Seismites（地震岩）等术语的概念与名称

摘要：seismites，按其字面意思理应翻译成地震岩，即与地震有成因联系或受发震断裂改造、变形的岩石。按发震时地质材料的固结程度与力学性质，地震岩可分为震积岩（地震时尚未固结成岩的含水沙土层，即软沉积物）和脆性断层岩（地震时已经固结成岩的沉积岩、岩浆岩和变质岩）。脆性断层岩包括断层角砾岩、碎裂岩、超碎裂岩、假熔岩和断层泥等。发育由沙土液化形成的软沉积物变形构造的沉积岩，统称为“沙土液化岩”（liquefactites），但是长期以来一直被误译为seismites。大量的研究表明，并不是所有的沙土液化和软沉积物变形都是由地震造成的，也并不是所有地震都能导致沙土液化。只有那些所在区域存在重要发震断层、真正由地震引起的区域性的沙土液化造成的软沉积物发育变形构造的岩层才能称之为震积岩（seismic liquefactites）。震积岩不应再翻译成seismites。零星出现的软沉积物变形构造与沙土液化构造（例如：砂涌丘）不足以作为古地震的证据。

关键词： 地震岩； 沙土液化；震积岩；软沉积物变形构造；构造岩；断层岩

中图分类号：N04；H083；P5文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8578.2018.06.006

On Seismites， Liquefactites and Fault Rocks//JI Shaocheng

Abstract：Seismites are tectonites or fault rocks that were deformed in a brittle manner by seismic faulting in the Earths lithosphere. They broadly include seismic liquefactites （soft sediments such as watersaturated sandy soils） and brittle fault rocks such as incohesive breccia， cataclasite， ultracataclasite， pseudotachyllyte and fault gouge （solid state sedimentary， igneous and metamorphic rocks）. The sedimentary rocks that developed liquefactioninduced softsediment deformation structures， which have long been erroneously called ‘seismites in the literature， should be named as liquefactites. A large number of studies have shown that soil liquefaction and softsediment deformation structures can be caused not only by seismic shaking but also by any other instability events in various geological settings （e.g.， water waves， tides， floods， ice floes， upward escape of water， differential stressinduced lateral displacement， landslides， and mudflow）. Furthermore， not all earthquakes can cause liquefaction， depending on their moment magnitudes， the distances from the seismic fault， the thickness， water content and properties of the sediments （e.g.， grain size distribution， porosity， and grain surface roughness） and the vertical overburden stress. Only the earthquakeinduced liquefaction deposits can be called seismic liquefactites， which should be mainly distributed about a regionally important seismic fault associated with brittle fault rocks such as gouge， breccia， cataclasite and pseudotachylyte. A sporadic occurrence of small scaled softsediment deformation structures and sandy liquefaction structures （e.g.， sand blows） are not sufficient evidence to support the presence of paleoearthquakes.

Keywords： seismites； liquefaction； seismic liquefactite； soft sediment deformation structure； fault rocks

收稿日期：2018-05-20修回日期：2018-11-01

作者簡介：嵇少丞（1960—），男，1987年获法国蒙彼利埃大学博士学位，自1991年起任加拿大蒙特利尔工学院教授，主要从事构造地质学、岩石流变学和物理性质的教学与研究工作。通信方式： sji@polymtl.ca。

一地震岩、构造岩和断层岩

“seismites”这一术语最初由德国学者赛拉赫（Seilacher）于 1969年提出[1]， 按其字面意思理应翻译成地震岩，即与地震有成因联系或受发震断裂改造、变形的岩石。如此这般，地震岩属于构造岩（tectonite）或断层岩（fault rock）系列中与地震密切相关的一类特殊岩石。构造岩与断层岩是同义词，两者基本可以互换使用[2]。

地震时已经成岩的固态岩石（火成岩、变质岩与沉积岩）和尚未成岩、富含水的软沉积物具有非常不同的变形行为和差异极大的流动强度。即使同为固体的岩石对构造应力与应变的响应不仅取决于岩性而且还取决于岩石所处的深度。随着深度增加，围压与温度相应地增加，岩石由脆性、半脆性逐渐过渡到塑性。脆-韧性转变带的深度主要取决于岩性与地热梯度。以石英和长石为主控矿物的岩石的脆-韧性转变温度分别约为300℃和450℃[3-4]。若某地区地热梯度为20℃/km，上述以石英和长石为主控矿物的岩石的脆-韧性转变的深度则分别为约15km和22～23km。韧性变形域中的构造岩属于糜棱岩系（表1），按重结晶的程度（体积百分比）可分为初糜棱岩（<50%）、糜棱岩（50%～90%）和超糜棱岩（>90%）。韧性变形域中岩石发生塑性蠕变，而不发生地震。位于脆-韧性转变带之上的脆性域中的断层岩石具黏滑特性，即在两次地震之间除了发生少量弹性变形之外，断层锁住不动，只有当构造应力积累到脆性断裂或摩擦强度之后才突然发生破裂、破碎与滑移，能量释放引发地震，形成脆性构造岩，属于碎裂岩系（表1）。后者据碎裂程度可分为断层角砾岩（<50%）、碎裂岩（50%～90%）、超碎裂岩（>90%）等。如果碎裂岩在其形成过程中因为摩擦生热而发生部分熔融，而后再迅速冷却形成含玻璃（往往呈黑色）的碎裂岩，则叫玻化岩或假熔岩（pseudotachyllyte）。浅表的断层岩，特别是那些被无数次地震研磨呈粉状物（碎粒比表面积大大增加），与地下水反应，水化生成低温黏土矿物（例如：蛭石、蒙脱石、滑石、高岭石、蛇纹石等），这类没有完全固结的、超细晶粒的断层物质则叫“断层泥”（fault gouge）。由上述黏土矿物组成的断层泥的摩擦系数一般都比较低（<0.3），构造变形以蠕滑而非黏滑为主。断层角砾岩、碎裂岩、超碎裂岩、玻化岩、断层泥统统都属于地震岩。必须指出，岩石破裂、裂纹扩张、碎块位移与旋转必然导致体积膨胀，吸空作用造成承压围岩中的流体快速涌进破裂带，流体压力骤然降低造成原先溶解于高压流体中的矿物质例如SiO2或CaCO3结晶成石英或方解石，把断层角砾胶结起来，从而降低断层岩的孔隙度与渗透率，待以百年或千年流体压力重新积累升高，复发新的地震[5-6]。上述过程循环往复。

二沙土液化与软沉积物变形

地震特别是强震会造成发震断裂通过的地区或附近区域发生强烈的地面震动，导致松散软沉积物的变形（图1）。这类软沉积物包括海底、河道与湖泊相的沉积物与流沙土等，它们空隙度大，内含饱和水，具触变性（thixotropy）。在静态情况下，沙土中各个矿物颗粒是相互接触的，颗粒间的流体压力很低，不足以支离相邻颗粒，影响颗粒接触与应力支撑，固有一定的稳定性。但在动态情况下，例如地震波强烈晃动下，颗粒间的流体压力增加，能够支离相邻颗粒，降低其颗粒间的接触与摩擦力，使得水饱和的松散沉积物瞬刻失去稳定性，呈现出液态的物理性质，这种地质现象称之为沙土液化（liquefaction）。沙土液化后发生流动会形成一系列特殊的构造，例如充填-胶结（喷砂、砂质或泥质岩脉）、层内褶曲（液化旋卷层等）、挤断（层内微断层等）[7-14]。發育上述构造特征的岩石应称之为liquefactite（沙土液化岩），即保留由沙土液化造成软沉积物变形构造的沉积岩。

但是，触发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，只有超过一定震级的强震才能有足够的能量在发震断裂及其附近地区激发沙土液化（图1）。另外，即使在发震断裂带所在区域，软沉积物能否发生液化，还取决于软沉积物自身的性质，即含水量、颗粒形状与粒径的分布。只有当沙土中的流体体积含量超过一定的临界值（30%～40%）之后，固体颗粒之间才能有效地被流体分开，不再彼此接触。流体一旦在三维空间中构成虽然弯曲却是连续的应力支撑格架，砂-水两组分复合体系的宏观力学强度就会骤降，在重力或构造振动作用下，其行为就像流体一般，发生流动。沙土液化涉及材料流变学的问题，即强相支撑体系（例如：多孔材料和固-液复合材料）到弱相支撑体系（例如：悬浮液）流变行为转变及其临界条件等科学问题。1905年爱因斯坦的博士论文——《论分子大小的测定》[16]（发表于1906年，1911年他又纠正了文中一个小错误）就是研究理想悬浮液的黏度随其中所含固体颗粒的体积含量（Vs）的变化规律，因其广泛的实用性，该论文的引用率远超过爱因斯坦关于相对论、光电效应以及质量-能量相互转化的论文。这篇文章也因此成为流变学的开山之作。当然，爱因斯坦在推导公式时为了简化起见做了若干假说，例如：固体粒子为等大、表面光滑的、不可变形的刚性球体；固体和流体之间没有密度差，也没有摩擦力，流体为不可压缩的牛顿流体，体系不受边界的影响，等等。虽然实际悬浮液很难满足上述理想条件，但是他推导出来的公式与许多稀释悬浮液如糖水、油漆、血液等的实验材料基本吻合。

在含高浓度、不规则形状固体颗粒的悬浮液中，固体粒子相互碰撞与接触，黏结成团，部分流体填充到聚合团内的间隙中去，从而减小了系统中流体的有效体积分数，亦即增加了固体粒子的有效体积分数，其结果就是增加悬浮液的有效黏度或流动强度。后来的科学家[17-18]发现应该用Vs/Vm替代爱因斯坦（1906年）公式中的Vs，这里Vm是最大堆积密度。当Vs达到或超过Vm时，固体颗粒相互连接形成应力支撑格架，存在于颗粒间隙中的流体分量不足，不再能对粒间运动起润滑作用。此时，体系从流体行为转变为固态行为。

阈值Vm取决于固体颗粒的形状、粒径分布、形状优选定向（shape preferred orientation）以及剪切应变量和剪切速率。在通常情况下，Vm随颗粒的长/宽比增加而减少，有形状优选定向比没有形状优选定向具有更小的Vm值。若固体颗粒为等大球体，则Vm和球径无关，Vm=π/18（0.74），此值对应于开普勒猜想中的等大球体的最大堆积密度[19]。通常0.74被看作是理论上不可逾越的最大值。这个开普勒就是那个著名的天文学家开普勒。文献[20-21]的理论推导得出任意最紧密堆积密度为0.637。将等大刚球置入已知体积刚性容器的实验也证明任意紧密堆积的密度介于0.601和0.637之间。前人的理论分析和计算机模拟得出等大球体的任意紧密堆积密度约为0.64。由此可见，任意紧密堆积密度远小于立方面心或六方最紧密堆积密度。Vm的下限值应该是0.555[22]，此值对应于等大球体的任意疏松堆积，小于此值就无法在三维空间堆积成形了。所以，等大球体悬浮体系液态行为向固态行为的转变应出现在Vs=0.555和Vs=0.64之间。火山喷发岩的研究表明，自然界含非球状矿物晶体岩浆的Vm一般约为0.60。此外，Vm随剪切应变量的增加而增加，这是因为矿物晶体的形状优选定向程度随剪切应变量的增加而增强。

前人的研究发现，Vm还取决于颗粒径分布的范围。小颗粒会填进大颗粒间的空隙之中，从而腾出部分空间来。粒径呈单峰分布的颗粒要比多峰分布的颗粒更易形成应力支撑格架。在相同的条件下，粒径呈多峰分布的体系的相对黏度比粒径呈单峰分布的体系能小一个多数量级。强烈地震造成的地表振动能够使得沙粒发生重新排列，细沙流进粗砂之间的间隙，腾出更多的空间被挤出的水充填，出现冒水喷沙，在地表形成砂涌丘（sand blow或sand boil）。粗砂比例减少和细沙体积分数增加使得沙土液化更容易发生[23-24]。动态失稳（例如：发生地震）时，有上覆压力（处于一定的埋藏深度）比没有上覆压力（地表）的水饱和沙土层更容易发生沙土液化[23-24]，于是下层位流动沙土侵入上覆层形成砂质岩脉和层内微断层等变形构造。此外，Vm值还随颗（砂）粒表面糙度（roughness）增加而减小。

大洋俯冲带的巨震还会造成海啸，到达浅海-滨海地带能使海水骤然升高，例如1896年和1933年在日本本州的三陆外海发生的地震海啸使得当地海平面上升20～24m，这样的巨浪威力很大。2004年12月26日发生在印尼苏门答腊岛西的矩震级达到9.1级的特大地震造成的海啸可以把直径2～3m的岩块向大陆方向推移近900m[25-27]。这些岩块在移动过程中一路碾压与推挤尚未固结的软沉积物，最后与层序紊乱的泥沙相混杂，固结之后就成为“海啸岩”（tsunamites）。海啸岩中的泥沙部分往往发育丘状-洼状层理[14]。

虽然构造地震能够造成沙土液化，形成软沉积物变形构造（softsediment deformation structures），但并不是所有的软沉积物变形构造都是由地震造成的。能造成沙土液化和软沉积物变形构造的非地震成因很多[8-12]，例如：（1）大洪水[28-29]；（2） 地形与斜坡造成的压力差导致的侧向挤压，造成软沉积物褶皱与逆冲；（3）承压层位的地下水穿越上覆沙土层后溢出，形成砂涌丘等；（4）大风大浪大潮对水下软沉积物的骚动；（5）滑坡、塌方与泥石流；（6）陨石对湖底或海底的撞击；（7）冰川活动与浅水浮冰运动（见图2）；（8）地下水压致裂；（9）温泉； （10）火山；（11）生物（动物与植物）的活动；等等。只有那些具有区域性、有固定层位、在所在区域发现重要地震斷层的软沉积物变形才能被认作是地质诱发的震积岩。伴随地震断层的应存有碎裂岩系或假熔岩等脆性变形岩石，后者的原岩一般为固态岩石，而非尚未固结的软沉积物。正如冯增昭先生强调的，单凭个别零星分布的软沉积物变形构造与沙土液化构造不足以作为古地震的证据[30]。

三 结 论

综上所述，seismites按其字面意思理应翻译成地震岩，即与地震有着成因联系的一类变形岩石。若原岩为已经成岩固化了的岩石（岩浆岩、变质岩和沉积岩），seismites则对应于地壳中脆性变形的构造岩或断层岩，包括断层角砾岩、碎裂岩、超碎裂岩、玻化岩和断层泥等。在发震断裂及其附近地区尚未固结的浅表含水沉积物中，强震会触发沙土液化，造成软沉积物发生变形，这类成岩后保留地震成因的软沉积物变形构造的沉积岩称之为震积岩，后者翻译成英文应该是seismic liquefactites。然而，并不是所有的沙土液化和软沉积物变形都是由地震造成的。只有那些所在区域存在重要发震断层、真正由地震引起的区域性的沙土液化造成软沉积物发育变形构造的岩层才能称之为震积岩。为了区别起见，可以把那些尚未确定与地震有着成因联系的、但发育由沙土液化形成的软沉积物变形构造的沉积岩，称为沙土液化岩（liquefactites）。换言之，震积岩属于沙土液化岩，但并不是所有的沙土液化岩都是震积岩，任何零星分布的软沉积物变形构造与沙土液化构造（例如：砂涌丘）不足以作为古地震的证据。所以，地震岩（seismites）是包括震积岩（地震时尚未固结成岩）与脆性断层岩（地震时已经固结成岩）一类地震变形岩石的总称。

致谢： 感谢《中国科技术语》编辑部邀请笔者对seismites发表意见，感谢冯增昭教授有益的讨论。

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