鐘 寧 , 蔣漢朝 , 李海兵 , 徐紅艷 , 梁蓮姬
1)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所, 北京 100081;
2)地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 中國(guó)地震局地質(zhì)研究所, 北京 100029;
3)自然資源部深地動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所, 北京 100037;
4)北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院, 北京 100124
構(gòu)造和氣候是控制地表形態(tài)特征及其成因、演化的兩個(gè)重要因素。過(guò)去十多年地球系統(tǒng)科學(xué)的重要進(jìn)展之一是認(rèn)識(shí)并證實(shí)氣候、地表過(guò)程、以及構(gòu)造和較深部巖石圈過(guò)程之間存在廣泛聯(lián)系(Molnar and England, 1990; Koons et al., 2002; Cloetingh and Willet, 2013)。一方面, 構(gòu)造變形和深部巖石圈過(guò)程導(dǎo)致的高地形可以影響區(qū)域甚至全球氣候(Harrison et al., 1992; Wang et al., 2014); 另一方面, 氣候變化導(dǎo)致的侵蝕增強(qiáng)可以改變構(gòu)造變形的樣式和速率,驅(qū)動(dòng)巖石均衡抬升并改變地殼應(yīng)力狀態(tài)和流變性質(zhì)(Molnar and England, 1990; Herman and Seward,2013), 還可能會(huì)誘發(fā)地震等(Hunt and Malin, 1998;Stewart et al., 2000; van Loon et al., 2016)。因此, 在構(gòu)造活躍地區(qū), 探討構(gòu)造和氣候在地貌演化過(guò)程中的耦合作用一直是研究的熱點(diǎn)。
第四紀(jì)氣候的主要特征是冰期與間冰期的交替發(fā)生(劉嘉麒等, 2001)。在第四紀(jì)氣候變化研究中,末次冰期的環(huán)境、氣候變化以其變化迅速且有多個(gè)獨(dú)特氣候事件而成為研究的熱點(diǎn)(An et al., 1991;鹿化煜和和劉洪濱, 1998)。末次冰期包含的主要?dú)夂蚴录泄蚶锲媸录?、5、4、3、2、1(簡(jiǎn)稱H6、H5、H4、H3、H2、H1)、Oldest Dryas、B¢iling、Older Dryas、Aller¢d 以及 Younger Dryas事件(簡(jiǎn)稱YD事件)。末次冰期冰盛期(LGM)是十分關(guān)鍵的氣候時(shí)期, 這是距我們最近的極寒冷時(shí)期。LGM時(shí)全球陸地約有24%被冰覆蓋, 而現(xiàn)代僅有11%(王紹武和聞新宇, 2011)。由于大量的水形成陸冰, 海平面可能比現(xiàn)代低 130 m, 南極溫度比現(xiàn)代低 10~12℃,格陵蘭可能低20℃(王紹武和聞新宇, 2011)。Clark et al.(2009)利用4271個(gè)14C記錄及475個(gè)地球宇宙核素(TCN)記錄, 確定 LGM 為 26.5~19.0 ka B P。末次冰消期是末次冰期(晚更新世)向冰后期(全新世)過(guò)渡的時(shí)期。不同于冰期緩慢的發(fā)展過(guò)程, 末次冰消期氣候變化劇烈、快速, 在短短幾千年中, 大陸冰蓋(冰川)迅速消融, 海平面上升近百米, 大氣 CO2濃度增加約 1/3(劉東生等, 1999)。此外, 還有全新世的浮冰碎屑事件(Bond et al., 1993), 全新世高溫期(Nesje and Dahl, 1993), 中世紀(jì)溫暖期(Bradley et al., 2003)和小冰期等事件(Keigwin, 1996), 這些突變事件在時(shí)間和空間上表現(xiàn)出氣候的不穩(wěn)定性。
自 1990年有地震儀器記錄以來(lái), 青藏高原曾經(jīng)歷了3次地震活動(dòng)叢集高潮, 最新的一次為20世紀(jì)末期以來(lái)昆侖—汶川地震系列(鄧起東等, 2014)。2008年以來(lái), 青藏高原東部先后發(fā)生了汶川、玉樹(shù)、蘆山、九寨溝等4次7級(jí)以上的地震, 以及2017年米林Ms6.9級(jí)地震(圖 1a), 顯示該區(qū)具有很強(qiáng)的地震活動(dòng)性。陳浩和李勇(2009)認(rèn)為20世紀(jì)90年代以來(lái)青藏高原周緣頻繁的地震活動(dòng), 可能與青藏高原地區(qū)氣溫的快速增加, 冰川消融造成重力卸荷引起的地殼均衡反彈有關(guān)。于希賢(1997)卻認(rèn)為氣候由溫暖轉(zhuǎn)向寒冷的時(shí)期, 地震活動(dòng)趨于頻繁; 當(dāng)氣候處于寒冷期時(shí), 或者氣候從寒冷期向溫暖期轉(zhuǎn)變時(shí), 地震活動(dòng)處于相對(duì)的平靜期。末次冰消期以來(lái),青藏高原大陸冰川或冰帽快速消融引起地殼應(yīng)力變化, 以及冰川剝蝕卸載作用, 是否會(huì)影響區(qū)域的斷裂活動(dòng)是值得我們研究的一個(gè)課題。
本文選取青藏高原東部末次冰消期以來(lái)湖相沉積記錄的軟沉積物變形構(gòu)造為研究對(duì)象, 結(jié)合這一時(shí)期氣候變化特征, 分析該時(shí)間段地震成因軟沉積物變形構(gòu)造大量出現(xiàn)的可能原因和觸發(fā)機(jī)制, 為探討該區(qū)的地震活動(dòng)、氣候變化和地貌過(guò)程提供基礎(chǔ)資料。
沙灣湖相沉積剖面(3 2°4'3.1 9"N,103°42'45.65"E, 2219.81 m a.s.l)位于岷江上游茂縣與松潘之間的疊溪海子旁。岷江上游地區(qū)以高山峽谷地貌、頻繁的地震活動(dòng)為特征(Wang et al., 2011;Jiang et al., 2014, 2016, 2017; 李艷豪等, 2015;Liang and Jiang, 2017; 鐘寧, 2017; 鐘寧等, 2017,2020), 主要受龍門山斷裂帶、岷江斷裂、松坪溝斷裂和虎牙斷裂的影響。Wang et al.(2011)在沙灣湖相沉積剖面中識(shí)別出火焰構(gòu)造、假結(jié)核、球-枕構(gòu)造、液化卷曲等多種軟沉積物變形, 并認(rèn)為地震是它們最可能的觸發(fā)機(jī)制。Zhong et al. (2019)通過(guò)對(duì)沙灣剖面的軟沉積物變形構(gòu)造與地震震級(jí)關(guān)系, 共識(shí)別出6次6~7級(jí), 1次>7級(jí)的古地震事件, 年齡范圍在17~15 ka, 集中在 16 ka 左右。此外, 疊溪附近的新磨村(Jiang et al., 2014)、理縣(Jiang et al., 2017)和波密格尼村的湖相沉積剖面中, 18-15 ka的時(shí)間范圍內(nèi)均存在大量的軟沉積物變形或地震事件(圖1b, c,d, 圖 2b, 圖 3), 指示強(qiáng)烈的地震活動(dòng)。在 18-15 ka期間, 龍日壩斷裂(Ren et al., 2013)、龍門山斷裂西南段(李海龍等, 2015)、鮮水河斷裂爐霍段(李天袑和杜其方, 1989)、大渡河斷裂南段(鄧建輝等, 2007;吳俊峰, 2013)、程海—賓川斷裂(Huang et al., 2018)均發(fā)生過(guò)古地震或地震滑坡事件(圖 2b), 顯示具有強(qiáng)烈的地震活動(dòng)性。
圖1 青藏高原東部昆侖—汶川地震系列地震分布(a); 青藏高原東部沙灣(b, Zhong et al., 2019)、新磨村(c, Jiang et al., 2014)、理縣(d, Jiang et al., 2017)和格尼村(e, 本研究)湖相沉積剖面中地震成因的假結(jié)核、球-枕構(gòu)造、碎屑脈和球-枕構(gòu)造Fig. 1 Distribution of the Kunlun-Wenchuan earthquake series and major earthquakes in eastern Tibetan Plateau (a);the pseudonodules, ball-and-pillow structures, clastic dykes and ball-and-pillow structures triggered by earthquakes in Late Quaternary lacustrine sediments at Shawan (b, after Zhong et al., 2019), Xinmocun (c, after Jiang et al., 2014), Lixian (d, after Jiang et al., 2017) and Genicun (e, after this study) respectively, in eastern Tibetan Plateau
有趣的是, 在高喜馬拉雅山的Goting冰川堰塞湖中也發(fā)現(xiàn)了 2層類似的卷曲紋層變形, 分別在18 ka 和 19.5 ka(Juyal et al., 2009), 對(duì)應(yīng)于顯著的東亞夏季風(fēng)增強(qiáng)事件, 而這一季風(fēng)增強(qiáng)事件在北半球海洋和陸地記錄中均有不同程度的體現(xiàn), 可能是熱帶太平洋 Super-ENSO響應(yīng)于歲差周期太陽(yáng)輻射的結(jié)果(Wu et al., 2009)。值得注意的是, 這一時(shí)期對(duì)應(yīng)于末次冰消期氣候轉(zhuǎn)變階段, 表現(xiàn)在植被類型變化(Wang et al., 1996; Ji et al., 2005; Herzschuh et al.,2014), 冰川消融(Wang et al., 2002; Owen, 2003; Nishimura et al., 2014)、湖泊水位波動(dòng)(Wang et al., 2002;Liu et al., 2008; Mischke et al., 2010; Nishimura et al.,2014)、降水量增多(Herzschuh et al., 2014)等, 且這一轉(zhuǎn)變事件在青藏高原東部、東北部、南部和西北緣都有不同程度的體現(xiàn)(圖2b, 圖4)??赡馨凳局鴼夂蛲蛔冸A段對(duì)應(yīng)于地震活動(dòng)的頻繁期(圖4)。
圖2 末次冰盛期和現(xiàn)代青藏高原永久凍土分布范圍(a; Zhao et al., 2014)和青藏高原末次冰消期古氣候記錄(Zhong et al., 2019)和古地震分布(b)Fig. 2 Map showing permafrost in China during the local Last Glacial Maximum (LLGM), together with modern permafrost(a; after Zhao et al., 2014); paleoclimate records (after Zhong et al., 2019) and paleo-earthquake distribution during the last deglacial period in the Tibetan Plateau (b)
北極的勞侖泰冰蓋大約在26.5 ka達(dá)到極大值,正好是海平面極低時(shí)期的開(kāi)始。勞侖泰冰蓋、北美西北部的考爾勒冰蓋、巴倫支海/克拉海冰蓋、英國(guó)/愛(ài)爾蘭冰蓋、斯堪的納維亞冰蓋在20-19 ka開(kāi)始后退(Clark et al., 2004)。青藏高原的山地冰川則在17.5 ka以后開(kāi)始大量消退, 可能與東亞季風(fēng)的影響有關(guān)(Wang et al., 2001)。從中國(guó)永久凍土分布也可以看出, 末次冰盛期比現(xiàn)代永久凍土范圍要大的多(圖 2a)。這一時(shí)間正好是末次冰消期氣候轉(zhuǎn)變的開(kāi)始階段, 不同地點(diǎn)的古氣候指標(biāo)均有顯示(圖4); 在青藏高原湖泊沉積中也發(fā)現(xiàn)大量地震成因的軟沉積物變形(Jiang et al., 2014, 2016, 2017; 鐘寧, 2017;Zhong et al., 2019), 同樣多個(gè)活動(dòng)斷裂上均發(fā)生了古地震事件(圖2b)。van Loon et al.(2016)報(bào)道了波羅的海拉脫維亞地區(qū)末次冰期斯堪的納維亞冰蓋消融引起地殼均衡反彈, 誘發(fā)地震形成的軟沉積物變形構(gòu)造。有趣的是, 湖相沉積記錄的軟沉積物變形廣泛分布的區(qū)域, 也是 LGM 之后永久凍土消失的區(qū)域(圖 2a), 可能指示了青藏高原冰消期階段, 大量冰川消融和冰雪融水的重力卸載, 導(dǎo)致的地殼均衡反彈或流域冰雪融水等氣候因素, 通過(guò)影響區(qū)域地殼變形、斷層和斜坡的穩(wěn)定性, 可能誘發(fā)了區(qū)域頻繁的地震活動(dòng)。
圖3 青藏高原東部沙灣(a, 32°4'3.19"N, 103°42'45.65"E, 2 219.81 m, Zhong et al., 2019), 新磨村(b, 32o2.7 N,103o40.1′E, 2188 m, Jiang et al., 2014)、理縣(c, 31°26'17.41"N, 103°9'25.37"E, 1870 m, Jiang et al., 2017)和格尼村(d,29°44'6.22"N, 96°3'31.69"E, 3056 m, 曾慶利等, 2007)湖相沉積巖性柱狀圖, 軟沉積物變形分布及年齡Fig. 3 Simplified lithological columnar section of the Shawan area (a, 32°4'3.19"N, 103°42'45.65"E, 2 219.81 m, after Zhong et al., 2019), Xinmocun (b, 32o2.7N, 103o40.1′E, 2188 m, after Jiang et al., 2014), Lixian (c, 31°26'17.41"N, 103°9'25.37"E,1870 m, after Jiang et al., 2017), Genicun (d, 29°44'6.22"N, 96°3'31.69"E, 3056 m, after ZENG et al., 2007) in eastern Tibetan Plateau lacustrine section showing the positions and ages of the soft sediment deformation structures
圖4 青藏高原18-15 ka期間古氣候資料與古地震事件對(duì)比圖Fig. 4 Comparison of the paleoearthquakes with paleoclimatic records during 18-15 ka in the Tibetan Plateau
Hunt and Malin(1998)報(bào)道了加拿大北部勞倫泰冰蓋消融, 冰后期地殼均衡反彈誘發(fā)的地震, 進(jìn)而影響到冰期的氣候變化?;谝巴庹{(diào)查證據(jù)和新的冰后期反彈模型, Stewart et al.(2000)驗(yàn)證了冰期上地殼變形和地震活動(dòng)關(guān)系。強(qiáng)調(diào)冰蓋的周期性生長(zhǎng)和消亡, 會(huì)導(dǎo)致垂直負(fù)載、流體壓力和地殼應(yīng)變的變化, 可能影響到地殼變形和地震活動(dòng)(地震構(gòu)造)的模式、性質(zhì)和速率(圖 5)。Saar and Manga(2003)報(bào)道了美國(guó)俄勒岡州Mt. Hood造山帶季節(jié)性的冰雪融水引起地下水季節(jié)性變化, 導(dǎo)致孔隙流體的壓力擴(kuò)散, 加速了庫(kù)侖應(yīng)力失穩(wěn), 進(jìn)而誘發(fā)地震。Hetzel and Hampel(2005)認(rèn)為冰期-間冰期地表負(fù)載變化可能影響到正斷層的滑動(dòng)速率。Bettinelli et al.(2008)討論了地表水文導(dǎo)致喜馬拉雅山地震活動(dòng)與大地測(cè)量應(yīng)變的季節(jié)性變化。Sanchez et al.(2010)基于阿爾卑斯山西南部活動(dòng)斷層、滑坡和冰川地貌面的年代測(cè)試, 強(qiáng)調(diào)周期性的氣候變化,特別是冰后期地殼均衡反彈或者冰蓋消退引起斜坡壓力減小、流域冰雪融水和強(qiáng)降水導(dǎo)致地下孔隙水壓力增大等氣候因素, 從而影響了斷層和斜坡的穩(wěn)定性。
圖5 冰川加載(a)和卸載(b)產(chǎn)生擠壓應(yīng)力對(duì)區(qū)域地殼影響示意圖(據(jù)Stewart et al., 2000修改)Fig. 5 A diagrammatic representation of the impact of glacial loading (a) and unloading (b) on the crust in a region with a compressive stress regime(modified after Stewart et al., 2000)
汶川地震斷裂帶的科學(xué)鉆探(WFSD)的水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明, 映秀—北川斷裂帶具有超乎想象的高水力擴(kuò)散系數(shù), 暗示在汶川地震破裂帶中存在大量的水循環(huán)過(guò)程, 震后滲透率快速下降, 九個(gè)月快速降低35%, 目前已降低~70%, 反映了汶川地震后映秀—北川斷裂帶快速愈合過(guò)程(Xue et al., 2013)。近20年來(lái), 青藏高原周緣地區(qū)特大地震頻發(fā), 陳浩和李勇(2009)認(rèn)為印度與歐亞板塊碰撞產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力是引發(fā)地震的能量庫(kù), 而高原冰川快速消融產(chǎn)生的垂向力可被看作是誘發(fā)地震的導(dǎo)火索。基于2008年汶川地震震后高分辨率遙感解譯、野外調(diào)查、同震地表破裂帶的幾何學(xué)、地貌學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)以及地震地質(zhì)災(zāi)害研究, Fu et al.(2011)認(rèn)為龍門山造山帶的晚新生代隆升是類似汶川地震巨大地震長(zhǎng)期累積,同震構(gòu)造變形的結(jié)果; 地震次生災(zāi)害引起了地表快速侵蝕, 地表侵蝕和構(gòu)造變形之間可能存在一種反饋機(jī)制: 即長(zhǎng)期的地表侵蝕卸載作用導(dǎo)致了下地殼和上地幔邊界均衡反彈, 驅(qū)動(dòng)地表抬升, 并維持龍門山現(xiàn)在的地形梯度。劉鋒等(2013)定量估算了2008年汶川大地震滑坡物質(zhì)的河流卸載時(shí)間, 認(rèn)為除了周期性大地震造成的地表抬升的累積外, 龍門山地區(qū)地震及其它地表過(guò)程所產(chǎn)生的剝蝕物質(zhì)通過(guò)河流快速卸載驅(qū)動(dòng)了地殼均衡反彈和深部物質(zhì)上涌,形成了青藏高原東緣的高陡地形梯度帶, 暗示了青藏高原東緣可能存在由地表快速剝蝕(或侵蝕)所引發(fā)的地球深部地幔軟流圈物質(zhì)上涌?;跅l帶狀剖面分析、古地形面(殘余面)恢復(fù)以及彈性撓曲模擬等研究手段, 閆亮等(2019)認(rèn)為大量的地表剝蝕作用驅(qū)動(dòng)了青藏高原東緣龍門山的地殼均衡反彈, 使龍門山隆升了近2 km, 均衡隆升和剝蝕作用在相似的時(shí)間尺度上和空間尺度上控制著龍門山地貌的形成, 龍門山的隆升是多期、多種隆升機(jī)制疊加的產(chǎn)物, 其隆升過(guò)程具有歷史性和復(fù)合性。
崔之久(1964)認(rèn)為青藏高原發(fā)育有局部的小冰蓋(冰帽), 面積可達(dá) 500~1000 km2, 且青藏高原東部高山夷平面上發(fā)育過(guò)古平頂冰川(羅來(lái)興和楊逸疇,1963)。 青藏高原東部的理塘 (Schafer et al.,2002)、貢嘎山(蘇珍等, 2002)、波密(施雅風(fēng)等, 1990)等地在末次冰期具有大量的山地冰川和冰川活動(dòng)。根據(jù)念青唐古拉山主峰地區(qū)基巖地層與巖性的空間分布、不同火成巖和變質(zhì)巖組合的形成深度和不同冰期冰磧物礫石成分統(tǒng)計(jì)研究, 朱大崗等(2005)發(fā)現(xiàn)冰川對(duì)基巖剝蝕與念青唐古拉山中段隆升過(guò)程有著明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系, 可能暗示了冰川剝蝕卸載作用引起深部巖體的快速剝露或局部地殼應(yīng)力調(diào)整。由此可見(jiàn), 冰川快速消融產(chǎn)生的垂向力和冰川剝蝕的卸載作用都可能影響中下地殼應(yīng)力調(diào)整或均衡反彈,進(jìn)而影響區(qū)域的斷層活動(dòng)或斷層失穩(wěn), 誘發(fā)地震活動(dòng)等。
此外, 河流侵蝕可能會(huì)導(dǎo)致地殼均衡反彈(Champagnac et al., 2007)、斷層失穩(wěn)(Calais et al.,2010)、區(qū)域庫(kù)倫應(yīng)力場(chǎng)變化, 進(jìn)行影響逆沖斷裂的地震活動(dòng)(Steer et al., 2014)。Vernant et al.(2013)利用有限元模型, 證實(shí)了侵蝕引起造山帶巖體隆升和伸展, 從而調(diào)整相對(duì)較低地區(qū)的擠壓。進(jìn)一步驗(yàn)證了侵蝕過(guò)程控制著現(xiàn)今的地殼變化和地震活動(dòng)?;阢氪ǖ卣鸷簖堥T山中段的地形、河流侵蝕能力、同震滑移、同震滑坡等的沿走向差異的詳細(xì)分析,以及地形重力對(duì)斷層面正應(yīng)力的影響, Tan et al.(2018)認(rèn)為河流侵蝕能力沿走向差異造成了龍門山中段地形的沿走向差異, 地形荷載的差異進(jìn)一步引起斷裂活動(dòng)性的沿走向差異。可見(jiàn), 區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和庫(kù)倫應(yīng)力變化、冰蓋周期性生長(zhǎng)和消亡、地下水水文波動(dòng)、河流侵蝕等都可能引發(fā)地震。因此,周期性冰期-間冰期或氣候轉(zhuǎn)變階段, 不僅對(duì)區(qū)域的地形、地貌、植被和水文變化產(chǎn)生重大影響, 也可能誘發(fā)了區(qū)域的構(gòu)造(或地震)活動(dòng), 值得我們開(kāi)展更大范圍和深入的研究。
通過(guò)對(duì)青藏高原東部古地震資料的收集, 發(fā)現(xiàn)在18-15 ka期間湖相沉積出現(xiàn)大量且強(qiáng)烈的地震成因的軟沉積物變形構(gòu)造或地震事件; 且龍日壩斷裂、龍門山斷裂西南段、鮮水河斷裂爐霍段、大渡河斷裂南段、程?!e川斷裂均發(fā)生過(guò)古地震或地震滑坡事件。這一時(shí)期正好對(duì)應(yīng)于末次冰消期氣候轉(zhuǎn)變階段??赡苤甘玖四┐伪陔A段, 青藏高原大量冰川消融、冰雪融水和冰川剝蝕卸載作用, 導(dǎo)致的地殼均衡反彈或流域冰雪融水等氣候因素, 通過(guò)影響區(qū)域地殼變形、斷層和斜坡的穩(wěn)定性, 誘發(fā)了區(qū)域頻繁的地震活動(dòng)。周期性冰期-間冰期旋回或氣候轉(zhuǎn)變階段不僅對(duì)地形、地貌、植被和水文變化產(chǎn)生重大影響, 還可能引起區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和庫(kù)倫應(yīng)力變化、冰蓋(或冰帽)周期性生長(zhǎng)和消亡、地下水水文波動(dòng)、冰川剝蝕、河流侵蝕等。本研究對(duì)更好地理解晚第四紀(jì)青藏高原東部的地震活動(dòng)、氣候變化和地貌過(guò)程具有一定的啟示意義。
致謝:感謝中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所陳安東博士和中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)博士生丁瑩瑩在文章修改過(guò)程中的幫助及寶貴意見(jiàn)。最后, 感謝審稿專家及編輯老師提出的寶貴意見(jiàn)和建議, 使本文得到進(jìn)一步提升。
Acknowledgements:
This study was supported by National Natural Science Foundation of China (Nos. 41807298,41702372 and 41572346), the China Postdoctoral Science Foundation (No. 2019M650788), and China Geological Survey (Nos. DD20190319 and DD20190059).