第二次青藏科考揭密氣候與構(gòu)造的相互作用
自從Molnar和England（1990）提出，在地質(zhì)時(shí)間尺度上，氣候變化和構(gòu)造活動(dòng)是“雞，還是蛋”的問題以來，到底是“氣候變化”，還是“構(gòu)造活動(dòng)”，主導(dǎo)著地表侵蝕和沉積物搬運(yùn)？一直是地球科學(xué)一個(gè)熱門課題。如何有效區(qū)分兩者的作用更是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。隨后，Raymo和Ruddiman（1992）提出活躍造山帶的構(gòu)造隆升會(huì)加快地表風(fēng)化侵蝕，而張培震等（2001）則認(rèn)為2-4 Ma以來全球不同區(qū)域加快的沉積物累積速率是氣候變率加速的結(jié)果。近三十年來，氣候變化與構(gòu)造活動(dòng)的爭論就沒有停止過。最近，Herman等（2013）通過熱年代學(xué)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2018年Schildgen等在《Nature》雜志上發(fā)文，直接指出Herman等人的熱年代學(xué)數(shù)據(jù)存在問題。這些爭論的主要原因之一是晚新生代以來的風(fēng)化剝蝕記錄的研究主要集中于陸地和海洋沉積物的信息提取和解釋，或流域尺度現(xiàn)代地表風(fēng)化剝蝕速率的研究。長尺度構(gòu)造事件伴隨著水文和氣候變化，很難分離單一構(gòu)造作用對地表過程的影響，而短時(shí)間尺度河水化學(xué)變化也難以評(píng)估構(gòu)造對剝蝕和風(fēng)化的相對貢獻(xiàn)量。那么，到底應(yīng)該如何著手解決這樣的爭論呢？對此，最直接的解決方法是開展單一構(gòu)造事件（如地震）前后地表剝蝕和沉積作用的對比研究。然而，以往的研究由于缺乏可靠的年代標(biāo)尺和可利用的水文氣象數(shù)據(jù)，從未有效評(píng)價(jià)在單個(gè)構(gòu)造事件中的氣候到底起到多大的作用。第二次青藏科考隊(duì)中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所金章東研究員領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)，對2008年汶川特大地震這一極端構(gòu)造事件前后侵蝕和沉積過程開展了持續(xù)的合作研究，為解開“氣候-構(gòu)造”的相互作用之“謎團(tuán)”提供了新的線索和視角。
自2009年以來，由中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所、南加州大學(xué)、杜倫大學(xué)、澳大利亞國立大學(xué)和臺(tái)灣成功大學(xué)等科研人員組成的國際研究團(tuán)隊(duì)，通過對2008年汶川特大地震產(chǎn)生的滑坡和岷江流域河流懸浮物的長期監(jiān)測和系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，龍門山地區(qū)長時(shí)間尺度上的剝蝕速率和通量主要受控于地震產(chǎn)生的滑坡物質(zhì)，而滑坡物質(zhì)搬運(yùn)出在流域的時(shí)間，則不但取決于流域內(nèi)滑坡數(shù)量，還與每年受季風(fēng)控制的高強(qiáng)度的徑流天數(shù)緊密相關(guān)。為了深入認(rèn)識(shí)氣候和構(gòu)造在沉積過程中的相對作用，該研究團(tuán)隊(duì)利用紫坪鋪水庫沉積序列，進(jìn)一步開展了2008年汶川地震前后氣候和構(gòu)造對滑坡物質(zhì)的搬運(yùn)和沉積過程制約的研究。
紫坪鋪水庫從2001年開始修建，2004年開始蓄水發(fā)電，其位置在岷江流出龍門山進(jìn)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游，因此該水庫能很好地保存汶川地震前后搬運(yùn)的流域沉積物，其指紋信息為對比地震前后地表物質(zhì)的剝蝕和搬運(yùn)提供了絕佳的機(jī)會(huì)。該團(tuán)隊(duì)的張飛博士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成員于2016年9-10月在紫坪鋪水庫奮戰(zhàn)一個(gè)多月，在水深達(dá)103米的水庫獲得了多支高質(zhì)量的沉積物巖心，累積長度達(dá)50多米，每支巖心都達(dá)到了蓄水前的河床沙礫，取心率達(dá)100%，為開展研究獲得最珍貴的素材。
對于這些來自建成僅10余年紫坪鋪水庫的沉積巖心，最大的挑戰(zhàn)是如何確定沉積物可靠的年代標(biāo)尺。當(dāng)完成沉積巖心的元素和磁化率掃描后，他們驚喜地發(fā)現(xiàn)磁化率顯示了完美的規(guī)律性旋回特征。仔細(xì)一數(shù)，上部8.70米巖心的磁化率共有24個(gè)沉積旋回。紫坪鋪水庫2004年蓄水到鉆探巖心的2016年剛好12個(gè)年頭，不就是平均一年2個(gè)磁化率沉積旋回嗎！不禁讓人為之興奮。那么，又是什么機(jī)制導(dǎo)致磁化率每年形成兩個(gè)沉積旋回呢？經(jīng)過對數(shù)據(jù)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(fā)生在每年的6-7月（雨季）和9月至次年的1月（旱季），期間為低水位排水期，因此水庫水位也具有一年2次的規(guī)律性變化?？尚碌膯栴}又來了，磁化率旋回與水位是如何對應(yīng)的呢？研究表明，巖心中磁性礦物沒有變化，沉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硅酸鹽和碳酸鹽礦物要高。當(dāng)他們注意表層沉積物的磁化率處于低值，而鉆探時(shí)水庫處于蓄水期，此時(shí)河流入口比低水位時(shí)更靠上游，高水位導(dǎo)致水庫中心相對弱的水動(dòng)力，搬運(yùn)到取樣點(diǎn)的磁性礦物相對就少，這是表層沉積物磁化率低的主要原因。根據(jù)這個(gè)線索，他們將磁化率低值對應(yīng)于高水位、高值對應(yīng)于低水位，由此磁化率的旋回與水位一一對應(yīng)起來，精確地將沉積巖心定年到了年分辨率（圖1），從而解決了沉積年代學(xué)這一最大難題。這個(gè)年代模式劃出的沉積巖心中2008年地震的位置，正好對應(yīng)于巖心顏色的突變層，進(jìn)一步證實(shí)了年代標(biāo)尺的可靠性。最重要的是，因?yàn)樽掀轰佀畮焖皇腔诜篮椤⒕用裼盟凸喔榷?guī)律性地人為調(diào)控的，因此由水庫水位與磁化率的旋回確定的年代標(biāo)尺是獨(dú)立于季風(fēng)降水、徑流量等自然水文參數(shù)的，也就避免了循環(huán)論證。
圖1 紫坪鋪水庫沉積物巖心的年分辨率年代序列
在建立可靠的年代序列之后，他們進(jìn)一步將沉積巖心組成與監(jiān)測的水文氣候數(shù)據(jù)結(jié)合起來，深入探討了在大地震觸發(fā)巨量滑坡沉積物的條件下，氣候作用如何對滑坡碎屑物質(zhì)的搬運(yùn)和沉積產(chǎn)生疊加的影響。從研究數(shù)據(jù)可見，地震之后，沉積物組成是有一個(gè)立即的響應(yīng)，但是大規(guī)模的地震碎屑物的沉積并沒有出現(xiàn)在地震之后，而是滯后2年，出現(xiàn)在于2010年（圖2）。通過與日徑流數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，沉積物粗顆粒和大量新鮮物質(zhì)（低Rb/Sr比值）的滯后輸入主要受控于2010年強(qiáng)勁的季風(fēng)降雨。這一結(jié)果清晰地顯示了，即使當(dāng)一次極強(qiáng)的地震嚴(yán)重地?cái)_亂了地表系統(tǒng)，造成巨量的松散滑坡碎屑物，但是如果河流運(yùn)移能力不足（如地震后的2008-2009年），滑坡物質(zhì)也不會(huì)轉(zhuǎn)運(yùn)到水庫中沉積下來。在季風(fēng)降水較弱的2008-2009年，即使是在類似紫坪鋪水庫這樣位于震中下游的沉積中心，也未能記錄很明顯的地震信號(hào)（圖2）。因而，在構(gòu)造事件后，由季風(fēng)降水帶來的強(qiáng)徑流對沉積物的輸出是至關(guān)重要的，它提供了必要的水文動(dòng)力條件將滑坡物質(zhì)從山區(qū)通過河流系統(tǒng)搬運(yùn)出來。反之，如果大地震后處于多年持續(xù)的干旱和弱的河流轉(zhuǎn)運(yùn)能力，縱然流域內(nèi)還存在大量的滑坡物質(zhì)（直到現(xiàn)在汶川地震造成的滑坡物質(zhì)還大量滯留在岷江流域內(nèi)），其構(gòu)造信號(hào)可能很難在沉積指紋被識(shí)別出來。
圖2 2008年汶川地震前后紫坪鋪水庫沉積物粒度、Rb/Sr比值及岷江干流的日流量變化
進(jìn)一步地，季風(fēng)水文對地表剝蝕作用的制約作用可以從沉積物組成與水文參數(shù)之間的關(guān)系中體現(xiàn)出來。類似汶川這樣的特大地震將地表的剝蝕體系從“供應(yīng)限制型”變成“搬運(yùn)限制型”，但是其滑坡中粗顆粒組分的搬運(yùn)還是受控于強(qiáng)的季風(fēng)降水（圖3）。因此，這個(gè)單一構(gòu)造事件下滑坡物質(zhì)侵蝕搬運(yùn)和沉積的詳細(xì)研究為“氣候-構(gòu)造”相互作用提供了最直接的證據(jù)。正所謂：巧妙重建紫坪鋪水庫沉積序列年代，精美展現(xiàn)季風(fēng)控制地震滑坡的搬運(yùn)。
該研究是對構(gòu)造事件中氣候信號(hào)指紋提取的一個(gè)空前突破。這種氣候與構(gòu)造相互作用下現(xiàn)代過程的研究是非常重要的，因?yàn)槿绻覀儗ΜF(xiàn)代過程尚不清楚，那么我們就更難解釋長時(shí)間尺度上“氣候-構(gòu)造”相互關(guān)系及其如何影響地表侵蝕和沉積作用了。
圖3 2008年汶川地震前后沉積與水文參數(shù)相關(guān)性的變化
該研究成果于2019年6月12日在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上。第一作者為黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國科學(xué)院第四紀(jì)科學(xué)與全球變化卓越創(chuàng)新中心張飛博士，金章東研究員為通訊作者，研究團(tuán)隊(duì)由來自美國、英國、澳大利亞和中國的18人組成。本研究是該研究團(tuán)隊(duì)自2009年以第一單位在《Geology》發(fā)表3篇系列論文之后，又一項(xiàng)發(fā)表在國際頂級(jí)期刊的第一單位研究成果。此項(xiàng)工作得到第二次青藏高原科學(xué)考察項(xiàng)目、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目、中國科學(xué)院對外合作重點(diǎn)項(xiàng)目和黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等的支持。
文章信息：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.