Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu Szkoła Doktorska Nauk Przyrodniczych Rozprawa doktorska Struktury deformacyjne powstałe w efekcie upłynnienia osadu – podejście doświadczalne Liquefaction-induced soft-sediment deformation structures – experimental approach mgr Szymon Świątek Poznań, 2025 Promotorki rozprawy doktorskiej Prof. dr hab. Małgorzata Pisarska-Jamroży Dr hab. inż. Karolina Lewińska, prof. UAM Struktury deformacyjne powstałe w efekcie upłynnienia osadu – podejście doświadczalne 2 Spis treści Lista publikacji wchodzących w skład rozprawy doktorskiej .................................................. 4 Streszczenie......................................................................................................................... 5 Abstract .............................................................................................................................. 6 1. Wprowadzenie ............................................................................................................. 7 2. Cele badań .................................................................................................................. 12 3. Materiał i metody badań .............................................................................................. 13 3.1. Materiał badawczy .................................................................................................... 13 3.1.1. Badania terenowe ................................................................................................. 13 3.1.2. Badania laboratoryjne ........................................................................................... 14 3.2. Metody badawcze i metodyka .................................................................................... 15 3.2.1. Analiza statystyczna prób osadu pobranego z terenu................................................... 15 3.2.2. Badania laboratoryjne ........................................................................................... 16 4. Zarys treści publikacji wchodzących w skład rozprawy doktorskiej ................................ 18 5. Dyskusja ..................................................................................................................... 21 5.1. Cechy osadu podatnego na upłynnienie ................................................................. 21 5.2. „Siła” trzęsienia ziemi niezbędna do zainicjowania upłynnienia osadu ..................... 21 5.3. Kryteria rozpoznawcze sejsmogenicznie upłynnionych osadów ............................... 22 6. Wnioski ...................................................................................................................... 23 Spis literatury .................................................................................................................... 27 Finansowanie badań ........................................................................................................... 34 Prezentacja wyników badań ................................................................................................ 34 Oświadczenia Autorów oraz kopie artykułów naukowych wchodzących w skład rozprawy doktorskiej ......................................................................................................................... 35 Struktury deformacyjne powstałe w efekcie upłynnienia osadu – podejście doświadczalne 3 Podziękowania Pragnę złożyć serdeczne podziękowania osobom, bez których wsparcia, zaangażowania i życzliwości ta praca nie mogłaby powstać. Dziękuję mojej Promotorce, Pani Profesor Małgorzacie Pisarskiej-Jamroży, za zaszczepienie we mnie pasji do paleosejsmologii oraz sedymentologii, a także za wprowadzenie mnie w świat badań naukowych z ogromną cierpliwością i naukową przenikliwością. To dzięki Pani kierunkowi i inspiracji możliwe było ukształtowanie tematu i charakteru tej rozprawy. Podziękowania kieruję także mojej Drugiej Promotorce, Pani Profesor Karolinie Lewińskiej, za nieocenione wsparcie merytoryczne w zakresie geochemii i gleboznawstwa, za pomoc na każdym etapie pracy, a przede wszystkim – za stworzenie atmosfery otwartości i zaufania, która sprzyjała naukowemu rozwojowi i osobistej motywacji. Dziękuję wszystkim Współautorom publikacji naukowych powstałych w ramach niniejszej rozprawy, w szczególności dr. Szymonowi Belzytowi za cenne wskazówki merytoryczne oraz rozmowy, które miały istotny wpływ na kształt i jakość prowadzonych badań. Dziękuję Pracownikom i Pracowniczkom oraz Doktorantom i Doktorantkom Wydziału Nauk Geograficznych i Geologicznych za wszystkie rozmowy, pomoc i codzienne kontakty. Dziękuję Wiktorii, Oli, Kasi, Darkowi, Michałowi i Pawłowi. Dziękuję także tym, którzy nie wierzyli – ich wątpliwości stały się impulsem do jeszcze większego zaangażowania i konsekwencji w dążeniu do celu. Szczególne podziękowania kieruję do Konrada – za obecność, wsparcie, zrozumienie, motywację i pomoc. Nullum magnum ingenium sine mixtura dementiae fuit Struktury deformacyjne powstałe w efekcie upłynnienia osadu – podejście doświadczalne 4 Lista publikacji wchodzących w skład rozprawy doktorskiej Rozprawa doktorska składa się z trzech recenzowanych artykułów naukowych stanowiących spójny tematycznie zbiór publikacji: 1. Świątek, S.*, Belzyt S., Pisarska-Jamroży, M., Woronko, B. 2023. Sedimentary records of liquefaction: implications from field studies. Journal of Geophysical Research: Earth Surface 128, e2023JF007152. https://doi.org/10.1029/2023JF007152 [A1] Dostępność online: 09.08.2023 r. Q1 WoS / 89. percentyl według bazy Scopus2023 / IF2023 = 3,5 / MEiN2023 = 140 pkt Liczba cytowań: 16 (Google Scholar), 14 (Scopus), 11 (Web of Science) 2. Świątek, S.*, Pisarska-Jamroży, M. 2025. Seismogenic liquefaction with M~3.5 in fine- grained sediments: An experimental approach. Sedimentary Geology 478, 106833. https://doi.org/10.1016/j.sedgeo.2025.106833 [A2] Dostępność online: 15.02.2025 r. Q1 WoS / 82. percentyl według bazy Scopus2025 / IF2025 = 2,7 / MNiSW2025 = 100 pkt Liczba cytowań: 0 (Google Scholar), 0 (Scopus), 0 (Web of Science) 3. Świątek, S.*, Lewińska, K., Pisarska-Jamroży, M., Günter, C. 2025. An application of quartz grain analyses in earthquake-induced (palaeo)liquefaction studies. Journal of Structural Geology 193, 105357. https://doi.org/10.1016/j.jsg.2025.105357 [A3] Dostępność online: 12.02.2025 r. Q1 WoS / 84. Percentyl według bazy Scopus2025 / IF2025 = 2,6 / MNiSW2025 = 100 pkt Liczba cytowań: 1 (Google Scholar), 1 (Scopus), 1 (Web of Science) * autor korespondencyjny Łączna liczba punktów MNiSW2025 = 340 pkt, a łączny IF2025 = 8,8. Wskaźniki bibliometryczne wskazano na dzień publikacji artykułu naukowego, a liczbę cytowań na dzień 04.05.2025 r. https://doi.org/10.1029/2023JF007152 https://doi.org/10.1016/j.sedgeo.2025.106833 https://doi.org/10.1016/j.jsg.2025.105357 Struktury deformacyjne powstałe w efekcie upłynnienia osadu – podejście doświadczalne 5 Streszczenie Upłynnienie osadu to proces, w którym wskutek nagłego wzrostu ciśnienia porowego w nawodnionych osadach nieskonsolidowanych dochodzi do chwilowej utraty kontaktów międzyziarnowych. W efekcie tego, osad zaczyna zachowywać się jak ciecz, co prowadzi do jego mobilizacji i powstania charakterystycznych struktur deformacyjnych. Zjawisko to odgrywa istotną rolę zarówno we współczesnych procesach sedymentacyjnych, jak i w interpretacji dawnych zdarzeń naturalnych, takich jak trzęsienia ziemi. Celem rozprawy było zbadanie warunków sprzyjających upłynnieniu osadu oraz określenie, czy i w jakim stopniu może ono wystąpić nawet przy słabszych wstrząsach sejsmicznych, niż dotychczas uznawane za krytyczne (powyżej magnitudy 4,2). Przeprowadzone badania objęły zarówno dokumentację terenową struktur deformacyjnych, jak i kontrolowane doświadczenia laboratoryjne. Próbki osadów poddano analizie teksturalnej i statystycznej, a ich podatność na upłynnienie była testowana w warunkach symulowanych wstrząsów sejsmicznych. Doświadczenia przeprowadzono w zróżnicowanych warunkach chemicznych, m.in. z zastosowaniem wody o różnym stopniu mineralizacji oraz z dodatkiem związków żelaza. Wyniki pokazały, że szczególnie istotną rolę w procesie upłynnienia odgrywa frakcja pylasta – jej wysoka zawartość sprzyja mobilizacji osadu, nawet przy niskiej zawartości iłu i niewielkim udziale piasku. Co więcej, wykazano, że upłynnienie może być inicjowane już przy magnitudzie M~3,5, czyli niższej niż dotychczas zakładano. Nowym i istotnym elementem badań była również analiza mikroskopowa, która ujawniła obecność mikropęknięć i śladów korozji na ziarnach kwarcu, a także, co szczególnie interesujące, osadzania się złota w szczelinach powstałych w wyniku wstrząsu. Sugeruje to, że drgania sejsmiczne mogą inicjować mikroobieg cieczy porowej, sprzyjając mobilizacji metali i ich wtórnej krystalizacji. Tego typu zapis może stanowić trwały ślad w strukturze mineralnej osadu, otwierając nowe perspektywy dla badań paleosejsmologicznych. Rozprawa doktorska ukazuje, że proces upłynnienia osadu jest znacznie bardziej złożony i wieloczynnikowy, niż dotąd sugerowano. Proces ten obejmuje nie tylko mechaniczne właściwości osadu i siłę drgań, lecz także jego teksturę, stan nawodnienia oraz warunki chemiczne. Wyniki badań wnoszą nową jakość do rozpoznawania sejsmogenicznych struktur deformacyjnych i mogą znaleźć zastosowanie zarówno w rekonstrukcjach zdarzeń sejsmicznych, jak i w geologii inżynierskiej. Odkrycia te mogą mieć istotne znaczenie dla aktualizacji map zagrożeń sejsmicznych. Struktury deformacyjne powstałe w efekcie upłynnienia osadu – podejście doświadczalne 6 Abstract Sediment liquefaction is a process in which, as a result of a sudden increase in pore pressure within water-saturated, unconsolidated sediments, intergranular contacts are temporarily lost. As a consequence, the sediment begins to behave like a fluid, leading to its mobilization and the formation of characteristic deformation structures. This phenomenon plays a significant role both in modern sedimentary processes and in the interpretation of past natural events, such as earthquakes. The aim of this dissertation was to investigate the conditions that promote sediment liquefaction and to determine whether it can occur under weaker seismic shocks than previously considered critical (i.e., those exceeding magnitude 4.2). The research included both field documentation of deformation structures and controlled laboratory experiments. Sediment samples were subjected to textural and statistical analyses, and their susceptibility to liquefaction was tested under simulated seismic shock conditions. The experiments were conducted in varied chemical environments, including the use of water with different degrees of mineralization and the addition of iron compounds. The results showed that the silt fraction plays a particularly important role in the liquefaction process, its high content promotes sediment mobilization, even when clay content is low and sand is present only in small amounts. Furthermore, it was demonstrated that liquefaction can be triggered at magnitudes as low as M~3.5, which is below the threshold previously assumed in the literature. A novel and important aspect of the research was also the microscopic analysis, which revealed the presence of microcracks and signs of chemical corrosion in quartz grains, as well as, most notably, the occurrence of gold precipitated in fractures formed during the shock. This suggests that seismic vibrations may initiate a micro-circulation of pore fluids enriched in chemical elements, promoting the mobilization of metals and their secondary crystallization. Such a record may constitute a durable geochemical signal preserved in the mineral structure of the sediment, opening new perspectives in paleoseismological studies. This doctoral dissertation demonstrates that the liquefaction process is far more complex and multi-factorial than previously suggested. It involves not only the mechanical properties of sediments and the intensity of seismic vibrations but also textural parameters, water saturation, and chemical conditions. The results of the study contribute new insights into the recognition of seismogenic deformation structures and may find application in the reconstruction of seismic events as well as in engineering geology and geohazard assessment. Struktury deformacyjne powstałe w efekcie upłynnienia osadu – podejście doświadczalne 7 1. Wprowadzenie Procesy geologiczne mogą prowadzić do tymczasowych lub trwałych zmian właściwości osadów nieskonsolidowanych. W przebiegu tych procesów często dochodzi do wzrostu ciśnienia porowego, co skutkuje utratą kontaktów międzyziarnowych i mobilizacją osadu (Seed, 1979; Maltman i Bolton, 2003; Rensbergen i in., 2003). Mobilizacja ta następuje wtedy, gdy siły inicjujące ruch ziaren przekraczają siły wewnętrzne mogące im przeciwdziałać (Obermeier, 1996). Wyróżnia się kilka sposobów mobilizacji ziaren w osadzie: przesiąkanie, tiksotropię, upłynnienie oraz uwodnienie. W niniejszej rozprawie szczególną uwagę poświęcono procesom upłynnienia oraz uwodnienia, które stanowią najczęstsze i najlepiej udokumentowane mechanizmy mobilizacji osadów nieskonsolidowanych w odpowiedzi na dynamiczne obciążenia, w tym przede wszystkim na wstrząsy sejsmiczne. Upłynnienie (ang. liquefaction) definiowane jest jako przejściowa utrata wytrzymałości osadu na ścinanie (Owen i Moretti, 2011; Brandes i Winsemann, 2013; Wahyudi i in., 2013). Zjawisko to zachodzi, gdy ziarna w osadzie tracą spójność, a masa osadu przekształca się w plastyczną zawiesinę wskutek reorganizacji ziaren, obciążenia przez nadległe warstwy osadu lub gwałtownego wzrostu ciśnienia porowego (Seed, 1979; Galli, 2000; Maltman i Bolton, 2003). Woda porowa powoduje, że osad nasycony wodą może zachowywać się jak plastyczna masa o zerowej lub bardzo niskiej granicy plastyczności (Van Loon i in., 2020). Upłynnienie może być całkowite (wszystkie kontakty ziarnowe zostają zerwane i struktura pierwotna ulega zniszczeniu) lub częściowe (część kontaktów zostaje zachowana, a struktura pierwotna pozostaje widoczna; Doe i Dott, 1980; Owen i Moretti, 2011). Uwodnienie (ang. fluidization) to z kolei zjawisko występujące wtedy, gdy przepływ cieczy porowej, skierowany ku górze, jest na tyle silny, że znosi ciężar ziaren, zmniejszając ich efektywną wytrzymałość na ścinanie. W tym przypadku kontakty ziarnowe nie zostają całkowicie przerwane, a osad zachowuje pewien poziom spójności (Allen, 1977, 1982; Owen, 2003; Campbell, 2003; Davies i in., 2004). Uwodnienie umożliwia zawieszenie pojedynczych ziaren lub ich transport ku górze (Lowe, 1976; Brandes i Winsemann, 2013). Upłynnienie (ang. liquefaction) oraz uwodnienie (ang. fluidization) to zjawiska, które w warunkach naturalnych często współwystępują i bywają łącznie określane terminem liquidization (Świątek i in., 2023). Niestety, w polskiej nomenklaturze geologicznej brakuje odpowiednika tego pojęcia, co sprawia, że oba procesy są często traktowane zbiorczo i opisywane jako stan upłynnienia (ang. liquefaction) w sensie ogólnym. Na potrzeby niniejszej pracy przyjęto więc termin upłynnienie jako stan obejmujący zarówno upłynnienie, jak i uwodnienie, co jest zabiegiem typowym, stosowanym w wielu pracach naukowych. Struktury deformacyjne powstałe w efekcie upłynnienia osadu – podejście doświadczalne 8 Czas trwania naturalnego zjawiska upłynnienia uzależniony jest od wielkości ziaren oraz miąższości deformowanej warstwy, a także czasu trwania sił go inicjujących i zgodnie z szacunkami nie przekracza kilkunastu sekund (Allen, 1982; Owen, 1996). Po zakończeniu procesu, kontakty międzyziarnowe są przywracane (Campbell, 2003) i powstają zróżnicowane struktury deformacyjne w literaturze anglojęzycznej znane jako soft-sediment deformation structures (SSDS). Struktury deformacyjne, powstałe w efekcie upłynnienia osadów, stanowią jedne z najważniejszych sedymentologicznych dowodów dynamicznych przekształceń środowisk geologicznych (Van Loon, 2009). Powstają one w wyniku utraty spójności (kohezji) mechanicznej osadu, spowodowanej gwałtownym wzrostem ciśnienia porowego i przejściowym upłynnieniem osadu nieskonsolidowanego, takiego jak np. piasek czy pył. Wśród najczęściej rozpoznawanych typów SSDS wyróżnić można: (1) struktury obciążeniowe (ang. load structures), takie jak pogrązy (ang. load casts) i pseudonodule (ang. pseudonodules); (2) struktury płomieniowe (ang. flame structures), (3) struktury iniekcyjne (ang. injection structures), czyli dajki i wulkany klastyczne (ang. clastic dykes, siliclastic volcanoes), a także (4) struktury typu piłek i poduszek (ang. ball-and-pillow structures) oraz (5) struktury konwolutne i fałdowe (ang. convolute lamination and folded structure) (ryc. 1; Lowe, 1976; Allen, 1982; Obermeier, 1996, 2009; Owen, 2003; Davies i in., 2004; Castilla i Audemard, 2007; Van Loon, 2009; Owen i Moretti, 2011; Brandes i Winsemann, 2013; Pisarska-Jamroży i in., 2019; Pisarska-Jamroży i Woźniak, 2019; Müller i in., 2020; Van Loon i in., 2020). Ryc. 1. Uproszczony schemat podziału sejsmogenicznych struktur deformacyjnych wraz z przykładami. Struktury deformacyjne powstałe w efekcie upłynnienia osadu – podejście doświadczalne 9 Deformacje sejsmogeniczne mogą rozwijać się w efekcie: (a) przemieszczania osadów o różnej gęstości, (b) przepływu płynu porowego ku górze, (c) przeciążenia osadu prowadzącego do niestabilności gęstościowej, jak również (d) działania siły ścinającej wywołanej propagacją fal sejsmicznych (m.in. fal typu S; Allen, 1982; Owen, 2003; Van Loon, 2009, 2014; Van Loon i in., 2020). Typ powstałej struktury deformacyjnej zależy m.in. od stosunków gęstości sąsiadujących ze sobą osadów, stopnia ich nawodnienia, cech teksturalnych, szybkości wzrostu ciśnienia porowego w osadach oraz kierunku działania siły deformującej (Sims, 1975; Owen, 1985; Moretti i in., 2014). Struktury deformacyjne mogą być ograniczone do pojedynczej warstwy / laminy lub obejmować ich zestawy. Obecność SSDS, ich morfologia oraz rozmieszczenie są kluczowe dla identyfikacji i interpretacji zdarzeń sejsmicznych (Moretti i in., 1999; Owen i Moretti, 2011; Świątek i Pisarska-Jamroży, 2025). Warstwy osadów, które uległy deformacji w wyniku aktywności sejsmicznej, określane są mianem sejsmitów (ang. seismites). Termin ten po raz pierwszy wprowadził Seilacher (1969), opisując deformacje w formacji Monterey w Kalifornii jako rezultat jednorazowego, sejsmicznego zdarzenia. W kolejnych dekadach przeprowadzono szereg badań terenowych i kilkanaście eksperymentalnych, które potwierdziły, że trzęsienia ziemi mogą inicjować procesy upłynnienia oraz powstawania struktur typu SSDS o złożonej budowie (m.in. Nichols i in., 1994; Owen, 1996; Moretti i in., 1999). Pomimo znacznego postępu w badaniach nad procesami upłynnienia osadów, jednym z najtrudniejszych wyzwań w interpretacji struktur deformacyjnych pozostaje rozpoznanie mechanizmu sprawczego (ang. trigger mechanism), który odpowiadał za ich powstanie. Współcześnie znanych jest kilkadziesiąt czynników powodujących deformacje – od procesów, takich jak fale sztormowe, tsunami, szybka i nagła sedymentacja, procesy glacjalne i peryglacjalne, aż po trzęsienia ziemi czy impakty meteorytów (Allen, 1982; Owen, 1996; Maltman i Bolton, 2003; He i in., 2018). Różne mechanizmy mogą prowadzić do powstania struktur o bardzo zbliżonej morfologii, co znacząco utrudnia ich jednoznaczną interpretację w zapisie geologicznym (Van Loon, 2009; Van Loon i in., 2020). Wiele struktur deformacyjnych, jak np. struktury płomieniowe, pseudonodule czy struktury typu piłek i poduszek, może powstawać zarówno w warunkach sejsmicznych (ang. seismogenic), jak i niezwiązanych z aktywnością sejsmiczną (ang. nonseismogenic), co prowadzi do znacznych trudności w ich interpretacji. Dodatkowo, wiele struktur deformacyjnych może powstawać w efekcie trwania kilku mechanizmów w tym samym czasie lub występujących krótko po sobie (por. Van Loon i in., 2020). Brak spójnych, uniwersalnych narzędzi rozpoznawczych może prowadzić do niepewności interpretacyjnych i potencjalnych błędów w rekonstrukcjach paleogeograficznych Struktury deformacyjne powstałe w efekcie upłynnienia osadu – podejście doświadczalne 10 oraz paleotektonicznych. W tym kontekście, niniejsza rozprawa doktorska stanowi próbę zintegrowania podejścia terenowego oraz eksperymentalnego, w celu zaproponowania nowych kryteriów diagnostycznych sejsmogenicznych struktur deformacyjnych, a także warunków, które pomogą je odróżnić od deformacji o innej genezie. Znaczne trudności w interpretacji budzi kwestia minimalnej magnitudy wstrząsów sejsmicznych niezbędnych do inicjacji upłynnienia. W literaturze najczęściej przyjmuje się wartości progowe w zakresie M 4,2–5,0 (Zhong i in., 2022), jednak dane terenowe sugerują, że proces ten może być inicjowany również przy słabszych wstrząsach, zwłaszcza w odpowiednio uwodnionych i drobnoziarnistych osadach (por. McCalpin i in., 2023). Początki badań eksperymentalnych sięgają drugiej połowy XX wieku (Stewart, 1958; Gill i Kuenen, 1958; Selley, 1969), jednak przełomowe znaczenie miały prace Owena (1996), który wykazał, że w warunkach laboratoryjnych możliwe jest odtworzenie sejsmogenicznych struktur deformacyjnych, analogicznych do tych obserwowanych w zapisie geologicznym, jak: struktury fałdowe czy płomieniowe, dajki i wulkany klastyczne. Kolejne eksperymenty, m.in. Moretti’ego i in. (1999), z wykorzystaniem cyfrowych stołów do wstrząsów (ang. shaking table), pozwoliły symulować fale sejsmiczne i badać ich wpływ na osady piaszczyste i pylaste, wskazując na możliwość deformacji przy zróżnicowanych progach magnitudy, różnych parametrach sejsmologicznych i poziomach nawodnienia. Z kolei Owen i Moretti (2011) podkreślili, że wywołanie deformacji jest wynikiem złożonej interakcji między intensywnością drgań, teksturą osadu a stopniem jego nawodnienia. Eksperymenty przeprowadzane w kolejnych latach przez m.in. Liang’a i in., 2018; Zhong’a i in., 2022; Cui’iego i in., 2022 oraz Liang’a i in., (2024), dostarczyły cennych wskazówek do identyfikacji struktur sejsmogenicznych, umożliwiając również testowanie modeli rekonstrukcji intensywności trzęsień ziemi na podstawie zapisu deformacji w osadach. Proces sejsmogenicznego upłynnienia osadów jest zjawiskiem złożonym, którego przebieg i zapis są kontrolowane przez trzy główne grupy czynników: (1) parametry sejsmologiczne, (2) właściwości osadu oraz (3) warunki geologiczne (Tang i in., 2016; Van Loon i in., 2016). Do pierwszej grupy należą cechy samego wstrząsu sejsmicznego, takie jak: magnituda (Galli, 2000), czas trwania wstrząsu (Youd i Idriss, 2011), częstotliwość i kierunek propagacji fali (Zhang i in., 1990), a także odległość od epicentrum (Papadopoulos i Lefkopoulos, 1993; Obermeier, 1996). Drugą grupę stanowią właściwości osadów, przede wszystkim cechy teksturalne, takie jak uziarnienie i kształt ziaren (Arias, 1970; Seed, 1979), zawartość frakcji ilastej (Chang i Hong., 2008; Monkul, 2012; Park i Kim, 2013), stopień konsolidacji, gęstość właściwa i względna, nasycenie wodą (Owen i Moretti, 2011) oraz warunki drenażowe Struktury deformacyjne powstałe w efekcie upłynnienia osadu – podejście doświadczalne 11 (Umehara, 1985). Trzecia grupa obejmuje uwarunkowania geologiczne, w tym miąższość i głębokość warstw osadów (Einsele i in., 1996), poziom wód gruntowych (Hannich i in., 2007), rzeźbę terenu, wiek osadu (Youd i Perkins, 1973) oraz historię jego naprężeń (Seed i in., 1964). Nadal jednak nieznany pozostaje wpływ składu chemicznego osadów, a w szczególności obecność i formy związków pierwiastków takich, jak Fe czy Mn w warstwach przypowierzchniowych, które mogą mieć znaczący wpływ na plastyczność, na potencjał redoks i ostateczny zapis deformacji osadu. Fale sejsmiczne poruszają się z różną prędkością w zależności od gęstości ośrodka, przez które przechodzą, np. 400–1200 m/s w suchym piasku, 1500 m/s w wodzie. Ich propagacja powoduje nie tylko drgania ziaren, ale też zmiany energetyczne i zmiany potencjału oksydacyjno- redukcyjnego na poziomie atomowym (Bielański, 2002; 2004), co może prowadzić do przemian chemicznych w osadach np. mobilizacji i krystalizacji poszczególnych pierwiastków chemicznych jak Fe, Mn lub Au. Badania prowadzone w ramach niniejszej pracy były, według mojej wiedzy, pierwszymi obejmującymi nie tylko wpływ parametrów teksturalnych, nawodnienia, magnitudy wstrząsów sejsmicznych, ale także udział i wpływ procesów oksydacyjno-redukcyjnych na wykształcenie i sposób zachowania (=zapisu) struktur deformacyjnych w osadach nieskonsolidowanych. Do tej pory nie brano pod uwagę, obecnych w osadach, związków chemicznych jako czynników wpływających na proces upłynnienia osadu. Niniejsze badania stanowiły próbę wypełnienia tej luki poznawczej oraz zaproponowanie nowego zintegrowanego podejścia doświadczalnego, w którym analizowane były równocześnie: siła dynamiczna (parametry wstrząsu sejsmicznego), cechy teksturalne osadu (udział frakcji osadu, stopień mineralizacji wody niezbędnej do nawodnienia osadu) oraz warunki geochemiczne (pH, potencjał redoks, obecność Fe i Au). Dzięki zastosowaniu symulacji sejsmicznych w warunkach kontrolowanych, możliwe stało się nie tylko określenie progów inicjujących deformacje, ale także identyfikacja potencjalnych wskaźników morfometrycznych charakterystycznych dla deformacji o genezie sejsmicznej. Badania, prowadzone w ramach rozprawy doktorskiej, miały na celu udzielenie odpowiedzi m.in. na następujące pytania: → W jaki sposób wstrząsy sejsmiczne wpływają na nieskonsolidowane osady o różnych cechach teksturalnych? → Czy deformacje osadu mogą powstać przy niższej magnitudzie niż dotychczas uznawano? → Jakie struktury deformacyjne powstają w warunkach sejsmicznych w sekwencjach osadowych, ale ze zmienną miąższością? → Jaka jest rola poszczególnych frakcji granulometrycznych w rozwoju SSDS? Struktury deformacyjne powstałe w efekcie upłynnienia osadu – podejście doświadczalne 12 → Jaki wpływ na deformacje mają pierwiastki i tworzące je związki chemiczne obecne w osadzie? → Czy i jak stopień mineralizacji wody wpływa na przebieg upłynnienia? → Jakie zmiany zachodzą w ziarnach kwarcu po przejściu fali sejsmicznej? → Czy i jak czas nawodnienia osadów wpływa na proces i zapis zjawiska upłynnienia? → Czy warunki oksydacyjno-redukujące wpływają na zapis procesu upłynnienia osadów? 2. Cele badań Wyznaczono następujące szczegółowe cele badawcze: 1. Określenie zależności pomiędzy teksturą osadu, w szczególności udziałem poszczególnych frakcji, a rozwojem struktur deformacyjnych powstałych w wyniku upłynnienia. Obejmowało to analizę wpływu proporcji frakcji pylastej, piaszczystej i ilastej na rodzaj oraz stopień wykształcenia struktur deformacyjnych. Następnie wyodrębniono charakterystyczne cechy morfologiczne struktur deformacyjnych oraz cechy teksturalne, takie jak stopień wysortowania, średnia średnica ziarna, skośność i kurtoza. Na podstawie uzyskanych wyników opracowano model statystyczny umożliwiający przewidywanie typu deformacji w zależności od parametrów osadu. [A1 oraz A2] 2. Zbadanie zależności między tworzeniem się struktur deformacyjnych, ich cechami teksturalnymi, udziałem wody oraz parametrami wstrząsów sejsmicznych, tj. magnituda, częstotliwość, czas trwania, miąższość osadów, rodzaj osadów i ich gęstość właściwa, wymiary struktur oraz lokalizacja względem całego układu. Wskazano wpływ konkretnych wartości wybranych parametrów sejsmologicznych, takich jak magnituda (~3,5), częstotliwość (60 Hz) i czas trwania wstrząsu (15 s), na powstanie sejsmogenicznych struktur deformacyjnych. Przeanalizowano również zależności pomiędzy cechami sedymentologicznymi (np. teksturą osadów, miąższością) a działaniem sił zewnętrznych (falami sejsmicznymi) oraz oceniono ich wpływ na przebieg formowania się struktur deformacyjnych. Badania miały charakter zarówno jakościowy, jak i ilościowy. [A2] 3. Określenie zależności między strukturami deformacyjnymi a właściwościami chemicznymi osadu (np. pH i Eh). Sprawdzono, czy i w jaki sposób reakcje chemiczne wpływają na proces tworzenia się oraz zapis zmian w upłynnionym osadzie. [A3] 4. Wskazanie metod umożliwiających rozróżnianie struktur deformacyjnych powstałych w wyniku upłynnienia wywołanego sejsmicznie od tych, które powstały w Struktury deformacyjne powstałe w efekcie upłynnienia osadu – podejście doświadczalne 13 wyniku innych mechanizmów, takich jak obciążenie osadem, działalność sztormów czy erupcje wulkaniczne. Szczególną uwagę poświęcono możliwościom wykorzystania mikromorfologii i cech teksturalnych ziaren kwarcu oraz parametrom morfometrycznym poszczególnych struktur deformacyjnych. [A2 oraz A3] 5. Określenie wpływu warunków redukcyjnych oraz czasu zapisu zmian w upłynnionym osadzie. Przeanalizowano wpływ dodatku związków żelaza na tworzenie się struktur deformacyjnych w warunkach ograniczonego dostępu światła i tlenu oraz w dłuższych przedziałach czasowych. [A3] 3. Materiał i metody badań W niniejszej rozprawie zastosowano podejście doświadczalne, które integruje i wzajemnie uzupełnia zarówno badania terenowe [A1], jak i laboratoryjne [A2 oraz A3]. Taka dwutorowa metodologia wynika z potrzeby jednoczesnego zrozumienia naturalnej zmienności struktur deformacyjnych w rozpoznanych sekwencjach osadowych oraz ich odtworzenia i kontroli w warunkach laboratoryjnych. Badania terenowe dostarczyły nie tylko danych empirycznych dotyczących uziarnienia, morfologii i rozmieszczenia struktur deformacyjnych, lecz także umożliwiły rozpoznanie szerszego kontekstu środowiskowego i statygraficznego. Z kolei badania laboratoryjne pozwoliły odtworzyć wybrane czynniki oraz warunki fizyczne i chemiczne prowadzące do upłynnienia, kontrolować parametry wejściowe (m.in. skład granulometryczny, stopień nasycenia wodą, intensywność sił deformujących, obecność związków żelaza czy stopień mineralizacji wód), analizować powtarzalność obserwowanych struktur, a przede wszystkim uzyskać informacje o roli tych parametrów w procesie upłynnienia i deformacji osadu. 3.1. Materiał badawczy 3.1.1. Badania terenowe Materiał badawczy, wykorzystany w pierwszym etapie pracy, stanowiły 144 próby pobrane ze struktur deformacyjnych powstałych w efekcie upłynnienia osadu [A1]. Próby zostały pobrane podczas realizacji projektu GREBAL z ośmiu stanowisk zlokalizowanych w północno- wschodnich Niemczech, a także na Litwie i Łotwie (ryc. 2; Nartišs i in., 2018; Pisarska-Jamroży i in., 2018, 2019a, 2019b; Woronko i in., 2018; Belzyt i in., 2021; Woźniak i in., 2021). Obszar, na którym znajdują się analizowane stanowiska badawcze, charakteryzują się złożoną historią geologiczną związaną z działalnością lądolodu fennoskandzkiego oraz późniejszymi Struktury deformacyjne powstałe w efekcie upłynnienia osadu – podejście doświadczalne 14 procesami izostatycznymi. Zidentyfikowane struktury deformacyjne, obecne na tym obszarze, powstały w osadach deponowanych w środowiskach glacilimnicznych, glacifluwialnych, lagunowych oraz płytkomorskich, a ich rozmieszczenie i budowa litologiczna odzwierciedlają zmienne warunki sedymentacji w trakcie i po ustąpieniu lądolodu (Nartišs i in., 2018; Pisarska- Jamroży i in., 2018, 2019a, 2019b; Woronko i in., 2018; Woźniak i in., 2021). Szczególne znaczenie mogło mieć położenie analizowanych stanowisk w strefach przejściowych między lądem a wodą, charakteryzujących się zmiennym poziomem wód, lokalnymi różnicami batymetrycznymi oraz obecnością warstw o zróżnicowanej przepuszczalności. Takie warunki sprzyjają rozwojowi procesów prowadzących do upłynnienia osadów i powstawania struktur deformacyjnych (por. Seed i Idriss, 1983). Ryc. 2. Lokalizacja stanowisk badawczych. Strefa S-T – strefa uskokowa Sorgenfrei-Tornquist. LGM – maksymalny zasięg lądolodu fennoskandzkiego podczas ostatniego zlodowacenia. (Świątek i in., 2023; zmodyfikowane). 3.1.2. Badania laboratoryjne W badaniach laboratoryjnych wykorzystano dwa główne typy osadów nieskonsolidowanych: pył (o udziale frakcji 2–63 μm wynoszącym 93%) oraz drobnoziarnisty piasek (o udziale frakcji 125–250 μm wynoszącym 56%). Osady te zostały pobrane z naturalnych odsłonięć zlokalizowanych w północno-zachodniej Polsce (ryc. 2, 3A). Struktury deformacyjne powstałe w efekcie upłynnienia osadu – podejście doświadczalne 15 Symulację sejsmogenicznego upłynnienia osadu oraz dalszą analizę przeprowadzono w cylindrach z przezroczystego pleksi o wysokości 10 cm i średnicy 10 cm (ryc. 3B) [A2]. Łącznie przygotowano pięć wariantów różniących się litologią, z których każdy powtórzono pięciokrotnie. Symulację rozszerzono następnie o badanie wpływu i zależności związków chemicznych [A3]. W celu stworzenia różnych warunków geochemicznych, osady nasycano trzema rodzajami wody: destylowaną, średniozmineralizowaną oraz wysokozmineralizowaną (ryc. 3C). Wody mineralne stanowiły komercyjnie dostępne produkty, różniące się składem jonowym. Dodatkowo, aby odtworzyć obecność żelaza w środowisku osadowym, do próbek dodano siarczan żelaza(II) (FeSO₄) odpowiadający naturalnej zawartości żelaza na poziomie 0,5–1%. Zabieg ten wynikał z wcześniejszych obserwacji terenowych, podczas których zidentyfikowano związki żelaza występujące w upłynnionym osadzie (Świątek i in., 2025). W tym eksperymencie [A3] przygotowane próbki umieszczono w cylindrach z pleksi o wysokości 10 cm i średnicy 15 cm (ryc. 3C), a następnie inkubowano je w warunkach ograniczonego dostępu światła w celu stworzenia warunków redukcyjne [A3]. Łącznie przygotowano 36 próbek, które badano w sześciu punktach czasowych: w dniu rozpoczęcia eksperymentu (dzień zero), po upływie 1,5 miesiąca, 3 miesięcy, 6 miesięcy, 9 miesięcy oraz po 12 miesiącach (ryc. 3D). 3.2. Metody badawcze i metodyka 3.2.1. Analiza statystyczna prób osadu pobranego z terenu W każdej próbie zidentyfikowano i sklasyfikowano występujące struktury deformacyjne na podstawie ich morfologii i orientacji. Wyróżniono struktury deformacyjne wygięte ku dołowi (ang. concave down; np. pseudonodules, load casts) oraz struktury wygięte ku górze (ang. concave up; np. flame structures, clastic dykes, injection features). Dodatkowo struktury przyporządkowano do jednej z czterech grup procesowych: AU (active up), AD (active down), PU (passive up), PD (passive down), zgodnie z mechanizmem ich powstawania i relacją względem sąsiednich warstw (ryc. 2 w artykule Świątek i in., 2023). Dla wszystkich próbek wykonano analizy granulometryczne z wykorzystaniem dyfrakcji laserowej (Malvern Mastersizer 2000), a następnie przetworzono dane w programie GRADISTAT, uzyskując podstawowe parametry statystyczne uziarnienia, takie jak średnia średnica ziarna, stopień wysortowania, skośność i kurtoza. Zebrane dane posłużyły do przeprowadzenia analiz statystycznych (m.in. testu t-Studenta, Manna-Whitneya oraz F-Snedecora), których celem było określenie istotnych statystycznie różnic w uziarnieniu poszczególnych typów struktur Struktury deformacyjne powstałe w efekcie upłynnienia osadu – podejście doświadczalne 16 deformacyjnych oraz wskazanie teksturalnych cech predysponujących osady do rozwoju określonych struktur deformacyjnych. 3.2.2. Badania laboratoryjne Część laboratoryjna rozprawy obejmowała dwa uzupełniające się etapy badań eksperymentalnych, których celem było odtworzenie warunków kontrolowanych prowadzących do powstawania struktur deformacyjnych w efecie upłynnienia [A2 oraz A3]. Pierwszy etap [A2] polegał na przeprowadzeniu serii eksperymentów w skali makroskopowej, w których modelowano deformację nieskonsolidowanych osadów pod wpływem drgań o charakterystyce zbliżonej do trzęsień ziemi o niskiej magnitudzie [A2]. Do badań wykorzystano próbki osadów o znanym uziarnieniu (pył, piasek drobnoziarnisty, piasek gruboziarnisty), umieszczone w przezroczystych cylindrach i poddawane działaniu drgań generowanych przez urządzenie imitujące wstrząsy sejsmiczne (Analysette 3 SPARTAN). Parametry drgań odpowiadały w przybliżeniu sile wstrząsu o magnitudzie ~3,5 (ryc. 3B). W trakcie eksperymentów rejestrowano rozwój struktur deformacyjnych, a po ich zakończeniu wykonano szczegółową dokumentację fotograficzną oraz pomiary morfometryczne powstałych struktur deformacyjnych (wysokość, szerokość, kąt nachylenia struktur, odległość między nimi). Drugi etap obejmował analizy mikroskalowe, których celem było zidentyfikowanie wpływu procesów mechanicznych i chemicznych, towarzyszących upłynnieniu, na ziarna kwarcu [A3]. Do eksperymentów zastosowano drobnoziarnisty piasek kwarcowy nawodniony trzema typami wód: destylowaną, średnio- i wysokozmineralizowaną, wzbogacony o siarczan żelaza (II) o stężeniu ok. 0,5-1% (ryc. 3C). Przed i po każdej symulacji sejsmicznej dokonywano pomiarów pH i Eh, a po zakończeniu każdego etapu wykonano cienkie przekroje osadów i przeprowadzono szczegółową analizę mikromorfologiczną przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) z zastosowaniem spektroskopii dyspersji rentgenowskiej (EDX). Na podstawie cech teksturalnych porównano ziarna kwarcu z osadów sejsmogenicznych struktur deformacyjnych rozpoznanych w warunkach naturalnych, z osadów poddanych symulacji sejsmogenicznego upłynnienia, a także z próbek niepoddanych wstrząsom. Zidentyfikowano liczne mikrotekstury, takie jak mikropęknięcia, ślady korozji brzegów ziaren, powierzchniowe rozwarstwienia oraz wtórne produkty (np. złoto, tlenki żelaza). Na podstawie cech mikroteksturalnych i właściwości chemicznych podjęto próbę określenia wpływu wstrząsów sejsmicznych, warunków geochemicznych oraz czasu nawodnienia osadu na obecność i stopień spękań ziaren kwarcu. Struktury deformacyjne powstałe w efekcie upłynnienia osadu – podejście doświadczalne 17 Ryc. 3. Kluczowe elementy eksperymentalnych badań laboratoryjnych dotyczących symulacji upłynnienia osadów (Świątek i Pisarska-Jamroży, 2025; Świątek i in., 2025; zmodyfikowane): A – skład granulometryczny wykorzystanych osadów [A2 oraz A3], B – parametry urządzenia imitującego wstrząsy sejsmiczne [A2 oraz A3], C – sukcesje osadów poddanych symulacji [A2], D – schemat doświadczenia inkubacyjnego [A3], E – schemat symulacji upłynnienia w doświadczeniu inkubacyjnym [A3], F – schemat analizowanych próbek [A3]. Struktury deformacyjne powstałe w efekcie upłynnienia osadu – podejście doświadczalne 18 4. Zarys treści publikacji wchodzących w skład rozprawy doktorskiej [A1] Świątek, S.*, Belzyt S., Pisarska-Jamroży, M., Woronko, B. 2023. Sedimentary records of liquefaction: implications from field studies. Journal of Geophysical Research: Earth Surface 128, e2023JF007152. https://doi.org/10.1029/2023JF007152 W publikacji opisano zależność między teksturą osadu a występowaniem struktur deformacyjnych powstałych w wyniku upłynnienia. Badania przeprowadzono na 144 próbkach osadów zidentyfikowanych jako zdeformowane, pobranych z ośmiu stanowisk terenowych zlokalizowanych w północno-wschodnich Niemczech, na Litwie i Łotwie (ryc. 2). Osady te reprezentują różnorodne środowiska sedymentacyjne, w tym płytkomorskie, rzeczne, lagunowe oraz glacilimniczne. Zidentyfikowane struktury deformacyjne podzielono na dwie grupy (ryc. 1): (1) formy wklęsłe ku dołowi (ang. concave down, np. pseudonodules, load casts) oraz (2) formy wklęsłe ku górze (ang. concave up, np. flame structures, clastic dykes, injection structures). Dodatkowo każdą ze struktur deformacyjnych przyporządkowano do jednej z czterech grup procesowych: AU (active up), AD (active down), PU (passive up), PD (passive down). Próbki poddano analizie granulometrycznej z zastosowaniem dyfrakcji laserowej (Malvern Mastersizer 2000), a dane przetworzono w programie GRADISTAT, uzyskując podstawowe parametry statystyczne uziarnienia: średnią średnicę ziarna, wskaźnik wysortowania, skośność i kurtozę. Analizy statystyczne (testy t-Studenta, Manna-Whitneya, Snedecora) wykazały, że osady towarzyszące struktury concave up różnią się istotnie od tych, w których występują struktury concave down – zarówno pod względem granulometrii, jak i parametrów statystycznych. Stwierdzono, że struktury typu concave up występują głównie w osadach drobnoziarnistych, słabo wysortowanych, z wysoką zawartością frakcji pylastej i ilastej, podczas gdy struktury concave down rozwijają się w osadach piaszczystych, lepiej wysortowanych. Dodatkowo wyznaczono zależności między udziałem poszczególnych frakcji osadu a podstawowymi parametrami statystycznymi. Integralną częścią pracy było przeprowadzenie modelowania statystycznego, które pozwoliło wskazać wartości progowych oraz kombinacje cech teksturalnych istotnie wpływających na rozwój poszczególnych typów struktur. Opracowany model statystyczny może pełnić funkcję narzędzia prognostycznego, umożliwiającego ocenę potencjału deformacyjnego osadu oraz przewidywanie typu struktur, które mogą się rozwinąć w danej sekwencji osadowej. Wyniki badań stanowią istotny wkład w zrozumienie zależności między teksturą osadu a jego podatnością na upłynnienie oraz rozwój określonych struktur deformacyjnych. https://doi.org/10.1029/2023JF007152 Struktury deformacyjne powstałe w efekcie upłynnienia osadu – podejście doświadczalne 19 [A2] Świątek, S.*, Pisarska-Jamroży, M. 2025. Seismogenic liquefaction with M~3.5 in fine- grained sediments: An experimental approach. Sedimentary Geology 478, 106833. https://doi.org/10.1016/j.sedgeo.2025.106833 Artykuł prezentuje oryginalne i nowatorskie podejście do eksperymentalnych badań laboratoryjnych nad deformacjami osadów wywołanymi przez trzęsienia ziemi o niskiej magnitudzie (blisko 3,5). Celem pracy było sprawdzenie, czy wstrząsy o tak niskiej magnitudzie mogą inicjować procesy upłynnienia i prowadzić do rozwoju struktur deformacyjnych w nasyconych wodą osadach drobnoziarnistych. W badaniach wykorzystano trzy rodzaje osadów (pył, piasek drobno- i gruboziarnisty), które zestawiono w pięć różnych sekwencji warstw (różniących się miąższością warstw, liczbą warstw i układem litologicznym) i poddano działaniu drgań generowanych przez urządzenie symulujące fale sejsmiczne (Analysette 3 SPARTAN). Drgania miały ściśle określone parametry: magnitudę ~3,5, częstotliwość 60 Hz, amplitudę drgań 3 mm i czas trwania 15 sekund. Podczas symulacji oraz po jej zakończeniu każdą próbkę szczegółowo analizowano pod kątem przebiegu procesu upłynnienia osadu, oraz jego zapisu w postaci struktur deformacyjnych. Zidentyfikowano sześć głównych typów struktur: w grupie struktur wklęsłych ku górze wyróżniono struktury płomieniowe, struktury iniekcyjne (pylaste i piaszczyste) oraz wulkany klastyczne, natomiast w grupie struktur wklęsłych ku dołowi – struktury obciążeniowe, takie jak pogrązy i pseudonodule. Przeprowadzono analizy morfometryczne, obejmujące pomiary wysokości, szerokości oraz obliczenia współczynników kształtu. Wyniki wskazały wyraźne korelacje między szerokością a wysokością struktur, zwłaszcza dla struktur płomieniowych, pogrązów i wulkanów klastycznych. Eksperyment potwierdził, że nawet przy niewielkiej magnitudzie możliwe jest upłynnienie osadu oraz powstawanie struktur deformacyjnych. W dalszej części pracy wyniki eksperymentów porównano z wynikami terenowymi, wskazując na silne analogie między strukturami powstałymi w warunkach laboratoryjnych a tymi obserwowanymi w naturalnych odsłonięciach. Dyskusja dotyczyła również kryteriów rozpoznawania struktur pochodzenia sejsmicznego oraz znaczenia morfometrii jako narzędzia potencjalnie pomocnego w rozróżnianiu liczby zdarzeń deformujących. Wnioski płynące z pracy mogą znaleźć zastosowanie nie tylko w rekonstrukcji przeszłych wstrząsów, lecz także w ocenie zagrożeń związanych z upłynnieniem osadów w regionach dotąd uznawanych za obszary o niskiej aktywności sejsmicznej. https://doi.org/10.1016/j.sedgeo.2025.106833 Struktury deformacyjne powstałe w efekcie upłynnienia osadu – podejście doświadczalne 20 [A3] Świątek, S.*, Lewińska, K., Pisarska-Jamroży, M., Günter, C. 2025. An application of quartz grain analyses in earthquake-induced (palaeo)liquefaction studies. Journal of Structural Geology 193, 105357. https://doi.org/10.1016/j.jsg.2025.105357 Artykuł przedstawia innowacyjne podejście do analizy struktur deformacyjnych powstałych w wyniku sejsmogenicznego upłynnienia osadów, koncentrując się na mikroteksturalnych cechach ziaren kwarcu. Celem badania było ustalenie, czy mikromorfologia ziaren kwarcu oraz cechy współistniejące (np. nagromadzenie złota, koncentracja pierwiastków) mogą służyć jako wskaźnik potwierdzające deformacje sejsmogeniczne, a także czy zmiany te mogą być wykorzystane do rekonstrukcji dawnych zdarzeń sejsmicznych. Eksperyment przeprowadzono w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych, wykorzystując pył i piasek drobnoziarnisty nasycone trzema typami wód o różnym stopniu mineralizacji. Przed i po każdym wstrząsie wykonano pomiary pH i Eh. Próbki poddano działaniu symulowanego wstrząsu sejsmicznego (M~3,5), a następnie analizowano mikroskopowo płytki cienkie przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM), skupiając się na cechach ziaren kwarcu. W artykule zidentyfikowano szereg cech mikrostrukturalnych, od subtelnych pęknięć i korozji krawędzi po zaawansowaną fragmentację ziaren. Stwierdzono, że stopień mineralizacji wody oraz czas ekspozycji istotnie wpływały na intensywność zmian. W próbkach nasyconych wodą wysokozmineralizowaną zaobserwowano większy zakres uszkodzeń mechanicznych i chemicznych. Dodatkowo wykazano obecność złota w mikroszczelinach i na powierzchni ziaren, co sugeruje, że aktywność sejsmiczna może odgrywać rolę w mobilizacji i redepozycji pierwiastków metalicznych w środowisku sedymentacyjnym. Oprócz udziału sił mechanicznych szczegółowo opisano wpływ warunków geochemicznych (pH, Eh, obecność kwasu fluorowodorowego i kwasu ortokrzemowego) na stopień korozji ziaren kwarcu oraz potencjał tworzenia nowych struktur mineralnych. W części dyskusyjnej zaproponowano siedmioetapowy „cykl sejsmiczny ziarna kwarcu” – od inicjalnego pęknięcia poprzez fragmentację, agregację i rekrystalizację, aż po ponowne wejście ziarna w obieg sejsmicznej deformacji. Podkreślono, że połączenie sił mechanicznych i chemicznych prowadzi do złożonej, często wielofazowej transformacji ziaren, która może być rejestrowana w osadzie jako wskaźnik aktywności sejsmicznej. Wnioski z pracy sugerują, że mikromorfologia kwarcu, w połączeniu z analizą chemiczną i teksturalną, może stanowić obiecujące narzędzie do identyfikacji i interpretacji struktur deformacyjnych pochodzenia sejsmicznego, a także do oceny ryzyka związanego z upłynnieniem osadów. Struktury deformacyjne powstałe w efekcie upłynnienia osadu – podejście doświadczalne 21 5. Dyskusja 5.1. Cechy osadu podatnego na upłynnienie Dotychczasowe badania nad procesami upłynnienia osadów koncentrowały się głównie na określeniu krytycznego udziału frakcji ilastej jako parametru decydującego o możliwości wystąpienia upłynnienia i deformacji (Wang, 1979; Zhou, 1981; Figueroa i in., 1995; Tuttle i in., 1990; Andrews i Martin, 2000). Rola frakcji pylastej była natomiast w dużej mierze pomijana lub marginalizowana. Wyniki prezentowane w niniejszej rozprawie jednoznacznie wskazują jednak, że to właśnie frakcja pylasta (ang. silt) odgrywa kluczową rolę w inicjowaniu deformacji osadów, szczególnie w przypadku struktur iniekcyjnych. Dla struktur wklęsłych ku górze (np. struktur płomieniowych, struktur iniekcyjnych) mediana udziału frakcji pylastej wynosi aż 73%, podczas gdy dla struktur wklęsłych ku dołowi (pogrązy, pseudonodule) jedynie 20%. Tak znacząca różnica została potwierdzona zarówno przez wcześniejsze badania terenowe (Van Loon i Pisarska-Jamroży, 2014; Van Loon i in., 2016; Pisarska-Jamroży i in., 2018, 2019a, 2019b, 2022; Belzyt i in., 2021; Woźniak i in., 2021), jak i eksperymenty laboratoryjne (Othman i in., 2019; Othman i Marto, 2019) oraz modele matematyczne (Bronikowska i in., 2021). Wyniki badań zaprezentowane w artykule [A1] wyraźnie pokazują, że to właśnie mobilność frakcji pylastej w warunkach wysokiego nasycenia wodą odgrywa decydującą rolę w inicjowaniu deformacji oraz ułatwia wtórną mobilizację ziaren piasku [A1]. Wbrew wnioskom Obermeiera (1996), który twierdził, że dodatek iłu i pyłu do piasków obniża podatność osadów na upłynnienie, przedstawione wyniki dowodzą, że osady pylaste są wyjątkowo podatne na mobilizację, podczas gdy osady z wyższym udziałem frakcji ilastej ulegają deformacji jedynie wtedy, gdy udział tej frakcji nie przekracza wartości granicznej (maks. 14%; Świątek i in., 2023). 5.2. „Siła” trzęsienia ziemi niezbędna do zainicjowania upłynnienia osadu Eksperymenty przeprowadzone w ramach drugiego etapu badań, tj. symulacji upłynnienia w warunkach laboratoryjnych [A2], dostarczyły przełomowych danych dotyczących granicznej wartości energii sejsmicznej niezbędnej do zainicjowania procesu upłynnienia osadów. W warunkach laboratoryjnych zaobserwowano rozwój struktur deformacyjnych w wyniku zastosowania drgań sejsmicznych odpowiadających magnitudzie M~3,5. Jest to wartość niższa od progów podawanych w większości wcześniejszych prac, w których sugerowano, że minimalna magnituda zdolna do wywołania upłynnienia wynosi co najmniej M 4,2 (Youd, 1978; Galli, 2000), a częściej M 5,0 lub więcej (Ambraseys, 1988; Papadopoulos i Lefkopoulos, Struktury deformacyjne powstałe w efekcie upłynnienia osadu – podejście doświadczalne 22 1993). Co więcej, według Zhong’a i in. (2022), formowanie struktur takich jak pseudonodule czy struktury typu piłek i poduszek jest możliwe dopiero przy magnitudzie M 6–6,5. Wyniki przeprowadzonych eksperymentów wskazują na znacznie niższe wartości progowe, które mogą inicjować upłynnienie. Pomimo niskiej magnitudy, zastosowane drgania o wysokim przyspieszeniu szczytowym gruntu (PGA), szacowanym na około 2 g, spowodowały intensywną mobilizację osadu oraz rozwój złożonych struktur deformacyjnych, takich jak wulkany klastyczne, pogrązy czy struktury płomieniowe. Są to struktury charakterystyczne dla deformacji sejsmogenicznych, opisywane również przez Liang’a i in. (2024), którzy uzyskali podobne efekty przy PGA na poziomie 0,5–0,8 g. Nowatorskim aspektem przeprowadzonych badań jest również fakt, że zastosowana „magnituda eksperymentalna” miała charakter pośredni, wynikający z parametrów układu laboratoryjnego: masy próbek, odległości od źródła wstrząsu oraz geometrii cylindrów z pleksi. Oznacza to, że nie została określona bezpośrednio za pomocą sejsmografu, lecz oszacowana na podstawie empirycznych zależności. Tym bardziej interesujące jest to, że mimo tak niskiej wartości magnitudy, deformacje nie tylko powstały, ale często miały charakter rozbudowany, co potwierdziły pięciokrotne powtórzenia eksperymentu. Wyniki te podkreślają kluczowe znaczenie lokalnych warunków geologicznych i geotechnicznych w rozwoju struktur deformacyjnych, które nie są determinowane wyłącznie przez wartość energii sejsmicznej. 5.3. Kryteria rozpoznawcze sejsmogenicznie upłynnionych osadów Jednym z kluczowych wyzwań w interpretacji struktur deformacyjnych jest prawidłowe określenie czynnika deformującego osad (np. Obermeier i in., 1990; Hilbert-Wolf i in., 2009; Owen i Moretti, 2011; Owen i in., 2011; Moretti i in., 2014; He i Qiao, 2015). Wyniki przedstawione w artykułach [A2] (Świątek i Pisarska-Jamroży, 2025) oraz [A3] (Świątek i in., 2025) umożliwiły sformułowanie nowych kryteriów identyfikacyjnych dla struktur o pochodzeniu sejsmicznym. Eksperymenty wykazały, że określone typy struktur deformacyjnych, takie jak struktury płomieniowe, wulkany klastyczne czy pseudonodule, charakteryzują się powtarzalnymi, typowymi proporcjami wysokości do szerokości. Może to stanowić istotne narzędzie w rozpoznawaniu charakteru siły deformującej (por. Owen i Moretti, 2011; Belzyt i Pisarska- Jamroży, 2017). Morfometria tych struktur, analizowana w warunkach eksperymentalnych, sugeruje możliwość wykorzystania współczynników kształtu jako dodatkowego wskaźnika określającego liczbę zdarzeń deformujących osad. Co istotne, korelacje między wymiarami Struktury deformacyjne powstałe w efekcie upłynnienia osadu – podejście doświadczalne 23 struktur a takimi czynnikami jak układ litologiczny, poziom nawodnienia czy szacowana magnituda wskazują, że podejście to może być zastosowane również na badaniach terenowych – w celu wstępnej klasyfikacji typu deformacji oraz identyfikacji zdarzeń wieloprocesowych. Nowatorskim i unikalnym wkładem niniejszych badań jest również zastosowanie skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) i spektroskopii EDX do analizy ziaren kwarcu poddanych działaniu fali sejsmicznej. Zidentyfikowano liczne mikropęknięcia, deformacje brzegów ziaren, korozję chemiczną ich powierzchni, a co szczególnie istotne – obecność złota (Au) osadzonego w szczelinach ziaren. Obecność złota w mikrospękaniach może świadczyć o tym, że drgania sejsmiczne nie tylko inicjują deformację mechaniczną, lecz również powodują krótkotrwałe, lokalne przemieszczenia cieczy porowej, prowadzące do mobilizacji i krystalizacji metali. Tego rodzaju mikroobieg może sprzyjać transportowi jonów metali i ich osadzaniu w strefach największego naprężenia. W konsekwencji, struktury deformacyjne mogą stanowić mikroślady zarówno procesów mechanicznych, jak i chemicznych związanych z aktywnością sejsmiczną (Świątek i in., w recenzji). 6. Wnioski Analiza zebranych w terenie prób, przeprowadzenie eksperymentów laboratoryjnych i ich szczegółowe analizy pozwoliły na kompleksowe ujęcie problematyki powstawania sejsmogenicznych struktur deformacyjnych. Zidentyfikowano, a także zweryfikowano udział czynników kontrolujących proces upłynnienia, jak i dopracowano kryteria rozpoznawania sejsmogenicznych struktur deformacyjnych. Prezentowana rozprawa doktorska, składająca się z trzech recenzowanych artykułów, pozwoliła wyciągnąć następujące wnioski: 1. Analiza i interpretacja struktur deformacyjnych typu soft-sediment deformation structures (SSDS) powinna opierać się m.in. na szczegółowych cechach litologicznych osadów. Nawet trzęsienia ziemi o wysokich magnitudach (>6) nie doprowadzą do upłynnienia, jeżeli osady nie są odpowiednio nawodnione lub posiadają „niekorzystny” skład granulometryczny, np. nadmiar piasku przy niedoborze frakcji pylastej. [A1] 2. Spośród wszystkich analizowanych frakcji, wchodzących w skład osadów upłynnionych, to frakcja pylasta wykazuje najwyższą mobilność i najczęściej uczestniczy bezpośrednio w inicjacji upłynnienia. Jej obecność sprzyja utracie spójności osadu, zwłaszcza w warunkach wysokiego nawodnienia i przy obecności drobnych frakcji piasku. W wielu przypadkach to właśnie pył stanowi główną frakcję w strukturach płomieniowych czy klastycznych dajkach. [A1] Struktury deformacyjne powstałe w efekcie upłynnienia osadu – podejście doświadczalne 24 3. Podstawowe parametry statystyczne uziarnienia takie jak średnia średnica ziarna, skośność, wysortowanie i kurtoza mogą stanowić obiektywne kryteria ilościowe klasyfikacji typów struktur deformacyjnych. Wyniki badań wykazały, że pogrązy czy struktury typu pseudonodule najczęściej rozwijają się w dobrze wysortowanych i piaszczystych osadach (65-95%), natomiast struktury płomieniowe czy dajki klastyczne występują przede wszystkim w osadach słabiej wysortowanych o wyższej zawartości frakcji pylastej (do 89%). [A1] 4. Na podstawie analizy modeli statystycznych można oszacować podatność osadu na upłynnienie. Analiza ta pozwoliła na wskazanie wartości progowych oraz kombinacji cech teksturalnych, które statystycznie istotnie wpływają na rozwój poszczególnych typów struktur deformacyjnych. Model statystyczny uzyskany na tej podstawie może stanowić narzędzie prognostyczne, umożliwiające ocenę potencjału deformacyjnego osadu. [A1] 5. Eksperymenty laboratoryjne dowiodły, że możliwe jest wywołanie procesu upłynnienia i powstania struktur deformacyjnych przy zastosowaniu niskiej magnitudy (M~3,5), pod warunkiem wysokiego nawodnienia osadu i odpowiedniego układu litologicznego warstw. Wyniki te stanowią istotne uzupełnienie dotychczasowej wiedzy, która wskazywała próg M ≥ 4,2–5,0 jako minimalny dla wystąpienia upłynnienia osadu. [A2] 6. Wyniki badań eksperymentalnych wykazały, że im bardziej zróżnicowana sukcesja osadów podatnego na upłynnienie (pod względem frakcji osadu, gęstości właściwej i przepuszczalności), tym większe prawdopodobieństwo wystąpienia złożonych i dobrze widocznych struktur deformacyjnych. W przypadku prostych układów litologicznych (np. profili z dominującą jedną frakcją) struktury deformacyjne były słabo rozwinięte i trudniejsze do identyfikacji. [A2] 7. Analiza morfometrii struktur deformacyjnych wykazała wysoką powtarzalność proporcji (wysokość : szerokość) w obrębie danych struktur deformacyjnych, co może stanowić narzędzie pomocnicze w terenowej klasyfikacji struktur oraz przybliżonej ocenie liczby zdarzeń, jak i intensywności siły deformującej, np. analizując współczynniki korelacji między wysokością a szerokością w obrębie dwóch różnych litologicznie warstw osadu. [A2] 8. W efekcie eksperymentów laboratoryjnych zaobserwowano, powstałe w ich trakcie, mikropęknięcia ziaren kwarcu. Analiza wykorzystująca skaningowy mikroskop elektronowy ujawniła, że pęknięcia te mają zróżnicowany charakter: od prostych, liniowych szczelin przełamujących ziarno, po rozgałęzione mikroszczeliny Struktury deformacyjne powstałe w efekcie upłynnienia osadu – podejście doświadczalne 25 przypominające siatkę spękań powstałych wskutek gwałtownego przeciążenia mechanicznego. Mikropęknięcia o genezie sejsmicznej mają ostre zarysy, są nieregularne oraz zazwyczaj głębokie. [A3] 9. W warunkach laboratoryjnych wykazano, że w osadach wzbogaconych w związki metali (np. złota) może dochodzić do ich mobilizacji i wtórnej krystalizacji w mikropęknięciach ziaren kwarcu, bezpośrednio podczas lub tuż po zdarzeniu deformacyjnym. Na podstawie obserwacji wykazano, że drgania sejsmiczne mogą aktywować mikroobieg cieczy bogatej w pierwiastki chemiczne, co może pozostawiać trwały sygnał geochemiczny w strukturze mineralnej osadu, w postaci nagromadzeń złota. Kwestia ta pozostaje otwarta i wymaga dalszych analiz. [A3] 10. Po raz pierwszy zwrócono uwagę na rolę warunków chemicznych środowiska, w szczególności odczynu (pH) i potencjału oksydacyjno-redukcyjnego (Eh) w procesie deformacji osadu i jego zapisie geochemicznym. W literaturze przedmiotu zagadnienie to było dotąd pomijane, a dominowały interpretacje oparte niemal wyłącznie na aspektach fizycznych, takich jak ciśnienie porowe, siła wstrząsu, czy tekstura osadu. Wyniki badań sugerują, że deformacje mechaniczne ziaren mogą być współkształtowane przez środowisko geochemiczne, w którym zachodzi upłynnienie. [A3] 11. Zaproponowane w pracy podejście, łączące analizy terenowe, eksperymenty i badania mikroskopowe, umożliwiło nie tylko skuteczne rozpoznanie struktur deformacyjnych, ale również ocenę charakteru procesów odpowiedzialnych za ich powstanie. Jest to szczególnie istotne w kontekście badań paleosejsmologicznych i rekonstrukcji zdarzeń z przeszłości, zwłaszcza w obszarach o niskiej aktywności sejsmicznej. [A1-A3] 12. Wyniki, na podstawie przeprowadzonych eksperymentów, wskazują na możliwość wywołania procesu upłynnienia w osadach drobnoziarnistych przy magnitudzie ~3,5, stawiają pod znakiem zapytania dotychczasowe założenia leżące u podstaw map ryzyka sejsmicznego i hazardu sejsmicznego, szczególnie w regionach uznawanych dotychczas za obszary o niskiej aktywności sejsmicznej. Tradycyjne podejście zakładało, że istotne deformacje osadu mogą powstać dopiero przy trzęsieniach ziemi o magnitudzie ≥M4,2– 5,0. Tymczasem uzyskane, w efekcie przeprowadzonych badań laboratoryjnych, wyniki wskazują, że przy odpowiednim nawodnieniu i teksturze osadu, nawet słabe drgania sejsmiczne są wystarczające do zainicjowania procesu upłynnienia i powstania złożonych struktur deformacyjnych. Co więcej, szczegółowe badania nad cechami teksturalnymi osadów, w tym rola frakcji pylastej, jej proporcja do piasku i iłu ujawniają Struktury deformacyjne powstałe w efekcie upłynnienia osadu – podejście doświadczalne 26 nowe kryteria predykcyjne, które mogą zostać wykorzystane do aktualizacji modeli ryzyka związanego z upłynnieniem, zarówno w kontekście paleosejsmologicznym, jak i inżynierskim. Wyniki te mają bezpośrednie znaczenie dla planowania inwestycji infrastrukturalnych, modelowania zagrożeń oraz oceny stabilności osadów w obszarach dotąd niedoszacowanych sejsmicznie. [A1-A3] Struktury deformacyjne powstałe w efekcie upłynnienia osadu – podejście doświadczalne 27 Spis literatury Allen, J.R.L. (1977). The possible mechanics of convolute lamination in graded sand beds. Journal Geology of Society, 134, 19–31. https://doi.org/10.1144/gsjgs.134.1.0019. Allen, J.R.L. (1982). Developments in Sedimentology. Sedimentary structures, their character and physical basis. (Vol. 30A). Elsevier Scientific Publishing Company. Ambraseys, N.N. (1988). Engineering seismology: Part I. Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 17, 1–105. https://doi.org/10.1002/eqe.4290170101. Andrews, C.A.D. & Martin, G.R. (2000). Criteria for liquefaction of silty soils. Paper presented at 12th World Conference on Earthquake Engineering, Auckland, New Zealand. Arias, A. (1970). A measure of earthquake intensity. W: Seismic Design for Nuclear Power Plants. (Ed Hansen, Robert J.). Cambridge, Mass. Massachusetts Inst. of Tech. Press, 438–483. Belzyt, S. & Pisarska-Jamroży, M. (2017). W jaki sposób badać sejsmity? Przegląd metod badawczych. Acta Geographica Lodziensia, 106, 171–180. Belzyt, S., Pisarska-Jamroży, M., Bitinas, A., Woronko, B., Phillips, E. R., Piotrowski, J. A. & Jusienė, A. (2021). Repetitive Late Pleistocene soft-sediment deformation by seismicity-induced liquefaction in north-western Lithuania. Sedimentology, 68(7), 3033–3056. https://doi.org/10.1111/sed.12883. Bielański, A. (2002). Podstawy chemii nieorganicznej. Tom I. Polskie Wydawnictwo Naukowe PWN. 1-546. Bielański, A. (2004). Podstawy chemii nieorganicznej. Tom II. Polskie Wydawnictwo Naukowe PWN. 1-520. Brandes, C. & Winsemann, J. (2013). Soft-sediment deformation structures in NW Germany caused by Late Pleistocene seismicity. International Journal of Earth Sciences, 102(8), 2255–2274. http://dx.doi.org/10.1007/s00531-013-0914-4. Bronikowska, M., Pisarska-Jamroży, M. & Van Loon, A.J. (2021). First attempt to model numerically seismically-induced soft-sediment deformation structures – a comparison with field examples. Geological Quarterly, 65(4), 60. http://dx.doi.org/10.7306/gq.1629. Campbell, C.S. (2003). Rapid granular flows. Annual Review of Fluid Mechanics, 22(1), 57– 90. http://dx.doi.org/10.1146/annurev.fl.22.010190.000421. Castilla, R.A. & Audemard, F.A. (2007). Sand blows as a potential tool for magnitude estimation of pre-instrumental earthquakes. Journal of Seismology, 11, 473–487. https://doi.org/10.1007/s10950-007-9065-z. Chang, W.J. & Hong, M.L. (2008). Effects of clay content on liquefaction characteristics of gap-graded clayey sand. Soils and Foundations, 48, 1, 101–114. Cui, M., Peng, N., Liu, Y., Wang, Z., Li, C., Xu, K. & Kuang, H. (2022). Recognizing deformation origins: a review of deformation structures and hypothesis on the perspective of sediment consolidation. International Geology Review, 65(9), 1500– 1523. https://doi.org/10.1080/00206814.2022.2094840. https://doi.org/10.1144/gsjgs.134.1.0019 https://doi.org/10.1002/eqe.4290170101 https://doi.org/10.1111/sed.12883 http://dx.doi.org/10.1007/s00531-013-0914-4 http://dx.doi.org/10.7306/gq.1629 http://dx.doi.org/10.1146/annurev.fl.22.010190.000421 https://doi.org/10.1007/s10950-007-9065-z https://doi.org/10.1080/00206814.2022.2094840 Struktury deformacyjne powstałe w efekcie upłynnienia osadu – podejście doświadczalne 28 Davies, N., Turner, P. & Sansom, I.J. (2004). Soft-sediment deformation structures in the Late Silurian Stubdal Formation: the result of seismic triggering. Norwegian Journal of Geology, 85(3), 233–243. Doe, T. W. & Dott, R.H.Jr. (1980). Genetic significance of deformed cross bedding; with examples from the Navajo and Weber sandstones of Utah. Journal of Sedimentary Petrology, 50(3), 793–812. https://doi.org/10.1306/212F7AEF-2B24-11D7- 8648000102C1865D. Einsele, G., Chough, S.K. & Shiki, T. (1996). Depositional events and their records - an introduction. Sedimentary Geology, 104, 1-4, 1–9. Figueroa, J.L., Saada, A.S. & Liang, L. (1995). Effect of the grain size on the energy per unit volume at the onset of liquefaction. Paper presented at 3rd International Conference on Recent Advances in Geotechnical Earthquake Engineering and Soil Dynamics. St. Louis, Missouri. Galli, P. (2000). New empirical relationships between magnitude and distance for liquefaction. Tectonophysics, 324(3), 169–187. https://doi.org/10.1016/S0040-1951(00)00118-9. Gill, W.D. & Kuenen, P.H. (1958). Sand volcanoes on slumps in the Carboniferous of County Clare. Quarterly Journal of the Geological Society, 113(1-4), 441–460. Hannich, D., Hoetzl, H. & Ehret, D. (2007). Liquefaction probability in Bucharest and influencing factors. Proceedings, International Symposium on Strong Vrancea earthquake and Ris Mitigation, Bucharest, Romania, 4(6), 205–222. He, B. & Qiao, X. (2015). Advances and overview of the study on paleo-earthquake events: a review of seismite. Acta Geologica Sinica, 89, 1702–1746. He, B., Qiao, X., Li, H. & Su, D. (2018). Soft sediment deformation structures triggered by the earthquakes: response to the high frequent tectonic events during the main tectonic movements. W: E. Sharkov (Eds.), Tectonics – Problems of Regional Settings. IntechOpen. http://dx/doi/org/10.5772/intechopen.72941. Hilbert-Wolf, H.L., Simpson, E.L., Simpson, W.S., Tindall, S.E. & Wizevich, M.C. (2009). Insights into syndepositional fault movement in a foreland basin; trends in seismites of Upper Cretaceous Wahweap Formation, Kaiparowits Basin, Utah, USA. Basin Research, 21, 856–871. https://doi.org/10.1111/j.1365-2117.2009.00398.x. Liang, L., Dai, F., Jiang, H. & Zhong N. (2018). A preliminary study on the soft-sediment deformation structures in the Late Quaternary lacustrine sediments at Tashkorgan, northeastern Pamir. Acta Geologica Sinica, 92(4), 1574–1591. https://doi.org/10.1111/1755-6724.13644. Liang, L., Lu, Z., Zhang, Q., Tian, H., Dai, F. & Jiang, H. (2024). Shaking table simulation of soft sediment deformation structures in lacustrine sediments. Sedimentary Geology, 472, 106756. https://doi.org/10.1016/j.sedgeo.2024.106756. Lowe, D.R. (1976). Subaqueous liquefied and fluidised sediment flows and their deposits. Sedimentology, 23(2), 285–308. https://doi.org/10.1111/j.1365-3091.1976.tb00051.x. https://doi.org/10.1306/212F7AEF-2B24-11D7-8648000102C1865D https://doi.org/10.1306/212F7AEF-2B24-11D7-8648000102C1865D https://doi.org/10.1016/S0040-1951(00)00118-9 http://dx/doi/org/10.5772/intechopen.72941 https://doi.org/10.1111/1755-6724.13644 https://doi.org/10.1016/j.sedgeo.2024.106756 https://doi.org/10.1111/j.1365-3091.1976.tb00051.x Struktury deformacyjne powstałe w efekcie upłynnienia osadu – podejście doświadczalne 29 Maltman, A.J. & Bolton, A. (2003). How sediments become mobilized. W: P. van Rensbergen, R.R. Hillis, A.J. Maltman & C.K. Morley (Eds.), Subsurface Sediment Mobilization (pp. 9–20). London, Geological Society Special Publications. (Vol. 216). https://doi.org/10.1144/GSL.SP.2003.216.01.02. McCalpin, J.P., Ferrario, F., Figueiredo, P., Livio, F., Grützner, C., Pisarska-Jamroży, M., Quigley, M., Reicherter, K., Rockwell, T., Štěpančíková, P. & Táboříki, P. (2023). New developments in onshore paleoseismic methods, and their impact on Quaternary tectonic studies. Quaternary International, 664, 59–76. https://doi.org/10.1016/j.quaint.2023.03.008. Monkul, M.M. (2012). On some of the factors influencing the fines’ role on liquefaction of silty sands. Proceedings, GeoCongress 2012 State of the Art and Practice in Georechnical Engineering, Oakland, 799–808. Moretti, M., Alfaro, P., Caselles, O. & Canas, J.A. (1999). Modelling seismites with a digital shaking table. Tectonophysics, 304, 369–383. https://doi.org/10.1016/S0040- 1951(98)00289-3. Moretti, M., Van Loon, A.J., Liu, M. & Wang, Y. (2014). Restrictions to the application of ‘diagnostic’ criteria for recognizing ancient seismite. Journal of Palaeogeography, 3, 162–173. https://doi.org/10.3724/SP.J.1261.2014.00050. Müller, K., Winsemann, J., Pisarska-Jamroży, M., Lege, T., Spies, T. & Brandes, C. (2020). Limitations of soft-sediment deformation structures as indicators for paleo-earthquakes in formerly periglacial and glaciated areas. Paper presented at EGU General Assembly 2020. Nartišs, M., Woronko, B., Pisarska-Jamroży, M., Belzyt, S. & Bitinas, A. (2018). Injection structures and load casts in lagoon sediments (Sārnate outcrop, W Latvia). Paper presented at International Palaeoseismological Field Workshop, Lithuanian Geological Survey, Lithuanian Geological Society, Vilnius, Lithuania. Nichols, R.J., Sparks, R.S.J. & Wilson, C.J.N. (1994). Experimental studies of the fluidization of layered sediments and the formation of fluid escapes structures. Sedimentology, 41(2), 233–253. https://doi.org/10.1111/j.1365-3091.1994.tb01403.x. Obermeier, S. (1996). Use of liquefaction-induced features for paleoseismic analysis – An overview of how seismic liquefaction features can be distinguished from other features and how their regional distribution and properties of source sediment can be used to infer the location and strength of Holocene paleo-earthquakes. Engineering Geology, 44(1–4), 1–76. https://doi.org/10.1016/S0013-7952(96)00040-3. Obermeier, S., Jacobson, R.B., Smoot, J.P., Weems, R.E., Gohn, G.S., Monroe, J.E. & Powars, D.S. (1990). Earthquake-induced liquefaction features in the coastal setting of South Carolina and in the fluvial setting of the New Madrid seismic zone. US Geological Survey Professional Papers, 1504, 44. Othman, B.A. & Marto, A. (2019). Laboratory test on maximum and minimum void ratio of tropical sand matrix soils. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 140(1), 012084. https://doi.org/10.1088/1755-1315/140/1/012084. https://doi.org/10.1144/GSL.SP.2003.216.01.02 https://doi.org/10.1016/j.quaint.2023.03.008 https://doi.org/10.3724/SP.J.1261.2014.00050 https://doi.org/10.1111/j.1365-3091.1994.tb01403.x https://doi.org/10.1016/S0013-7952(96)00040-3 https://doi.org/10.1088/1755-1315/140/1/012084 Struktury deformacyjne powstałe w efekcie upłynnienia osadu – podejście doświadczalne 30 Othman, B.A., Marto, A., Yunus, N.Z.M., Soon, C.T. & Pakir, F. (2019). The grading effect of coarse sand on consolidated undrained strength behaviour of sand matrix soils. International Journal of Recent Technology and Engineering, 7(5), 88–92. Owen, G. (1985). Mechanisms and controls of deformation in unconsolidated sands: an experimental approach. Unpublished PhD thesis, University of Reading. Owen, G. (1996). Experimental soft-sediment deformation: structures formed by the liquefaction of unconsolidated sands and some ancient examples. Sedimentology, 43(2), 279–293. https://doi.org/10.1046/j.1365-3091.1996.d01-5.x. Owen, G. (2003). Load structures: gravity-driven sediment mobilization in the shallow subsurface. W: P. van Rensbergen, R.R. Hillis, A.J. Maltman & C.K. Morley (Eds.), Subsurface Sediment Mobilization (pp. 21–34). London, Geological Society Special Publications. (Vol. 216). https://doi.org/10.1144/GSL.SP.2003.216.01.03. Owen, G. & Moretti, M. (2011). Identyfying triggers for liquefaction-induced soft-sediment deformation in sands. Sedimentary Geology, 235(3–4), 141–147. https://doi.org/10.1016/j.sedgeo.2010.10.003. Papadopoulos, G.A. & Lefkopoulos, G. (1993). Magnitude–distance relations for liquefaction in soil from earthquakes. Bulletin of the Seismological Society of America, 83, 925– 938. https://doi.org/10.1785/BSSA0830030925. Park, S.S. & Kim, Y.S. (2013). Liquefaction resistance of sands containing plastic fines with different plasticity. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, 139(5), 825–830. Pisarska-Jamroży, M. & Woźniak, P.P. (2019). Debris flow and glacioisostatic-induced soft- sediment deformation structures in a Pleistocene glaciolacustrine fan: The southern Baltic Sea coast, Poland. Geomorphology, 326, 225–238. Pisarska-Jamroży, M., Belzyt, S., Bitinas, A., Jusienė, A. & Woronko B. (2019a). Seismic shocks, periglacial conditions and glaciotectonics as causes of the deformation of a Pleistocene meandering river succession in central Lithuania. Baltica, 32(1), 63–77. http://dx.doi.org/10.5200/baltica.2019.1.6. Pisarska-Jamroży, M., Belzyt, S., Bitinas, A., Jusienė, A., Damušytė, A. & Woronko, B. (2018). A glaciolacustrine succession (Dyburiai outcrop, NW Lithuania) with numerous deformed layers sandwiched between undeformed layers. Paper presented at International Palaeoseismological Field Workshop, Lithuanian Geological Survey, Lithuanian Geological Society, Vilnius, Lithuania. Pisarska-Jamroży, M., Belzyt, S., Börner, A., Hoffmann, G., Hüneke, H., Kenzler, M., Obst, K., Rother, H., Steffen, H., Steffen, R. & Van Loon, A.J. (2019b). The sea cliff at Dwasieden: soft-sediment deformation structures triggered by glacial isostatic adjustment in front of the advancing Scandinavian Ice Sheet. DEUQUA Special Publications, 2, 61–67. https://doi.org/10.5194/deuquasp-2-61-2019. Pisarska-Jamroży, M., Belzyt, S., Börner, A., Hoffmann, G., Kenzler, M., Rother, H., Steffen, R. & Steffen, H. (2022). Late Pleistocene earthquakes imprinted on glaciolacustrine https://doi.org/10.1046/j.1365-3091.1996.d01-5.x https://doi.org/10.1144/GSL.SP.2003.216.01.03 https://doi.org/10.1016/j.sedgeo.2010.10.003 https://doi.org/10.1785/BSSA0830030925 http://dx.doi.org/10.5200/baltica.2019.1.6 https://doi.org/10.5194/deuquasp-2-61-2019 Struktury deformacyjne powstałe w efekcie upłynnienia osadu – podejście doświadczalne 31 sediments on Gnitz Peninsula (Usedom Island, NE Germany). Quaternary Science Reviews, 296, 107807. https://doi.org/10.1016/j.quascirev.2022.107807. van Rensbergen P., Hillis, R.R. Maltman, A.J. & Morley C.K. (2003). Subsurface Sediment Mobilization (pp. 9–20). London, Geological Society Special Publications. (Vol. 216). https://doi.org/10.1144/GSL.SP.2003.216.01.02. Seed, H.B. (1979). Soil liquefaction and cyclic mobility evaluation for level ground during earthquakes. Journal of the Geotechnical Engineering Division, 105(2), 201–255. https://doi.org/10.1061/AJGEB6.0000768. Seed, H.B., Woodward, R.J. & Lundgren, R. (1964). Fundamental aspects of the Atterberg limits. Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, 90(6), 75–105. https://doi.org/10.1061/JSFEAQ.0000685. Seilacher, A. (1969). Fault-graded beds interpreted as seismites. Sedimentology, 13, 155–159. Selley, R.C. (1969). Torridonian alluvium and quicksands. Scottish. Journal of Geology, 5, 328– 346. Sims, J.D. (2013). Earthquake-induced load casts, pseudonodules, ball-and-pillow structures, and convolute lamination: Additional deformation structures for paleoseismic studies. In: Recent advances in North American paleoseismology and neotectonics East of the Rockies (Eds. R.T. Cox, M.P. Tuttle, O.S. Boyd and J. Locat). Geological Society of America Special Papers, 493, 191–201. https://doi.org/10.1130/2012.2493(09). Stewart, H.B. (1958). Sedimentary reflections of depositional environments in San Miguel Lagoon, Baja California, Mexico. AAPG Bulletin, 42(11), 2567–2618. Świątek, S. & Pisarska-Jamroży, M. (2025). Seismogenic liquefaction with M~3.5 in fine- grained sediments: An experimental approach. Sedimentary Geology, 478, 106833. https://doi.org/10.1016/j.sedgeo.2025.106833. Świątek, S., Belzyt S., Pisarska-Jamroży, M. & Woronko, B. (2023). Sedimentary records of liquefaction: implications from field studies. Journal of Geophysical Research: Earth Surface, 128, e2023JF007152. https://doi.org/10.1029/2023JF007152. Świątek, S., Lewińska, K., Pisarska-Jamroży, M. & Günter, C. (2025). An application of quartz grain analyses in earthquake-induced (palaeo)liquefaction studies. Journal of Structural Geology, 193, 105357. https://doi.org/10.1016/j.jsg.2025.105357. Świątek, S., Lewińska, K., Pisarska-Jamroży, M. & Günter, C. w recenzji. Springer Nature. Tang, X.W., Hu, J.L. & Qiu, J.N. (2016). Identifying significant influence factors of seismic soil liquefaction and analyzing their structural relationship. Journal of Civil Engineering, 20, 2655–2663. http://dx.doi.org/10.1007/s12205-016-0339-2. Tuttle, M., Law, K.T., Seeber, L. & Jacob, K. (1990). Liquefaction and ground failure induced by the 1988 Saguenay, Quebec, earthquake. Canadian Geotechnical Journal, 27(5), 580– 589. https://doi.org/10.1139/t90-073. Umehara, Y. (1985). Evaluation of soil liquefaction potentials in partially drained conditions. Soils and Foundations, 25(2), 57-72. https://doi.org/10.1016/j.quascirev.2022.107807 https://doi.org/10.1144/GSL.SP.2003.216.01.02 https://doi.org/10.1061/AJGEB6.0000768 https://doi.org/10.1061/JSFEAQ.0000685 https://doi.org/10.1130/2012.2493(09) https://doi.org/10.1016/j.sedgeo.2025.106833 https://doi.org/10.1029/2023JF007152 https://doi.org/10.1016/j.jsg.2025.105357 http://dx.doi.org/10.1007/s12205-016-0339-2 https://doi.org/10.1139/t90-073 Struktury deformacyjne powstałe w efekcie upłynnienia osadu – podejście doświadczalne 32 Van Loon, A.J., Pisarska-Jamroży, M. (2014). Sedimentological evidence of Pleistocene earthquakes in NW Poland induced by glacioisostatic rebound. Sedimentary Geology, 300(1), 1–10. https://doi.org/10.1016/j.sedgeo.2013.11.006. Van Loon, A.J., Pisarska-Jamroży, M. & Woronko, B. (2020). Sedimentological distinction in glacigenic sediments between load casts induced by periglacial processes from those induced by seismic shocks. Geological Quarterly, 64(3), 626–640. http://dx.doi.org/10.7306/gq.1546. Van Loon, A.J., Pisarska-Jamroży, M., Nartišs, M., Krievāns, M. & Soms, J. (2016). Seismites resulting from high‑frequency, high‑magnitude earthquakes in Latvia caused by Late Glacial glacio‑isostatic uplift. Journal of Palaeogeography, 5(4), 363–380. https://doi.org/10.1016/j.jop.2016.05.002. Van Loon, A.J. (2009). Soft-sediment deformation structures in siliciclastic sediments: and overview. Geologos, 15, 3–55. Wahyudi, S., Koseki, J., Sato, T. & Miyashita, Y. (2013). Effects of pre-shearing history on repeated liquefaction behaviour of sand using stacked-ring shear apparatus. Bulletin of ERS, 46, 3–11. Wang, W.S. (1979). Some findings in soil liquefaction. Earthquake Engineering Department, Water Conservancy and Hydroelectric Power Scientific Research Institute, Beijing, China. Woronko, B., Pisarska-Jamroży, M., Belzyt, S., Karmazienė, D., Bitinas, A. & Damušytė, A. (2018). Multi-type soft-sediment deformation structures in glaciolacustrine kame sediments (Liciškėnai outcrop, S Lithuania). Paper presented at International Palaeoseismological Field Workshop, Lithuanian Geological Survey, Lithuanian Geological Society, Vilnius, Lithuania. Woźniak, P.P., Belzyt, S., Pisarska-Jamroży, M., Woronko, B., Lamsters, K., Nartišs, M. & Bitinas, A. (2021). Liquefaction and re-liquefaction of sediments induced by uneven loading and glacigenic earthquakes: implications of results from the Latvian Baltic Sea coast. Sedimentary Geology, 421, 105944. https://doi.org/10.1016/j.sedgeo.2021.105944. Youd, T.L. (1978). Packing changes and liquefaction susceptibility. Journal of the Geotechnical Engineering Division, 103(8), 918–922. https://doi.org/10.1061/AJGEB6.0000478. Youd, T.L. & Perkins, D.M. (1973). Mapping liquefaction-induced ground failure potential. Journal of the Geotechnical Engineering Division, 104(4), 433–446. http://dx.doi.org/10.1061/AJGEB6.0000612. Youd, T.L. & Idriss, I.M. (2011). Liquefaction resistance of soils: summary report from the 1996 NCEER and 1998 NCEER/NSF workshops on evaluation of liquefaction resistance of soils. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 127(4), 297–313. Zhang, J.M. & Wang, W.X. (1990). Effect of vibration frequency on dynamic behavior of saturated sand (in Chinese). Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 12, 89–97. https://doi.org/10.1016/j.sedgeo.2013.11.006 http://dx.doi.org/10.7306/gq.1546 https://doi.org/10.1016/j.jop.2016.05.002 https://doi.org/10.1016/j.sedgeo.2021.105944 https://doi.org/10.1061/AJGEB6.0000478 http://dx.doi.org/10.1061/AJGEB6.0000612 Struktury deformacyjne powstałe w efekcie upłynnienia osadu – podejście doświadczalne 33 Zhong, N., Jiang, H., Li, H., Su, D., Xu, H., Liang, L. & Fan, J. (2022). The potential of using soft‑sediment deformation structures for quantitatively reconstructing paleo‑seismic shaking intensity: progress and prospect. Environmental Earth Sciences, 81(408). https://doi.org/10.1007/s12665-022-10504-8. Zhou, S.G. (1981). Influence of fines on evaluating liquefaction of sand by CPT. Paper presented at 1st International Conference on Recent Advances in Geotechnical Earthquake Engineering and Soil Dynamics. St. Louis, Missouri. https://doi.org/10.1007/s12665-022-10504-8 Struktury deformacyjne powstałe w efekcie upłynnienia osadu – podejście doświadczalne 34 Finansowanie badań Badania wchodzące w zakres rozprawy doktorskiej sfinansowano przez: 1. Narodowe Centrum Nauki w Polsce, o grant GREBAL nr 2015/19/B/ST10/0061 (kierownik: prof. dr hab. Małgorzata Pisarska-Jamroży) [A1] o grant nr 2019/35/N/ST10/03401 (kierownik: dr Szymon Belzyt) [A1] o grant nr 2023/49/N/ST10/00282 (kierownik: mgr Szymon Świątek) [A3] 2. Inicjatywa Doskonałości – Uczelnia Badawcza Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, o wniosek nr 021/13/UAM/0040 (kierownik: mgr Szymon Świątek) [A2] o wniosek nr 054/13/SNP/0001 (kierownik: mgr Szymon Świątek) [A2 oraz A3] o wniosek nr 133/13/UAM/0044 (kierownik: mgr Szymon Świątek) [A3] 3. International Association of Sedimentologists, [A2 oraz A3] 4. Środki statutowe Wydziału Nauk Geograficznych i Geologicznych, 5. Środki prywatne. Prezentacja wyników badań Wyniki badań w ramach rozprawy doktorskiej były prezentowane podczas: 1. Świątek, S., Belzyt, S., Pisarska-Jamroży, M., 2022 – Sediments prone to liquefaction – implications from field studies: review. 5th WGSG Meeting, 28-30.06.2022, Mediolan. [A1] 2. Świątek, S., Pisarska-Jamroży, M., 2023 – Soft-sediment deformation structures – development in laboratory conditions. 36th IAS Meeting of Sedimentologists, 12- 16.06.2023, Dubrovnik. [A2] 3. Belzyt, S., Świątek, S., Pisarska-Jamroży, M., Woronko, B., 2023 – Jakie osady ulegają upłynnieniu? Cechy teksturalne osadów upłynnionych na podstawie przykładów terenowych. POKOS 8, 05-07.09.2023, Chęciny. [A1] 4. Świątek, S., Lewińska, K., Pisarska-Jamroży, M., 2024 – Wpływ warunków redukcyjno-oksydacyjnych na powstanie i rozwój struktur deformacyjnych powstałych w wyniku upłynnienia osadu – wstępne wyniki badań eksperymentalnych. IV Polski Kongres Geologiczny, 10-14.06.2024, Poznań. [A3] 5. Świątek, S., Belzyt, S., Pisarska-Jamroży, M., Woronko, B., 2024 – Which sediments are most prone for liquefaction? Textural characteristics of liquefied sediments based on field studies. 37th IAS Meeting of Sedimentologists, 25-27.06.2024, Aberdeen. [A1] 6. Świątek, S., Pisarska-Jamroży, M., 2024 – Earthquake’s sedimentological evidence – experimental approach as key to better understanding seismically-induced liquefaction phenomenon. 6th WGSG Meeting, 02-04.07.2024, Londyn. [A2] 7. Świątek, S., Lewińska, K., Pisarska-Jamroży, M., Günter, C., 2025 – Seismically- induced quartz grain alterations as indicators of past earthquake events. European Geoscience Union General Assembly, 27.04-02.05.2025, Wiedeń. [A3] Struktury deformacyjne powstałe w efekcie upłynnienia osadu – podejście doświadczalne 35 Oświadczenia Autorów oraz kopie artykułów naukowych wchodzących w skład rozprawy doktorskiej 1.  Introduction Some geological processes can lead to temporary or permanent changes in sediment fabrics. Unconsolidated sediments are particularly susceptible to mobilization because pore pressure can increase relatively easily in them, which results in the loss of inter-grain contacts and mobilization of the grains (Maltman & Bolton, 2003; Seed, 1979; Van Rensbergen et al., 2003). Grain mobilization arises when the driving forces have got sufficient energy to set grains in motion. The potential energy can be released by several trigger mechanisms. Their exist- ence causes the increase of stresses and lithostatic loading and, consequently, liquefaction and fluidization of sediments (He et al., 2018; Maltman & Bolton, 2003; Owen & Moretti, 2011; Youd, 1973; Zhong et al., 2022). The possible trigger mechanisms are among others wave action, storms, turbulent movements in water, tsunamis, Abstract  The susceptibility of grains in sediment to the liquefaction process causes the development of deformation structures. Some sediments undergo liquefaction, others do not. There is a group of sediments especially prone to liquefaction, which was proven during laboratory experiments. However, the field results are often slightly different from those obtained experimentally because of many unpredictable factors influencing the course of the liquefaction process. For this reason, we tested 144 samples of unconsolidated Quaternary-age sediments, collected from eight study sites in Germany, Lithuania and Latvia, which have been liquefied. We also present some new dating results. These samples were divided into two groups of soft-sediment deformation structures: concave up (e.g., injection structures) and concave down (e.g., load casts, pseudonodules). The granulometry of all deformation types was statistically evaluated, which allowed identifying textural differences between sediment contained in concave up and concave down structures. We suggest that the mobilization of silt fraction is responsible for the further deforming process. We also confirm that the maximum content of clay in sediment prone to liquefaction cannot exceed 14%, but only with a significant content of coarser fractions (silt and sand). Moreover, we identified two separate zones of the specific grain size in which only concave down structures or only concave up structures develop as an effect of liquefaction, and the third “transitional zone” where all forms occur. The “transitional zone” is separated from the concave up structures and concave down structures zones by two “gap zones” in which no liquefied sediments were observed. Plain Language Summary  Liquefaction is a process of temporary loss of shear strength of water-saturated sediments, during which the solid-state sediment behaves like a plastic mass or a viscous solid. It can be triggered in natural conditions by numerous factors, including waving, rapid sedimentation, earthquakes and the fall of meteorites. Sandy silt and silty sand are commonly known as the most liquefaction-prone sediments, but the specific granulometric features are still insufficiently characterized. We analyzed 144 samples of unconsolidated Quaternary-age sediments deposited in lacustrine, shallow marine and fluvial environments, which were liquefied. We divided all liquefaction-induced soft-sediment deformation structures into active and passive concave up (e.g., injection structures) and active and passive concave down (e.g., load structures). As a result of statistical tests, provided for each group separately, we observed that the silt content is the main factor for sediment deformation processes initiating the further development of all deformation structures. On the basis of grain-size composition of liquefied sediments, we also identified two separate zones for which only concave down structures or only concave up structures develop as an effect of liquefaction, and the third “transitional zone” where all forms occur. These zones are separated by two “gap zones,” where no liquefied sediments were observed. ŚWIĄTEK ET AL. © 2023. The Authors. This is an open access article under the terms of the Creative Commons Attribution License, which permits use, distribution and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Sedimentary Records of Liquefaction: Implications From Field Studies Szymon Świątek1  , Szymon Belzyt2  , Małgorzata Pisarska-Jamroży1  , and Barbara Woronko3  1Faculty of Geographical and Geological Sciences, Institute of Geology, Adam Mickiewicz University in Poznań, Poznań, Poland, 2Faculty of Earth Sciences and Spatial Management, Nicolaus Copernicus University in Toruń, Toruń, Poland, 3Faculty of Geology, University of Warsaw, Warsaw, Poland Key Points: • �Liquefaction-induced soft-sediment deformation structures were divided into active and passive concave up structures and active and passive concave down structures • �Content of silt is the main factor for deformation processes initiating the further development of all deformation structures • �Concave up structures zone, concave down structures zone and transitional zone were distinguished on the basis of grain-size composition of liquefied sediments Correspondence to: S. Świątek, szymon.swiatek@amu.edu.pl Citation: Świątek, S., Belzyt, S., Pisarska-Jamroży, M., & Woronko, B. (2023). Sedimentary records of liquefaction: Implications from field studies. Journal of Geophysical Research: Earth Surface, 128, e2023JF007152. https://doi. org/10.1029/2023JF007152 Received 6 MAR 2023 Accepted 16 JUL 2023 10.1029/2023JF007152 Special Section: Controls and Biasing Factors in Sediment Generation, Routing, and Provenance: Models, Meth- ods, and Case Studies RESEARCH ARTICLE 1 of 22 http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ https://orcid.org/0000-0002-4833-8743 https://orcid.org/0000-0002-1633-4035 https://orcid.org/0000-0001-5878-5662 https://orcid.org/0000-0002-2763-5650 https://doi.org/10.1029/2023JF007152 https://doi.org/10.1029/2023JF007152 http://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/toc/10.1002/(ISSN)2169-9011.SEDGEN http://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/toc/10.1002/(ISSN)2169-9011.SEDGEN http://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/toc/10.1002/(ISSN)2169-9011.SEDGEN http://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/toc/10.1002/(ISSN)2169-9011.SEDGEN http://crossmark.crossref.org/dialog/?doi=10.1029%2F2023JF007152&domain=pdf&date_stamp=2023-08-09 Journal of Geophysical Research: Earth Surface ŚWIĄTEK ET AL. 10.1029/2023JF007152 2 of 22 tidal shear, rapid sedimentation, periglacial processes related to the thawing of permafrost, earthquakes and the fall of meteorites (e.g., Allen, 1982; Vandenberghe, 2013; Van Loon et al., 2019). In natural conditions, liquefaction and fluidization occur together and are known as liquidization. The fluidiza- tion occurs when a sufficiently vigorous upward flow of pore fluid flows through the porous medium, thereby counteracting their weight and reducing enough their strength to deform sediment (cf. Allen,  1977,  1982; Campbell, 2003; Davies et al., 2004; Nichols et al., 1994; Owen, 2003). Water-saturation, overpressure or insuf- ficient compaction are required for a liquidization of sediments (Allen, 1982; Owen, 2003). The most important factors controlling both the liquefaction and fluidization are the hydraulic gradient, permeability, and resistance to deformation (Brandes & Winsemann, 2013; Lowe, 1976). The liquefaction is known as a temporary loss of shear strength (Brandes & Winsemann, 2013; Müller et al., 2020; Owen & Moretti, 2011; Wahyudi et al., 2013). This phenomenon occurs when the sediment weight is transferred into the pore fluid because of the loss of cohesion, repacking of loose sediment, loading of overlying layers, or a rapid and sudden increase of fluid pressure in the pores (Galli, 2000; Maltman & Bolton, 2003; Seed, 1979). The sediment with the pore water behaves rheologically like a plastic mass (Van Loon et al., 2020) or a viscous solid (e.g., Allen, 1982; Owen & Moretti, 2011). The shear strength depends on the resistance of strength, which is a linear function of cohesion, inter-grain friction force, and effective stress (Allen, 1982). The liquefaction can be (a) complete, that is, all inter-grain contacts are lost and the primary sediment structure is interrupted or (b) partial, that is, some inter-grain contacts are preserved causing a partially disturbed primary structure (Doe & Dott, 1980). After liquefaction, the driving force is terminated, and the inter-grain contacts are restored (Campbell, 2003). The duration of the liquefaction phenomenon is a function of the grain size, which determines the velocity of particle deposition and the thickness of the liquefied layer (Allen, 1982; Owen, 2003). However, it is estimated that it does not last longer than several to a dozen seconds (Owen, 2003). Liquefaction traces in sediments were noted up to the maximum depth of 10  m, but most often not deeper than 2  m (Bronikowska et  al.,  2021; Davies et  al.,  2004; Obermeier,  1996). Sediments closer to the surface have a greater potential for mobilization and plastic deformation (Maltman & Bolton, 2003; Youd, 1978). The critical deformation state increases with depth, which reduces the susceptibility of liquefaction. According to Wang (1979) and Seed et al. (1983), the water limit in sediments that undergo liquefaction is higher than 90%. One of the main factors that control the style of deformation and the possibility of sediment liquefaction is grain size distribution of the potentially liquefied sediments and the surrounding sediments. Previous studies were focused on relatively “clean” sand, that is, without silt or clay (Andrews & Martin,  2000; Obermeier,  1996; Owen, 1996). Sediments with significant content of clay, causing cohesion, are claimed to be less prone to lique- faction. Commonly accepted maximum content of clay obtained on the basis of field examples and laboratory experiments in sediments, above which the liquefaction does not occur, reaches >10% (for clay particles <2 μm: Andrews & Martin, 2000; Figueroa et al., 1995; Kishida, 1970; Tuttle et al., 1990; Wang, 1979; Zhou, 1981) or >15% (for clay particles <5 μm: Wang, 1979). Coarser grains, for example, gravels, usually do not undergo liquefaction because they have a greater weight and they require a more powerful trigger mechanism; only in some special cases gravel can be liquefied, for example, as an effect of a strong earthquake or because of being entrained by the surrounding liquefied sand (e.g., Postma, 1983; Wang & Manga, 2021). Grain-size distribution of sediments affected by known, recent and ancient earthquakes suggests that the liquefaction occurs mainly in loosely packed, and suitably water-saturated coarse-grained silt, silty sand and fine-grained sand (Andrews & Martin, 2000; Obermeier, 1996; Owen, 2003). Maltman and Bolton (2003) and Collinson et al. (2019) conclude that the greater the porosity, permeability and sorting of the sediment, the greater the susceptibility of the sedi- ment to liquefaction. Here, we describe the statistically developed granulometric composition of Quaternary-age sediments, deposited in lacustrine, shallow marine and fluvial environments, which have been liquefied (Belzyt et al., 2021; Hoffmann & Reicherter,  2011; Nartišs et  al.,  2018; Pisarska-Jamroży et  al.,  2018,  2019a,  2022; Woronko et  al.,  2018; Woźniak et  al.,  2021). The primary porosity and structure of the sediments is unknown as well as primary water saturation. We particularly aim (a) to describe grain-size characteristics of liquefied sediments in loaded and injected sediments, (b) to show statistically significant differences and relationships in textural features of loaded and injected sediments, and (c) to determine any interdependencies of the share of each fraction of sedi- ments which the specific types of liquefaction-induced forms are composed of. We do not analyze the trigger mechanisms and their impact on the behavior of sediments during liquefaction, but the textural features of lique- fied sediments in the distinguished concave up structures and concave down structures. 21699011, 2023, 8, D ow nloaded from https://agupubs.onlinelibrary.w iley.com /doi/10.1029/2023JF007152, W iley O nline L ibrary on [08/10/2023]. See the T erm s and C onditions (https://onlinelibrary.w iley.com /term s-and-conditions) on W iley O nline L ibrary for rules of use; O A articles are governed by the applicable C reative C om m ons L icense Journal of Geophysical Research: Earth Surface ŚWIĄTEK ET AL. 10.1029/2023JF007152 3 of 22 2.  Geological Setting The study presents results of the grain-size analysis of the samples collected from eight study sites from three Baltic countries (Figure 1): Latvia (Sārnate and Baltmuiža), Lithuania (Slinkis, Dyburiai, Liciškėnai, Giržadai) and Germany (Weisser Berg and Dwasieden). The study sites (Figure 1) are located in the area south and east of the Baltic Sea that forms a part of the European Plains, which was overrode by the Fennoscandian Ice Sheet several times during the Pleistocene. The German sites are located within the West European Platform, while all the remaining sites are located in the East European Craton. The samples were collected from natural exposures of Quaternary deposits in the area south and east of the Baltic Sea coastline