背景与问题

长久以来，从沉积学视角理解区域构造的研究均基于构造活动引起的山地剥蚀-盆地沉积效应，利用位于构造活跃区的盆地沉积序列的岩性、粒度与沉积速率的正向突变（增粗、增高），来指示区域新构造活动的增强（如李吉均等, 1979; Zheng et al., 2000）。然而，这种常规方法已经受到国内外研究者强有力的质疑——这些用来推断构造作用的沉积学证据也可由气候变化因素引起（如Molnar and England, 1990; Zhang et al., 2001）。因而，常规的岩性、粒度与沉积速率等指标皆为混合性指标。我们需要寻找某种独立于气候变化因素的沉积学证据来可靠地指示新构造活动。

研究目标

震积岩，指由地震震动引起的、保存于湖相或海相沉积序列中的事件沉积层，能可靠地指示区域新构造活动。沉积古地震学，通过研究震积岩，可延长强震记录，加深对区域构造活动的认识。作者以青藏高原东北缘的柴达木盆地为例，借助超长尺度的震积岩序列，来理解构造尺度上的区域新构造活动特性。

地质背景与材料

柴达木盆地的形成受到新生代印度‒亚欧板块碰撞的强烈影响。渐新世-第四纪期间，青藏高原持续向东北方向的生长，形成了一系列沿阿尔金断裂带分布的褶皱-逆冲断层（背斜），构成了柴达木盆地最显著的形貌特征（图1）。

图1 (a-b) 柴达木盆地位置与断层分布，（c）过碱山背斜和SG-1b钻孔的地震反射剖面（Lu et al., 2015, 2021）

柴达木古湖泊于渐新世开始出现于该盆地西部，存续至晚更新世。柴达木古湖泊沉积序列，连续地记录了由印度‒欧亚板块碰撞驱动的下伏逆冲断层的活动历史。详细的地震反射剖面显示，上述褶皱带中的碱山背斜与古湖泊底部渐新世发育的隐伏逆冲断层相关。2010-2011年，中‒德联合钻探项目在碱山背斜顶部钻取了723 m深的SG-1b孔（图1c，图2）。

图2 柴达木盆地西部碱山背斜SG-1b岩芯钻探（来源：张伟林、方小敏） 

本研究聚焦于岩芯上部260 m。详细的古地磁定年及基于Rb/Sr记录的轨道调谐将其年龄限定在3.6~1.6 Ma（图3）。

图3 柴达木盆地SG-1b岩芯0~260 m年代模型（Lu et al., 2021）

该沉积序列主要由含纹层泥岩、均质泥岩、含粉砂层泥岩、粗粉砂岩、含蒸发岩的泥岩及含泥蒸发岩等基本岩相组成（图4）。

图4 碱山背斜SG-1b岩芯基本岩相类型（Lu et al., 2020）

震积岩类型与相关沉积过程

作者从SG-1b深钻岩芯中识别出了多类震积岩。具体的岩芯特征和判别机制如下：

（一）原位软沉积变形（in situ soft sediment deformed layers）

纹层或薄层间的位移，是这类变形结构的主要特征；所有此类结构均出现于纹层或层状泥的岩芯段，并被纹层或层状泥上覆（图5a）。重力失稳，即瑞利‒泰勒不稳定性，是水下沉积环境中软沉积物变形最常见的驱动力之一。SG-1b岩芯中的软沉积物变形层位被层状泥或纹层上覆，且在所有粗粒沉积层（粗粉砂‒砂层）下方未发现有此类变形结构。而层状泥和纹层具有稳定的垂向密度结构，垂直密度差异小，因而不易发生由反向密度驱动的重力失稳过程。

图5 碱山背斜SG-1b岩芯震积岩类型（Lu et al., 2021）（图像长：宽=1：1；每个浅蓝色条带代表一次事件）。更多该岩芯震积岩照片，请详见Lu et al., 2021

软沉积变形的另一个常见驱动力是风暴浪/波浪。从SG-1b岩芯中识别出的34个软沉积变形层位，均与风暴沉积层和鲕粒沉积层无空间关联。因此，可以排除风暴浪/波浪作为驱动因素。此外，钻探施加的应力主要作用在岩芯柱的边缘，并不能触发纹层或薄层间的平行位移；也难以导致位于岩芯中心，且上、下均受未变形的纹层或薄层限定的变形结构。因而可以排除此因素作为驱动力。

这些变形层位的底部无明显的侵蚀基底，因而可以排除水下滑塌等其他重力流过程作为软沉积变形结构的主要触发因素；也因此，这些软沉积变形结构是原位形成、保存的。与死海原位软沉积变形结构类似，我们认为开尔文‒亥姆霍兹不稳定性是SG-1b岩芯保存的软沉积变形结构的合理驱动机制。因此，将此类变形结构作为古地震指示标志。

（二）微断层（micro-faults）

它们是高应变率引起的脆性变形的结果。这些微断层：1）可切穿密度更大的粗粒沉积薄层；2）在所有粗粉砂‒砂层的正下方未发现有发育；3）出现在垂直密度差异小、垂向密度结构稳定的纹层和层状泥岩中（图5b）。因而，不是重力作用的结果。此外，这些脆性结构并不局限于岩芯边缘部位，而常切穿岩芯中心部位，可排除钻探应力因素。

此前，同沉积微断层已在湖泊沉积物中被识别出来，它们的形成时间与器测或历史地震的发生时间相对应（如Avşar et al., 2016），因此被解释为震积岩。我们在SG-1b岩芯中观察到的微断层与这些已知的变形结构高度相似，因此也被认为是古地震的识别标志。

（三）水下滑塌沉积（slump deposits）

它们的显著特征是，含有碳酸盐岩或变形的沉积层（图5c）。在其底部，通常可以观察到显著的侵蚀面或层理滑脱面，从而将其与上述的原位软沉积物变形构造区分开。滑塌沉积包含的碳酸盐岩，使这些层位区别于上覆和下伏的纹层与层状泥，指示滑塌的浅水来源。此外，滑塌沉积不含粗砂，因而不支持碳酸盐岩源于遥远的湖岸。碳酸盐岩的最可能来源是碱山背斜顶部海拔较高的区域——那里水深较浅，利于碳酸盐岩的形成。

由于碱山背斜顶部缺乏陆源粗颗粒碎屑供应，沉积速率相对较低且坡度极缓（< 1°），使得沉积物过载（sediment overload；源于粗颗粒快速堆积）或重力滑动（需要较大的坡度）等非地震触发过程不太可能发生。在这样的环境中，最可能引发滑塌的因素是地震震动。

（四）滑脱构造面（detachment surfaces）

该类结构的特点是突变接触（图5d）。在此前的研究中，钻孔岩芯保存的滑脱构造面曾被用于指示区域构造变形（如Greene et al., 1994）和古地震活动（如Zhang et al., 2008）。由于SG-1b钻孔位于碱山背斜顶部，我们认为该类滑脱构造面是地震触发的、源于背斜顶部滑塌遗留的痕迹（head scarp）。

震积岩序列的构造意义

我们从SG-1b岩芯上部260 m（3.6~1.6 Ma）识别出34个原位软沉积变形层位，79层含微断层的沉积层，41个滑塌沉积层和10个滑脱构造面。据此建立了一个覆盖3.6~1.6 Ma的震积岩序列。

（一）古地震主要源区及震级限定

基于全球范围内器测与历史地震事件沉积响应研究案例的震积岩-震级-震中距图解，可知SG-1b岩芯记录的古地震事件的潜在源区有两个。分别是（1）近源的盆地内部逆冲褶皱体系（图6a左下角黄色区域；震中距≤60 km，震级为5-6.6）和（2）中-远源的阿尔金和昆仑一级断裂带（图6b右上角蓝色虚线所圈区域；震中距≥70 km，震级为6.7-7.5）。

图6 碱山背斜SG-1b岩芯记录的古地震事件主要源区与震级约束（Lu et al., 2021）

（a）基于全球器测与历史地震事件沉积响应研究案例的震积岩-震级-震中距图解。左下角黄色区域指示震中距≤ 60 km 的中等强度地震引起的震积岩响应。（b）SG-1b钻孔附近的逆冲断层-背斜分布

全新世探槽古地震记录揭示，距离碱山背斜最近的阿尔金断裂带的强震具有准周期性的复发模式，平均发震间隔为0.6-1.4 ka（Shao et al., 2018; Yuan et al., 2018）。此外，前人基于河流阶地的古地震学研究表明，距离碱山背斜最近的东昆仑断裂带西段8级地震的平均复现时间约为0.9 ka（Van Der Woerd et al., 2002）。如果SG-1b岩芯记录的古地震的主要来源是后者（中-远源），那么这些古地震事件的平均重现间隔必将远远小于0.6 ka。

然而，即使在SG-1b岩芯记录的5个古地震集合期间（事件频率最高），地震事件的重现间隔也≥4.0 ka，因而指示钻孔所在的碱山背斜及邻近的褶皱-逆冲断层体系是所记录的古地震的主要源区。这些褶皱、背斜发育在湖底浅层逆冲构造上，其轴向长度为20-50 km，理论上可孕育中等强度地震（Mw≥5）。

（二）对区域地震-构造活动的启示

柴达木盆地的形成，受控于盆地边缘的阿尔金与昆仑一级走滑断裂带。这些断裂带与盆地内部的逆冲褶皱系统吸纳了来自印度‒欧亚板块碰撞产生的构造应力。当盆地边缘一级走滑断裂带与盆地内部的逆冲褶皱体系以均匀的方式吸纳印度‒欧亚板块碰撞产生的构造应力时，在构造尺度上，发生于盆地内部逆冲褶皱体系的强震将具有准周期的复发模式。当上述体系以非均匀的方式吸纳印度‒欧亚板块碰撞应力时，发生于盆地内部逆冲褶皱体系的强震应具有集聚式（幕式）的复发模式。

SG-1b岩芯记录的震积岩序列在3.6~2.7 Ma 时段内相对较为连续，由发生于3.6~3.5 Ma, 3.4~3.2 Ma, 3.15~3.1 Ma, 3.0~2.9 Ma, 和2.8~2.75 Ma 的5个地震集合组成（图7）。 这种地震集聚模式表明，柴达木盆地内部的逆冲断层系统吸纳的构造应力随时间变化而不同，揭示了该地区具有幕式褶皱‒冲断变形特征。我们提出在地震聚集发生期间，区域形变主要集中于盆地内的褶皱‒逆冲断层体系；而在地震平静期，区域形变主要沿着阿尔金与昆仑走滑断裂带分布。这两种体系在地震聚集发生期及地震平静期可能吸收了相同量的由印度‒欧亚板块碰撞引起的远程构造载荷。

图7 柴达木盆地碱山背斜SG-1b岩芯记录的3.6~1.6 Ma期间的震积岩（红色圆点）序列，及其构造意义解析（Lu et al., 2021）

后记

通过将古地震事件、古地震复发模式与构造尺度区域形变相联系，为理解区域变形提供了一个新视角；并将传统的千年-万年尺度的古地震学研究，扩展至构造尺度上，拓展了利用古地震学理解区域变形的能力。与基于相同水下沉积序列建立的岩性、沉积速率等常规指标序列相比，震积岩序列能更精细地反映区域新构造活动随时间的演变过程，有助于更深入地认识区域新构造活动历史。

作者简介

卢银，同济大学百人计划研究员，博导（海洋地质国家重点实验室），从事震积岩与事件沉积研究。曾获欧洲地球科学联合会 “地层学-沉积学-古生物学” 领域 “青年科学家奖” (2022)。邮箱：yinlu@tongji.edu.cn

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