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10年研究 汶川地震

我市科學家揭秘氣候變化 和構造運動相互作用謎團

發表日期:2019-06-17來源:青島日報放大 縮小

  ■記者 張潇

  近日,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後侵蝕和沉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。

  該研究成果于12日在線發表于國際學術期刊《科學進展》上。第一作者爲黃土與第四紀地質國家重點實驗室/科學院第四紀科學與全球變化卓越創新中心張飛博士,金章東研究員爲通訊作者,研究團隊由來自美國、英國、澳大利亞和的18人組成。

  氣候變化和構造運動“是雞還是蛋”?

  這個研究是要做什麽?金章東老師介紹,在地質時間尺度上,氣候變化和構造運動就像是提問“是雞還是蛋”,到底是“氣候變化”還是“構造運動”,主導着地表侵蝕和沉積物搬運?一直是地球科學的熱門課題。

  那麽,到底應該如何着手解決這樣的争論呢?金老師表示,對此,最直接的解決方法是開展單一構造事件,什麽是構造事件?地震是最常見的構造事件,其他構造事件還有板塊碰撞、海底擴張、山脈隆升、斷裂等。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。

  自2009年以來,由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台灣成功大學等科研人員組成的國際研究團隊,爲了深入認識氣候和構造在沉積過程中的相對作用,利用紫坪鋪水庫沉積序列,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沉積過程制約的研究。

  爲啥選擇紫坪鋪水庫?原來,該水庫從2001年開始修建,2004年開始蓄水發電,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沉積物。其沉積物特征和組成被稱作“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岩心,累積長度達50多米,爲開展研究獲得了最珍貴的素材。

  珍貴沉積“岩心”精準标記年代和水位

  對于這些來自建成僅10餘年紫坪鋪水庫的沉積岩心,最大的挑戰是如何确定沉積物可靠的年代标尺。也就是說,沉積物對應于準确的時間。當完成沉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個沉積旋回(也就類似于周期)。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個磁化率沉積旋回嗎!可新的問題又來了,磁化率旋回與水位是如何對應的呢?經過仔細研究,他們将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,精确地将沉積岩心定年到了年分辨率,從而解決了沉積年代學這一最大難題。這個年代模式畫出的沉積岩心中2008年地震的位置,正好對應于岩心顔色的突變層,進一步證實了年代标尺的可靠性。

  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确定的年代标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,這是什麽意思呢?金老師解釋說,因爲水庫的水位是人工控制的,獨立于與自然的水文參數。如果用降水、徑流量等自然水文參數來确定年代,然後又用它們來解釋參數的變化,就是所謂的循環論證。

  有助于解釋長時間尺度上“氣候-構造”關系

  在建立可靠的年代序列之後,他們進一步将沉積岩心組成與監測的水文氣候數據結合起來,深入探讨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産生影響。

  從研究數據可見,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,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遊的沉積中心,也未能記錄很明顯的地震信號。因而,在構造事件後,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,将滑坡物質從山區通過河流系統搬運出來。也就是說,地震後,水流量大就能搬運更多、更大的滑坡物質,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,縱然流域内還存在大量的滑坡物質,其構造信號可能很難再被識别出來。

  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沉積作用了。金老師舉例說,比如我們要解釋某一段粗顆粒的沉積,既可以解釋爲氣的變化,也可以解釋爲某個時候發生過構造運動,難以分辨。而我們的研究則表明,如果那段時間總體幹旱,那麽就可以對應于構造作用了。

  據悉,本研究是該研究團隊自2015年以來以第一單位在《Geology》發表3篇系列論文之後,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、科學院前沿科學重點研究項目、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共同支持。

 

http://epaper.xiancn.com/newxarb/html/2019-06/16/content_386006.htm?div=-1

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