《中国科学》综述：地震滑坡或是活跃造山带强侵蚀风化的“元凶”
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时间：2021-12-01 来源：文本大小：【大 | 中 | 小】 【打印】
构造活跃造山带是检验“构造隆升驱动气候变化”著名假说的核心区。地震制约着活跃造山带地貌演化和物质循环，其滑坡造成的物质输移通量成倍增加，极具特色的侵蚀、风化和沉积作用，且持续时间可达几年或更久，但这类高强度事件对地表过程的影响强度、幅度和趋势仍知之甚少。本文系统综述了2008年汶川特大地震、1999年台湾集集地震、2015年尼泊尔廓尔喀地震和新西兰历史地震等对地表过程的影响，提出地震滑坡或是活跃造山带强侵蚀风化的“元凶”，季风降水则是为地震滑坡的侵蚀风化提供动力和媒介的“帮凶”，而地震滑坡或是影响长时间尺度碳循环和气候变化的“真凶”，是侵蚀-风化与构造活动联系的关键纽带之一。
1、构造活跃造山带地震滑坡千千万
地震是地球上最典型和最具代表性的构造运动之一。在构造活跃的造山带，地震频发，高强度的地震事件极大地改变着区域地质过程，产生复杂丰富的侵蚀、风化和沉积作用。地震往往造成土壤和岩石崩塌，产生大量的同震和震后山体滑坡（图1）。例如，发生于2008年5月12日的汶川7.9级特大地震共产生了近六万个滑坡（图2），大多数滑坡物质至今还停留在震区的山坡和谷地；发生于1999年9月21日台湾7.6级集集（Chi-Chi）地震，为过去50年来整个台湾地区震级最高的一次地震，产生了超过两万个山体滑坡；2015年4月25日发生于尼泊尔的7.8级廓尔喀（Gorkha）地震共造成了两万五千多个滑坡体，更是形成了至少69座堰塞坝。在全球尺度上，地震造成的滑坡数量和体积与地震震级存在较好的相关性。这些滑坡物质易输送进入河流，增加流域剥蚀风化速率和通量，直接体现了地震对于地表物质输移通量的控制作用。
图1 地震滑坡造成的剥蚀通量比正常情形高数倍至数量级
图2 2008年汶川地震华夏颤动、山河破碎、举世震惊。左右卫星图片为地震前后岷江流域的对比
2、季风降水为地震滑坡侵蚀提供强劲动力
包括喜马拉雅南坡、青藏高原东缘、台湾岛在内的诸多构造活跃造山带都受到季风降水的强烈影响。例如，台湾地处亚热带气候区，年平均降雨量高达2至4米，且平均每年遭遇4次以上的台风袭击。季风带来的强降雨，加上高频的地震，使得台湾成为全球侵蚀速率最高的区域之一。喜马拉雅南缘更是地球上具有极多滑坡和极强侵蚀的地区之一，特别是在印度季风盛行的夏季。
1999年台湾集集地震发生后，流经震中区域的河流悬浮物的浓度显著增加，而在地震后，台风事件触发的滑坡数量更是达到了震前的13倍，并伴随着悬浮物浓度及通量的迅速增加，最高达到地震前背景值5倍，随后在6年时间逐渐回归到震前的水平。然而，当我们把悬浮物浓度和径流量数据延长到2017年，可以看到2005年以后又出现了多次悬浮物的峰值，且这些峰值大多数与台风和强径流同步（图3）。越来越多的研究表明，高强度的径流将使滑坡诱发的泥沙快速挟带、搬运和输出，滑坡物质的滞留时间与高强度的径流事件频率成反比例关系。因此，构造活跃造山区高剥蚀通量被认为是由地震滑坡持续提供碎屑物质的直接结果，而季风降水为地震滑坡的快速侵蚀提供了强劲动力。
图3 台湾1999年集集地震前后浊水溪悬浮物含量和径流量变化，红色五角星标示了震级高于5.6的地震
3、地震滑坡侵蚀增强有机碳输移和埋藏
伴随着侵蚀通量的增加，地震滑坡还会破坏山坡森林植被，以颗粒有机碳（POC）的形式输移土壤和植被的碳（图4）。例如，由2008年汶川地震滑坡剥蚀的生物POC估计约为一千四百万吨。这些生物POC等同于全球河流年平均输出通量的~10%; 如果这些生物POC全部被氧化，其通量相当于每年火山释放CO2的~15%。重要的是，汶川地震之后，滑坡侵蚀的POC快速进入河道，造成河流生物POC供给成倍增加，且在多年之后，河流下游生物POC收益率并没有明显降低，说明地震滑坡侵蚀的河流有机质搬运也是一个长期而缓慢的过程。根据动力学模型计算表明，滑坡的快速搬运致使生物POC来不及在山坡中被氧化。类似地，地震滑坡对新西兰南岛造成的生物POC的侵蚀速率比龙门山地区高10倍以上，其中大约30%来不及氧化，而随河流搬运出去。假如这部分生物POC被长期保存于沉积物中的话，地震滑坡造成的生物POC输出将是一个很重要的碳汇过程。这样的碳汇作用已在新西兰Paringa湖泊沉积记录中得到证实：研究发现，在过去1100年发生的4次强烈地震造成的滑坡沉积物占总沉积量的23±5%，但其侵蚀的生物POC占43±5%，且主要来自高海拔的地震滑坡。
图4 地震滑坡快速破坏山坡森林植被，以POC的形式被河流搬运埋藏
4、地震滑坡提供新鲜岩石界面，增强化学风化
地震滑坡往往造成新鲜岩石的暴露，与降水反应，增加地表岩石的化学风化。地震还可以破碎岩石，形成大量微裂隙，增加十至百米深度的岩石渗透性，进一步加速活跃造山带的化学风化作用。2008年汶川地震前后河水化学变化显示，地震之后，岷江输运的总溶质通量系统增加，特别是河水的Na*/Ca比地震前增加了近4倍，而87Sr/86Sr比值则增加了0.000644±0.000146。这些变化直接指示了汶川地震之后岷江河水中硅酸盐组分及其导致的碱度显著增加，由此计算得到的硅酸盐风化消耗CO2也增加了约4倍。地震滑坡对化学风化的增进作用也存在于新西兰的坡地（图5）。
图5 河水化学与地震震动强度和滑坡体积的正相关关系
5、地震滑坡或为长时间尺度侵蚀-风化与构造活动联系的关键纽带
迄今，晚新生代以来全球气候变冷到底是一个“构造驱动”，还是“气候反馈”过程，仍然是极具争议的科学热点之一。其争论的焦点集中于（1）构造运动以何种机制影响剥蚀、风化和碳埋藏？（2）它们是如何与气候变化形成互馈的？对此，最直接有效的解决方法是开展单一构造事件（如地震）前后化学风化和剥蚀作用的对比研究，通过事件前后流域侵蚀风化强度和通量及其碳消耗的比较，确定构造运动对单一流域侵蚀和风化影响的强度、幅度和通量，乃至持续的时间。
尽管地震滑坡风化和侵蚀速率之间耦合关系，及其对碳循环影响的强度和幅度，尚缺乏系统的认识，但是越来越多的证据表明地震对流域地表物质输移、风化–侵蚀过程有直接而长期的影响。这一影响主要是通过地震滑坡为侵蚀风化与构造活动之间建立了直接的联系。例如，河流悬浮物通量和10Be降低显示了震后侵蚀的增强，滑坡物质快速进入河流运输体系，并可导致地表剥蚀从“供应限制型”向“搬运限制型”体制的巨大转变；河水化学溶质和87Sr/86Sr比值的显著增加是地震滑坡化学风化增强的结果；河流输移生物POC和震区范围内沉积有机碳埋藏通量在地震之后均显著增加。最重要的是，由地震滑坡造成河流侵蚀和溶质通量要比正常情形下高几倍，乃至一个数量级，且这种影响可持续几年至数百年。
地球上大大小小的地震不计其数，可以说每时每刻都在发生（图6）。如果其他大地震也存在类似于汶川地震、集集地震同样的地表环境效应，那么由地震滑坡引发的强侵蚀风化通量将把侵蚀风化与构造活动和碳循环直接联系起来，有望成为验证“构造隆升驱动气候变化”假说的关键纽带。
当然，由于高强度地震的发生具有频率低和不确定性，对其剥蚀风化和有机碳搬运、氧化及埋藏的影响强度和通量尚没有得到很好的量化。选择典型地震事件，开展现代过程的连续监测或利用沉积钻孔，进行事件前后流域侵蚀和风化过程的时空对比研究，将是解开这一关键纽带的有效途径。
图6 地球上的地震时刻都在发生（图片来自网络）
我室金章东研究员团队联合国际科学家自2009年始即对2008年汶川地震对地表侵蚀和风化影响进行了持续的监测和系列研究，已产出了系列高水平的研究成果。目前，该团队将研究的视野拓展到台湾、新西兰和尼泊尔等地区。本文是该国际研究团队对地震滑坡在活跃造山带侵蚀和风化中作用的一个全面总结评述。该研究获得了国家自然科学基金重大项目（41991322）、重点基金（41930864）、中国科学院前沿科学重点研究项目和中国科学院外籍青年科学家计划项目的共同资助。
本评述论文以“地震滑坡在活跃造山带侵蚀和风化中的作用：进展与展望”为题中、英文版本同步发表在《中国科学？地球科学》上，论文链接如下：
Jin Z D, Hilton G, West A J, Li G K, Zhang F, Wang J, Li G, Fan X & Hsieh M-L. The role of earthquake-induced landslides in erosion and weathering from active mountain ranges: Progress and perspectives. Science China Earth Sciences, 2021, doi: 10.1007/s11430-021-9832-3
金章东, Hilton G, West A J, 李根, 张飞, 汪进, 李高军, 范宣梅, 谢孟龙. 地震滑坡在活跃造山带侵蚀和风化中的作用：进展与展望. 中国科学？地球科学, 2021, doi: 10.1360/N072021-0081
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