揭秘億萬年前的古地震

最新 07-13

作者：蘇德辰

視頻來源：騰訊視頻《城市科學家：蘇德辰-北展演講》

附：蘇德辰2013年文章《北京西山15億年前古地震記錄發現記》——科學網博客

地震是地球內部結構失衡、應力突然釋放併產生巨大能量的災變事件。現代地震及其觸發的滑坡、泥石流和海嘯等通常會給人類帶來巨大災害，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，給中國造成的巨大損失至今怵目驚心。

地球形成於46億年前，剛剛形成的地球是沒有地震的。至少在30億年前，地球的岩石圈開始形成，有了岩石圈，就有了岩石圈板塊之間的相互碰撞擠壓，也就有了地震。

為什麼要研究古地震

人類有文字的歷史不過數千年，人類歷史中有關的地震記錄不過幾千年而已。世界上公認的用儀器記錄地震的歷史則更短，不到200年。（國際公認的第一台真正意義上的地震儀是1855年由義大利科學家盧伊吉·帕爾米里發明的，不是我國的張衡發明的地動儀。此句文字正確與否？求地震界的朋友解答）。因此，人類歷史記錄之前的地震發生規律只能通過古地震的方法進行恢復。

對某一地區進行地震預測（或進行地震區劃）必須清楚這一地區的地震發生規律。大地震的複發周期通常上千年或更長，憑人類的歷史記錄或儀器記錄研究某一地區的地震發生規律是根本不可能的。因而對一個地區地質記錄（岩石）中的古地震的研究可以彌補歷史記錄的不足，為研究某一地區的地震活動規律提供背景資料。例如，從古地震的強度、發震時間間隔可以初步判斷這一地區的地震活動趨勢（增加還是減弱、複發周期多長等等），為這一地區的地震區劃提供科學依據（李坪等，1982）。對於美國等文字歷史極短的國家或地區，地震區劃只能根據古地震的研究結果。地震區劃是一項長期和循序漸進、不斷完美中的工作，區劃圖總會有這樣或那樣的問題，並不奇怪。

沙土液化——地震的重要標誌

強地震發生時，地殼的震動可使地下深處含水的沙層強烈液化，強液化的沙層沿一定的通道向地表垂直流動，並在地表堆積，在相當多的情況下，地下深處沙層液化噴射至地表面後呈圓丘狀，稱之為「液化溢出丘」。圖1為汶川地震後形成的4個代表性液化溢出丘（李海兵提供）。

圖1 汶川地震形成的不同階段的液化溢出丘（李海兵提供）

這些丘「長」在農民的田地中，不久之後即被農民剷平了。

如果液化的沙土噴出地表形成錐狀體，一般稱為「沙火山」或「泥火山」（Sand/Mud Volcano）。注意，這種沙火山與岩漿形成的火山只是形態上相似，成因上與「火」沒有半毛錢關係。有些形態不規則的液化產物，英文稱為Sand-Boil（就是地震時的「翻沙冒水」現象及產物，有人翻譯成「沙涌」、「沙沸」），例如，2011年2月，紐西蘭Christchurch地區發生了一次6.3級地震，形成了大量的液化奇觀，請參見維基百科中的有關描述。圖2即是這次地震形成的Sand Boil。

圖2 紐西蘭Christchurch地震後形成的沙土液化現象

一場暴雨，這些現象就會蕩然無存！

如果液化後的沙土沒有噴出地表，則會形成具有向上流動痕迹的液化脈。在剖面上類似針狀體（圖3）。

圖3.中元古代霧迷山組（15億年前）中發現的古地震遺迹——液化脈

仔細看看：它是否在用力向上頂？周圍的岩石都有向上被拖動的痕迹。

地震時，還會形成其他特殊的現象，例如，在已經弱固結的岩層中形成微型的斷裂或褶皺。地質學家將地震成因的具有特殊構造的岩石稱為震積岩或地震岩（Seismite）。

震積岩（地震岩）的保存

圖1中的液化溢出丘和圖2中的Sand-Boil在自然狀態下極難保存，原因有二：地震時，地下沙層液化流動溢出至地表，地震之後，液化作用停止，地下沙層體積收縮，在地表整個溢出沙丘的重壓下，誘發溢出至地面的物質沿原有噴射溢出通道向地下貫入，地表沙丘地形消失而代之呈線狀排列的坑狀地形及填充的混雜堆積，稱之為draw-in現象。呈正地形的溢出沙丘很容易被外力作用剝蝕而被削平。在現代地震形成的溢出沙丘尚難以長時間保存，在古老地層中這種溢出沙丘更難以保存。迄今為止，溢出丘只發現於第四紀的地層中。300萬年前的地層中從沒有發現這種記錄！

北京西山霧迷山組中的古地震記錄

從門頭溝雁翅鎮政府（付家台村）至珍珠湖景區的Y606公路沿線，是永定河中游深切作用最為強烈的地段之一，山高谷深，景色秀美。在Y606公路5公里處（現在的門頭溝區九合山莊附近）有一段沿河床分布的霧迷山組地層被沖洗得異常乾淨. 2011年6月，蘇德辰等人在這裡發現了多種經典的地質現象，特別是在多層岩石中發現了可能為地震成因的岩石，在一段17米的地層剖面中，一共發現了30餘個古地震事件，進一步說明當時存在不只一次古地震。有關這些發現的中文文章刊登在2011年古地理學報第6期上，修正更新之後的英文文章刊登於2012年第1期古地理學報英文版上（現在又發現這兩篇文章中有些現象解釋有誤，有些沒有解釋透徹，適時我們會做一個修訂）。

之後，又在相鄰的九合山莊內驚奇地發現與識別出保存完好的8個液化溢出丘和1個沙火山（圖4）。

圖4 產在中元古界霧迷山組（距今約14.5億–15.5億年）白雲岩中的液化溢出丘和沙火山全景照片（其中，編號–為液化溢出丘；編號為沙火山）

這些溢出丘多呈圓形或不規則橢圓形，直徑一般在3米左右，均產於同一層位，沿線狀分布，在100m的範圍內形態較完整的丘共識別出8個。其中1號丘形態最規則，也最具代表性（圖5）。這個丘直徑為2.8米，高0.3米，整體由白雲岩構成。自中心向外，有6個同心環狀和13條放射狀裂紋，裂紋中充填了黑色的硅化成份。丘的中心有1–2厘米的下凹，且被黑色的硅質物質充填。

圖5 北京西山門頭溝發現的液化溢出丘

黑色箭頭指示放射狀裂紋

沙火山位於圖4中編號9的地方。這是一個直徑1.1米的類似火山錐形的構造，從火山錐的頂部到中心最低點的高差約0.3米，火山錐的主體成分為白雲岩，錐中心點低凹處被暗色硅質層覆蓋。錐體有3–5條放射狀裂紋，並被黑色硅質物充填（圖6）。

圖6 北京西山門頭溝發現的沙火山

經過仔細研究與比對，我們認為這些丘和沙火山與圖1所示的汶川地震形成的丘在成因上是類似的，是在14.5億年–15.5億年間一次特大的地震所形成。毫不誇張地說，這些發現，填補了國際古地震學領域的一項空白。

親自到過現場考察的外國專家有加拿大著名科學家PaulRobinson、俄羅斯科學院柯拉科學中心（KOLA SCIENCE CENTRE）地質研究所所長Yuriy教授、荷蘭其名沉積學家VanLoon教授紛紛表示沒有見過類似的現象，有關英文論文的寫作與投稿過程中，幾經周折，但所有審稿人無一例外，均未見過此類現象。最後，愛爾蘭的Ian Somerville教授主動邀請在他主編的Geological Journal（地質學雜誌）發表。在報道這一成果的過程中，還有許多有趣的故事，以後有機會再詳述。

以下為PDF全文

Large earthquake-triggered liquefaction mounds and a carbonate sand volcano in t.pdf

中國科學報魏剛的報道：15億年前古地震遺迹尋蹤京西門頭溝沙火山調查

相關知識：地層和古地震的發生時間是如何確定的

（本段以後內容有些深奧，沒有地學基礎的讀者可以只記結論）

越古老的岩石，其形成年齡越不易精確確定。1995年以前，王松山等人採用同位素方法獲得了霧迷山組的年齡為12.07億–13.10億年。2007年以來，高林志、蘇文伯等人利用離子探針定年方法（SHRIMP）在霧迷山組的相鄰層位獲得了更精確的年齡數據，據此推算，霧迷山組的形成年齡介於14.50億年–15.50億年之間（圖7）。本文中的古地震記錄發現於霧迷山組的上部，因此推算古地震的年齡在14.5億年前。