探寻15亿年前北京西山古地震

苏德辰

北京市门头沟区庄户洼村雾迷山组部分地层剖面（古地震遗迹）

上期我们讲了北京西山太子墓村和庄户洼村附近的叠层石，这期我们接着讲与庄户洼村叠层石共生在一起的古地震记录。

地震是地球内部结构失衡、应力突然释放并产生巨大能量的灾变事件。现代地震及其引发的滑坡、泥石流和海啸等通常会给人类带来巨大灾害。因此，研究地震的发生机制和规律、进行有效的地震预测或防范，以减少地震带来的生命和财产损失，一直是全人类的伟大梦想和努力方向。

为什么要研究古地震

对某一地区进行有效的地震预测或进行地震区划的前提是必须清楚这一地区地震的空间分布范围和时间上的活动趋势，如地震的强度变化规律、地震的复发时间间隔等。

与自然界数十亿年的演化史相比，人类有文字记录的历史只有几千年，借助现代地震仪记录地震的历史不到两百年。而一个地震活动区相邻两次大地震的间隔时间通常为数百至数千年，仅靠人类的历史记录或现代的仪器记录来研究某一地区的地震发生规律几乎是不可能的，这正是地震难以预测的主要原因之一。

隐藏在地下岩石中的古地震记录可以弥补人类历史记录的不足，可以提供特定地区地史时期古地震活动的长周期记录，也为恢复区域构造演化过程、确定古断裂发生时间与活动史提供背景支撑。此外，还可以利用地震事件沉积的突发性与分布的广泛性等特点进行区域地层对比。

砂土液化——地震的重要标志

在强烈地震发生时，剧烈的振动会使地下饱含水的砂土层迅速失去刚性和承载力，转换成与液体相近的状态，像泉水一样从地下喷出，出现大面积喷砂冒水的现象，严重者甚至造成水灾，这种现象称为砂土液化。通常，地震液化的范围远远大于地震造成的地表破裂范围。

新西兰地震时，地下砂土液化喷涌形成的砂火山。由于砂土液化喷涌，大部分砂火山呈线状分布，“火山口”直径约为20 厘米（

喷出地表的液化砂土如果堆积成丘状或火山口形态，便被称为液化溢出丘或砂火山。如果液化后的砂土没有喷出地表，则会形成具有向上流动痕迹的液化脉，液化脉在剖面上看类似针状体。2008年的汶川地震以及2011年的新西兰地震，就分别形成了形态极为完好的液化溢出丘和砂火山。

震积岩——古地震的产物

除了液化丘、砂火山和液化脉以外，地震时还会形成许多其他特殊的现象，例如在已经半固结的岩层中形成的卷曲变形、微型褶皱，在极细的泥质沉积物中形成触变变形构造等。

震积岩在固结成岩之前大多由很软的沉积物构成，且很难在地层记录中被保存，特别是由喷出地表的液化砂形成的溢出丘和砂火山，极易被外力破坏，所以在古老地层中类似的现象就更难以保存和发现。迄今为止，溢出丘只发现于300万年以内的第四纪的地层中。

幸运的是，我们在北京西山永定河谷旁距今15亿年的地层中发现了保存极为完整且体形较大的溢出丘和砂火山，以及分别向上、下层位侵入充填的液化脉等一系列与古地震有关的软沉积物变形构造，这些古地震遗迹与上期所讲述的庄户洼村的叠层石共生在一起。这些夹在正常沉积岩层中的特殊构造现象正是精彩的古地震遗迹！

精彩的古地震紀录

2011年，我们在庄户洼村旁100米的范围内发现识别出多个形态较完整的液化溢出丘和1个砂火山。这些液化溢出丘直径一般在2～3米左右，均产于同一层位，多呈圆形或不规则椭圆形，沿线状分布。而在这多个液化溢出丘中，1号丘（上图右）形态最规则，也最具代表性。丘的直径为2.8米，高0.3米，整体由白云岩构成。自中心向外，有6个同心环状和13条放射状裂纹，裂纹中充填了黑色的硅化成分。丘的中心有1～2厘米的下凹，且被黑色的硅质物质充填。

汶川地震时，地下砾石和粗砂喷出地表，已覆盖丘顶的1/2，个别砾石散落于丘的斜坡上，形成液化溢出丘（图片来源/ 李海兵）

液化溢出丘顶面破裂，地下液化砂层与砾石层出露（图片来源/ 李海兵）

这些液化溢出丘和砂火山均产于15亿年前形成的雾迷山组（以白云岩为主的碳酸盐岩层序），这是目前世界上发现的形态最完整、年代最古老的液化丘和砂火山，它们的分布形式和表面形态与2008年汶川大地震在河流阶地上形成的液化丘非常相似。

液化溢出丘和砂火山全景照片，包含砂火山（左上角拉线的图片）和多个液化溢出丘（右侧的石头）

另外，我们还在附近发现了等距排列且向上侵位的底辟构造。

一般来讲，白云岩的胶结速度很快，沉积后很快固结成岩，而硅质岩的胶结速度慢，往往在上、下层白云岩都固结之后，它们还处于塑性状态。因此，分别向上、下层位侵入充填的液化脉显示的都是黑色的硅质岩侵入到浅色的白云岩内部，而底辟构造也一样说明深色的硅质岩固结成岩比较晚，所以地震时或者遇到强烈的震动、压迫时才发生变形。除此以外，在庄户洼剖面，我们还观察到浅色的白云岩侵入深色硅质岩内部的场景。

庄户洼村附近发现的液化脉

分别向上、下层位侵位充填的液化（触变）脉

白云岩侵入深色硅质岩的现象十分罕见。首先，从硅质岩被侵入的特征形态上可以断定，是由于地震造成的，其形成过程与液化脉类似。但是，白云岩侵入现象是胶结速度快的白云岩侵入到胶结慢的硅质岩中，说明这种侵入作用是在沉积物刚刚沉积不久后发生的，白云岩还没有来得及胶结，仍然处于塑性状态下被地震挤入到硅质岩中。

这种现象具有十分特殊的意义。以前的教科书中多认为黑色的硅质岩是在岩石完全固结成岩之后，于后期的交代作用期间完成的。而本篇文章中所见到的现象证明，硅质岩与白云岩是同时沉积的，所以才会出现这种互相穿插侵入的现象。这些侵入虽然都是机械性的挤入，但与地层中的硅化木的形成完全不同。因此，通过研究庄户洼剖面的硅质岩与白云岩之间的这些现象，可以改变沉积学中对硅质岩成因的认识，而这又是研究古地震的另外收获。

现在，永定河庄户洼已经成为重要的科学和教育天然实验室，先后到这里进行考察、研究、教学或参观的各类人员已近千人，“纸上学来终觉浅，绝知此事要躬行”，希望大家能来到这个天然实验室，用自己的双手去感受地质的魅力！