Sicence Advances丨揭密气候与构造的相互作用

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来源：中国科学院地球环境研究所网站

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自从Molnar和England(1990)提出，自地质时间尺度、气候变化和结构活动是鸡还是蛋以来，是气候变化还是结构活动主导着表面侵蚀和沉积物处理？一直是地球科学的热门话题。如何有效区分两者的作用是一个艰巨的挑战。随后，Raymo和Ruddiman(1992)提出活跃山带的结构隆升会加速地表风化侵蚀，而张培震等(2001)则认为2-4 Ma全球不同地区沉积物积累速率加快是气候变速的结果。在过去的30年里，关于气候变化和结构活动的争论从未停止过。最近，Herman等等(2013)根据热时代学，600万年来全球侵蚀率的增加主要是由气候变冷引起的，2018年Schildgen等在《Nature》杂志上的文件直接指出Herman等人热年学数据有问题。这些争论的主要原因之一是，新一代以来对风化腐蚀记录的研究主要集中在陆地和海洋沉积物的信息提取和解释，或现代流域规模地表风化腐蚀率的研究。

随着水文和气候的变化，单一结构对地表过程的影响难以分离，短期河流化学变化难以评估结构对剥蚀和风化的相对贡献。那么，如何解决这样的争论呢？对此，最直接的解决办法是对单一结构事件(如地震)前后地表剥蚀和沉积进行对比研究。然而，由于缺乏可靠的年龄标尺和可用的水文气象数据，以往的研究从未有效地评估过气候在单个结构事件中的作用。由中国科学院地球环境研究所研究员领导的研究团队对2008年汶川地震前后极端结构事件的侵蚀沉积进行了持续的合作研究，为解决气候-结构的谜提供了新的线索和视角。

自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组成的国际研究团队，通过对2008年汶川地震滑坡和岷江流域悬浮物的长期监测和系统研究，发现龙门山地区长期剥蚀率和通量主要受地震滑坡物质的控制，滑坡物质在流域运输的时间不仅取决于流域滑坡的数量，还取决于季风控制的高强度径流天数。为了深入了解气候和结构在沉积过程中的相对作用，研究小组进一步研究了2008年汶川地震前后气候和结构对滑坡物质搬运和沉积过程的限制。

紫坪铺水库建于2001年，2004年蓄水发电，位于岷江流出龙门山进入四川盆地山区，位于2008年汶川地震下游，水库可保存汶川地震前后流域沉积物，指纹信息为地震前后地表物质的腐蚀和处理提供了绝佳的机会。2016年9月至10月，该团队的张飞博士带领团队成员在紫坪铺水库工作了一个多月。他在水深103米的水库中获得了多个优质沉积物岩心，累计长度超过50米。每个岩心在蓄水前达到河床砾石，取心率达到100%100%，为研究获得了最珍贵的材料。

对于这些来自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时代尺度。沉积岩心元素和磁化率扫描完成后，他们惊讶地发现磁化率显示出完美的规律性旋回特征。仔细数一数，上8.70米岩心的磁化率共有24个沉积旋回。紫坪铺水库2004年蓄水至钻探岩心2016年仅12年，平均每年有2次磁化沉积回转！不禁让人兴奋。

那么，是什么机制导致磁化率每年形成两个沉积旋转呢？经过对数据的比较分析，他们注意到紫坪铺水库水位的变化：由于防洪、居民用水和灌溉的需要，水库每年有两个高水位蓄水期，分别发生在6月至7月（雨季）和9月至次年1月（旱季），期间为低水位排水期，水库水位每年有两次定期变化。

但是新的问题又来了。磁化率旋回如何对应水位？研究表明，岩心中的磁性矿物没有变化，沉积物的磁化率是由磁性矿物的含量变化引起的，而磁性矿物的密度高于其他硅酸盐和碳酸盐矿物。当他们注意表面沉积物的磁化率较低时，水库处于蓄水期。此时，河流入口比低水位时更靠近上游。高水位导致水库中心水力相对较弱，磁性矿物运输到取样点相对较少，这是表面沉积物磁化率较低的主要原因。

根据这一线索，他们将低磁化率对应于高水位和低水位。因此，磁化率的旋转与水位一一对应，将沉积岩心定年至年分辨率（图1），从而解决沉积年龄学的最大问题。2008年沉积岩心中地震的位置与岩心颜色的突变层相对应，进一步证实了年代标尺的可靠性。最重要的是，由于紫坪铺水库的水位是基于防洪、居民用水和灌溉，因此由水库水位和磁化率旋转确定的时间尺独立于季风降水、径流等自然水文参数，避免了循环论证。

图1 紫坪铺水库沉积物岩心年分辨率序列

在建立了可靠的时代序列后，他们进一步将沉积的岩心组成与监测的水文气候数据相结合，深入探讨了气候作用如何在大地震触发大量滑坡沉积物的情况下叠加滑坡碎屑物质的运输和沉积。

从研究数据可以看出，地震后，沉积物的组成是立即响应的，但大规模地震碎片的沉积并没有发生在地震后，而是滞后了2年，发生在2010年（图2）。与日径流数据相比，沉积物粗颗粒和大量新鲜物质(低Rb/Sr比值)滞后输入主要控制在2010年强季风降雨。结果清楚地表明，即使强地震严重扰乱地表系统，造成大量松散的滑坡碎片，如果河流运输能力不足（如2008-2009年地震后），滑坡材料也不会转移到水库中沉积。2008-2009年季风降水较弱，即使在地震中下游的沉积中心，如紫坪铺水库，也未能记录明显的地震信号(图2)。因此，结构事件发生后，季风降水带来的强径流对沉积物的输出至关重要，通过河流系统提供必要的水文动力条件。相反，如果大地震后多年持续干旱，河流转移能力弱，即使流域内仍有大量滑坡物质（汶川地震引起的滑坡物质仍滞留在岷江流域），沉积指纹可能难以识别其结构信号。

图2 2008年汶川地震前后紫坪铺水库沉积物粒度Rb/Sr岷江干流的比例和日流量的变化

此外，季风水文对地表剥蚀的限制可以从沉积物组成与水文参数的关系中体现出来。汶川等大地震将地表剥蚀系统从供应限制转变为搬运限制，但滑坡中粗颗粒组分的搬运仍受季风降水强（图3）控制。因此，对单一结构事件下滑坡物质侵蚀处理和沉积的详细研究为气候-结构的相互作用提供了最直接的证据。俗话说：紫坪铺水库沉积序列时代的巧妙重建，精致展现季风控制地震滑坡的搬运。、

本研究是结构事件中气候信号指纹提取的前所未有的突破。在气候和结构的相互作用下，对现代过程的研究非常重要，因为如果我们不知道现代过程，就更难解释气候-结构的长期关系以及如何影响地表侵蚀和沉积。

图3 2008年汶川地震前后沉积与水文参数相关性的变化

2019年6月12日，该研究成果在国际学术期刊《科学进步》上发表（Science Advances）上。第一作者是张飞博士，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革卓越创新中心，金章东研究员是通信作者。研究团队由来自美国、英国、澳大利亚和中国的18人组成。本研究团队自2009年以来一直是第一个单位《Geology》在发表了三篇系列论文后，在国际顶级期刊上发表了另一项研究成果。该工作得到了青藏高原第二科学调查项目、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、黄土与第四纪地质国家重点实验室的支持。

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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轻　松　一　刻

陪妻子去菜市场买鱼。来到摊贩前，妻子蹲在鱼盆前捡起来。这时，鱼盆里的一条鱼跳了起来，溅到了妻子的水里。

妻子说：老板要这个，小样看我回去怎么收拾你。

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