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Sicence Advances:揭密气候与构造的相互作用
2019-06-13| 编辑: | 【 】【打印】【关闭

  自从MolnarEngland1990)提出,在地质时间尺度上,气候变化和构造活动是鸡,还是蛋”的问题以来,到底是气候变化”,还是构造活动”,主导着地表侵蚀和沉积物搬运?一直是地球科学一个热门课题。如何有效区分两者的作用更是一项艰巨的挑战。随后,RaymoRuddiman1992)提出活跃造山带的构造隆升会加快地表风化侵蚀,而张培震等(2001)则认为2-4 Ma以来全球不同区域加快的沉积物累积速率是气候变率加速的结果。近三十年来,气候变化与构造活动的争论就没有停止过。最近,Herman等(2013)通过热年代学提出,6百万年以来全球侵蚀速率的增加主要是气候变冷引起的,而2018Schildgen等在《Nature》杂志上发文,直接指出Herman等人的热年代学数据存在问题。这些争论的主要原因之一是晚新生代以来的风化剥蚀记录的研究主要集中于陆地和海洋沉积物的信息提取和解释,或流域尺度现代地表风化剥蚀速率的研究。长尺度构造事件伴随着水文和气候变化,很难分离单一构造作用对地表过程的影响,而短时间尺度河水化学变化也难以评估构造对剥蚀和风化的相对贡献量。那么,到底应该如何着手解决这样的争论呢?对此,最直接的解决方法是开展单一构造事件(如地震)前后地表剥蚀和沉积作用的对比研究。然而,以往的研究由于缺乏可靠的年代标尺和可利用的水文气象数据,从未有效评价在单个构造事件中的气候到底起到多大的作用。中国科学院地球环境研究所金章东研究员领衔的研究团队,对2008年汶川特大地震这一极端构造事件前后侵蚀和沉积过程开展了持续的合作研究,为解开“气候-构造”的相互作用之“谜团”提供了新的线索和视角。 

  2009年以来,由中国科学院地球环境研究所、南加州大学、杜伦大学、澳大利亚国立大学和台湾成功大学等科研人员组成的国际研究团队,通过对2008年汶川特大地震产生的滑坡和岷江流域河流悬浮物的长期监测和系统研究发现,龙门山地区长时间尺度上的剥蚀速率和通量主要受控于地震产生的滑坡物质,而滑坡物质搬运出在流域的时间,则不但取决于流域内滑坡数量,还与每年受季风控制的高强度的径流天数紧密相关。为了深入认识气候和构造在沉积过程中的相对作用,该研究团队利用紫坪铺水库沉积序列,进一步开展了2008年汶川地震前后气候和构造对滑坡物质的搬运和沉积过程制约的研究。 

  紫坪铺水库从2001年开始修建,2004年开始蓄水发电,其位置在岷江流出龙门山进入四川盆地的山前地段,刚好位于2008年汶川特大地震震中的下游,因此该水库能很好地保存汶川地震前后搬运的流域沉积物,其指纹信息为对比地震前后地表物质的剥蚀和搬运提供了绝佳的机会。该团队的张飞博士带领团队成员于20169-10月在紫坪铺水库奋战一个多月,在水深达103米的水库获得了多支高质量的沉积物岩心,累积长度达50多米,每支岩心都达到了蓄水前的河床沙砾,取心率达100%,为开展研究获得最珍贵的素材。 

  对于这些来自建成仅10余年紫坪铺水库的沉积岩心,最大的挑战是如何确定沉积物可靠的年代标尺。当完成沉积岩心的元素和磁化率扫描后,他们惊喜地发现磁化率显示了完美的规律性旋回特征。仔细一数,上部8.70米岩心的磁化率共有24个沉积旋回。紫坪铺水库2004年蓄水到钻探岩心的2016年刚好12个年头,不就是平均一年2个磁化率沉积旋回吗!不禁让人为之兴奋。那么,又是什么机制导致磁化率每年形成两个沉积旋回呢?经过对数据的对比分析,他们注意到了紫坪铺水库水位的变化:由于防洪、居民用水和灌溉的需要,水库一年有两次高水位蓄水期,分别发生在每年的6-7月(雨季)和9月至次年的1月(旱季),期间为低水位排水期,因此水库水位也具有一年2次的规律性变化。可新的问题又来了,磁化率旋回与水位是如何对应的呢?研究表明,岩心中磁性矿物没有变化,沉积物磁化率的高低是磁性矿物的含量变化造成的,而磁性矿物的密度比其他硅酸盐和碳酸盐矿物要高。当他们注意表层沉积物的磁化率处于低值,而钻探时水库处于蓄水期,此时河流入口比低水位时更靠上游,高水位导致水库中心相对弱的水动力,搬运到取样点的磁性矿物相对就少,这是表层沉积物磁化率低的主要原因。根据这个线索,他们将磁化率低值对应于高水位、高值对应于低水位,由此磁化率的旋回与水位一一对应起来,精确地将沉积岩心定年到了年分辨率(图1),从而解决了沉积年代学这一最大难题。这个年代模式划出的沉积岩心中2008年地震的位置,正好对应于岩心颜色的突变层,进一步证实了年代标尺的可靠性。最重要的是,因为紫坪铺水库水位是基于防洪、居民用水和灌溉而规律性地人为调控的,因此由水库水位与磁化率的旋回确定的年代标尺是独立于季风降水、径流量等自然水文参数的,也就避免了循环论证。

  

  1 紫坪铺水库沉积物岩心的年分辨率年代序列 

  在建立可靠的年代序列之后,他们进一步将沉积岩心组成与监测的水文气候数据结合起来,深入探讨了在大地震触发巨量滑坡沉积物的条件下,气候作用如何对滑坡碎屑物质的搬运和沉积产生叠加的影响。从研究数据可见,地震之后,沉积物组成是有一个立即的响应,但是大规模的地震碎屑物的沉积并没有出现在地震之后,而是滞后2年,出现在于2010年(图2)。通过与日径流数据对比发现,沉积物粗颗粒和大量新鲜物质(低Rb/Sr比值)的滞后输入主要受控于2010年强劲的季风降雨。这一结果清晰地显示了,即使当一次极强的地震严重地扰乱了地表系统,造成巨量的松散滑坡碎屑物,但是如果河流运移能力不足(如地震后的2008-2009年),滑坡物质也不会转运到水库中沉积下来。在季风降水较弱的2008-2009年,即使是在类似紫坪铺水库这样位于震中下游的沉积中心,也未能记录很明显的地震信号(图2)。因而,在构造事件后,由季风降水带来的强径流对沉积物的输出是至关重要的,它提供了必要的水文动力条件将滑坡物质从山区通过河流系统搬运出来。反之,如果大地震后处于多年持续的干旱和弱的河流转运能力,纵然流域内还存在大量的滑坡物质(直到现在汶川地震造成的滑坡物质还大量滞留在岷江流域内),其构造信号可能很难在沉积指纹被识别出来。 

  

  2 2008年汶川地震前后紫坪铺水库沉积物粒度、Rb/Sr比值及岷江干流的日流量变化

  进一步地,季风水文对地表剥蚀作用的制约作用可以从沉积物组成与水文参数之间的关系中体现出来。类似汶川这样的特大地震将地表的剥蚀体系从“供应限制型”变成“搬运限制型”,但是其滑坡中粗颗粒组分的搬运还是受控于强的季风降水(图3)。因此,这个单一构造事件下滑坡物质侵蚀搬运和沉积的详细研究为“气候-构造”相互作用提供了最直接的证据。正所谓:巧妙重建紫坪铺水库沉积序列年代,精美展现季风控制地震滑坡的搬运。 

  该研究是对构造事件中气候信号指纹提取的一个空前突破。这种气候与构造相互作用下现代过程的研究是非常重要的,因为如果我们对现代过程尚不清楚,那么我们就更难解释长时间尺度上“气候-构造”相互关系及其如何影响地表侵蚀和沉积作用了。

  

  3 2008年汶川地震前后沉积与水文参数相关性的变化 

  该研究成果于2019612日在线发表在国际学术期刊《科学进展》(Science Advances)上。第一作者为黄土与第四纪地质国家重点实验室/中国科学院第四纪科学与全球变化卓越创新中心张飞博士,金章东研究员为通讯作者,研究团队由来自美国、英国、澳大利亚和中国的18人组成。本研究是该研究团队自2009年以第一单位在《Geology》发表3篇系列论文之后,又一项发表在国际顶级期刊的第一单位研究成果。此项工作得到第二次青藏高原科学考察项目、中国科学院前沿科学重点研究项目、中国科学院对外合作重点项目和黄土与第四纪地质国家重点实验室等的支持。 

  论文链接:Zhang F, Jin Z, West A J, et al. Monsoonal control on a delayed response of sedimentation to the 2008 Wenchuan earthquake. Science Advances, 2019, 5, eaav7110, doi:10.1126/sciadv.aav7110. 

  


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