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砂岩侵入体（sand injectites）是指地下未固结砂质沉积体被弱渗透性的沉积物所密封,在某些机制作用下形成孔隙超压,产生液化、流化、砂质再活动并侵入周围地层形成的一种特殊砂体[1]。砂岩侵入体又称作侵入砂岩、再活动砂岩、砂岩贯入体（injected sandstone,remobilized sandstone,sand injec⁃tites,sand injections）[2]。由于砂岩侵入体中也可以形成大量各种各样的变形构造,而且地震作用是砂岩侵入体最重要的一种触发机制,所以砂岩侵入体很容易与软沉积物变形构造（soft sediment deformation structures）和震积岩（seismite）这两个概念相混淆。
所谓软沉积物变形构造是指沉积物沉积之后、固结成岩之前处于软沉积物阶段时由于物理作用发生变形所形成的一系列构造[3⁃4]。软沉积物变形构造中变形的岩石类型丰富,可以是砂岩、泥岩以及碳酸盐岩等不同岩性[5]；变形构造样式包括重荷模与火焰构造、球—枕状构造、环形层理、液化卷曲变形构造、碟状构造与泄水构造、碎屑岩脉、多边形断层、包卷层理、底辟构造等多种类型[3,6]。故砂岩侵入体隶属于软沉积物变形构造,是由未固结的砂质沉积物发生的一类变形构造。而震积岩（seismite）概念刚提出的时候特指地震作用改造未固结的水下沉积物形成的再沉积层[7],也同样隶属于软沉积物变形构造。震积岩是地震触发机制下形成的一类软沉积物变形构造,软沉积物变形构造的触发机制还包括不均匀压实、快速充填、波浪、洪水等[8]。后期,震积岩中发生变形的地层还扩展到完全固结石化的硬岩层和松散沉积物（不含水）[3],常见于砂泥岩互层的地层[9],对地层的成岩程度没有限定,这样就超出了软沉积物变形构造的范畴。而砂岩侵入体和震积岩既有重叠的部分,也有不同之处。目前地震作用被普遍认为是砂岩侵入体最重要、最常见的触发机制,故地震触发的砂岩侵入体属于震积岩的范畴,而其他机制触发的砂岩侵入体与震积岩无关。
自20世纪90年代以来,陆续在北海油田（英国和挪威）发现了砂岩侵入体油气藏[10],并在北海、安哥拉海域、墨西哥湾、非洲西部大陆边缘等深水区取得了一系列成功勘探[11]。同时,露头、测井和岩心数据的综合应用增强了地质学家和石油学家对砂岩侵入体的认知度[12],高精度三维地震解释技术的发展也推动了砂岩侵入体的精细解剖[11,13]。砂岩侵入油气藏的提出改变了地质学家对常规油气藏的看法[14],从而掀起了砂岩侵入体的研究热潮。虽然国内尚未发现砂岩侵入油气藏,但是多个大型含油气盆地,如渤海湾盆地、珠江口盆地、准噶尔盆地、柴达木盆地、鄂尔多斯盆地、松辽盆地等都有关于砂岩侵入体的相关报道[15⁃19],但目前都是针对一些零散的砂岩变形构造的描述,缺乏对砂岩侵入体形成机理的分析。
然而,关于砂岩侵入的触发机制,学者们认为地震、波浪、潮汐、流体流动、岩浆作用、海啸、陨石、彗星或小行星撞击地球等外部因素以及重力滑动或滑动等内部因素都可以触发[19⁃20]。其中地震、波浪、流体流动和重力滑动较为常见,地震触发机制最为典型[21⁃23]。早期,国外一些学者开展了部分软沉积物变形构造的一些模拟,然而多数只是关注层状沉积物的流化行为[24⁃25]；Rodrigues et al.[26]通过驱使压缩空气穿过砂层、玻璃球和硅粉来模拟了北海地区的砂岩侵入体,但是需要对实验材料和边界条件进行调整,才能获得更准确的模型；Ross et al.[27]模拟了流体注入作用下砂岩喷出体的形成,却只关注了水驱流化作用下的差异压实产生的砂岩侵入和喷出,无法对比分析其他触发机制。截至目前,国内乔秀夫等[28]多年致力于软沉积物变形构造方面的研究,也开展了碳酸盐粉砂、灰泥的地震震动模拟实验,但关注对象并非砂岩侵入体。只有笔者所在团队近些年一直致力于不同机制下砂岩侵入体的沉积模拟,先后分别模拟了流体注入、重力滑动、波浪作用下的砂岩侵入体的形成过程,并对其形成机理进行了适当的分析[29⁃32]。由于尚缺乏地震触发机制下砂岩侵入体的形成机理的分析以及不同触发机制下砂岩侵入体的对比研究,本文设计研发了一套相关的实验装置,通过震动平台带动水槽中疏松砂体震动实现地震触发机制的模拟,探索了对地震触发下砂岩侵入体的形成过程的影响因素。深入分析其触发机制和形成机制,不仅可以丰富该领域的地质理论,还可以为地震与古地震的研究提供参考。
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通过对文献报道中大量砂岩侵入体实例的分析,总结了目前所发现的国内外30例地震触发的砂岩侵入体的基本特征（表1）。此类砂岩侵入体变形构造几何形态大小变化范围很大,长（宽）度在0.1 cm~15 km,高（厚）度在0.1 cm~77 m的范围内均有发现,大多数为厘米级[19,60]。同样,这类砂岩侵入体可以出现在不同地质年代地层中（早至奥陶纪,晚至全新世,甚至现代沉积物）,变形砂质可以来自不同的沉积环境（包括第四纪沉积、河流、湖泊、浅海、深海等环境,其中深海环境最为常见）,砂岩侵入体的岩性多以中砂质—细砂质为主（含少量砂砾）,侵入体的宿主岩性（围岩）以泥质或土壤层居多,少量见砂质。同时,还对近现代全球14次比较著名的强震特征进行了统计（表2）。这些地震震级基本都是7级以上的强震—大震,地震持续时间长短也各不相同,较长可达100~140 s,多数在50 s以内。以上数据都为本次模拟实验中实验参数的设计提供了参考依据。
表 1 地震触发的砂岩侵入体统计表
序号 位置 时代 沉积环境 岩性（侵入体/围岩） 砂岩侵入（出）体构造类型 资料来源 1 中国吉林松原 第四纪 浅层沉积 砂岩/泥岩 砂火山、砂岩床、负载构造、火焰状构造、变形层理 邵珠福等[23] 2 中国山西云冈石窟 侏罗纪 河湖 砂岩/砂岩、泥岩 砂岩柱 苏德辰等[33] 3 意大利Modena 全新世 河流 砂岩/泥岩 砂火山 Capaccioni et al.[34] 4 中国东海西湖凹陷 古近纪 湖泊 砂岩/泥岩 砂岩脉、砂岩柱、泄水构造（碟柱状构造）、液化卷曲变形构造、重荷模、火焰状构造、球—枕状构造 黄苓渝等[35] 5 美国科罗拉多 Front山脉 新元古代 浅海 砂砾岩/花岗岩 砂岩脉 Siddoway et al.[36] 6 美国犹他州 Kodachrome盆地 中侏罗世 浅海 砂砾岩/砂岩 砂岩柱、砂岩床 Ross et al.[37] 7 中国北京 晚元古代 浅海 砂岩/碳酸盐岩 砂火山、砂岩脉 Su et al.[38] 8 挪威Maloy斜坡带 晚白垩世 深海 浊积水道砂/泥岩 砂岩脉 Jackson et al.[39] 9 英国陆架斜坡 Balder油田 始新纪 深海 重力流砂/泥岩、 凝灰岩 砂岩脉、砂岩床 Briedis et al.[40] 10 美国得克萨斯州 马拉松盆地 石炭纪 深海 海底扇砂/泥岩 砂岩脉、砂岩床、砂岩柱 Diggs[41] 11 玻利维亚Cienega和Vitichi 奥陶纪 浅海 临滨砂/砂岩、泥岩 砂岩脉、侵出体 Hildebrandt et al.[8] 12 智利Magallanes盆地 白垩纪 深海 砾岩、砂岩/泥页岩 砂岩脉 Hubbard et al.[42] 13 美国科罗拉多高原 早—中侏罗世 沙漠 砂岩/砂岩 砂岩柱 Wheatley et al.[43] 14 中国山东诸城 白垩纪 湖泊 砂砾岩、粉砂岩/粉砂质泥岩 负载、球—枕状构造、挤入构造、液化卷曲构造、 液化脉构造、同沉积断层 He et al.[44] 15 英国陆架边缘 Faroe-Shetland盆地 中新世 深海 砂岩/泥岩 砂岩柱 Shoulders et al.[45] 16 哥伦比亚Cauca山谷 更新世—全新世 河湖 砂岩、含砾砂岩/泥岩 砂岩脉、砂岩床 Neuwerth et al.[46] 17 英国陆架斜坡南 Viking地堑 早始新世 深海 砂岩/泥岩 砂岩脉 Jonk et al.[47] 18 美国犹他州东南部 始新世 深海 砂岩/粉砂岩 砂岩柱 Huuse et al.[48] 19 英国陆架斜坡 Alba油田 晚始新世 深海 河道砂/泥岩 砂岩脉、砂岩床 Duranti et al.[49] 20 丹麦东格陵兰 Jamesonland 晚侏罗世 深海 丘状砂/泥岩 砂岩脉、砂岩床 Surlyk et al.[50] 21 意大利南部 布林迪西 晚更新世 沙漠 砂岩/砂岩 砂岩脉 Moretti[51] 22 日本卡拉苏河区 全新世 浅层沉积 砂岩、砾岩/土壤层 侵出体、回填 Takahama et al.[52] 23 美国加利福尼亚Santa Cruz 晚中新世 深海 砂岩/泥岩 无规则状 Thompson et al.[53] 24 美国南卡罗来纳州查尔斯顿 全新世 浅海 沙坝砂/泥岩 砂岩脉、砂火山 Obermeier[54] 25 英国大陆边缘 Bruce-Beryl 古新世 浅海 海底扇砂/泥岩 砂岩脉 Dixon et al.[10] 26 中国新疆东昆仑 现代 河流 砂岩/砂岩 负载、球—枕状构造 乔秀夫等[55] 27 德国波罗的海 晚更新世 深海 砂岩/粉砂岩、黏土 席状坍塌、横卧褶皱、负载、球—枕状构造、火焰构造 Hoffmann et al.[56] 28 中国川西杂谷脑河 晚更新世 湖泊 砂岩/砂质黏土 火焰构造、卷曲构造、负载、球—枕构造、环状构造、 微断层、液化泥块、落石沉陷构造 王萍等[57] 29 中国岷江上游理县 晚更新世 湖泊 粉砂质黏土、细粉砂、粗粉砂互层 砂岩脉、火焰构造、球状—枕状构造、砂砾石、 微断层、滑动褶皱 Jiang et al.[58] 30 中国四川龙门山 晚三叠纪 深海 细砂岩/粉砂岩 负载、球—枕状构造、液化角砾、液化底劈、卷曲变形 乔秀夫等[59] 表 2 近现代强震资料统计
序号 发震时间 震中位置 震级 震源深度/km 地震时间（震源破裂过程持续时间）/s 1 1976年7月28日 中国河北唐山 M7.8 12 21~24.6 2 2008年5月12日 中国四川汶川 M8.0 14 120 3 2010年1月12日 海地太子港 M7.3 10 22 4 2010年2月27日 智利康塞普西翁 M8.8 55 99~125 5 2010年4月14日 中国青海玉树 M7.1 14 20~25 6 2011年3月11日 日本东北沿海 M9.0 20 140 7 2013年4月20日 中国四川芦山 M7.0 13 26 8 2014年3月10日 美国加利福尼亚州西北岸 M6.9 10.6 19 9 2016年3月2日 印尼苏门答腊岛海域 M7.8 10 35 10 2017年8月8日 中国四川省九寨沟 M7.0 20 15 11 2018年9月28日 印尼苏拉威西岛 M7.5 10 47 12 2019年5月26日 秘鲁北部 M7.8 100 70 13 2020年6月23日 墨西哥瓦哈卡州 M7.4 22 15 14 2021年7月29日 美国阿拉斯加 M8.2 10 120 -
本次研究自行研制了一套实验模拟装置,包括模拟机构、测量机构、变频控制器和实验桌。图1a为实验装置设计图,图1b为实际的实验装置照片。其中模拟机构包括水槽（为600 mm×600 mm×600 mm大小的圆柱体,水槽外壁上附有标尺,用来规定水槽内沉积物及水的高度）、进水管和进水阀、出水管和出水阀、沉积物（三层沉积物）、震动仪（电压380 V、功率250 W、平台面积为750 mm×750 mm,平台承重量为0~200 kg）；测量机构包括支架（竖杆、横杆）、水准器、指针和刻度盘（0°~45°）、伸缩杆、转动块、贴板。实验装置中支架及测量机构可用于模拟不同坡度地层条件下地震触发变形实验,本次实验重点介绍应用水平地层背景下的模拟过程。实验时保持水槽内装填物按设计方案水平放置（可使用测量机构验证水平）,缓慢加水至所需高度,静置至水槽中的沉积物全部沉淀下来,最后开启震动装置进行模拟实验。
图 1 （a）实验装置设计图；（b）装置照片
Figure 1. (a) Test device design; (b) photograph of device
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本次实验自然界和人工生产的砂和泥为原材料,采用一个简化的三层模型。共设计出5组17轮对比实验,分别考虑中间层沉积物粒度、上覆沉积物层厚、震动频率、震动时长和水深的影响开展地震触发下的砂岩侵入体变形构造模拟实验。具体参数设置（表3）：（1）沉积物粒度：中间层选取了细砂、中砂、砂砾三种类型（细砂粒径：0.25~0.1 mm、中砂粒径：0.5~0.25 mm、砂砾粒径：0.5~2 mm,部分颗粒粒径大于2 mm）。本次实验顶层和底层选取的是细—粉砂和泥（细—粉砂粒径：0.05~0.01 mm、泥粒径：0.005 mm以下）；（2）上覆地层厚度：上覆地层的厚度体现了中间层所承受的载荷的大小,选取3 cm、5 cm和7 cm进行对比实验；（3）震动频率：模拟不同震级下地震对砂岩侵入体变形构造的影响,设置不同的震动频率用以模拟不同强度的地震,设计了10 Hz（弱地震）、30 Hz（一般地震）和50 Hz（强震）三组对比实验；（4）震动时长：将本次模拟实验设置了30 s、60 s、90 s和120 s的不同的震动时间；（5）水深：模拟深水环境中不同深度条件下地震对砂岩侵入体形成的影响,分别设置水深10 cm、20 cm和30 cm。
表 3 实验参数表
实验轮次 实验分组 顶层 中间层 底层 水深/cm 震动频率/Hz 震动时间/s 厚度/cm 材料 厚度/cm 材料 厚度/cm 材料 Run1 第1组 5 泥 3 细砂 5 泥 30 50 90 Run2 5 泥 3 中砂 5 泥 30 50 90 Run3 5 细粉砂 3 中砂 5 细粉砂 30 50 90 Run4 5 细粉砂 3 砂砾 5 细粉砂 30 50 90 Run5 第2组 3 泥 2 中砂 5 泥 30 50 90 Run6 5 泥 2 中砂 5 泥 30 50 90 Run7 7 泥 3 中砂 5 泥 30 50 90 Run8 第3组 5 泥 3 中砂 5 泥 30 10 90 Run9 5 泥 3 中砂 5 泥 30 30 90 Run10 5 泥 3 中砂 5 泥 30 50 90 Run11 第4组 5 泥 3 中砂 5 泥 30 50 30 Run12 5 泥 3 中砂 5 泥 30 50 60 Run13 5 泥 3 中砂 5 泥 30 50 90 Run14 5 泥 3 中砂 5 泥 30 50 120 Run15 第5组 5 泥 3 中砂 5 泥 10 50 90 Run16 5 泥 3 中砂 5 泥 20 50 90 Run17 5 泥 3 中砂 5 泥 30 50 90 -
在模拟过程中,地震作用的模拟是最关键的技术。本文成功模拟了地震的发生、震动强度由强变弱以及余震的影响过程。频率是震动物体在单位时间内的震动次数,频率的单位为次/秒,即Hz。震动频率表示物体震动的快慢,与震动速度成正比。由于震动台的质量不变,故其产生的动能W=mv2,与速度的平方成正比,即与震动的频率的平方成正比。根据能量守恒,震动台产生的能量转化为沉积物的震动能量。通常我们用震级来反映沉积物遭受地震破坏的强度规模大小。所以,本次实验通过控制地震震动台的频率来反映地震震级的大小,频率越高,震级越大,反之亦然。逐渐减小地震台频率,震动台震动的幅度也随之减弱,代表地震的震级逐渐减弱；最后完全关闭震动台电源,在惯性作用下,震动台会继续震动一定的时间,但是强度逐渐减弱,直至最终完全静止,这一过程可以模拟对应的余震。
每轮实验的步骤大致相似,以其中一轮实验为例,具体实验模拟步骤如下。
（1） 实验前对所需的沉积物材料进行过水清洗,使所有沉积物饱含水,以便实验时各地层比较均匀。根据沉积模拟实验的参数要求将饱含水的沉积物均匀铺在水准器保持水平的水槽中。实验开始后,向地层中缓慢注水直至水深达到参数设计的深度后,静置10 min,待水槽中的沉积物尽量沉淀下来,水槽中的水基本恢复清澈（图2a）。
图 2 实验过程
Figure 2. Experimental process
（2） 上述程序完成后,开启变频控制器将震动仪的震动频率设置为预定参数,启动震动平台。刚开始,可以观察到水槽内中间层沉积物顶面上出现一定的隆起变形,但还没有出现明显的地层破裂或变形；紧接着上覆顶层受到地层异常压力的影响,地层出现裂隙,地层开始出现明显的砂岩液化现象（图2b）；随着震动的继续,砂岩液化现象更加明显,并且变形构造更加复杂多样（图2c）。模拟后期逐渐调整震动仪的频率,缓慢减小直至关闭,模拟地震由强震逐渐减弱的过程。直至震动仪关闭后,在惯性作用下,地层仍有微弱的震动,变形仍会持续一段时间,之后地层逐渐趋于稳定,变形过程结束。从外部可以看到部分砂体的侵入甚至喷出变形构造（图2d）。
（3） 实验结束后将水槽中的水全部抽干后,将水槽容器和饱含水分的沉积物进行晾晒处理,待饱含水分的沉积物固结形成半干沉积物；对水槽内沉积物按照垂直一条直径的方向进行切片处理,同时控制切片厚度,在实验现象丰富的地方进行密集切片（图3a）,无现象或者现象不明显的地方可以适当的增大切片间隔,水槽内沉积物按照（图3b）所示进行切片划分,黑色线为切片位置,红色线为圆形沉积物的一条直径。以其中一轮实验为例,震动结束后共进行了14次切片（图4）,切片位置为Y1=23 cm、Y2=25.5 cm、Y3=27 cm、Y4=29.5 cm、Y5=31 cm、Y6=33.5 cm、Y7=36 cm、Y8=39.5 cm、Y9=41.5 cm、Y10=44 cm、Y11=46.5 cm、Y12=49.5 cm、Y13=53 cm、Y14=55.5 cm。并将所得的一系列纵向切片按照切片的先后顺序进行拍照记录。
图 3 实验结束后顶面图和切片位置示意图
Figure 3. (a) Top view after experiment; (b) slice diagram
图 4 第4轮实验切片照片
Figure 4. Photographs of slices from Run4
（4） 整理水槽中沉积物残余,清理水槽。
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通过对实验过程观察,以及对实验结果进行切片分析,本次模拟实验中可以识别出地震触发下多种类型的砂岩侵入体,包括砂岩液化卷曲变形构造、砂岩透镜体、碟状构造、阶梯状微断层、重荷模、火焰状构造、液化砂岩脉、球枕状构造、砂火山等。本次实验中模拟出的砂岩侵入体变形构造与实际野外观察的砂岩侵入体具有很好的相似性。图5左侧（a~e）为Jiang et al.[58]在青藏高原东部理县湖相沉积地层中发现的因地震触发产生的砂岩变形构造,依次为砂岩脉、球枕状构造、火焰状构造、微断层、微褶皱构造。右侧（f~m）为本次模拟实验中观察到的变形构造。
图 5 砂岩侵入体变形构造在野外观察和模拟实验中的对比
Figure 5. Comparison of deformation structures of sand injectites in field observation and simulation experiments
图5f、图5g为本次模拟实验中观察到的液化砂岩脉,液化岩脉在剖面上多表现为不规则的蛇曲状或肠状,多数与层面垂直或斜交,少数沿水平方向顺层发育,侧向分叉现象较普遍,顶端多在围岩内尖灭或与上部岩层连通,岩脉两侧的围岩纹层具有较明显的向上拖曳变形构造；图5h、图5i为本次模拟的球枕状构造,砂质层断开并陷入至下伏泥质层中的一些呈紧密或稀疏排列的球状或枕状,是由于纵向上相邻沉积物存在较大的密度差,在地震产生的水平剪切震动下,密度相对较高的上覆粗粒沉积物受重力驱动发生局部沉陷,在下陷的过程中负载体逐渐脱离母岩层,最终以大小不等的球状或枕状体陷落至下伏细粒沉积物中形成的；本次实验也模拟出图5j火焰状构造和泄水构造,细粒层顶面发生局部沉陷,密度相对较高的砂质颗粒受重力驱动向下陷入到下伏细粒层中而形成,同时细粒沉积物呈火焰状补偿性地向上穿插到上覆砂质层中形成火焰构造。而孔隙水逃逸通道两边的纹层沿泄水方向弯曲形成一系列边缘向上翘起的不规则碟状上凹沉积纹层,称为泄水构造；图5k为实验中观察到的阶梯状断层,它们通常是高角度平面正断层,微断层断距为1~10 cm,主要是由于砂质颗粒在液化作用之后重新压实过程中差异下沉而形成；图5l、图5m为实验中观察到的微褶皱变形,在细粒物质含量偏高的地层中,液化卷曲变形构造进一步演化为微褶皱变形,液化的砂质颗粒在层间移动,同时拖动上覆细粒物质发生变形、移位,形成各种形态各异的卷曲、扭曲现象。
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实验成功地模拟了地震触发机制下砂岩侵入体形成过程。综合观察和对比17轮模拟实验可以发现,每轮实验过程基本上都会经历相似的几个阶段,但最终形成的砂岩侵入体的类型、形态、组合样式、规模受实验条件的影响略有差异。在地震作用下,砂质沉积物发生液化—流化的过程如图6所示。图6a为原地堆积的松散、未成岩的砂质颗粒,颗粒之间呈点—线接触,孔隙间充填地层水；图6b为地震诱发颗粒液化阶段,持续的循环剪切会导致孔隙水压力积累,可突然增加到静态围压,导致水和砂质颗粒产生较大应变和流动。沉积物的体积没有明显的变化,但固态砂质颗粒已经转变为黏性、液态状态（即液化）,颗粒间逐渐失去接触；图6c为砂质颗粒发生流化阶段,循环剪切波的持续向上传播,颗粒孔隙水压力超过上覆地层的破裂压力,随着地层流体压力的释放,液化颗粒随流体一并发生向上的运动,离开原始地层,原始砂质颗粒之间间距进一步扩大,部分颗粒运移到上覆低渗地层中；图6d为地震作用结束后,原地的砂质颗粒重新排列,颗粒变得更加密实,而部分砂质颗粒已经远离原始母体砂质,向周围地层发生侵入。
通过对实验过程进行分析,认为地震触发的砂岩侵入体的形成过程可分为三个阶段,即：震前阶段、震中阶段、震后阶段（图7）。（1）震前阶段：地层沉积或成岩初期,局部地层可能存在差异压实或地层饱含流体,引起砂质层与上覆低渗透层交界面上发生微弱的隆起变形或未变形；（2）震中阶段：此阶段是砂岩侵入体发生变形的主要阶段,产生各种变形构造。在此阶段中又可以细分为a、b、c三个阶段：首先是在地震的强烈作用下,由于地震循环剪切波的影响以及地震波波速存在差异,导致沉积物界面处孔隙间迅速产生超压,形成超压地层,部分砂质颗粒被液化（阶段a）；随后当孔隙压力达到一定界限时（超过上覆地层破裂压力）,此时上覆沉积地层出现裂缝,流体冲破上覆地层压力而发生泄水作用,超压孔隙水携带悬浮其中的液化砂质颗粒向上运动产生流化,与此同时上覆盖层破裂程度继续增强,液化的砂岩侵入顶（底）层沉积物中,产生大量的液化卷曲构造、火焰状构造、阶梯状断层等（阶段b）；最后阶段,地震强度逐渐减弱,顶层沉积物裂缝持续扩大,盖层持续破裂形成液化砂岩管道以及砂火山,相继在沉积物层中形成有球枕状构造、负荷构造等（阶段c）；（3）震后阶段：在余震作用下,变形构造逐渐趋于稳定。直至地震作用完全结束,管道内的砂质颗粒稳定形成各式管道,最终管道关闭,整体变形形态固定。
图 7 地震触发砂岩侵入体变形演化模式图
Figure 7. Deformation evolution model of sand injectites triggered by an earthquake
地震作用之所以成为最为常见、最为重要的一种触发机制,一方面是由于地震本身在地球历史中是一种频繁发生的地质作用,Obermeier[54]认为现今6级以上的地震就可以产生砂岩岩脉,这种强震在地质历史中非常常见；另一方面,地震作用还可以诱发或者强化一些其他地质作用,比如波浪、潮汐、海啸、重力滑动、火山喷发等,这些因素也被认为是砂岩侵入体的触发机制,但可能实际上真正的触发因素是地震,或者大量的砂岩侵入体是地震和这些地质作用共同作用的结果[7,61]。
通过对前期多种触发机制下砂岩侵入体的结果的初步分析,发现不同的触发机制,可能形成的砂质变形构造有所不同,波浪和重力滑动触发机制下,砂质变形构造多见以颗粒液化运动形成的液化卷曲构造、火焰状构造和液化砂岩脉等,而流体注入和地震触发机制下,砂质变形构造类型更为丰富,除了多种液化变形构造外,也可见多种以颗粒流化运动形成的高角度液化砂岩管道、重荷模、砂火山等变形。本次实验也存在一定的不足之处,目前只是完成了简化的三层模型的模拟,实验条件也相对简单,后期可以考虑模拟多层砂泥互层的地层模型,以更好地还原地震触发的野外地层中砂质或软沉积物的变形过程。后期还可参考乔秀夫等[28]对软沉积物变形构造的详细解剖,继续深入对比分析不同触发机制下,砂岩侵入体的形态、规模、类型上的差异,以及加强不同地震强度下,砂质变形构造异同的分析。
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（1） 设计和组建了一套地震触发机制下的砂岩侵入体变形实验装置,并利用设计的实验装置成功地模拟了砂岩侵入体的形成过程。随着地震整个过程的发生,层状地层中的砂岩发生一系列液化、流化变化,形成多种不同形态、不同样式的砂岩侵入体变形构造,包括砂岩岩墙、砂岩岩床、砂岩管道、火焰状构造、重荷模、球枕状构造、碟形构造、阶梯状微断层、砂火山等。
（2）通过对实验现象的观察和分析,建立了地震触发机制下砂岩侵入体变形构造的演化模式,即：震前、震中、震后三个阶段,震前阶段：局部地层存在异常地层压力,砂质层顶部发生微弱的变形；震中阶段：超压砂质侵入体周围地层发生破裂,液化砂体产生一系列的侵入和喷出活动,形成各种各样的砂岩侵入体变形构造；震后阶段：受余震影响,变形构造逐渐发生微弱变化,最终趋于稳定。
Experimental Study of Deformation Mechanisms of Earthquake-triggered Sand Injectites
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摘要: 砂岩侵入体形成的触发机制有差异压实、地震、流体注入、波浪、重力滑动等,但普遍认为地震是最常见的一种触发机制。目前对于地震触发的砂岩侵入体的变形机理研究还相对薄弱,通过建立一套模拟地震触发砂岩侵入体的实验装置,成功地模拟了地震发生不同阶段的砂质变化过程。基于实验结果观察、分析,将地震触发砂岩侵入体的形成过程分为三个演化阶段,即：（1）震前阶段,局部地层因差异压实或地层饱含流体,导致砂质地层微弱起伏变形或无变化；（2）震中阶段,由于地震循环剪切波的影响以及不同介质内地震波波速存在差异,地层异常压力迅速增大并突破上覆盖层破裂强度,产生裂缝,同时砂质发生液化、流化形成一系列的变形构造；（3）震后阶段,伴随余震的产生,液化砂质会继续进行小规模的迁移改动直到地震完全结束,砂岩侵入体整体形态固定。地震作用可以独立触发砂岩侵入,也可以诱发其他地质作用,共同控制砂岩侵入体的形成。Abstract: The mechanisms of the formation of sand injectites include differential compaction, earthquakes, fluid injection, waves and gravitational landslides, etc. Of these, earthquakes are generally considered to be the most common mechanism. At present, relatively few studies of the mechanism for earthquake-triggered sand injectites have been reported. The process at different earthquake stages was simulated in this study using a purpose- designed and built experimental device for simulating the production of earthquake-triggered sand injectites. Based on observation and analysis of the experimental results, three evolution stages in the formation process of earthquake-triggered sand injectites are identified. （1） Prior to an earthquake, local differential compaction or fluid-saturated strata may produce slight undulations of sandy strata, or there may be no change some cases. （2） The epicenter stage, in which different media transmit the seismic waves at different velocities and cause rapid rises in abnormal pressures within the formation, causing simultaneous fracturing and liquefaction of the sand if the rupture strength of the overlying layers is exceeded. （3） The post-earthquake stage in which, as well as continuing aftershocks, abnormal pressures are retained in the formation. Liquefied sand continues to deform and migrate until the earthquake activity ceases completely, and the final shape of the sand injectites is evident. Earthquakes may also cause sandstone intrusion and induce other geological processes, all of which may contribute to the formation of sand injectites.
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Key words:
- earthquake /
- sand injectites /
- physical simulation /
- formation mechanism
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图 1 （a）实验装置设计图；（b）装置照片
1.变频控制器；2.震动仪；3.装填物；4.进水管和进水阀；5.贴板；6.水准器；7.伸缩杆；8.指针和刻度盘；9.转动块；10.水槽；11.出水管和出水阀；12.支架；13.实验桌
Figure 1. (a) Test device design; (b) photograph of device
Fig.1
图 2 实验过程
（a）震动开始前地层无明显变形；（b）震动刚开始时地层中砂岩开始液化；（c）震动过程中由于砂岩液化使地层产生明显变形；（d）震动结束后地层中出现各种变形构造
Figure 2. Experimental process
Fig.2
图 3 实验结束后顶面图和切片位置示意图
（a）顶面图,可以看到中间层砂岩喷出上覆地层形成砂火山；（b）切片示意图,黑色线为切片位置
Figure 3. (a) Top view after experiment; (b) slice diagram
Fig.3
图 5 砂岩侵入体变形构造在野外观察和模拟实验中的对比
（a~e）为Jiang et al.[58]在青藏高原东部理县湖相沉积地层中发现的因地震触发产生的砂岩侵入体变形构造实例；（f~m）为本次模拟实验中观察到的现象
Figure 5. Comparison of deformation structures of sand injectites in field observation and simulation experiments
(a⁃e) examples of sand injectite deformation structures triggered by earthquakes (after reference [58]); (f⁃m) phenomena observed in the present experiment
图 7 地震触发砂岩侵入体变形演化模式图
Figure 7. Deformation evolution model of sand injectites triggered by an earthquake
Fig.7 表 1 地震触发的砂岩侵入体统计表
序号 位置 时代 沉积环境 岩性（侵入体/围岩） 砂岩侵入（出）体构造类型 资料来源 1 中国吉林松原 第四纪 浅层沉积 砂岩/泥岩 砂火山、砂岩床、负载构造、火焰状构造、变形层理 邵珠福等[23] 2 中国山西云冈石窟 侏罗纪 河湖 砂岩/砂岩、泥岩 砂岩柱 苏德辰等[33] 3 意大利Modena 全新世 河流 砂岩/泥岩 砂火山 Capaccioni et al.[34] 4 中国东海西湖凹陷 古近纪 湖泊 砂岩/泥岩 砂岩脉、砂岩柱、泄水构造（碟柱状构造）、液化卷曲变形构造、重荷模、火焰状构造、球—枕状构造 黄苓渝等[35] 5 美国科罗拉多 Front山脉 新元古代 浅海 砂砾岩/花岗岩 砂岩脉 Siddoway et al.[36] 6 美国犹他州 Kodachrome盆地 中侏罗世 浅海 砂砾岩/砂岩 砂岩柱、砂岩床 Ross et al.[37] 7 中国北京 晚元古代 浅海 砂岩/碳酸盐岩 砂火山、砂岩脉 Su et al.[38] 8 挪威Maloy斜坡带 晚白垩世 深海 浊积水道砂/泥岩 砂岩脉 Jackson et al.[39] 9 英国陆架斜坡 Balder油田 始新纪 深海 重力流砂/泥岩、 凝灰岩 砂岩脉、砂岩床 Briedis et al.[40] 10 美国得克萨斯州 马拉松盆地 石炭纪 深海 海底扇砂/泥岩 砂岩脉、砂岩床、砂岩柱 Diggs[41] 11 玻利维亚Cienega和Vitichi 奥陶纪 浅海 临滨砂/砂岩、泥岩 砂岩脉、侵出体 Hildebrandt et al.[8] 12 智利Magallanes盆地 白垩纪 深海 砾岩、砂岩/泥页岩 砂岩脉 Hubbard et al.[42] 13 美国科罗拉多高原 早—中侏罗世 沙漠 砂岩/砂岩 砂岩柱 Wheatley et al.[43] 14 中国山东诸城 白垩纪 湖泊 砂砾岩、粉砂岩/粉砂质泥岩 负载、球—枕状构造、挤入构造、液化卷曲构造、 液化脉构造、同沉积断层 He et al.[44] 15 英国陆架边缘 Faroe-Shetland盆地 中新世 深海 砂岩/泥岩 砂岩柱 Shoulders et al.[45] 16 哥伦比亚Cauca山谷 更新世—全新世 河湖 砂岩、含砾砂岩/泥岩 砂岩脉、砂岩床 Neuwerth et al.[46] 17 英国陆架斜坡南 Viking地堑 早始新世 深海 砂岩/泥岩 砂岩脉 Jonk et al.[47] 18 美国犹他州东南部 始新世 深海 砂岩/粉砂岩 砂岩柱 Huuse et al.[48] 19 英国陆架斜坡 Alba油田 晚始新世 深海 河道砂/泥岩 砂岩脉、砂岩床 Duranti et al.[49] 20 丹麦东格陵兰 Jamesonland 晚侏罗世 深海 丘状砂/泥岩 砂岩脉、砂岩床 Surlyk et al.[50] 21 意大利南部 布林迪西 晚更新世 沙漠 砂岩/砂岩 砂岩脉 Moretti[51] 22 日本卡拉苏河区 全新世 浅层沉积 砂岩、砾岩/土壤层 侵出体、回填 Takahama et al.[52] 23 美国加利福尼亚Santa Cruz 晚中新世 深海 砂岩/泥岩 无规则状 Thompson et al.[53] 24 美国南卡罗来纳州查尔斯顿 全新世 浅海 沙坝砂/泥岩 砂岩脉、砂火山 Obermeier[54] 25 英国大陆边缘 Bruce-Beryl 古新世 浅海 海底扇砂/泥岩 砂岩脉 Dixon et al.[10] 26 中国新疆东昆仑 现代 河流 砂岩/砂岩 负载、球—枕状构造 乔秀夫等[55] 27 德国波罗的海 晚更新世 深海 砂岩/粉砂岩、黏土 席状坍塌、横卧褶皱、负载、球—枕状构造、火焰构造 Hoffmann et al.[56] 28 中国川西杂谷脑河 晚更新世 湖泊 砂岩/砂质黏土 火焰构造、卷曲构造、负载、球—枕构造、环状构造、 微断层、液化泥块、落石沉陷构造 王萍等[57] 29 中国岷江上游理县 晚更新世 湖泊 粉砂质黏土、细粉砂、粗粉砂互层 砂岩脉、火焰构造、球状—枕状构造、砂砾石、 微断层、滑动褶皱 Jiang et al.[58] 30 中国四川龙门山 晚三叠纪 深海 细砂岩/粉砂岩 负载、球—枕状构造、液化角砾、液化底劈、卷曲变形 乔秀夫等[59] 
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表 2 近现代强震资料统计
序号 发震时间 震中位置 震级 震源深度/km 地震时间（震源破裂过程持续时间）/s 1 1976年7月28日 中国河北唐山 M7.8 12 21~24.6 2 2008年5月12日 中国四川汶川 M8.0 14 120 3 2010年1月12日 海地太子港 M7.3 10 22 4 2010年2月27日 智利康塞普西翁 M8.8 55 99~125 5 2010年4月14日 中国青海玉树 M7.1 14 20~25 6 2011年3月11日 日本东北沿海 M9.0 20 140 7 2013年4月20日 中国四川芦山 M7.0 13 26 8 2014年3月10日 美国加利福尼亚州西北岸 M6.9 10.6 19 9 2016年3月2日 印尼苏门答腊岛海域 M7.8 10 35 10 2017年8月8日 中国四川省九寨沟 M7.0 20 15 11 2018年9月28日 印尼苏拉威西岛 M7.5 10 47 12 2019年5月26日 秘鲁北部 M7.8 100 70 13 2020年6月23日 墨西哥瓦哈卡州 M7.4 22 15 14 2021年7月29日 美国阿拉斯加 M8.2 10 120
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表 3 实验参数表
实验轮次 实验分组 顶层 中间层 底层 水深/cm 震动频率/Hz 震动时间/s 厚度/cm 材料 厚度/cm 材料 厚度/cm 材料 Run1 第1组 5 泥 3 细砂 5 泥 30 50 90 Run2 5 泥 3 中砂 5 泥 30 50 90 Run3 5 细粉砂 3 中砂 5 细粉砂 30 50 90 Run4 5 细粉砂 3 砂砾 5 细粉砂 30 50 90 Run5 第2组 3 泥 2 中砂 5 泥 30 50 90 Run6 5 泥 2 中砂 5 泥 30 50 90 Run7 7 泥 3 中砂 5 泥 30 50 90 Run8 第3组 5 泥 3 中砂 5 泥 30 10 90 Run9 5 泥 3 中砂 5 泥 30 30 90 Run10 5 泥 3 中砂 5 泥 30 50 90 Run11 第4组 5 泥 3 中砂 5 泥 30 50 30 Run12 5 泥 3 中砂 5 泥 30 50 60 Run13 5 泥 3 中砂 5 泥 30 50 90 Run14 5 泥 3 中砂 5 泥 30 50 120 Run15 第5组 5 泥 3 中砂 5 泥 10 50 90 Run16 5 泥 3 中砂 5 泥 20 50 90 Run17 5 泥 3 中砂 5 泥 30 50 90
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