第二次青藏科考揭密氣候與構造的相互作用
自從Molnar和England（1990）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”，主導著地表侵蝕和沉積物搬運？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。隨后，Raymo和Ruddiman（1992）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）則認為2-4 Ma以來全球不同區域加快的沉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2018年Schildgen等在《Nature》雜志上發文，直接指出Herman等人的熱年代學數據存在問題。這些爭論的主要原因之一是晚新生代以來的風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，或流域尺度現代地表風化剝蝕速率的研究。長尺度構造事件伴隨著水文和氣候變化，很難分離單一構造作用對地表過程的影響，而短時間尺度河水化學變化也難以評估構造對剝蝕和風化的相對貢獻量。那么，到底應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尺和可利用的水文氣象數據，從未有效評價在單個構造事件中的氣候到底起到多大的作用。第二次青藏科考隊中國科學院地球環境研究所金章東研究員領銜的研究團隊，對2008年汶川特大地震這一極端構造事件前后侵蝕和沉積過程開展了持續的合作研究，為解開“氣候-構造”的相互作用之“謎團”提供了新的線索和視角。
自2009年以來，由中國科學院地球環境研究所、南加州大學、杜倫大學、澳大利亞國立大學和臺灣成功大學等科研人員組成的國際研究團隊，通過對2008年汶川特大地震產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產生的滑坡物質，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。為了深入認識氣候和構造在沉積過程中的相對作用，該研究團隊利用紫坪鋪水庫沉積序列，進一步開展了2008年汶川地震前后氣候和構造對滑坡物質的搬運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游，因此該水庫能很好地保存汶川地震前后搬運的流域沉積物，其指紋信息為對比地震前后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2016年9-10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沉積物巖心，累積長度達50多米，每支巖心都達到了蓄水前的河床沙礫，取心率達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，最大的挑戰是如何確定沉積物可靠的年代標尺。當完成沉積巖心的元素和磁化率掃描后，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米巖心的磁化率共有24個沉積旋回。紫坪鋪水庫2004年蓄水到鉆探巖心的2016年剛好12個年頭，不就是平均一年2個磁化率沉積旋回嗎！不禁讓人為之興奮。那么，又是什么機制導致磁化率每年形成兩個沉積旋回呢？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），期間為低水位排水期，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，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。當他們注意表層沉積物的磁化率處于低值，而鉆探時水庫處于蓄水期，此時河流入口比低水位時更靠上游，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，這是表層沉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，精確地將沉積巖心定年到了年分辨率（圖1），從而解決了沉積年代學這一最大難題。這個年代模式劃出的沉積巖心中2008年地震的位置，正好對應于巖心顏色的突變層，進一步證實了年代標尺的可靠性。最重要的是，因為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為調控的，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。
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，他們進一步將沉積巖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沉積物的條件下，氣候作用如何對滑坡碎屑物質的搬運和沉積產生疊加的影響。從研究數據可見，地震之后，沉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沉積并沒有出現在地震之后，而是滯后2年，出現在于2010年（圖2）。通過與日徑流數據對比發現，沉積物粗顆粒和大量新鮮物質（低Rb/Sr比值）的滯后輸入主要受控于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（如地震后的2008-2009年），滑坡物質也不會轉運到水庫中沉積下來。在季風降水較弱的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（圖2）。因而，在構造事件后，由季風降水帶來的強徑流對沉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，如果大地震后處于多年持續的干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沉積指紋被識別出來。
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
進一步地，季風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之間的關系中體現出來。類似汶川這樣的特大地震將地表的剝蝕體系從“供應限制型”變成“搬運限制型”，但是其滑坡中粗顆粒組分的搬運還是受控于強的季風降水（圖3）。因此，這個單一構造事件下滑坡物質侵蝕搬運和沉積的詳細研究為“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沉積序列年代，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，因為如果我們對現代過程尚不清楚，那么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沉積作用了。
圖3 2008年汶川地震前后沉積與水文參數相關性的變化
該研究成果于2019年6月12日在線發表在國際學術期刊《科學進展》（Science Advances）上。第一作者為黃土與第四紀地質國家重點實驗室/中國科學院第四紀科學與全球變化卓越創新中心張飛博士，金章東研究員為通訊作者，研究團隊由來自美國、英國、澳大利亞和中國的18人組成。本研究是該研究團隊自2009年以第一單位在《Geology》發表3篇系列論文之后，又一項發表在國際頂級期刊的第一單位研究成果。此項工作得到第二次青藏高原科學考察項目、中國科學院前沿科學重點研究項目、中國科學院對外合作重點項目和黃土與第四紀地質國家重點實驗室等的支持。
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.