湖泊沉积物中的地震密码：青藏高原研究新突破
湖泊沉积物中的地震密码：青藏高原研究新突破
近年来，中国乃至全球极端气候和地震活动加速又加剧，气候临界点的准确预测至关重要，青藏高原山间湖泊的连续沉积记录可以有效追溯不同气候和非气候因子对区域乃至全球大气系统的影响和响应，加强预警信号的有效识别。
图1 青藏高原湖泊-流域相互作用的重过程和多重胁迫因子耦合的研究示意图
湖泊沉积物中记录着丰富的地质信息，被誉为“天然地震仪”。通过分析其中的沉积层和环境指标，可以探析地震发生的频率、强度及其相关复合灾害的影响。虽然青藏高原上有很多构造湖，但目前湖泊古地震学研究仍显缺位。特别是，与地球内应力引起的复发间隔长的强震相异，不同时期冰川消退和随后（仍在进行）的均衡抬升引起的应力变化也会导致中小尺度地震活动增强，但其因未能形成地表变形的地质证据或地表变形难以追踪识别而常被忽略。因此，如何量化气候变化和冰川活动引起的湖泊变化，以有效区分地震和非地震特征，是青藏高原相关研究面临的挑战。
最新研究发现，与同为拉分盆地的死海不同，青藏高原东北部的冬给措那湖湖底沉积物中同震变形的地质现象并不常见，使得传统的地层比较法不能奏效。相反，不同震级的构造活动持续影响湖盆内沉积物供给和分布。因此，作者提出了一种新的基于高斯分布的排除法来甄别湖泊沉积中的地震印记。即，通过排除地震以外的大部分或全部浊流/沉积变形触发因素，如气候和冰川，剩下的因素是构造。这一方法得益于1）湖泊不同岩芯多个替代指标的高分辨率数据，结合数理建模；2）湖内及流域适宜的参照点；以及3）综合考虑不同地表过程，更准确地解释环境指标数据，更好地约束湖泊演变和气候因素。这一新的水文气候模式进而揭示了青藏高原热夏和构造活动对区域乃至全球气候变化的重要作用，指示出全新世地震活动和气候季节性变化呈现多周期特征，影响了副热带高气压带北部边缘的年际迁移。模拟结果与构造和极端气候的历史和器测记录吻合，并显示当前青藏高原处于多旋回复合的活跃阶段，这或许正是近年中国气候呈现高季节性振荡特征和地震频发的原因，预计该阶段仍将持续到公元2300年。
这种基于过程的综合研究（图1），与过去在气候重建中过度依赖单一环境指标与“标准”模式简单对比的方法不同，它将湖泊及其流域内的沉积特征与生物化石有机结合，动态解析沉积物搬运和沉积条件的变化，增强对从源到汇不同路径地表过程的理解，精准反演湖泊水文变化历史，有效识别极端地震和气候事件。该方法充分考虑了与流域过程（如风成作用、河流切割、冰川过程和湖盆构造）耦合的湖泊水量平衡变化，动态解译同位素的不同分馏过程，有效识别气候信号。这种基于过程的（重新）综合评估和（重新）解释环境指标数据对于识别高海拔地区气候变化的季节性特征和预测大范围地震的重现具有重要意义。
总结与展望
青藏高原热力效应和构造活动共同作用形成的具有多个周期的新气候模式揭示了局地对流水汽和季节性冰雪覆盖的重要性，在区域响应链中传递，调节西太平洋局部海面和陆海过渡带的水沙状况，进而影响全球大气循环以及北半球极端天气和复合型地质灾害的年内发生时间和频率。未来，充分利用高斯过程和贝叶斯优化，完善模型假设并优化基于地质证据的模型参数，可对未来地震和气候变化进行更准确的模拟与预测。
本文内容来自The Innovation姊妹刊The Innovation Geoscience第2卷第3期以Perspective发表的“Tracing earthquakes through lake sediments for better prediction” (投稿: 2024-01-26；接收: 2024-05-20；在线刊出: 2024-05-22)。
引用格式：Yan D. and Long H. (2024). Tracing earthquakes through lake sediments for better prediction. The Innovation Geoscience 2(3), 100077.
作者简介
晏达达，德国耶拿大学研究员、西南交通大学教授，从事基于过程的青藏高原湖泊和第四纪古气候重建研究，侧重于介形虫、沉积学和地貌学方向，主持并参与了多项国家自然科学基金、德国科学基金等项目。