末次冰消期氣候轉型對青藏高原東部地震活動的影響

鐘 寧 ， 蔣漢朝 ， 李海兵 ， 徐紅艷 ， 梁蓮姬

1)新構造運動與地質(zhì)災害重點實驗室， 中國地質(zhì)科學院地質(zhì)力學研究所， 北京 100081；

2)地震動力學國家重點實驗室， 中國地震局地質(zhì)研究所， 北京 100029；

3)自然資源部深地動力學重點實驗室， 中國地質(zhì)科學院地質(zhì)研究所， 北京 100037；

4)北京工業(yè)大學建筑工程學院， 北京 100124

構造和氣候是控制地表形態(tài)特征及其成因、演化的兩個重要因素。過去十多年地球系統(tǒng)科學的重要進展之一是認識并證實氣候、地表過程、以及構造和較深部巖石圈過程之間存在廣泛聯(lián)系(Molnar and England， 1990； Koons et al.， 2002； Cloetingh and Willet， 2013)。一方面， 構造變形和深部巖石圈過程導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， 氣候變化導致的侵蝕增強可以改變構造變形的樣式和速率，驅(qū)動巖石均衡抬升并改變地殼應力狀態(tài)和流變性質(zhì)(Molnar and England， 1990； Herman and Seward，2013)， 還可能會誘發(fā)地震等(Hunt and Malin， 1998；Stewart et al.， 2000； van Loon et al.， 2016)。因此， 在構造活躍地區(qū)， 探討構造和氣候在地貌演化過程中的耦合作用一直是研究的熱點。

第四紀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獨特氣候事件而成為研究的熱點(An et al.， 1991；鹿化煜和和劉洪濱， 1998)。末次冰期包含的主要氣候事件有哈因里奇事件6、5、4、3、2、1(簡稱H6、H5、H4、H3、H2、H1)、Oldest Dryas、B￠iling、Older Dryas、Aller￠d 以及 Younger Dryas事件(簡稱YD事件)。末次冰期冰盛期(LGM)是十分關鍵的氣候時期， 這是距我們最近的極寒冷時期。LGM時全球陸地約有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14C記錄及475個地球宇宙核素(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)過渡的時期。不同于冰期緩慢的發(fā)展過程， 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)， 中世紀溫暖期(Bradley et al.， 2003)和小冰期等事件(Keigwin， 1996)， 這些突變事件在時間和空間上表現(xiàn)出氣候的不穩(wěn)定性。

1 研究區(qū)概況

自 1990年有地震儀器記錄以來， 青藏高原曾經(jīng)歷了3次地震活動叢集高潮， 最新的一次為20世紀末期以來昆侖—汶川地震系列(鄧起東等， 2014)。2008年以來， 青藏高原東部先后發(fā)生了汶川、玉樹、蘆山、九寨溝等4次7級以上的地震， 以及2017年米林Ms6.9級地震(圖 1a)， 顯示該區(qū)具有很強的地震活動性。陳浩和李勇(2009)認為20世紀90年代以來青藏高原周緣頻繁的地震活動， 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。于希賢(1997)卻認為氣候由溫暖轉向寒冷的時期， 地震活動趨于頻繁； 當氣候處于寒冷期時， 或者氣候從寒冷期向溫暖期轉變時， 地震活動處于相對的平靜期。末次冰消期以來，青藏高原大陸冰川或冰帽快速消融引起地殼應力變化， 以及冰川剝蝕卸載作用， 是否會影響區(qū)域的斷裂活動是值得我們研究的一個課題。

本文選取青藏高原東部末次冰消期以來湖相沉積記錄的軟沉積物變形構造為研究對象， 結合這一時期氣候變化特征， 分析該時間段地震成因軟沉積物變形構造大量出現(xiàn)的可能原因和觸發(fā)機制， 為探討該區(qū)的地震活動、氣候變化和地貌過程提供基礎資料。

2 青藏高原東部末次冰消期湖相沉積記錄的構造和氣候事件

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別出火焰構造、假結核、球-枕構造、液化卷曲等多種軟沉積物變形， 并認為地震是它們最可能的觸發(fā)機制。Zhong et al. (2019)通過對沙灣剖面的軟沉積物變形構造與地震震級關系， 共識別出6次6～7級， 1次＞7級的古地震事件， 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)， 指示強烈的地震活動。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?！e川斷裂(Huang et al.， 2018)均發(fā)生過古地震或地震滑坡事件(圖 2b)， 顯示具有強烈的地震活動性。

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核、球-枕構造、碎屑脈和球-枕構造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)， 對應于顯著的東亞夏季風增強事件， 而這一季風增強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響應于歲差周期太陽輻射的結果(Wu et al.， 2009)。值得注意的是， 這一時期對應于末次冰消期氣候轉變階段， 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(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段對應于地震活動的頻繁期(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)

3 討論

北極的勞侖泰冰蓋大約在26.5 ka達到極大值，正好是海平面極低時期的開始。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/愛爾蘭冰蓋、斯堪的納維亞冰蓋在20-19 ka開始后退(Clark et al.， 2004)。青藏高原的山地冰川則在17.5 ka以后開始大量消退， 可能與東亞季風的影響有關(Wang et al.， 2001)。從中國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)。這一時間正好是末次冰消期氣候轉變的開始階段， 不同地點的古氣候指標均有顯示(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)， 同樣多個活動斷裂上均發(fā)生了古地震事件(圖2b)。van Loon et al.(2016)報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， 導致的地殼均衡反彈或流域冰雪融水等氣候因素， 通過影響區(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。

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比圖Fig. 4 Comparison of the paleoearthquakes with paleoclimatic records during 18-15 ka in the Tibetan Plateau

Hunt and Malin(1998)報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)驗證了冰期上地殼變形和地震活動關系。強調(diào)冰蓋的周期性生長和消亡， 會導致垂直負載、流體壓力和地殼應變的變化， 可能影響到地殼變形和地震活動(地震構造)的模式、性質(zhì)和速率(圖 5)。Saar and Manga(2003)報道了美國俄勒岡州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， 導致孔隙流體的壓力擴散， 加速了庫侖應力失穩(wěn)， 進而誘發(fā)地震。Hetzel and Hampel(2005)認為冰期-間冰期地表負載變化可能影響到正斷層的滑動速率。Bettinelli et al.(2008)討論了地表水文導致喜馬拉雅山地震活動與大地測量應變的季節(jié)性變化。Sanchez et al.(2010)基于阿爾卑斯山西南部活動斷層、滑坡和冰川地貌面的年代測試， 強調(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、流域冰雪融水和強降水導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)生擠壓應力對區(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鉆探(WFSD)的水位監(jiān)測數(shù)據(jù)表明， 映秀—北川斷裂帶具有超乎想象的高水力擴散系數(shù)， 暗示在汶川地震破裂帶中存在大量的水循環(huán)過程， 震后滲透率快速下降， 九個月快速降低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程(Xue et al.， 2013)。近20年來， 青藏高原周緣地區(qū)特大地震頻發(fā)， 陳浩和李勇(2009)認為印度與歐亞板塊碰撞產(chǎn)生的構造應力是引發(fā)地震的能量庫， 而高原冰川快速消融產(chǎn)生的垂向力可被看作是誘發(fā)地震的導火索?；?008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、地貌學和運動學以及地震地質(zhì)災害研究， Fu et al.(2011)認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期累積，同震構造變形的結果； 地震次生災害引起了地表快速侵蝕， 地表侵蝕和構造變形之間可能存在一種反饋機制： 即長期的地表侵蝕卸載作用導致了下地殼和上地幔邊界均衡反彈， 驅(qū)動地表抬升， 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)的河流卸載時間， 認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)地震及其它地表過程所產(chǎn)生的剝蝕物質(zhì)通過河流快速卸載驅(qū)動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)恢復以及彈性撓曲模擬等研究手段， 閆亮等(2019)認為大量的地表剝蝕作用驅(qū)動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、多種隆升機制疊加的產(chǎn)物， 其隆升過程具有歷史性和復合性。

崔之久(1964)認為青藏高原發(fā)育有局部的小冰蓋(冰帽)， 面積可達 500～1000 km2， 且青藏高原東部高山夷平面上發(fā)育過古平頂冰川(羅來興和楊逸疇，1963)。 青藏高原東部的理塘 (Schafer et al.，2002)、貢嘎山(蘇珍等， 2002)、波密(施雅風等， 1990)等地在末次冰期具有大量的山地冰川和冰川活動。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)計研究， 朱大崗等(2005)發(fā)現(xiàn)冰川對基巖剝蝕與念青唐古拉山中段隆升過程有著明顯的對應關系， 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力調(diào)整。由此可見， 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力調(diào)整或均衡反彈，進而影響區(qū)域的斷層活動或斷層失穩(wěn)， 誘發(fā)地震活動等。

此外， 河流侵蝕可能會導致地殼均衡反彈(Champagnac et al.， 2007)、斷層失穩(wěn)(Calais et al.，2010)、區(qū)域庫倫應力場變化， 進行影響逆沖斷裂的地震活動(Steer et al.， 2014)。Vernant et al.(2013)利用有限元模型， 證實了侵蝕引起造山帶巖體隆升和伸展， 從而調(diào)整相對較低地區(qū)的擠壓。進一步驗證了侵蝕過程控制著現(xiàn)今的地殼變化和地震活動?；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分析，以及地形重力對斷層面正應力的影響， Tan et al.(2018)認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， 地形荷載的差異進一步引起斷裂活動性的沿走向差異。可見， 區(qū)域構造應力場和庫倫應力變化、冰蓋周期性生長和消亡、地下水水文波動、河流侵蝕等都可能引發(fā)地震。因此，周期性冰期-間冰期或氣候轉變階段， 不僅對區(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)域的構造(或地震)活動， 值得我們開展更大范圍和深入的研究。

4 結論

通過對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)大量且強烈的地震成因的軟沉積物變形構造或地震事件； 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、程海—賓川斷裂均發(fā)生過古地震或地震滑坡事件。這一時期正好對應于末次冰消期氣候轉變階段?？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， 導致的地殼均衡反彈或流域冰雪融水等氣候因素， 通過影響區(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。周期性冰期-間冰期旋回或氣候轉變階段不僅對地形、地貌、植被和水文變化產(chǎn)生重大影響， 還可能引起區(qū)域構造應力場和庫倫應力變化、冰蓋(或冰帽)周期性生長和消亡、地下水水文波動、冰川剝蝕、河流侵蝕等。本研究對更好地理解晚第四紀青藏高原東部的地震活動、氣候變化和地貌過程具有一定的啟示意義。

致謝：感謝中國地質(zhì)科學院礦產(chǎn)資源研究所陳安東博士和中國地質(zhì)大學(北京)博士生丁瑩瑩在文章修改過程中的幫助及寶貴意見。最后， 感謝審稿專家及編輯老師提出的寶貴意見和建議， 使本文得到進一步提升。

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).