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西安科学家揭秘气候变化和构造运动相互作用谜团
2019-06-16 08:48  来源:西安日报   记者:张潇  /  编辑:邴璞

  近日,中国科学院地球环境研究所金章东研究员领衔的研究团队,对2008年汶川特大地震这一极端构造事件前后侵蚀和沉积过程开展了持续的合作研究,为解开“气候-构造”的相互作用之谜团提供了新的线索和视角。

  该研究成果于12日在线发表于国际学术期刊《科学进展》上。第一作者为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人组成。

  气候变化和构造运动“是鸡还是蛋”?

  这个研究是要做什么?金章东老师介绍,在地质时间尺度上,气候变化和构造运动就像是提问“是鸡还是蛋”,到底是“气候变化”还是“构造运动”,主导着地表侵蚀和沉积物搬运?一直是地球科学的热门课题。

  那么,到底应该如何着手解决这样的争论呢?金老师表示,对此,最直接的解决方法是开展单一构造事件,什么是构造事件?地震是最常见的构造事件,其他构造事件还有板块碰撞、海底扩张、山脉隆升、断裂等。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。

  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等科研人员组成的国际研究团队,为了深入认识气候和构造在沉积过程中的相对作用,利用紫坪铺水库沉积序列,进一步开展了2008年汶川地震前后气候和构造对滑坡物质的搬运和沉积过程制约的研究。

  为啥选择紫坪铺水库?原来,该水库从2001年开始修建,2004年开始蓄水发电,刚好位于2008年汶川特大地震震中的下游,因此该水库能很好地保存汶川地震前后搬运的流域沉积物。其沉积物特征和组成被称作“指纹信息”,为对比地震前后地表物质的剥蚀和搬运提供了绝佳的机会。该团队的张飞博士带领团队成员于2016年9-10月在紫坪铺水库奋战一个多月,在水深达103米的水库获得了多支高质量的沉积物岩心,累积长度达50多米,为开展研究获得了最珍贵的素材。

  珍贵沉积“岩心”精准标记年代和水位

  对于这些来自建成仅10余年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年代标尺。也就是说,沉积物对应于准确的时间。当完成沉积岩心的元素和磁化率扫描后,他们惊喜地发现磁化率显示了完美的规律性旋回特征。

  仔细一数,上部8.70米岩心的磁化率共有24个沉积旋回(也就类似于周期)。紫坪铺水库2004年蓄水到钻探岩心的2016年刚好12个年头,不就是平均一年2个磁化率沉积旋回吗!可新的问题又来了,磁化率旋回与水位是如何对应的呢?经过仔细研究,他们将磁化率低值对应于高水位、高值对应于低水位,由此磁化率的旋回与水位一一对应起来,精确地将沉积岩心定年到了年分辨率,从而解决了沉积年代学这一最大难题。这个年代模式画出的沉积岩心中2008年地震的位置,正好对应于岩心颜色的突变层,进一步证实了年代标尺的可靠性。

  最重要的是,因为紫坪铺水库水位是基于防洪、居民用水和灌溉而规律性地人为调控的,因此由水库水位与磁化率的旋回确定的年代标尺是独立于季风降水、径流量等自然水文参数的,也就避免了循环论证,这是什么意思呢?金老师解释说,因为水库的水位是人工控制的,独立于与自然的水文参数。如果用降水、径流量等自然水文参数来确定年代,然后又用它们来解释参数的变化,就是所谓的循环论证。

  有助于解释长时间尺度上“气候-构造”关系

  在建立可靠的年代序列之后,他们进一步将沉积岩心组成与监测的水文气候数据结合起来,深入探讨了在大地震触发巨量滑坡沉积物的条件下,气候作用如何对滑坡碎屑物质的搬运和沉积产生影响。

  从研究数据可见,即使当一次极强的地震严重地扰乱了地表系统,造成巨量的松散滑坡碎屑物,但是如果河流运移能力不足,滑坡物质也不会转运到水库中沉积下来。在季风降水较弱的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。因而,在构造事件后,由季风降水带来的强径流对沉积物的输出是至关重要的,它提供了必要的水文动力条件,将滑坡物质从山区通过河流系统搬运出来。也就是说,地震后,水流量大就能搬运更多、更大的滑坡物质,反之,如果大地震后处于多年持续的干旱和弱的河流转运能力,纵然流域内还存在大量的滑坡物质,其构造信号可能很难再被识别出来。

  该研究是对构造事件中气候信号指纹提取的一个空前突破。这种气候与构造相互作用下现代过程的研究是非常重要的,因为如果我们对现代过程尚不清楚,那么我们就更难解释长时间尺度上“气候-构造”相互关系及其如何影响地表侵蚀和沉积作用了。金老师举例说,比如我们要解释某一段粗颗粒的沉积,既可以解释为气的变化,也可以解释为某个时候发生过构造运动,难以分辨。而我们的研究则表明,如果那段时间总体干旱,那么就可以对应于构造作用了。

  据悉,本研究是该研究团队自2015年以来以第一单位在《Geology》发表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和黄土与第四纪地质国家重点实验室等的共同支持。

来源:西安日报   编辑:邴璞
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