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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】【關閉

                        自從MolnarEngland1990)提出,在地質時間尺度上,氣候變化和構造活動是雞,還是蛋”的問題以來,到底是氣候變化”,還是構造活動”,主導著地表侵蝕和沈積物搬運?一直是地球科學一個熱門課題。如何有效區分兩者的作用更是一項艱巨的挑戰。隨後,RaymoRuddiman1992)提出活躍造山帶的構造隆升會加快地表風化侵蝕,而張培震等(2001)則認爲2-4 Ma以來全球不同區域加快的沈積物累積速率是氣候變率加速的結果。近三十年來,氣候變化與構造活動的爭論就沒有停止過。最近,Herman等(2013)通過熱年代學提出,6百萬年以來全球侵蝕速率的增加主要是氣候變冷引起的,而2018Schildgen等在《Nature》雜志上發文,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。中國科學院地球环境研究所金章东研究员领衔的研究团队,对2008年汶川特大地震這一極端構造事件前後侵蝕和沈積過程開展了持續的合作研究,爲解開“氣候-構造”的相互作用之“謎團”提供了新的線索和視角。 

                        2009年以来,由中國科學院地球环境研究所、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年汶川特大地震産生的滑坡和岷江流域河流懸浮物的長期監測和系統研究發現,龍門山地區長時間尺度上的剝蝕速率和通量主要受控于地震産生的滑坡物質,而滑坡物質搬運出在流域的時間,則不但取決于流域內滑坡數量,還與每年受季風控制的高強度的徑流天數緊密相關。爲了深入認識氣候和構造在沈積過程中的相對作用,該研究團隊利用紫坪鋪水庫沈積序列,進一步開展了2008年汶川地震前後氣候和構造對滑坡物質的搬運和沈積過程制約的研究。 

                        紫坪鋪水庫從2001年開始修建,2004年開始蓄水發電,其位置在岷江流出龍門山進入四川盆地的山前地段,剛好位于2008年汶川特大地震震中的下遊,因此該水庫能很好地保存汶川地震前後搬運的流域沈積物,其指紋信息爲對比地震前後地表物質的剝蝕和搬運提供了絕佳的機會。該團隊的張飛博士帶領團隊成員于20169-10月在紫坪鋪水庫奮戰一個多月,在水深達103米的水庫獲得了多支高質量的沈積物岩心,累積長度達50多米,每支岩心都達到了蓄水前的河床沙礫,取心率達100%,爲開展研究獲得最珍貴的素材。 

                        對于這些來自建成僅10余年紫坪鋪水庫的沈積岩心,最大的挑戰是如何確定沈積物可靠的年代標尺。當完成沈積岩心的元素和磁化率掃描後,他們驚喜地發現磁化率顯示了完美的規律性旋回特征。仔細一數,上部8.70米岩心的磁化率共有24個沈積旋回。紫坪鋪水庫2004年蓄水到鑽探岩心的2016年剛好12個年頭,不就是平均一年2個磁化率沈積旋回嗎!不禁讓人爲之興奮。那麽,又是什麽機制導致磁化率每年形成兩個沈積旋回呢?經過對數據的對比分析,他們注意到了紫坪鋪水庫水位的變化:由于防洪、居民用水和灌溉的需要,水庫一年有兩次高水位蓄水期,分別發生在每年的6-7月(雨季)和9月至次年的1月(旱季),期間爲低水位排水期,因此水庫水位也具有一年2次的規律性變化。可新的問題又來了,磁化率旋回與水位是如何對應的呢?研究表明,岩心中磁性礦物沒有變化,沈積物磁化率的高低是磁性礦物的含量變化造成的,而磁性礦物的密度比其他矽酸鹽和碳酸鹽礦物要高。當他們注意表層沈積物的磁化率處于低值,而鑽探時水庫處于蓄水期,此時河流入口比低水位時更靠上遊,高水位導致水庫中心相對弱的水動力,搬運到取樣點的磁性礦物相對就少,這是表層沈積物磁化率低的主要原因。根據這個線索,他們將磁化率低值對應于高水位、高值對應于低水位,由此磁化率的旋回與水位一一對應起來,精確地將沈積岩心定年到了年分辨率(圖1),從而解決了沈積年代學這一最大難題。這個年代模式劃出的沈積岩心中2008年地震的位置,正好對應于岩心顔色的突變層,進一步證實了年代標尺的可靠性。最重要的是,因爲紫坪鋪水庫水位是基于防洪、居民用水和灌溉而規律性地人爲調控的,因此由水庫水位與磁化率的旋回確定的年代標尺是獨立于季風降水、徑流量等自然水文參數的,也就避免了循環論證。

                        

                        1 紫坪鋪水庫沈積物岩心的年分辨率年代序列 

                        在建立可靠的年代序列之後,他們進一步將沈積岩心組成與監測的水文氣候數據結合起來,深入探討了在大地震觸發巨量滑坡沈積物的條件下,氣候作用如何對滑坡碎屑物質的搬運和沈積産生疊加的影響。從研究數據可見,地震之後,沈積物組成是有一個立即的響應,但是大規模的地震碎屑物的沈積並沒有出現在地震之後,而是滯後2年,出現在于2010年(圖2)。通過與日徑流數據對比發現,沈積物粗顆粒和大量新鮮物質(低Rb/Sr比值)的滯後輸入主要受控于2010年強勁的季風降雨。這一結果清晰地顯示了,即使當一次極強的地震嚴重地擾亂了地表系統,造成巨量的松散滑坡碎屑物,但是如果河流運移能力不足(如地震後的2008-2009年),滑坡物質也不會轉運到水庫中沈積下來。在季風降水較弱的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(圖2)。因而,在構造事件後,由季風降水帶來的強徑流對沈積物的輸出是至關重要的,它提供了必要的水文動力條件將滑坡物質從山區通過河流系統搬運出來。反之,如果大地震後處于多年持續的幹旱和弱的河流轉運能力,縱然流域內還存在大量的滑坡物質(直到現在汶川地震造成的滑坡物質還大量滯留在岷江流域內),其構造信號可能很難在沈積指紋被識別出來。 

                        

                        2 2008年汶川地震前後紫坪鋪水庫沈積物粒度、Rb/Sr比值及岷江幹流的日流量變化

                        進一步地,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(圖3)。因此,這個單一構造事件下滑坡物質侵蝕搬運和沈積的詳細研究爲“氣候-構造”相互作用提供了最直接的證據。正所謂:巧妙重建紫坪鋪水庫沈積序列年代,精美展現季風控制地震滑坡的搬運。 

                        該研究是對構造事件中氣候信號指紋提取的一個空前突破。這種氣候與構造相互作用下現代過程的研究是非常重要的,因爲如果我們對現代過程尚不清楚,那麽我們就更難解釋長時間尺度上“氣候-構造”相互關系及其如何影響地表侵蝕和沈積作用了。

                        

                        3 2008年汶川地震前後沈積與水文參數相關性的變化 

                        該研究成果于2019612日在線發表在國際學術期刊《科學進展》(Science Advances)上。第一作者为黄土与第四纪地质國家重點實驗室/中國科學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人組成。本研究是該研究團隊自2009年以第一單位在《Geology》發表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、中國科學院前沿科学重点研究项目、中國科學院对外合作重点项目和黄土与第四纪地质國家重點實驗室等的支持。 

                        論文鏈接: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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