许世阳, 柴少峰, 尹光华, 王 平, 蒲小武

(1. 中国地震局兰州地震研究所 中国地震局黄土地震工程重点实验室, 甘肃 兰州 730000;2. 新疆维吾尔自治区地震局, 新疆 乌鲁木齐 830011; 3. 防灾科技学院, 河北 065201)

0 引言

目前,国内外相关研究主要集中在泥火山分布、成因与喷出物组分等方面[1-4]。泥火山活动伴随地下水、天然气及泥质碎屑物由地下向地表搬运,当泥浆喷涌剧烈,会在地表堆积成火山锥状,同时部分泥火山喷出气体成分含有甲烷,会发生自燃现象,泥火山因此作为一种特殊地貌逐渐被关注[5-8]。虽然多数泥火山活动强度弱,对周边自然环境影响较小,但是少数泥火山活动剧烈,喷涌出的泥浆移动速度快、体积大,会对周边环境及人员安全造成威胁,已成为重点关注地质灾害之一。如2006年5月印尼东爪哇区域爆发泥火山,泥浆喷涌剧烈,最大速率达到180 000 m3/d,约7.8 km2区域被泥火山喷出的泥浆所覆盖,泥浆厚约20 m,对4万人的生活及安全造成影响[11]。已经证实,泥火山活动受地震诱发,一般地震过后,泥火山往往会发生喷发现象。如2001年1月26日巴基斯坦南部的7.7级地震后,该区域发生了泥火山喷发[9-10]。泥火山活动过程中泥浆搬运地下沉积物在地表再次沉积,新沉积的黄土层物性参数可能发生改变,影响其抗震陷性能。沉积粒度组分中黏粒含量是影响黄土的震陷性的参数之一[11-12],当黏粒含量小于17%时,黏粒含量越小残余变形越大,越容易震陷,黄土的残余变形随黏粒含量的增加而减少,含黏粒黄土抗震陷性能随黏粒含量的增加而增加[13-15]。本文主要讨论泥火山活动对沉积碎屑物粒度组分的改造对泥火山发育区域场地震陷灾害之间的关联性。泥火山分布区多为厚层土状沉积层[16-17],受地下水及天然气的影响,土状固态沉积物粒度被改造,粒度组分改造前后对震陷特性造成影响。本文采集泥火山泥浆样品与发育区域背斜轴部地层样品,通过粒度分析确定改造前后粒度组分变化与场地抗震陷性关联性探讨,可作为泥火山泥浆沉积层场地震陷灾害判断依据之一。

1 泥火山的分布及基本特征

泥火山分布广泛,著名的泥火山有美国的黄石公园、伊朗的马克兰、罗马尼亚的布扎、阿塞拜疆的巴库及中国新疆北天山泥火山群等。在中国,在海底和陆地都发育泥火山。我国陆地与海底至少在有11处发现了200多座泥火山[9]。海底泥火山主要集中在南海台西南盆地,陆地发育最大的泥火山群则在新疆北天山区域内,分别集中在独山子、沙湾、艾其沟和白杨沟等区域(图1)。其中艾其沟泥火山群发育的泥火山为两座相距40.2 m且规模较大的椎体[图1(c)]。东侧的锥体高11.5 m,锥孔直径7.0 m,喷口直径4.3 m,凹坑中有大量泥浆,喷出的泥质沉积物为青灰色,表面漂浮黑色油渍,具有汽油味,仍处于活动状态,有气泡冒出,外围干枯的部分有泥裂[图1(a)]。西侧的锥体高8.4 m,上锥孔直径5.7 m,喷口直径1.4 m,喷口周围泥质已干枯固结,中心泥质含一定水分[图1(b)]。我国陆地已发现的泥火山除新疆北天山区域外,还在青藏高原羌塘盆地内、台湾岛的台南与高雄处发现泥火山活动[9]。

图1 研究区泥火山分布范围及取样位置示意图Fig.1 Distribution of mud volcanoes and sampling location in the study area

2 样品的采集与测试

共采集2处泥火山喷出的泥质沉积物样品进行粒度分析。其中样品A1为已停止活动的固结泥质碎屑,样品A2为泥火山活动中喷涌出的泥浆。同时选取泥火山群临近区域出露的地层,采集9个连续地层沉积物样品进行粒度测试,目的是通过两类样品粒度参数的对比,探讨泥火山活动对原地层沉积物粒度组分的改造作用。

使用Mastersizer 2000型激光粒度分析测试仪进行粒度分析,测试由中国地质大学粒度分析实验室完成。激光测试结果的粒度分布曲线如图2所示。由于泥火山喷发过程中伴随油气,泥质喷出物含有大量的有机质胶结物,地层沉积物样品也含有一定量有机质与碳酸盐等胶结物,这类胶结物对于粒度实验具有很大的影响,样品前处理可以去除这些胶结物,使颗粒得到有效的分离,保证实验数据的有效性。实验粒度仪的测量范围为0.02～2 000 μm,在测量区间共可获得100个粒级的百分含量数据,并给出每一粒级的百分含量,同时可提供粒度分布曲线和累积曲线[16]。

图2 泥火山样品与地层样品悬浮液粒度分析图Fig.2 Particle size distribution of suspension in mud volcano samples and stratum samples

3 泥火山及地层沉积物粒度分析

激光粒度分析的主要参数分别有中值(Md)、均值(Mz)、标准偏差(σφ)、偏度(SK1)和峰度(KG)。其中,Md是累计曲线上碎屑含量50%处对应的粒径,它在粒度上居于沉积物的中央,有一半重量的颗粒大于它,另有一半小于它;Mz表示粒度分布的集中趋势,反映搬用介质的平均动能;σφ代表了碎屑的分选性,分选性的好坏可以作为沉积类型判别标志之一。总体而言,沉积环境由风成砂丘-海(湖)滩砂-河道砂-冰川和冲积扇沉积,其分选程度依次变差;SK1用来判断粒度分布的对称程度,表示非正态粒度分布下的偏斜程度,当SK1=0时表示峰两侧粗细粒径的百分比含量互相对应地减少,形成以峰为对称轴的对称曲线;SK1>0时表示正偏,峰偏向粗粒度一侧,细粒一侧有一低的尾部;SK1<0时表示负偏,峰偏向细粒度一侧,粗粒一侧有一低的尾部。偏度正负大小与多种因素有关,它主要受沉积物属性控制,既与沉积环境类型密切相关,又与环境能量是否对应平衡有关。如负偏表示因搬运介质动力强,细粒沉积物在该地沉积少而亏损;正偏表示因搬运运动力弱,粗粒物质不足。KG用来衡量粒度频率曲线尖锐程度,通常沉积物是多种来源的混合物,如果两个粒度分布总体大致均等混合时粒度频率曲线成鞍状宽峰,如果单一粒度占绝对优势时,曲线呈尖峰分布;峰态表示粒度频率曲线单峰、双峰或者多峰等特征。图2可以直观的反映峰态与峰度参数特征。一般认为,沉积物的平均粒径和标准偏差主要受物源控制;最后沉积环境对原来沉积的改造,主要表现在某些原有组分的丢失或新组分的加入,即主要反映在频率曲线上粗、细尾部的变化,而尾部极微弱的变化,即尾部粒级含量的微弱增减,都会引起峰态和偏度的明显改变[16]。样品的激光粒度分析测试参数结果如表1所列。

表1 地层样品粒度参数统计

经过粒度分析,泥火山泥质沉积物粒度主要为0.2～100 μm,以温德华粒级分类,组分粒级分别为黏土粒、粉砂粒、极细砂粒、细砂粒与中砂粒。A1与A2样品组分中各个粒级含量相似,组分中以粉砂为主,粉砂粒占56%,黏土含量占44%,如图3所示。粒度参数显示:样品分选性差;偏度相似,以近对称为主;峰态相似,以中等为主;粒度分布曲线以单峰正态分布曲线为主。地层泥质沉积物粒度主要为0.2～80 μm,较粗部分为80～150 μm,组分粒级分别为黏土、粉砂、极细砂。组分中各个粒级含量相似,以黏土与粉砂为主,黏土含量占17%～55%,粉砂含量占45%～74%,部分组分中含有极细砂,含量占10%～13%,如图3。粒度参数显示:样品分选性差;偏度以近对称为主,部分为正偏;峰态以中等为主,部分为平坦;粒度分布曲线以单峰正态分布曲线为主,部分为单峰或双峰正偏曲线。

图3 样品粒级百分含量Fig.3 Percentage of the sample grain size

通过粒度分析对比发现,两者组分以粉砂粒与黏土粒为主,多数样品粉砂含量超过50%。粒度参数显示,两者分选较好,且粒度分布曲线都以单峰正态分布曲线为主。整体来看泥浆样品组分中黏土含量相对地层样品较少。将泥火山活动的改造作用主要为泥浆的搬运、混合、沉积过程当中粒度组分改变与颗粒胶结物溶解。改造强弱受泥浆水动力条件、搬运距离与原沉积物粒度组分影响,改造过程具有差异性,但多数样品基本保持地层组分,改造程度低,整体显示为黏土减少,颗粒变粗的趋势,说明泥浆搬运距离较短,来源深度较浅,混合与分选改造程度低。

4 泥火山活动对沉积物组分改造及对其震陷性影响

泥质碎屑的孔隙率与胶结物是影响震陷的重要因素[13-14,19]。浅层泥质沉积物通过泥火山活动搬运至地表,在这一过程中不同粒度组分发生混合、分选,最后在地表沉积,泥浆持续堆积形成椎状地貌体。新疆已发现的泥火山泥锥高度不一,艾其沟泥锥高度达8～10 m。艾其沟泥火山泥质沉积物粒度组分中以粉粒为主,占56%左右,黏粒含量约为44%,粒度分布以偏众数,正偏态。黄土地层样品粒度组分以粉粒为主,占60%～70%左右,但黏粒含量差异较大,与每一层地层的沉积环境差异有关,其中黏粒含量在15%～20%之间,极细粒含量占10%,与典型天山黄土粒度组分相似[17-18],个别地层中黏粒含量在43%～55%之间与艾其沟泥火山泥质沉积物粒度组分相似。

根据含黏粒黄土中黏粒含量对黄土动力学稳定性相关性研究发现[13],含黏粒黄土的抗震陷性能随黏粒含量的增加而增加,黏粒含量越小残余变形越大,越容易震陷,抗震陷性能最低点在黏粒含量16%～17%之间,如图4所示。对比泥火山沉积物与地层沉积物中黏粒含量发现,前者黏粒含量均值为44%,后者为36.5%,这与泥火山活动改造作用主要以黏土组分减少,颗粒变粗的趋势有关,二者都具有较高的抗震陷性能,但地层沉积物个别层内含黏粒量在17%,处于抗震性较地点,具有震陷危险。因此泥火山活动对沉积物的改造将粉质黄土逐渐向黏质黄土过渡,而黏质黄土的稳定性较高,从而提高了沉积物的抗震陷性能。

图4 含黏粒黄土残余强度与黏粒含量关系Fig.4 Relationship between clay content and residualstrength of clayey loess

黄土沉积过程中孔隙水使沉积物在原始孔隙中发生物理化学沉淀作用,沉淀的矿物能将疏松的沉积物黏结并使之固结成岩。易溶盐是胶结作用的重要组成部分,在含水量较低时,易溶盐处于微晶状态,附于颗粒表面,起胶结作用。研究证明含水量是影响土体内聚力最重要的因素之一,土体内聚力随含水量与土体黏粒含量比值的增大呈减小趋势。通常泥火山发育区域为构造背斜核部,断裂发育,泥火山活动中泥浆流沿断裂向地表运动,受泥浆流的浸水作用,颗粒之间的黏力降低。艾其沟泥火山仍然持续活动,锥体中心泥浆含有大量水分,中心至椎体外侧泥质碎屑物含水率逐渐降低。整个椎体内含水率中心高,周缘低,使椎体中心形成震陷的易发生带。

5 结论

(1) 艾其沟泥火山泥质沉积物粒度组分中以粉粒为主,占56%左右,黏粒含量约为44%,粒度分布以偏众数,正偏态;黄土地层样品粒度组分以粉粒为主,占60%～70%左右,但黏粒含量差异较大,其中黏粒含量在15%～20%之间,极细粒含量占10%,与典型天山黄土粒度组分相似,个别地层中黏粒含量在43%～55%之间与艾其沟泥火山泥质沉积物粒度组分相似。

(2) 泥火山活动对泥质碎屑沉积物溶解、搬运与沉积后以黏土组分减少,颗粒变粗的趋势,将粉质黄土逐渐向黏质黄土过渡,而黏质黄土的稳定性较高,从而提高沉积物的抗震陷性能。黄土抗震陷性受多因素影响,定量分析泥火山活动对场地的震陷灾害的影响还需要进一步研究。