从郯庐地震带安丘地区地震成因土层构造认识地震破坏作用

第27卷 第12期 岩 土 工 程 学 报 Vol.27 No.12 2005年 12月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Dec., 2005

从郯庐地震带安丘地区地震成因土层构造

认识地震破坏作用

田洪水，张增奇

（1. 山东建筑工程学院，山东 济南 250101；2. 山东省地质科学实验研究院，山东 济南 250013）

1

2

摘 要：在郯庐地震带的安丘地区，发现始新世朱壁店组厚层冲积层中发育一些同沉积的地震扰动岩土层。通过野外观测和比较地震地质学研究，识别出了振动液化砂脉、液化砂墙、裂隙充填砂质卵石墙、震塌落体、地震层内断裂及地震沉陷构造等地震成因土层构造。它们是5～8.5级强烈地震事件的记录。根据这些强烈地震成因土层构造的动力学特征进行分析，认为强烈地震对地基土的破坏作用有几种方式：液化作用、地震裂隙充填作用、振动塌落作用、断裂破坏作用和震沉陷落作用。

关键词：地震成因；土层构造；破坏作用；郯庐地震带；安丘

中图分类号：TU 435 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2005)12–1453–05

作者简介：田洪水(1956– )，男，副教授，从事土力学与地基基础、地球科学教学与研究工作，近年来致力于地震事件研究。

Understanding failure functions caused by earthquakes on the basis of seism -genesis soil-layer structures in Anqiu area, Tancheng-Lujiang seismic zone

TIAN Hong-shui1，ZHANG Zeng-qi2

（1. Shandong Institute of Architecture and Engineering, Jinan 250014, China；2. Shandong Institute and Laboratory of Geological

Sciences, Jinan 250013, China）

Abstract: Some syndepositional soil-layers disturbed by earthquakes were discovered in thick-bedded alluviums of Eocene Zhubidian formation in Anqiu area of Tancheng-Lujiang seismic zone. Through the field observation and comparative seism-geologic studies, many seism-genesis soil-layer structures such as vibration-liquefied sand vein, vibration-liquefied sand dyke, sandy cobble dyke by fissure filling, seismic fall mass, seismic intra-layer fault and seism-settlement structures etc. were recognized . The seismic structures were records of earthquake events of magnitudes ranging from 5 to 8.5. According to the analysis of dynamic characteristics of these seismic soil-layer structures, it was proposed that failure functions of foundation caused by strong earthquakes included liquefaction, seismic fissure filling, vibration falling, fracturing and seismic settlement of soil.

Key words: seism-genesis; soil-layer structure; failure function; Tancheng-Lujiang seismic zone; Anqiu

0 前 言

郯庐断裂—地震带（下文简称郯庐带）是中国东部最大的一条NNE向延伸的大陆边缘活动构造与地震带，在其漫长的运动历史中，有许多断裂构造强烈活动与地震活跃期。在古地震发生的同沉积盆地中，随之形成了多个地震事件层。到目前为止，在郯庐带及其近区的新元古界[1~4]、古生界[5]、中生界[6]及新生界古近系[7]中，均已发现了地震事件层。这些地震事件层是由具地震振动液化脉、地震成因的层内褶曲及地震成因断裂等同沉积构造的岩层—震积岩

（seismite）组成[1~7]。笔者近年来在郯庐地震带中段的沂沭地震带及其近区从事事件科研工作，从安丘地区始新世早期沉积的五图群朱壁店组[8]冲积层中，识别出了一系列地震成因同沉积构造。因朱壁店组冲积层胶结程度不高或尚未完全固结成岩，据国家标准关于岩土分类的规定[9]，这些冲积层应属卵石土、砂土

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基金项目：山东建筑工程学院、山东省地质科学实验研究院专题科研成果之一

收稿日期：2005–01–18

1454 岩 土 工 程 学 报 2005年

等土层，故将其中的地震成因同沉积构造称之为“地震成因土层构造”。本文阐述了朱壁店组冲积层中地震成因土层构造的类型、基本特征及所反映的地震强度；根据地震成因土层构造的动力学特征进行分析，提出了强烈地震对地基土的破坏作用方式有液化作用、地震裂隙充填作用、振动塌落作用、断裂破坏作用和震沉陷落作用的新认识。

1 地质背景

发育地震事件土层的地层为始新世五图群朱壁店组，主要分布于安丘市辖区内呈NEE向延伸的安丘—夏庄单斜断陷中部的傅家庙村至牟山水库大坝北东侧附近，以及红沙沟村东一带（图1）。安丘—夏庄单斜断陷是由沂沭地震带中间两条NNE向主干断裂（安丘—莒县断裂、沂水—汤头断裂）与NE向纪家屯—永乐官庄断裂，以及南侧汞丹山凸起所挟持的中—新生代小型断陷盆地[10]。盆地外围分布着中元古代变质花岗岩、震旦系及寒武—奥陶纪地层；盆地边部分布着早白垩世地层。朱壁店组冲积层主要为河漫滩相红色厚层粘土质粉砂、粉砂质粘土夹河床相中厚层—厚层砂质卵石土及砂层（图2—a、b）；其中所含卵石及砂粒多呈亚圆状、部分呈次棱角状；粘土质粉砂和砂质粘土中含姜状钙质结核。含地震成因土层构造的冲积层以牟山水库溢洪河谷谷底出露最好，厚度达58 m；在红沙沟村以东的路堑及排水沟内，可见到液化砂脉或砂墙等的露头，厚约200 m。

，也可见到砂涌管（图2和液化砂墙（图2–d1～d4）

–P1、P2）构造。它们一般呈浅灰、浅绿灰色或灰白色，主要由长石、石英、花岗质及玄武质岩屑砂粒组成。砂脉中的砂粒一般呈粉细砂—中粗砂结构，而砂墙中的砂粒具中粗砂—粗砂结构。砂脉和砂墙与红色砂质粘土或粘土等界限清楚。在纵剖面上，砂脉和砂墙与同颜色、同成分的液化砂层相连，下宽上窄，向上侵位于红色岩土中。在层面或平面上，砂脉呈不规则网状，砂墙具塑性弯曲特征（图2–d5）。砂涌管在剖面上呈分叉的砂墙，下与“涌道”连接，平面形态呈圆或椭圆形（图2–P1、P2）。

砂（岩）脉、砂（岩）墙等是震积岩的主要识别标志[11]。国外地震地质学家将由下部砂母质层向上侵入上覆岩土层而形成的砂墙、砂脉或类似岩土变形构造，确定为地震振动液化成因[12~16]。认为液化粗砂墙与枕状构造形成时的震级（M = 5.5～8）十分接近

[17~18]

。冯先岳曾做过饱和砂土受强震液化生成砂脉的

实验[19]。自公元前70年以来，在山东沂沭地震带及其近区曾发生5级～8.5级地震20多次，在这些地震的6～12度烈度区，液化砂沿地裂隙、或圆形喷口向地表喷涌是普遍的现象[20]。因此，将安丘古近纪冲积层中的砂墙、砂脉及涌砂管构造确定为地震液化成因。 2.2 裂隙充填构造及震塌体构造

这两种土层构造指在地震振动力和重力共同作用下，松散的碎屑冲积物向下运动、充填地震裂隙（图2–cd、fv）或塌落于下伏土层中（图2–sfm、um）而生成的地震成因土层构造。

(1) 裂隙充填构造 砂质卵石层、砾砂层充填大裂隙可生成较大的砂质卵石土墙或砂墙，图2–cd所示的三条岩土墙的倾斜方向和倾角基本相同，在纵剖面中上宽下窄且均与砂质卵石层相连，表明它们源于砂质卵石层且沿同一组地震裂隙充填形成，其中的最大者，宽20～40 cm，纵向延长达1.5 m，是罕见的地震事件记录；图2–cd中的较小者，是浅色的粗砂岩墙，表明源于砂砾层的物质充填较小裂隙时，仍存在着液化分选作用。图2–fv中的更小的砂脉，也与上覆的砾砂相连，属微裂隙充填构造。地震裂隙充填生成的墙或脉状构造，在红海海岸的中新世地震事件地层中大量发育[13~15]。上述向下插入的砂质卵石土墙和

图1 安丘地区地质略图 Fig. 1 Geological map of Anqiu area

砂脉，也与红海海岸的地震裂隙充填生成的墙或脉状构造的特征相同。

(2) 震塌体构造 根据震塌体与围岩的关系，朱壁店组中发育两种震塌体。第一种是其上部与母体砂砾层相连的震塌落体，其左右及下侧为红色泥质砂岩（图2–sfm）；另一种完全被红色泥质砂岩包容，发

2 地震成因土层构造的类型和特征

2.1 液化土层构造

液化土层构造主要有液化砂脉（图2–V1、、V2）

第12期 田洪水，等. 从郯庐地震带安丘地区地震成因土层构造认识地震破坏作用 1455

图2 郯庐地震带始新世朱壁店组冲积层地震成因土层构造及其反映的破坏作用

Fig. 2 Seismogenesic soil-layer structures of alluvial layers of Eocene Zhubidian formation and their damage functions in

Tancheng-hujiang seismic zone

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育在砂砾层或含砾中—粗砂层之下、相距＜0.5 m的部位（图2–um），与其周围岩土极不协调可称之为不协调岩土块。震塌体的颜色和物质成分均与其上的碎屑沉积层相同，它们的特征和成因与古郯庐地震带震旦系和寒武系地震事件层中的震塌岩相似，形成于地震振动液化末期，在余震振动力和重力作用下，上覆沉积层失稳、继而产生塌落的结果[1~5]。 2.3 层内断裂与沉陷构造

(1) 层内断裂 在安丘朱壁店组冲积层中，发育规模不等的两种层内断裂：层内小断层和层内微断层。层内小断层指垂直断距15 cm～20 cm、断裂面陡、内填泥砂质、仅切断一至几层土且被上覆土层掩埋的层内张性～张扭性小断层（图2–F）；其形成时，沉积物处于松散状态，是由地震力和重力共同作用形成的同沉积小断层[11]。层内微断层（图2–col单箭头所指处）指 断距1～3 cm、发育在薄层砂岩与砂质泥岩的互层中、断面陡的微小断层。层内断裂在振动液化完全停止之后形成[1~5,7]。

(2) 沉陷构造 沉陷构造或塌陷构造（图2–col）是震陷的记录。在地震区，地基土的强烈震害的宏观表现：除喷砂冒水（生成砂脉或墙）、岩土失稳产生塌落或岩块坠落（生成震塌体）而破坏地基或危及建筑物之外，震陷也是主要的震害之一。饱和砂土液化的下限深度为地面之下20 m，地面下砂土液化、喷砂冒水带走大量砂粒，从而使地面产生沉陷——震陷[21]。沉陷构造往往与层内微断裂发育在一起（图2–col），层内微断裂的发育加剧了震陷灾害的发生。

地基土受震液化后，液化砂粒间的摩阻力消失，而使

地基失效。由于强烈液化作用伴随着大量泄水且液化存在着不均匀性，液化作用结束后必然导致水饱和土体的体积变小；因此，强烈液化必定导致地基的大量沉降和不均匀沉降等有害变形。振动裂隙充填与塌落由地震振动力和重力作用而引发，致使部分地基土向下运动，当向下运动的土之数量较大时，必定引起地基的不均匀沉降；由于充填砂墙与砂脉的砂粒粒度小于上覆的母质层（厚层砂质卵石及砾砂层）的颗粒粒度，表明其形成时存在液化分选过程，但液化作用的程度已减弱。下伏土层的液化与泄水作用、裂隙充填及塌落作用必定使上覆土层及地面失去稳定平衡，上覆土层将产生张性～张扭性断裂及地面沉陷，从而使地基土发生纵向错动或形成凹陷，地震引起的断裂及沉陷往往对地基基础的危害最明显。

4 讨论及意义

土木工程学者都十分关注地基中饱和松砂土和粉土的液化问题；但对饱和砂质卵（碎）石土的地震液化未引起重视，也未见有文献报道或记载。本文提供的实际资料（图2–d3）给人们一个启示——饱和砂质碎石或卵石土在强震作用下也会液化。那么饱和砂质碎石或卵石土液化而生成砂墙的机理是什么？根据显而易见的用振动器来振实由石子、砂子、水泥和水组成的混凝土的施工过程，饱和的混凝土受振动总在其表面形成一层水泥砂浆。可以说当饱和的砂质卵（碎）石土受震液化时，地震如同一台无形的大型振动器，经地震振动就会在砂质卵（碎）石土层表部形成液化砂，受振动的液化砂具有较高的能量，可侵入上覆土层裂隙而形成砂墙。据砂质卵（碎）石土具有孔隙大且孔隙的连通性好的特点来分析，砂质卵（碎）石土的液化应是孔隙中的砂粒发生液化，而受强震作用的液化砂易沿大孔隙流出，砂粒的原位置由小卵石充填。既然砂质卵（碎）石土的液化是其中砂粒液化，因此，与一般砂土的液化没有本质的区别。

安丘地区新生代始新世朱壁店组冲积相地震事件土层的发现，有助于地震地质学家认识大陆活动构造～地震带的地震灾变事件；本文所阐述的一系列地震成因土层构造，为土木工程及岩土工程学家充分认识地震对地基破坏作用提供了实际资料。 参考文献

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3 地震对地基的破坏作用

沂沭地震带朱壁店组中的地震成因土层构造，是该地区始新世5级～8.5级强地震作用于砂砾质及泥砂质冲积层而形成的产物。据此分析现代强烈地震作用于全新世冲积饱和砂砾层、砂层等地基土层，也会形成类似的土层构造，从而发生如下几种方式的破坏作用：A—饱和砂土的液化作用、B—地震裂隙振动充填作用与塌落作用以及C—层内断裂作用与沉陷作用（图2–右2栏文字）。A—B—C反映了地震破坏作用过程。

不同的破坏作用致使冲积层物质的运动方向及危害不同。在液化作用发生中，液化流砂体沿地震裂隙向上运动，液化流砂体不仅要克服裂隙两侧的摩阻力，还要克服重力的影响；生成的液化土层构造的规模越大，反映液化流砂体具有的能量越高，因此，液化砂脉构造（图2–V）与液化砂墙及砂管构造（图2–d、P）应分别代表振动液化初期和振动液化高潮的产物；

第12期 田洪水，等. 从郯庐地震带安丘地区地震成因土层构造认识地震破坏作用 1457

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勘 误

由于作者疏忽，刊登在2005年第11期第1251页（“上海地区冻融后暗绿色粉质粘土动本构关系与微结构研究”一文）的表2与表3部分数据排列有误，现更正如下：

表 2 不同频率作用下融土的最大动力参数

Table 2 Parameters of melted soil with different frequency

E dmax /MPa Gdmax /MPa 频率f/Hz σdmax /MPa

1.0 178.57 20.450 61.154 1.5 192.31 17.361 65.860 2.0 250.00 10.040 85.616

表 3 不同频率作用下原状土的最大动力参数

Table 3 Parameters of common soil with different frequency

Gdmax /MPa Edmax /MPa σdmax /MPa 频率f/Hz

1 196.07 23.529 67.605 1.5 212.77 21.645 73.363 2.0 263.16 19.881 90.738

（本刊编辑部）