发现北京西山15亿年前的古地震记录

地震是地球内部积累的应力突然释放并产生巨大能量的过程。现代地震及其触发的滑坡、泥石流和海啸等通常会给人类带来巨大的灾害,例如2008年5月12日的汶川大地震和1976年7月28日的唐山大地震,给中国造成的巨大损失至今怵目惊心。

人类历史中有关的地震记录不过几千年而已。用仪器记录地震的历史则更短,不到200年。(国际公认的第一台科学意义上的地震仪是1855年由意大利科学家卢伊吉·帕尔米里(L.Palmieri,1807~1896)发明的,不是我国的张衡发明的地动仪)。因此,人类记录地震历史之前的地震发生规律只能通过古地震的方法进行恢复。

对某一地区进行地震预测(或进行地震区划)必须清楚这一地区的地震发生规律。大地震的复发周期通常上千年或更长,凭人类的历史记录或仪器记录研究该地区的地震发生规律是不可能的。因而对一个地区地质记录(岩石)中的古地震的研究可以弥补历史记录的不足,为研究某一地区的地震活动规律提供资料。例如,从古地震的强度、发震时间间隔可以初步判断这一地区的地震活动趋势,如地震活动增加还是减弱、地震复发周期多长等。

强地震发生时,地下深处含水的沙层强烈液化,强液化的沙层沿一定的通道向地表垂直流动,并在地表堆积,在相当多的情况下,地下深处沙层液化喷射至地表面后呈圆丘状,称之为“液化溢出丘”。图1为汶川地震后形成的4个代表性液化溢出丘。

图1 汶川地震形成的不同阶段的液化溢出丘(供图/李海兵)。这些丘“长”在农民的田地中,不久之后即被农民铲平了。

如果液化的砂土喷出地表形成锥状体,一般称为“沙火山”或“泥火山”(Sand/Mud Volcano)。注意,这种沙火山与岩浆形成的火山只是形态上相似,成因上与“火”没有任何关系。有些形态不规则的液化产物,英文称为Sand-Boil(即地震时的“翻沙冒水”现象及产物,有人翻译成“沙涌”、“沙沸”),例如,2011年2月,新西兰Christchurch地区发生了一次6.3级地震,形成了大量的液化奇观,请参见维基百科中的有关描述。图2即是这次地震形成的Sand Boil。

图2 新西兰Christchurch地震后形成的砂土液化现象。一场暴雨,这些现象就会荡然无存!

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。在剖面上类似针状体(图3)。

图3.中元古代雾迷山组(~15亿年前)中发现的古地震遗迹——液化脉。仔细看看:它是否在用力向上顶?周围的岩石都有向上被拖动的痕迹。

地震时,还会形成其他特殊的现象,例如,在已经弱固结的岩层中形成微型的断裂或褶皱。地质学家将地震成因的具有特殊构造的岩石称为震积岩或地震岩(Seismite)。

图1中的液化溢出丘和图2中的Sand-Boil在自然状态下极难保存,原因有二:

1.地震时,地下沙层液化流动溢出至地表,地震之后,液化作用停止,地下沙层体积收缩,在地表整个溢出沙丘的重压下,诱发溢出至地面的物质沿原有喷射溢出通道向地下贯入,地表沙丘地形消失而代之呈线状排列的坑状地形及填充的混杂堆积,称之为draw-in现象。

2.呈正地形的溢出沙丘很容易被外力作用剥蚀而被削平。在现代地震形成的溢出沙丘尚难以长时间保存,在古老地层中这种溢出沙丘更难以保存。迄今为止,溢出丘只发现于第四纪的地层中。300万年前的地层中从没有发现这种记录!

目前,年代最老的沙火山只发现于爱尔兰西部的晚石炭世地层中(3.2亿~3亿年,Gilland Kuenen, 1958)和东印度的早二叠世地层中(3亿~2.7亿年,VanLoon & Maulik,2011),再没有更古老和更多的记录。

北京西山雾迷山组中的古地震记录

从门头沟雁翅镇政府(付家台村)至珍珠湖景区的Y606公路沿线,是永定河中游深切作用最为强烈的地段之一,山高谷深,景色秀美。在Y606公路5公里处(现在的门头沟区九合山庄附近)有一段沿河床分布的雾迷山组地层被冲洗得异常干净。2011年6月,我们在这里发现了多种经典的地质现象,特别是在多层岩石中发现了可能为地震成因的岩石,在一段17米的地层剖面中,一共发现了30 余个古地震事件,进一步说明当时存在不只一次古地震。有关这些发现的中文文章《北京永定河谷中元古界雾迷山组软沉积物变形与古地震发生频率》(pdf下载)刊登在《古地理学报》上,修正更新之后的英文文章刊登于2012年第1期《古地理学报(英文版)》上(现在又发现这两篇文章中有些现象解释有误,有些没有解释透彻,适时我们会做一个修订)。

之后,又在相邻的九合山庄内惊奇地发现与识别出保存完好的8个液化溢出丘和1个沙火山(图4)。

图4 产在中元古界雾迷山组(距今约15.5亿~14.5亿年)白云岩中的液化溢出丘和沙火山全景照片(其中,编号①–⑧为液化溢出丘;编号⑨为沙火山)。

这些溢出丘多呈圆形或不规则椭圆形,直径一般在3米左右,均产于同一层位,沿线状分布,在100m的范围内形态较完整的丘共识别出8个。其中1号丘形态最规则,也最具代表性(图5)。这个丘直径为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份。丘的中心有1–2厘米的下凹,且被黑色的硅质物质充填。

图5 北京西山门头沟发现的液化溢出丘。黑色箭头指示放射状裂纹

沙火山位于图4中编号9的地方。这是一个直径1.1米的类似火山锥形的构造,从火山锥的顶部到中心最低点的高差约0.3米,火山锥的主体成分为白云岩,锥中心点低凹处被暗色硅质层覆盖。锥体有3–5条放射状裂纹,并被黑色硅质物充填(图6)。

图6 北京西山门头沟发现的沙火山

经过仔细研究与比对,我们认为这些丘和沙火山与图1所示的汶川地震形成的丘在成因上是类似的,是在15.5亿~14.5亿年间一次特大的地震所形成。毫不夸张地说,这些发现,填补了国际古地震学领域的一项空白。

亲自到过现场考察的外国专家有加拿大科学家Paul Robinson、俄罗斯科学院柯拉科学中心(KOLA SCIENCE CENTRE)地质研究所所长Yuriy教授、荷兰沉积学家VanLoon教授,大家纷纷表示没有见过类似的现象,有关英文论文的写作与投稿过程中,几经周折,但所有审稿人无一例外,均未见过此类现象。最后,爱尔兰的Ian Somerville教授主动邀请在他主编的Geological Journal(《地质学杂志》)发表。在报道这一成果的过程中,还有许多有趣的故事,以后有机会再详述。

延伸阅读:
Large earthquake-triggered liquefaction mounds and a carbonate sand volcano in t.pdf
中国科学报魏刚的报道:15亿年前古地震遗迹寻踪 京西门头沟沙火山调查

相关知识:地层和古地震的发生时间是如何确定的

越古老的岩石,其形成年龄越不易精确确定。1995年以前,王松山等人采用同位素方法获得了雾迷山组的年龄为13.10亿~12.07亿年。2007年以来,高林志、苏文伯等人利用离子探针定年方法(SHRIMP)在雾迷山组的相邻层位获得了更精确的年龄数据,据此推算,雾迷山组的形成年龄介于 14.50亿至15.50亿年之间(图7)。本文中的古地震记录发现于雾迷山组的上部,因此推算古地震的年龄在14.5亿年前。

图7 雾迷山组产出位置及相邻层位的年龄。图中黑色箭头处的数据为实测年龄,绿色箭头处的数据为推测年龄,单位:百万年(Ma)。

图8 北京西山15亿年前古地震遗迹位置图(比例尺为近似值)

特别申明:不能因为我们这个发现而得出北京或门头沟地区多地震的结论,与现今人类社会相比,中元古代的地震遗迹实在太遥远太遥远了,15亿年前的古岩石圈板块“驮”载着后来沉积其上(或侵入其中)的岩石在地球上“旅行”了不知多少路程,经历了太多的地质事件。

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