填-膠結(jié)噴砂、砂質(zhì)或泥質(zhì)巖脈、層內(nèi)褶曲液化旋卷層等、擠斷層內(nèi)微斷層等7-14。發(fā)育上述構(gòu)造特征的巖石應(yīng)稱之為liquefactite沙土液化巖，即保存由沙土液化造成軟沉積物變形構(gòu)造的沉積巖。但是，觸發(fā)沙土液化的原因有很多，地震只是其中之一，而且并不是所有地震都能造成地表沙土液化，只有超過(guò)一定震級(jí)的強(qiáng)震才能有足夠

13、的能量在發(fā)震斷裂及其附近地區(qū)激發(fā)沙土液化圖1。另外，即使在發(fā)震斷裂帶所在區(qū)域，軟沉積物能否發(fā)生液化，還取決于軟沉積物自身的性質(zhì)，即含水量、顆粒形狀與粒徑的分布。只有當(dāng)沙土中的流體體積含量超過(guò)一定的臨界值30%40%之后，固體顆粒之間才能有效地被流體分開(kāi)，不再彼此接觸。流體一旦在三維空間中構(gòu)成雖然彎曲卻是連續(xù)的應(yīng)力支撐格架，砂-水兩組分復(fù)合體系的宏觀力學(xué)強(qiáng)度就會(huì)驟降，在重力或構(gòu)造振動(dòng)作用下，其行為就像流體一般，發(fā)生流動(dòng)。沙土液化涉及材料流變學(xué)的問(wèn)題，即強(qiáng)相支撐體系例如：多孔材料和固-液復(fù)合材料到弱相支撐體系例如：懸浮液流變行為轉(zhuǎn)變及其臨界條件等科學(xué)問(wèn)題。1905年愛(ài)因斯坦的博士論文?論分子大小的

14、測(cè)定?16發(fā)表于1906年，1911年他又糾正了文中一個(gè)小錯(cuò)誤就是研究理想懸浮液的黏度隨其中所含固體顆粒的體積含量Vs的變化規(guī)律，因其廣泛的實(shí)用性，該論文的引用率遠(yuǎn)超過(guò)愛(ài)因斯坦關(guān)于相對(duì)論、光電效應(yīng)以及質(zhì)量-能量相互轉(zhuǎn)化的論文。這篇文章也因此成為流變學(xué)的開(kāi)山之作。當(dāng)然，愛(ài)因斯坦在推導(dǎo)公式時(shí)為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)做了假設(shè)干假說(shuō)，例如：固體粒子為等大、外表光滑的、不可變形的剛性球體；固體和流體之間沒(méi)有密度差，也沒(méi)有摩擦力，流體為不可壓縮的牛頓流體，體系不受邊界的影響，等等。雖然實(shí)際懸浮液很難滿足上述理想條件，但是他推導(dǎo)出來(lái)的公式與許多稀釋?xiě)腋∫喝缣撬?、油漆、血液等的?shí)驗(yàn)材料根本吻合。在含高濃度、不規(guī)那么形狀固

15、體顆粒的懸浮液中，固體粒子相互碰撞與接觸，黏結(jié)成團(tuán)，局部流體填充到聚合團(tuán)內(nèi)的間隙中去，從而減小了系統(tǒng)中流體的有效體積分?jǐn)?shù)，亦即增加了固體粒子的有效體積分?jǐn)?shù)，其結(jié)果就是增加懸浮液的有效黏度或流動(dòng)強(qiáng)度。后來(lái)的科學(xué)家17-18發(fā)現(xiàn)應(yīng)該用Vs/Vm替代愛(ài)因斯坦1906年公式中的Vs，這里Vm是最大堆積密度。當(dāng)Vs到達(dá)或超過(guò)Vm時(shí)，固體顆粒相互連接形成應(yīng)力支撐格架，存在于顆粒間隙中的流體分量缺乏，不再能對(duì)粒間運(yùn)動(dòng)起潤(rùn)滑作用。此時(shí)，體系從流體行為轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)行為。閾值Vm取決于固體顆粒的形狀、粒徑分布、形狀優(yōu)選定向shapepreferredorientation以及剪切應(yīng)變量和剪切速率。在通常情況下，Vm

16、隨顆粒的長(zhǎng)/寬比增加而減少，有形狀優(yōu)選定向比沒(méi)有形狀優(yōu)選定向具有更小的Vm值。假設(shè)固體顆粒為等大球體，那么Vm和球徑無(wú)關(guān)，Vm=/180.74，此值對(duì)應(yīng)于開(kāi)普勒猜想中的等大球體的最大堆積密度19。通常0.74被看作是理論上不可逾越的最大值。這個(gè)開(kāi)普勒就是那個(gè)著名的天文學(xué)家開(kāi)普勒。文獻(xiàn)20-21的理論推導(dǎo)得出任意最緊密堆積密度為0.637。將等大剛球置入體積剛性容器的實(shí)驗(yàn)也證明任意緊密堆積的密度介于0.601和0.637之間。前人的理論分析和計(jì)算機(jī)模擬得出等大球體的任意緊密堆積密度約為0.64。由此可見(jiàn)，任意緊密堆積密度遠(yuǎn)小于立方面心或六方最緊密堆積密度。Vm的下限值應(yīng)該是0.55522，此值對(duì)

17、應(yīng)于等大球體的任意疏松堆積，小于此值就無(wú)法在三維空間堆積成形了。所以，等大球體懸浮體系液態(tài)行為向固態(tài)行為的轉(zhuǎn)變應(yīng)出現(xiàn)在Vs=0.555和Vs=0.64之間?；鹕絿姲l(fā)巖的研究說(shuō)明，自然界含非球狀礦物晶體巖漿的Vm一般約為0.60。此外，Vm隨剪切應(yīng)變量的增加而增加，這是因?yàn)榈V物晶體的形狀優(yōu)選定向程度隨剪切應(yīng)變量的增加而增強(qiáng)。前人的研究發(fā)現(xiàn)，Vm還取決于顆粒徑分布的范圍。小顆粒會(huì)填進(jìn)大顆粒間的空隙之中，從而騰出局部空間來(lái)。粒徑呈單峰分布的顆粒要比多峰分布的顆粒更易形成應(yīng)力支撐格架。在相同的條件下，粒徑呈多峰分布的體系的相對(duì)黏度比粒徑呈單峰分布的體系能小一個(gè)多數(shù)量級(jí)。強(qiáng)烈地震造成的地表振動(dòng)能夠使得沙

18、粒發(fā)生重新排列，細(xì)沙流進(jìn)粗砂之間的間隙，騰出更多的空間被擠出的水充填，出現(xiàn)冒水噴沙，在地表形成砂涌丘sandblow或sandboil。粗砂比例減少和細(xì)沙體積分?jǐn)?shù)增加使得沙土液化更容易發(fā)生23-24。動(dòng)態(tài)失穩(wěn)例如：發(fā)生地震時(shí)，有上覆壓力處于一定的埋藏深度比沒(méi)有上覆壓力地表的水飽和沙土層更容易發(fā)生沙土液化23-24，于是下層位流動(dòng)沙土侵入上覆層形成砂質(zhì)巖脈和層內(nèi)微斷層等變形構(gòu)造。此外，Vm值還隨顆砂粒外表糙度roughness增加而減小。大洋俯沖帶的巨震還會(huì)造成海嘯，到達(dá)淺海-濱海地帶能使海水驟然升高，例如1896年和1933年在日本本州的三陸外海發(fā)生的地震海嘯使得當(dāng)?shù)睾Ｆ矫嫔仙?024m，這樣

19、的巨浪威力很大。2021年12月26日發(fā)生在印尼蘇門(mén)答臘島西的矩震級(jí)到達(dá)9.1級(jí)的特大地震造成的海嘯可以把直徑23m的巖塊向大陸方向推移近900m25-27。這些巖塊在移動(dòng)過(guò)程中一路碾壓與推擠尚未固結(jié)的軟沉積物，最后與層序紊亂的泥沙相混雜，固結(jié)之后就成為“海嘯巖tsunamites。海嘯巖中的泥沙局部往往發(fā)育丘狀-洼狀層理14。雖然構(gòu)造地震能夠造成沙土液化，形成軟沉積物變形構(gòu)造softsedimentdeformationstructures，但并不是所有的軟沉積物變形構(gòu)造都是由地震造成的。能造成沙土液化和軟沉積物變形構(gòu)造的非地震成因很多8-12，例如：1大洪水28-29；2地形與斜坡造成的壓

20、力差導(dǎo)致的側(cè)向擠壓，造成軟沉積物褶皺與逆沖；3承壓層位的地下水穿越上覆沙土層后溢出，形成砂涌丘等；4大風(fēng)大浪大潮對(duì)水下軟沉積物的騷動(dòng)；5滑坡、塌方與泥石流；6隕石對(duì)湖底或海底的撞擊；7冰川活動(dòng)與淺水浮冰運(yùn)動(dòng)見(jiàn)圖2；8地下水壓致裂；9溫泉；10火山；11生物動(dòng)物與植物的活動(dòng)；等等。只有那些具有區(qū)域性、有固定層位、在所在區(qū)域發(fā)現(xiàn)重要地震斷層的軟沉積物變形才能被認(rèn)作是地質(zhì)誘發(fā)的震積巖。伴隨地震斷層的應(yīng)存有碎裂巖系或假熔巖等脆性變形巖石，后者的原巖一般為固態(tài)巖石，而非尚未固結(jié)的軟沉積物。正如馮增昭先生強(qiáng)調(diào)的，單憑個(gè)別零星分布的軟沉積物變形構(gòu)造與沙土液化構(gòu)造缺乏以作為古地震的證據(jù)30。三結(jié)論綜上所述，s

21、eismites按其字面意思理應(yīng)翻譯成地震巖，即與地震有著成因聯(lián)系的一類變形巖石。假設(shè)原巖為已經(jīng)成巖固化了的巖石巖漿巖、變質(zhì)巖和沉積巖，seismites那么對(duì)應(yīng)于地殼中脆性變形的構(gòu)造巖或斷層巖，包括斷層角礫巖、碎裂巖、超碎裂巖、玻化巖和斷層泥等。在發(fā)震斷裂及其附近地區(qū)尚未固結(jié)的淺表含水沉積物中，強(qiáng)震會(huì)觸發(fā)沙土液化，造成軟沉積物發(fā)生變形，這類成巖后保存地震成因的軟沉積物變形構(gòu)造的沉積巖稱之為震積巖，后者翻譯成英文應(yīng)該是seismicliquefactites。然而，并不是所有的沙土液化和軟沉積物變形都是由地震造成的。只有那些所在區(qū)域存在重要發(fā)震斷層、真正由地震引起的區(qū)域性的沙土液化造成軟沉積物

22、發(fā)育變形構(gòu)造的巖層才能稱之為震積巖。為了區(qū)別起見(jiàn)，可以把那些尚未確定與地震有著成因聯(lián)系的、但發(fā)育由沙土液化形成的軟沉積物變形構(gòu)造的沉積巖，稱為沙土液化巖liquefactites。換言之，震積巖屬于沙土液化巖，但并不是所有的沙土液化巖都是震積巖，任何零星分布的軟沉積物變形構(gòu)造與沙土液化構(gòu)造例如：砂涌丘缺乏以作為古地震的證據(jù)。所以，地震巖seismites是包括震積巖地震時(shí)尚未固結(jié)成巖與脆性斷層巖地震時(shí)已經(jīng)固結(jié)成巖一類地震變形巖石的總稱。致謝：感謝?中國(guó)科技術(shù)語(yǔ)?編輯部邀請(qǐng)筆者對(duì)seismites發(fā)表意見(jiàn)，感謝馮增昭教授有益的討論。參考文獻(xiàn)【1】SeilacherA.Faultgradedbed

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