时伟，蒋汉朝
在构造活动区，以侵蚀作用为主导的地表过程将碎屑物源输送到沉积系统中保存下来，构成沉积地层。这样的沉积地层可以用来追溯源-汇沉积过程、构造作用和气候变化等事件，因为地层代表了从宏观尺度上和微观尺度上揭示构造活动的最直接方式(Hu et al., 2016)。通过识别和提取沉积物记录到的信号可回溯陆源碎屑物质的产生、搬运、沉积等过程，并讨论其受控机制，这对于揭示区域构造活动历史具有重要的科学意义和现实意义。
图1 研究区地质图，显示研究地点和研究剖面的地理位置等信息
青藏高原东缘是我国最为显著的构造活跃区和气候转换带(图 1)，区域碎屑沉积物记录的构造和气候信号在认识上存在分歧。岷江上游流域为半干旱地区，年降水量在400-600 mm，年蒸发量是年降水量的2.8倍(表1，Shi et al., 2024a)。通过长期的野外工作，我们发现，即便是雨季，区域有效降水多以小雨形式集中在夜间，很难达到频繁的洪水发生条件。
表1 茂县-汶川月降水量和蒸发量统计(茂汶羌族自治县地方志编纂委员会，1997)
相比之下，区域频繁的地震活动造成了严重的地貌破坏，并产生了巨量的陆源碎屑物源。例如，2008年Ms 8.0汶川地震触发~19.7万多处的滑坡，滑坡面积~11万 km2 (Xu et al., 2014)。地震滑坡释放的细颗粒物质搬运到湖泊中引起沉积突变(图2)，而山坡上的地震滑坡砾石堆积需要数百年或者更长的时间才可能被清除。我们通过对青藏高原东缘多个湖相沉积的源-汇转换过程分析揭示了强烈的构造运动对区域物源供给起到主控作用，并且从宏观尺度和微观尺度两个方面探讨了湖相沉积中砾石堆积和粉砂沉积记录的地震信号。
图2 震积层概念模型图(Shi et al., 2022)。SSD：Soft Sediment Deformation (软沉积物变形)
1 地震相关的砾石堆积特征
长期的水流作用改造了构造成因砾石堆积原有的特征，导致青藏高原东缘岷江上游流域的砾石堆积被粗略地归因于水流成因，而忽略了活跃的构造背景。通过对岷江流域多个湖相沉积中与地震滑坡有关的砾石堆积开展细致的分析，结合区域地质、地形地貌、区域气候和自然地理环境变化，我们总结了五条地震成因砾石的判别指标：1)砾石成分单一，与当地基岩相似；2)砾石磨圆较差，几乎没有分选；3)砾石尺寸和砾石层厚度沿搬运路线逐渐减小，在现场可进行追踪(图3)；4)砾石层与湖相沉积呈突变关系，而没有砾石-砂-粉砂沉积序列以及与水流作用相关的各种沉积层理；5)地震滑坡触发下伏湖相沉积层发生变形(软沉积物变形)，滑坡体近端位置变形强，远端位置变形弱，直至消失(图3，Zhang et al., 2021; Shi et al., 2024a)。这些证据可为其他构造活跃区识别砾石层记录的构造信号提供借鉴。青藏高原东缘第四纪沉积物的构造成因分析，显著改善了大家以往对水流成因的砾石堆积的粗略认识，对拓展构造活动研究和地震灾害评价具有重要的科学意义和实际应用价值。
图3 岷江上游叠溪博物馆剖面中的构造成因砾石层(Shi et al., 2024a)。(A)叠溪博物馆湖泊沉积剖面的野外照片；(B)覆盖于湖泊沉积顶部的两套砾石层；(C)基岩滑坡引起湖相沉积强烈的V形弯曲和层间滑动；(D)滑坡体远端薄层砾石层，砾石磨圆差、成分单一。
图4 青藏高原东缘新磨村湖相沉积剖面粒度分布和磁化率记录(Jiang et al., 2014)
2 震积层形成过程及敏感组分识别
稳定的湖泊环境以细颗粒沉积为主，常见水平层理发育。但是，地震释放大量物源影响的湖相沉积会有什么特别的地方呢？我们的研究发现，地震释放大量的碎屑物质，导致输入到湖泊中的粗颗粒物质和磁性矿物会突然增多，随着震后地貌景观的恢复呈现逐渐减少的趋势(图2)。地震影响陆源碎屑物源的这一过程在湖相沉积剖面中表现为自下而上粒度突然变粗然后缓慢变细(图4，Jiang et al., 2014, 2017)。相关性分析显示，与构造相对稳定的黄土高原不同，青藏高原东缘湖相沉积地震事件层和非事件层中的磁化率均与粗颗粒呈正相关(图5)。但是，32-63 μm粒度组分对区域地震事件响应最为敏感，表现为变幅最大(图4，Shi et al., 2023)。新磨村剖面地球化学多指标分析揭示，地震事件层中区域物理风化作用的显著加强(Liang and Jiang, 2017)，极高的伊利石和绿泥石粘土矿物组合含量(92%)特征代表了构造活跃区强烈的物理风化(Shi et al., 2024b)。上述湖相沉积多指标特征表明，青藏高原东缘强烈构造活动对区域物源供给的主控作用。
图5 构造稳定区黄土沉积和构造活跃区湖相沉积的SUS与粒度组分相关性对比分析（Shi et al., 2023）
3 地震成因软沉积物变形特征
地震活动在影响地表物源供给的同时，地震晃动还会造成未固结的湖相沉积发生强烈的软沉积物变形。软沉积物变形是国际上比较认可的古地震识别标志。结合已有的软沉积物变形相关成果，青藏高原东缘湖相沉积记录到的软沉积物变形分析研究显示，将湖相沉积软沉积物变形与地震相关联需满足6条判别标准：1)软沉积物变形结构与地震相关联一般发生在构造活动区；2)存在细颗粒物质；3)变形层被未变形层分隔开来；4)变形样式在横向上可追踪，在垂向上会重复出现；5)部分变形样式可通过实验模拟重复再现；6)可排除重力流或坍塌引起的触发(Jiang et al., 2016; Shi et al., 2022)。
4 震积层定量评估
流体动力学模拟建立了地面峰值加速度与软沉积物变形强弱的关系(图5，Lu et al., 2020)，实现震积层从定性到定量的转换。四川理县湖相沉积软沉积物变形类型与模拟结果的一致性，为理县软沉积物变形定量评估提供了基础。研究结果显示，烈度≥6½、地面峰值加速度≥0.13，是触发岷江上游理县地区湖相沉积物变形的边界条件，四川茂县-汶川断裂可能是触发强烈变形(滑动褶皱和碎屑角砾层)的主要断层(Shi et al., 2022)。此外，理县剖面中的变形厚度和震级层厚度与地震强度呈正相关(图7，Shi et al., 2022)，进一步说明了不同类型震积层能够指示地震强度。
图6 四川理县湖相剖面软沉积物变形构造及其数值模拟。（A）理县剖面典型软沉积物变形结构类型(Jiang et al.，2016)；（B）数值模拟得到的四种变形结构示意图(Lu et al., 2020)；（C）不同厚度的软沉积物变形结构启动所需的加速度的定量估计(Lu et al., 2020)。
图7 青藏高原东缘理县湖相沉积中软沉积物变形厚度及其上覆震积层厚度与地震烈度相关性
综上所述，本次研究通过青藏高原东缘湖相沉积多指标分析，揭示了构造活跃区强烈的构造活动（地震、滑坡）对区域物源供给的主控作用。宏观上，建立了地震滑坡成因砾石堆积判别指标。微观上，实现了将湖相沉积震级层（软沉积物变形和粉砂沉积）从定性描述到定量估算的探索。因此，青藏高原东缘湖相沉积构造指标识别、提取过程为其他构造活跃区相关研究提供了重要的科学借鉴。
时伟，理学博士，副研究员。从事湖泊地震学研究。邮箱：[email protected]
蒋汉朝，理学博士，研究员，博士生导师。主要从事新生代湖相沉积物的气候与环境事件研究工作。邮箱：[email protected]
主要参考文献
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