末次冰消期气候转型对青藏高原东部地震活动的影响

钟 宁 ， 蒋汉朝 ， 李海兵 ， 徐红艳 ， 梁莲姬

1)新构造运动与地质灾害重点实验室， 中国地质科学院地质力学研究所， 北京 100081；

2)地震动力学国家重点实验室， 中国地震局地质研究所， 北京 100029；

3)自然资源部深地动力学重点实验室， 中国地质科学院地质研究所， 北京 100037；

4)北京工业大学建筑工程学院， 北京 100124

构造和气候是控制地表形态特征及其成因、演化的两个重要因素。过去十多年地球系统科学的重要进展之一是认识并证实气候、地表过程、以及构造和较深部岩石圈过程之间存在广泛联系(Molnar and England， 1990； Koons et al.， 2002； Cloetingh and Willet， 2013)。一方面， 构造变形和深部岩石圈过程导致的高地形可以影响区域甚至全球气候(Harrison et al.， 1992； Wang et al.， 2014)； 另一方面， 气候变化导致的侵蚀增强可以改变构造变形的样式和速率，驱动岩石均衡抬升并改变地壳应力状态和流变性质(Molnar and England， 1990； Herman and Seward，2013)， 还可能会诱发地震等(Hunt and Malin， 1998；Stewart et al.， 2000； van Loon et al.， 2016)。因此， 在构造活跃地区， 探讨构造和气候在地貌演化过程中的耦合作用一直是研究的热点。

第四纪气候的主要特征是冰期与间冰期的交替发生(刘嘉麒等， 2001)。在第四纪气候变化研究中，末次冰期的环境、气候变化以其变化迅速且有多个独特气候事件而成为研究的热点(An et al.， 1991；鹿化煜和和刘洪滨， 1998)。末次冰期包含的主要气候事件有哈因里奇事件6、5、4、3、2、1(简称H6、H5、H4、H3、H2、H1)、Oldest Dryas、B¢iling、Older Dryas、Aller¢d 以及 Younger Dryas事件(简称YD事件)。末次冰期冰盛期(LGM)是十分关键的气候时期， 这是距我们最近的极寒冷时期。LGM时全球陆地约有24%被冰覆盖， 而现代仅有11%(王绍武和闻新宇， 2011)。由于大量的水形成陆冰， 海平面可能比现代低 130 m， 南极温度比现代低 10～12℃，格陵兰可能低20℃(王绍武和闻新宇， 2011)。Clark et al.(2009)利用4271个14C记录及475个地球宇宙核素(TCN)记录， 确定 LGM 为 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)过渡的时期。不同于冰期缓慢的发展过程， 末次冰消期气候变化剧烈、快速， 在短短几千年中， 大陆冰盖(冰川)迅速消融， 海平面上升近百米， 大气 CO2浓度增加约 1/3(刘东生等， 1999)。此外， 还有全新世的浮冰碎屑事件(Bond et al.， 1993)， 全新世高温期(Nesje and Dahl， 1993)， 中世纪温暖期(Bradley et al.， 2003)和小冰期等事件(Keigwin， 1996)， 这些突变事件在时间和空间上表现出气候的不稳定性。

1 研究区概况

自 1990年有地震仪器记录以来， 青藏高原曾经历了3次地震活动丛集高潮， 最新的一次为20世纪末期以来昆仑—汶川地震系列(邓起东等， 2014)。2008年以来， 青藏高原东部先后发生了汶川、玉树、芦山、九寨沟等4次7级以上的地震， 以及2017年米林Ms6.9级地震(图 1a)， 显示该区具有很强的地震活动性。陈浩和李勇(2009)认为20世纪90年代以来青藏高原周缘频繁的地震活动， 可能与青藏高原地区气温的快速增加， 冰川消融造成重力卸荷引起的地壳均衡反弹有关。于希贤(1997)却认为气候由温暖转向寒冷的时期， 地震活动趋于频繁； 当气候处于寒冷期时， 或者气候从寒冷期向温暖期转变时， 地震活动处于相对的平静期。末次冰消期以来，青藏高原大陆冰川或冰帽快速消融引起地壳应力变化， 以及冰川剥蚀卸载作用， 是否会影响区域的断裂活动是值得我们研究的一个课题。

本文选取青藏高原东部末次冰消期以来湖相沉积记录的软沉积物变形构造为研究对象， 结合这一时期气候变化特征， 分析该时间段地震成因软沉积物变形构造大量出现的可能原因和触发机制， 为探讨该区的地震活动、气候变化和地貌过程提供基础资料。

2 青藏高原东部末次冰消期湖相沉积记录的构造和气候事件

沙湾湖相沉积剖面(3 2°4'3.1 9"N，103°42'45.65"E， 2219.81 m a.s.l)位于岷江上游茂县与松潘之间的叠溪海子旁。岷江上游地区以高山峡谷地貌、频繁的地震活动为特征(Wang et al.， 2011；Jiang et al.， 2014， 2016， 2017； 李艳豪等， 2015；Liang and Jiang， 2017； 钟宁， 2017； 钟宁等， 2017，2020)， 主要受龙门山断裂带、岷江断裂、松坪沟断裂和虎牙断裂的影响。Wang et al.(2011)在沙湾湖相沉积剖面中识别出火焰构造、假结核、球-枕构造、液化卷曲等多种软沉积物变形， 并认为地震是它们最可能的触发机制。Zhong et al. (2019)通过对沙湾剖面的软沉积物变形构造与地震震级关系， 共识别出6次6～7级， 1次＞7级的古地震事件， 年龄范围在17～15 ka， 集中在 16 ka 左右。此外， 叠溪附近的新磨村(Jiang et al.， 2014)、理县(Jiang et al.， 2017)和波密格尼村的湖相沉积剖面中， 18-15 ka的时间范围内均存在大量的软沉积物变形或地震事件(图1b， c，d， 图 2b， 图 3)， 指示强烈的地震活动。在 18-15 ka期间， 龙日坝断裂(Ren et al.， 2013)、龙门山断裂西南段(李海龙等， 2015)、鲜水河断裂炉霍段(李天袑和杜其方， 1989)、大渡河断裂南段(邓建辉等， 2007；吴俊峰， 2013)、程海—宾川断裂(Huang et al.， 2018)均发生过古地震或地震滑坡事件(图 2b)， 显示具有强烈的地震活动性。

图1 青藏高原东部昆仑—汶川地震系列地震分布(a)； 青藏高原东部沙湾(b, Zhong et al., 2019)、新磨村(c, Jiang et al., 2014)、理县(d, Jiang et al., 2017)和格尼村(e, 本研究)湖相沉积剖面中地震成因的假结核、球-枕构造、碎屑脉和球-枕构造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， 在高喜马拉雅山的Goting冰川堰塞湖中也发现了 2层类似的卷曲纹层变形， 分别在18 ka 和 19.5 ka(Juyal et al.， 2009)， 对应于显著的东亚夏季风增强事件， 而这一季风增强事件在北半球海洋和陆地记录中均有不同程度的体现， 可能是热带太平洋 Super-ENSO响应于岁差周期太阳辐射的结果(Wu et al.， 2009)。值得注意的是， 这一时期对应于末次冰消期气候转变阶段， 表现在植被类型变化(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)、湖泊水位波动(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， 且这一转变事件在青藏高原东部、东北部、南部和西北缘都有不同程度的体现(图2b， 图4)。可能暗示着气候突变阶段对应于地震活动的频繁期(图4)。

图2 末次冰盛期和现代青藏高原永久冻土分布范围(a； Zhao et al., 2014)和青藏高原末次冰消期古气候记录(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 讨论

北极的劳仑泰冰盖大约在26.5 ka达到极大值，正好是海平面极低时期的开始。劳仑泰冰盖、北美西北部的考尔勒冰盖、巴伦支海/克拉海冰盖、英国/爱尔兰冰盖、斯堪的纳维亚冰盖在20-19 ka开始后退(Clark et al.， 2004)。青藏高原的山地冰川则在17.5 ka以后开始大量消退， 可能与东亚季风的影响有关(Wang et al.， 2001)。从中国永久冻土分布也可以看出， 末次冰盛期比现代永久冻土范围要大的多(图 2a)。这一时间正好是末次冰消期气候转变的开始阶段， 不同地点的古气候指标均有显示(图4)； 在青藏高原湖泊沉积中也发现大量地震成因的软沉积物变形(Jiang et al.， 2014， 2016， 2017； 钟宁， 2017；Zhong et al.， 2019)， 同样多个活动断裂上均发生了古地震事件(图2b)。van Loon et al.(2016)报道了波罗的海拉脱维亚地区末次冰期斯堪的纳维亚冰盖消融引起地壳均衡反弹， 诱发地震形成的软沉积物变形构造。有趣的是， 湖相沉积记录的软沉积物变形广泛分布的区域， 也是 LGM 之后永久冻土消失的区域(图 2a)， 可能指示了青藏高原冰消期阶段， 大量冰川消融和冰雪融水的重力卸载， 导致的地壳均衡反弹或流域冰雪融水等气候因素， 通过影响区域地壳变形、断层和斜坡的稳定性， 可能诱发了区域频繁的地震活动。

图3 青藏高原东部沙湾(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)、理县(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, 曾庆利等, 2007)湖相沉积岩性柱状图, 软沉积物变形分布及年龄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

图4 青藏高原18-15 ka期间古气候资料与古地震事件对比图Fig. 4 Comparison of the paleoearthquakes with paleoclimatic records during 18-15 ka in the Tibetan Plateau

Hunt and Malin(1998)报道了加拿大北部劳伦泰冰盖消融， 冰后期地壳均衡反弹诱发的地震， 进而影响到冰期的气候变化。基于野外调查证据和新的冰后期反弹模型， Stewart et al.(2000)验证了冰期上地壳变形和地震活动关系。强调冰盖的周期性生长和消亡， 会导致垂直负载、流体压力和地壳应变的变化， 可能影响到地壳变形和地震活动(地震构造)的模式、性质和速率(图 5)。Saar and Manga(2003)报道了美国俄勒冈州Mt. Hood造山带季节性的冰雪融水引起地下水季节性变化， 导致孔隙流体的压力扩散， 加速了库仑应力失稳， 进而诱发地震。Hetzel and Hampel(2005)认为冰期-间冰期地表负载变化可能影响到正断层的滑动速率。Bettinelli et al.(2008)讨论了地表水文导致喜马拉雅山地震活动与大地测量应变的季节性变化。Sanchez et al.(2010)基于阿尔卑斯山西南部活动断层、滑坡和冰川地貌面的年代测试， 强调周期性的气候变化，特别是冰后期地壳均衡反弹或者冰盖消退引起斜坡压力减小、流域冰雪融水和强降水导致地下孔隙水压力增大等气候因素， 从而影响了断层和斜坡的稳定性。

图5 冰川加载(a)和卸载(b)产生挤压应力对区域地壳影响示意图(据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)

汶川地震断裂带的科学钻探(WFSD)的水位监测数据表明， 映秀—北川断裂带具有超乎想象的高水力扩散系数， 暗示在汶川地震破裂带中存在大量的水循环过程， 震后渗透率快速下降， 九个月快速降低35%， 目前已降低～70%， 反映了汶川地震后映秀—北川断裂带快速愈合过程(Xue et al.， 2013)。近20年来， 青藏高原周缘地区特大地震频发， 陈浩和李勇(2009)认为印度与欧亚板块碰撞产生的构造应力是引发地震的能量库， 而高原冰川快速消融产生的垂向力可被看作是诱发地震的导火索。基于2008年汶川地震震后高分辨率遥感解译、野外调查、同震地表破裂带的几何学、地貌学和运动学以及地震地质灾害研究， Fu et al.(2011)认为龙门山造山带的晚新生代隆升是类似汶川地震巨大地震长期累积，同震构造变形的结果； 地震次生灾害引起了地表快速侵蚀， 地表侵蚀和构造变形之间可能存在一种反馈机制： 即长期的地表侵蚀卸载作用导致了下地壳和上地幔边界均衡反弹， 驱动地表抬升， 并维持龙门山现在的地形梯度。刘锋等(2013)定量估算了2008年汶川大地震滑坡物质的河流卸载时间， 认为除了周期性大地震造成的地表抬升的累积外， 龙门山地区地震及其它地表过程所产生的剥蚀物质通过河流快速卸载驱动了地壳均衡反弹和深部物质上涌，形成了青藏高原东缘的高陡地形梯度带， 暗示了青藏高原东缘可能存在由地表快速剥蚀(或侵蚀)所引发的地球深部地幔软流圈物质上涌。基于条带状剖面分析、古地形面(残余面)恢复以及弹性挠曲模拟等研究手段， 闫亮等(2019)认为大量的地表剥蚀作用驱动了青藏高原东缘龙门山的地壳均衡反弹， 使龙门山隆升了近2 km， 均衡隆升和剥蚀作用在相似的时间尺度上和空间尺度上控制着龙门山地貌的形成， 龙门山的隆升是多期、多种隆升机制叠加的产物， 其隆升过程具有历史性和复合性。

崔之久(1964)认为青藏高原发育有局部的小冰盖(冰帽)， 面积可达 500～1000 km2， 且青藏高原东部高山夷平面上发育过古平顶冰川(罗来兴和杨逸畴，1963)。 青藏高原东部的理塘 (Schafer et al.，2002)、贡嘎山(苏珍等， 2002)、波密(施雅风等， 1990)等地在末次冰期具有大量的山地冰川和冰川活动。根据念青唐古拉山主峰地区基岩地层与岩性的空间分布、不同火成岩和变质岩组合的形成深度和不同冰期冰碛物砾石成分统计研究， 朱大岗等(2005)发现冰川对基岩剥蚀与念青唐古拉山中段隆升过程有着明显的对应关系， 可能暗示了冰川剥蚀卸载作用引起深部岩体的快速剥露或局部地壳应力调整。由此可见， 冰川快速消融产生的垂向力和冰川剥蚀的卸载作用都可能影响中下地壳应力调整或均衡反弹，进而影响区域的断层活动或断层失稳， 诱发地震活动等。

此外， 河流侵蚀可能会导致地壳均衡反弹(Champagnac et al.， 2007)、断层失稳(Calais et al.，2010)、区域库伦应力场变化， 进行影响逆冲断裂的地震活动(Steer et al.， 2014)。Vernant et al.(2013)利用有限元模型， 证实了侵蚀引起造山带岩体隆升和伸展， 从而调整相对较低地区的挤压。进一步验证了侵蚀过程控制着现今的地壳变化和地震活动。基于汶川地震后龙门山中段的地形、河流侵蚀能力、同震滑移、同震滑坡等的沿走向差异的详细分析，以及地形重力对断层面正应力的影响， Tan et al.(2018)认为河流侵蚀能力沿走向差异造成了龙门山中段地形的沿走向差异， 地形荷载的差异进一步引起断裂活动性的沿走向差异。可见， 区域构造应力场和库伦应力变化、冰盖周期性生长和消亡、地下水水文波动、河流侵蚀等都可能引发地震。因此，周期性冰期-间冰期或气候转变阶段， 不仅对区域的地形、地貌、植被和水文变化产生重大影响， 也可能诱发了区域的构造(或地震)活动， 值得我们开展更大范围和深入的研究。

4 结论

通过对青藏高原东部古地震资料的收集， 发现在18-15 ka期间湖相沉积出现大量且强烈的地震成因的软沉积物变形构造或地震事件； 且龙日坝断裂、龙门山断裂西南段、鲜水河断裂炉霍段、大渡河断裂南段、程海—宾川断裂均发生过古地震或地震滑坡事件。这一时期正好对应于末次冰消期气候转变阶段。可能指示了末次冰消期阶段， 青藏高原大量冰川消融、冰雪融水和冰川剥蚀卸载作用， 导致的地壳均衡反弹或流域冰雪融水等气候因素， 通过影响区域地壳变形、断层和斜坡的稳定性， 诱发了区域频繁的地震活动。周期性冰期-间冰期旋回或气候转变阶段不仅对地形、地貌、植被和水文变化产生重大影响， 还可能引起区域构造应力场和库伦应力变化、冰盖(或冰帽)周期性生长和消亡、地下水水文波动、冰川剥蚀、河流侵蚀等。本研究对更好地理解晚第四纪青藏高原东部的地震活动、气候变化和地貌过程具有一定的启示意义。

致谢：感谢中国地质科学院矿产资源研究所陈安东博士和中国地质大学(北京)博士生丁莹莹在文章修改过程中的帮助及宝贵意见。最后， 感谢审稿专家及编辑老师提出的宝贵意见和建议， 使本文得到进一步提升。

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).