2008年汶川地震相关堆积物的细颗粒石英光释光测年研究

杨会丽 陈 杰 刘进峰 余 松

(中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京 100029)

2008年汶川地震相关堆积物的细颗粒石英光释光测年研究

杨会丽 陈 杰 刘进峰 余 松

(中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京 100029)

现代强震相关堆积物的释光测年研究有助于理解古地震相关沉积物释光测年的地质意义，提高古地震测年的精度和准确度，更好地认识大地震发生的规律。文中选择了若干典型的2008年汶川大地震的相关堰塞湖堆积物、泄洪堆积物和喷砂堆积物，进行了细颗粒石英光释光测年研究。结果表明，这些地震相关沉积物中的细颗粒石英灵敏度较高，但释光信号并未完全归零，等效剂量残留值有的可高达10Gy，这对百年或千年尺度复发周期地震事件的释光测年影响较大，但对万年至10万年尺度的地质事件测年影响可以忽略不计。地震前古地面附近沉积物样品细颗粒石英的光晒退程度较好，其等效剂量仅0.2Gy，因此应尽量采集古地面附近的样品来限定古地震事件发生的时间。

汶川地震 堰塞湖 地震喷砂 细颗粒石英 光释光测年

0 引言

数十年至数千年复发周期地震事件的高分辨率、高精度测年一直是活动构造研究的一个难点。近年来发展迅速的光释光(Optically Stimulated Luminescence，OSL)年代学，是一种极有潜力的测年方法(Wintle et al.，1993;Porat et al.，1997;Lu et al.，2002;Murray et al.，2002;Chen et al.，2006;Wintle et al.，2006;Rittenour，2008;Fattahi，2009;Liu et al.，2010)。例如 Banerjee 等(2001)对1755年Lisbon地震海啸相关沉积物的光释光测年获得了较可靠的结果，其中现代海岸沙的光释光年龄为(6±3)a，这表明在近百年这个时间尺度上的光释光测年，可能优于14C测年。

沉积物在搬运过程中得到充分的光晒退是光释光准确测年的前提。不同沉积环境样品沉积埋藏时释光信号是否完全晒退依赖于多种因素，包含曝光时间的长短、沉积前光晒退时的波长等(Berger，1990;Spooner，1994;Singarayer et al.，2004)。因此，现代沉积物(零年龄)样品的研究，不仅对于释光测年方法改进和物理模型的检验具有重要意义，还可以检验样品光晒退(回零)程度，估计同类沉积物释光测年值的不确定性，从而提高沉积物释光测年的精度和准确度。对沉积搬运距离较短或晒退光强较弱的现代堆积物，如水下环境，由于光的折射、反射与水浑浊度影响导致光强大大减弱，沉积物完全晒退的可能性大大降低，导致其光释光年龄偏老(Berger，1990)。部分现代水下沉积物试验结果表明，样品沉积埋藏前得到了充分的光晒退(Jain et al.，2004);同时也有实验结果表明样品存在明显的残留信号(Rhodes etal.，1994，Rhodes，2000;Stokes et al.，2001;Jia-Fu Zhang，2010)。Stokes(1992)利用多测片技术研究各种沉积环境中的年轻(现代)沉积物获得了较低的等效剂量值(0.05～0.3Gy)。Stokes(2001)将单片再生法应用于水下沉积物获得了类似结果。

强震相关沉积物如堰塞湖沉积物、泄洪堆积物、地震喷砂、断层崩积楔、推覆楔、堰塞塘等堆积物大多为近缘快速堆积，释光信号在沉积埋藏前是否完全归零?其堆积前的古地面沉积物释光信号是否完全归零?目前对于这些问题的研究实例尚少见。2008年汶川大地震形成了众多的地震相关沉积物，本文选择3个典型剖面，对地震堰塞湖沉积、泄洪堆积物、地震喷砂堆积物分别开展了初步的细颗粒石英测年研究，以评估释光残留信号对地震相关沉积物光释光测年精度和准确度的影响。

1 研究剖面及样品

1.1 邓家剖面——唐家山堰塞湖泄洪堆积物

2008年6月11日(汶川地震后)唐家山堰塞湖泄洪时，在洪水流经两岸的地表沉积了大量的泄洪堆积物，图1为北川邓家湔江低阶地面上厚度达50cm的泄洪堆积剖面。此剖面共分成4层:①人工扰动层，含正在生长的庄稼根系;②青灰色中细砂，层厚19cm，松散，分选好，见0.4～1cm厚的层理，具递变层理;③青灰色粉细砂，层厚30cm，松散，略显递变层理，分选中等，含一厚0.5～3cm的植物根系层(A);④土黄色含砾黏土，固结好，分选差，砾石粒径1～5mm、磨圆差，富含植物根系和褐色锈斑，该层顶部为泄洪前古地面。整体上层②明显比层③粗，可能为多次洪峰堆积，层②堆积时水动力条件可能比层③强。

我们在此剖面采用常规采样流程(Liu et al.，2010;杨会丽等，2011)采集了4个样品。具体位置与岩性见图1和表1。

图1 堰塞湖泄洪堆积物邓家剖面Fig.1 The floodwater sediment section at Dengjia.

1.2 三洞水剖面——岷江支流地震堰塞湖堆积

5.12汶川地震在涪江沿线形成多个地震堰塞湖，在绵阳市石坎乡健康村附近涪江支流河漫滩上残留了厚度近50cm的堰塞湖堆积物(图2)。该剖面沉积物粒度从上至下逐渐变粗，具典型递变层理，共分成4层:①青灰色细粉砂，层厚8cm，松散状，分选好，略见水平层理;②灰色细砂，层厚26cm，松散状，分选好，见波状层理，样品LED09-312采自此层;③灰色中砂，层厚12cm，松散状，分选好，未见层理，见大量云母长石矿物，在此层中采集样品LED09-258;④黄灰色含细砾黏土，地震前河漫滩堆积，LED09-311采自该层最上部的埋藏前河漫滩表面。

1.3 马鹿乡方石村低阶地上的地震喷砂及其砂源

大地震发生时常常伴有砂土液化、喷砂冒水现象。Porat等(2007)曾对以色列古地震喷砂管及相关沉积开展了研究。Thomas等(2007)通过对印度北部砂土液化的研究认为，使用释光技术可以直接限定史前地震发生的时间。

汶川地震时，在马鹿乡方石村一带清水河低阶地上发育了张裂缝、陷落坑和较强烈的喷砂冒水(陈立春等，2008)。地震喷砂过程中矿物颗粒可能经历了短暂的曝光，这个过程能否使光释光信号归零?如果不归零对测年结果产生多大影响?方石村地表喷砂冒水堆积物厚约15～20cm，我们从中采集了LED08-215和LED08-183两个样品(图3a)。在横跨张裂缝开挖的40余m长、深3m的探槽剖面上(陈立春等，2008)，可见喷砂管及其砂源，在砂源处采集了LED08-204、LED08-205、LED08-184三个样品(图3b)。

图2 地震堰塞湖堆积物三洞水剖面Fig.2 The dammed lake sediment section at Sandongshui.

2 细颗粒石英的提取与测量仪器

这批样品总体上为中细砂，在暗室内经过常规实验室前处理(Aitken，1998;Lu et al.，2007)提取了细颗粒组分物质，此批样品富含有机质和碳酸盐，用H2O2约5～7d，用HCl约4～6d才完全去除有机质和碳酸盐。然后采用静水沉淀法分离出细颗粒组分，再用30%氟硅酸刻蚀此细颗粒组分至长石矿物完全去除。除LED09-313样品较粗外，其它样品均提取出了较纯的细颗粒石英。细颗粒石英纯度采用红外(IR)信号检测和Duller等(2003)提出的红外蓝光逐出比法及110℃热释光(TL)峰法(Aitken，1998)来检验。从图4中可以看出光释光信号还是较强的，IR信号曲线接近测量本底，红外后蓝光信号(Post-IR OSL)与蓝光信号(OSL)比值(逐出比)均在0.9～1.1之间，具有典型的石英热释光110℃峰，以上结果表明石英纯度已达到释光测量要求。

图3 方石村地震喷砂Fig.3 Earthquake-related ejected sand sediments at Fangshi.

图4 石英纯度检验及热释光特征峰Fig.4 Fine quartz purity IR check and characteristic peaks of thermoluminescence glow curve.

OSL测量均在Daybreak 2200自动化释光测量仪上完成，激发光源为蓝光(波长:(470±5)nm，最大功率 67.3mw/cm2)，测量时激发光强设为最大功率的 80%，光释光信号通过EMIQA9235型光电倍增管(PMT)检测，在激发光源和PMT之间附加2块U-340滤光片(厚度分别为2.5mm和4.5mm);机载辐照源剂量率为0.0327Gy/s。

图5 LED09-312样品光释光生长曲线(a)及光释光衰减曲线(b)Fig.5 LED09-312 OSL growth curve(a)and OSL decay curve(b).

3 等效剂量测量

为了检验本批样品的释光特性，对每个样品选取若干测片进行蓝光晒退，然后附加一个已知的人工剂量后进行预热，预热温度为200℃，预热时间为10s，一组测片直接在真空下进行热释光测量，样品均具有典型的石英325℃峰，其热释光信号以325℃峰为主，仅在325℃峰右肩部有一较微弱的375℃峰(图5b);另一组测片先在125℃下用蓝光激发300s后进行热释光测量，如图5b所示样品的石英325℃峰被蓝光激发所消除，只剩下石英375℃峰。说明本批样品的OSL信号主要来自于石英325℃峰所在陷阱，石英释光特性主要以快速组分为主，符合简单多片再生法测量要求。另外由于这批样品较年轻，采用Murray等(2002)的建议，预热温度为200℃、预热时间为10s;实验剂量预热温度为160℃、预热时间为0s。

采用简单多片再生法(SMAR)流程(王旭龙等，2005;Lu et al.，2007)获得了所有样品的等效剂量(表1)。等效剂量的计算取释光信号发光曲线第1s减去最后1s(本底)光子计数积分。在SMAR法测量时，天然N的测片为8个，图5a，b为典型样品的光释光生长曲线和衰减曲线，曲线拟合较好，释光信号在前5s基本衰减至本底。回授率小于Murray等(2002，2003)所建议的5%，所得等效剂量还是比较可靠的。

4 初步认识与讨论

通过对以上2008年汶川大地震相关堆积物样品细颗粒石英的释光测年，获得了其等效剂量。这些样品虽然均为近缘快速堆积，但其细颗粒石英灵敏度较高，光释光信号主要来自石英325℃峰所在陷阱。

对地震堰塞湖沉积物和泄洪堆积物的研究表明，其细颗粒石英释光信号并未完全归零，等效剂量残留值可高达3～10Gy(表1)，这对百年或千年尺度复发周期地震事件的释光测年显然影响较大，但是对于万年至10万年尺度地质事件释光测年的影响相对较小，可以忽略因晒退不彻底造成的影响。另外不能依靠单独的年龄来确定古地震发生的时间，要在疑似沉积物中进行密集采样，利用多个平行样品年龄来限定地质事件发生的时间。

三洞水和邓家2个剖面地震前位于地表的样品细颗粒石英等效剂量均为0.2Gy(表1)，说明地震前的地面堆积物，由于长期暴露于地表，其释光信号几乎完全回零，因此在进行地质事件年代测定时，应尽量采集古地面附近的样品来限定事件发生的时间。

Thomas等(2007)对印度与地震相关古砂土液化层的研究认为，地震喷砂过程可以使样品释光信号回零，因此可用光释光测年技术直接限定古地震发生的时间。而我们对汶川地震喷砂及其砂源的初步测年表明，汶川大地震虽然发生在中午，但相对于其喷砂源层(等效剂量为3.7～6.1Gy)而言，地表地震喷砂堆积物样品的细颗粒石英释光信号只被部分晒退，其等效剂量残留值可达1.8～3.2Gy(表1)，说明该地地震喷砂强度较弱、喷砂高度有限，砂体自源区喷出地表至下落堆积的时间较短，不足以被完全光晒退。因此，在应用地震喷砂样品进行古地震事件测年时应谨慎。

通过上述研究还可以得出不能依靠单独的年龄来确定古地震发生的时间，要在疑似沉积物中进行密集采样，获得一个剖面的系统年龄和多个平行样品年龄来限定地质事件发生的时间。

本文仅对不同类型现代地震相关堆积物细颗粒石英进行了初步的研究，还将对这些地震相关堆积物中粗颗粒长石释光信号光晒退程度及不同粒组石英晒退程度和速率的差异做进一步研究工作。

致谢 陈立春副研究员参加了方石村探槽剖面的开挖和样品采集工作，深表谢意。

陈立春，陈杰，刘进峰，等.2008.龙门山前山断裂北段晚第四纪活动性研究［J］.地震地质，30(3):710—722.

CHEN Li-chun，CHEN Jie，LIU Jin-feng.2008.Investigation of late Quaternary activity along the northern range front fault，Longmenshan［J］.Seismology and Geology，30(3):710—722(in Chinese).

王旭龙，卢演俦，李晓妮.2005.细颗粒石英光释光测年:简单多片再生法［J］.地震地质，27(4):615—623.

WANG Xu-long，LU Yan-chou，LIXiao-ni.2005.Luminescence dating of fine-grained quartz in Chinese loess:Simplified Multiple Aliquot Regenerative-dose(MAR)protocol［J］.Seismology and Geology，27(4):615—623(in Chinese).

杨会丽，陈杰，冉勇康，等.2011.汶川8.0级地震小鱼洞地表破裂带古地震事件的光释光测年［J］.地震地质，33(2):402—412.

YANG Hui-li，CHEN jie，RAN Yong-kang，et al.2011.Optical dating of paleoearthquake similar to the 12 May Wenchuan earthquake，at Xiaoyudong surface ruptures zone［J］.Seismology and Geology，33(2):402—412(in Chinese).

Aitken M J.1998.An Introduction to Optical Dating［M］.Oxford University Press，Oxford.39—50.

Banerjee D，Murry A S，Foster ID L.2001.Scilly Isles，UK:Optical dating of a possible tsunamideposit from the 1755 Lisbon earthquake［J］.Quaternary Science Reviews，20:715—718.

Berger GW.1990.Effectiveness of nature zeroing of the thermoluminescence in sediments［J］.Journal of Geophyscial Research，95(B8):12375—12397.

Chen Y G，Chen YW，Chen W S，et al.2006.Preliminary results of long-term slip rates of1999 earthquake fault by luminescence and radiocarbon dating［J］.Quaternary Science Reviews，22:1213—1221.

Duller G A T，Wintle A Gl.2003.Distinguishing quartz and feldspar in single grain luminescencemeasurements［J］.Radiation Measurements，37:161—165.

Fattahi M.2009.Dating pastearthquakes and related sediments by thermoluminescencemethods:a review［J］.Quaternary International，199:104—146.

Jia-fu Zhang，Wei-li Qiu，Xiao-qing Wang，et al.2010.Optical dating of a hyperconcentrated flow deposit on a Yellow River terrace in Hukou，Shaanxi，China［J］.Quaternary Geochronology，5(2—3):194—199.

Jain M，Thomsena K J，Bøtter-Jensen L，Murray A S.2004.Thermal transfer and apparent-dose distributions in poorly bleached mortar samples:Results from single grains and small aliquots of quartz［J］.Radiation Measurements，38:101—109.

Liu JF，Chen J，Yin JH，et al.2010.OSL and AMS14C dating of the penultimate earthquake at the Leigu trench along the Beichuan Fault，Longmenshan，in the northeastmargin of the Tibetan Plateau［J］.Bulletin of the Seismological Society of America，100(5B).doi:10.1785/0120090297.

Lu Y C，Prescott JR，Zhao H，et al.2002.Optical dating of colluvial deposits from Xiyangfang，China and the relation to paleaoearthquake events［J］.Quaternary Science Reviews，21:1083—1097.

Lu Y C，Wang X L，Wintle A G.2007.A new OSL chronology for dust accumulation in the last130，000 yr for the Chinese Loess Plateau［J］.Quaternary Research，67:152—160.

Murray A S，Olley JM.2002.Precision and accuracy in the optically stimulated luminescence dating of sedimentary quartz:A status review ［J］.Geochronometria，21:1—16.

Murray A Sand Wintle A G.2003.The single aliquot regenerative dose protocol:Potential for improvements in reliability［J］.Radiation Measurements，37:377—381.

Porat N，Amit R，Zilberman E，et al.1997.Luminescence dating of fault-related alluvial fan sediments in the Southern Arava Valley，Israel［J］.Quaternary Science Reviews，16:397—402.

Porat N，Levi T，Weinberger R.2007.Possible resetting of quartz OSL signals during earthquakes-Evidence from late Pleistocene injection dikes，Dead Sea Basin，Israel［J］.Quaternary Geochronology，2:272—277.

Rhodes E Jand Pownall L.1994.Zeroing of the signal in quartz from young glaciofuvial sediments［J］.Radiation Measurements，23:581—585.

Rhodes E J.2000.Observations of thermal transfer OSL signals in glacigenic quartz［J］.Radiation Measurements，32:595—602.

Rittenour TM.2008.Luminescence dating of fluvial deposits:Applications to geomorphic，palaeoseismic and archaeo-logical research ［J］.Boreas，37:613—635.doi:10.1111/j.1502-3885.2008.00056.x.ISSN0300—9483.

Singarayer JS，Bailey R M.2004.Component-resolved bleaching spectra of quartz optically stimulated luminescence:Preliminary results and implications for dating［J］.Radiation Measurements，38:111—118.

Spooner N A.1994.The anomalous fading of infrared-stimulated luminescence from feldspars［J］.Radiation Measurements，23:625—632.

Stokes S.1992.Optical dating of young(modern)sediments using quartz:Results from a selection of depositional environments［J］.Quaternary Science Reviews，11:153—159.

Stokes S，Bray H E，Blum M D.2001.Optical resetting in large drainage basins:Tests of zeroing assumptions using single-aliquot procedures［J］.Quaternary Science Reviews，20:879—885.

Thomas P J，Reddy D V，Kumar D，et al.2007.Optical dating of liquefaction features to constrain prehistoric earthquakes in Upper Assam，NE India—Some preliminary results［J］.Quaternary Geochronology，2:278—283.

Wintle A G，Li SH，Botha G A.1993.Luminescence dating of colluvial deposition from Natal，South Africa［J］.Suidafrikaanse Tydskrif virWetenskap，89:77—82.

Wintle A G，Murray A S.2006.A review of quartz optically stimulated luminescence characteristics and their relevance in single aliquot regeneration dating protocols［J］.Radiation Measurements，41:369—391.

OPTICAL DATING OF FINE QUARTZ FROM THE 12 MAY 2008，MS8.0WENCHUAN EARTHQUAKE RELATED SEDIMENTS

YANG Hui-li CHEN Jie LIU Jin-feng YU Song
(State Key Laboratory of Earthquake Dynamics，Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China)

The research of optical dating aboutmodern strong earthquake sedimentswill be useful for understanding geological significance of paleoearthquake related sediments，improving dating precision and accuracy，and better understanding the law of earthquake occurrence.This article chooses some typical sediments related with 2008Wenchuan earthquake，such as dammed lake deposits，floodwater deposits and ejected sands，to do optical dating of fine-grained quartz.Preliminary results from optical dating of fine-grained quartz extracted from 11 samples suggest that fine-grained quartz is sensitive and Devalues obtained from the three sections indicate residual Deup to 10Gy.Caution should be taken for optical dating of sediments related to paleoearthquake with a recurrence interval of hundreds or thousands of years，but the effect can be neglected for the paleoearthquake with a recurrence interval of ten thousands or hundred thousands of years.Residual Devalues less than 0.2Gy are observed in two samples collected from pre-earthquake surface.Therefore，we should collect samples on pre-earthquake surface to limit the event time.

Wenchuan earthquake，dammed lake，earthquake-related ejected sand，fine qartz，OSL

P597

A

0253-4967(2011)02-0413-08

2011-03-02收稿，2011-03-29改回。

2008年地震行业科研专项(200808015)、地震动力学国家重点实验室自主研究课题(LED2008A02)和中国地震局地质研究所基本科研业务专项(DF-IGCEA060821)共同资助。通讯作者:陈杰，研究员，E-mail:chenjie@ies.ac.cn。

10.3969/j.issn.0253-4967.2011.02.014

杨会丽，女，1982年出生，2007年毕业于中国矿业大学，2010年在中国地震局地质研究所获得地球化学专业硕士学位，现为博士研究生，主要从事构造地质学研究，电话:010-62009111，E-mail:yanghuili07@mails.gucas.ac.cn。