龚承林，韩中
背景
世界第一台现代地震仪（机械式），由英国学者John Milne于1893年在日本发明，距今有130年的历史（图1）。然而，全球绝大多数断裂带（并非一个大范围的地质区域）的地震观测历史远短于一百年，并且缺乏连续的千年尺度历史地震及考古地震记录（死海断裂带是唯一的例外——有两千多年连续的器测、历史和考古地震记录）。因而，我们对特定断裂带长期活动特性和大地震（Mw ≥ 7级）复发（事件间隔通常为数百年~数千年）规律的理解，依赖于古地震的研究结果。
图1 现代地震仪雏形（1887；上图）、现代首套地震仪结构（1893；中图）及其设计者John Milne（下图）（来源：四川省地震局）
陆地探槽古地震学，通过在断裂带上挖掘探槽（图2左），可以将强震（通常为Mw ≥ 6级，且造成地表破裂）的记录延长至过去数千年；特别是通过测量破裂长度、范围及垂直与水平位移量等地表破裂参数（图2右），可以可靠地评估地震的震级。
图2 青藏高原东北部阿尔金断裂带探槽古地震学研究（来源：刘静及Yuan et al., 2018）
问题
然而，在水下环境（如湖泊与海洋），陆地探槽古地震学这一套成熟的技术方法却难以应用。这主要是由于一方面，难以接近水下环境中的断裂带；另一方面，在水下沉积环境中，沉积速率较高，断裂带的破裂面通常被厚厚的沉积物所覆盖。此时，我们须借助湖泊/海洋沉积古地震学的技术方法，来恢复强震记录。
沉积古地震学，基于强震普遍具有水下事件沉积响应的现象，通过解析地层中保存的由地震驱动的事件沉积，来恢复强震记录。沉积古地震学的出现，最早可以追溯至1960年代。在1969年，德国图宾根大学（University of Tübingen）的地层与古生物学家Adolf Seilacher（1925-2014；德国院士，曾于1992年获“克拉福德奖”）提出“震积岩”（seismite；也译作“地震岩”）一词（Seilacher, 1969）（图3）。1990年代，以卡斯卡迪亚俯冲带与美国西部湖泊及死海为代表的古地震学研究的大量涌现，标志着这个学科方向的正式形成。
图3 Adolf Seilacher及“seismite” （Seilacher, 1969）一词的提出
但此前的沉积古地震学研究，评估古地震烈度或震级都是通过与已知器测或历史地震进行比对与校正，然后外推至史前时期。这些方法只能限定某类古地震事件的烈度或震级的低限，并且难以对任意一个古地震事件进行限定。因而，此前一般认为，沉积古地震学无法像陆地探槽古地震学那样定量评估古地震烈度或震级。这极大地削弱了沉积古地震学的可应用性，阻碍了它的进一步发展。
科学假设
如果不同等级的地震可以造成相应规模或强度（如事件层变形程度与厚度、事件沉积范围与体积等）的事件沉积响应，那么理论上就可以通过解析地层序列中地震事件沉积层的上述物理参数来定量评估古地震的烈度或震级。
验证假设
前期工作基础
以色列Shmuel Marco、Eyal Heifetz和Nadav Wetzler等人早期开展的数值流体模拟工作揭示，死海湖岸剖面保存的震积岩 —— 原位软沉积变形构造（Marco and Agnon, 1995），可以通过开尔文·亥姆霍兹不稳定性 (Kelvin–Helmholtz Instability) 机制并结合死海现代饱和水沉积物的密度和粘滞度等物理参数，实现最佳模拟（Heifetz et al., 2005; Wetzler et al., 2010）（图4）。这些工作证实，随着加速度（对应于地震烈度或震级）的增加，软沉积变形构造的变形程度也相应增加。
图4 死海湖岸剖面保存的震积岩 —— 原位软沉积变形构造，可以通过开尔文·亥姆霍兹不稳定性机制进行很好地模拟（Wetzler et al., 2010）
新的工作基础
国际大陆钻探项目（ICDP）在2010-2011年期间，从死海湖心钻取了一支深度超过450米，年龄覆盖过去22万年的岩芯（图5）。
图5 死海断裂带（上图）及死海ICDP岩芯钻探（中图、下图）
这个沉积序列的年龄覆盖过去22万年（图6）。
图6 死海ICDP岩芯（5017-1）年代模型（Lu et al., 2020）
作者在2015-2017年期间，从该450余米长的岩芯中系统地识别出了四百多个原位软沉积变形构造层位。这些变形构造分属于: （1） 线性波浪状变形构造（linear waves），（2）不对称波浪状构造（asymmetric billows），（3）相干涡旋状构造（coherent vortices）和 （4）涡旋强烈破碎后的构造（intraclast breccias）四类（图7）。
图7 作者从死海湖心ICDP岩芯中识别出的原位软沉积变形构造层位（Lu et al., 2020）
作者及Nadav Wetzler等人又基于长岩芯的系统观察并借助升级后的流体数值模拟程序，对十年前的原位软沉积变形构造数值模拟进行了更新（图8；详见Lu et al., 2020方法说明）。依据这个定量图解，通过确定岩芯中任意一个原位软沉积变形构造的形状类别（变形程度）和厚度，就可以获取该变形结构所代表的加速度（g）也即地震烈度（g或MMI，可相互转换）。这些工作准备，为验证上述科学假设提供了绝佳的条件。
图8 死海湖心保存的震积岩 —— 原位软沉积变形构造的定量模拟（Lu et al., 2020）
科学假设的验证（一）：与器测地震的相互验证
死海湖心岩芯顶部的两个变形构造层位，在时间上与死海地区仪器观测到的两次强震（Mw 5.5，1956，距钻孔位置~5 km；Mw 6.25，1927，距钻孔位置~30 km）一一对应。借助最新的软沉积变形构造数值模拟结果，我们定量获取了这两个变形构造层位所代表的地震烈度，分别为0.18 g（MMI VII）和0.13 g（MMI VI½）。依据死海地区已有的地震能量衰减经验公式（即烈度-震级-震中距关系；含器测中小地震和历史记录的大地震事件；Darvasi and Agnon, 2019），我们代入上述两个烈度值，反演出上述两次地震的震级分别为Mw 5.6（1956）和Mw 6.1（1927）。反演结果与仪器所测得的震级一致，分别相差+0.1和-0.15级。
科学假设的验证（二）：与区域器测记录的古登堡-理查德分布的对比
借助新的数值模拟结果，我们定量获取了整个岩芯所有变形构造层位所代表的地震烈度。由于史前地震震中距难以评估，并且距离远的大地震与距离近的中等地震可能会诱发相似的事件沉积响应，我们仅对代表烈度等级最高（MMI ≥ VIII；地面加速度³ 0.34 g）的古地震事件的震级进行反演。因为这类大地震产生的烈度衰减，对于震中距的变化敏感度相对较低。
我们综合考虑了死海地区已有的地震能量衰减经验公式、死海断裂带几何形状（南北狭长、东西极窄）及钻孔附近器测与历史地震震中距分布等因素。然后，把MMI ≥ VIII（地面加速度³ 0.34 g）、MMI ≥ VIII½（地面加速度³ 0.50 g）和MMI ≥ IX（地面加速度³ 0.65 g）三个烈度等级代入上述经验公式，反演出前述三个烈度等级分别对应于震级Mw ≥7.0、Mw ≥7.3和Mw ≥7.8（详情请参见Lu et al., 2020）。在此基础上，我们重建了一条目前全球最长的22万年连续大地震（Mw ≥7.0）记录（图9）。
图9 死海断裂带中部22万年连续大地震（Mw ≥7.0）记录（Lu et al., 2020）
在死海断裂带中部，器测小地震遵循古登堡-理查德分布（Gutenberg–Richter law；表达了在给定区域和时间时，震级和大于该震级地震总数的关系）。我们反演的22万年的大地震事件也遵循古登堡-理查德分布（图10），因而指示我们反演的大地震事件是较为完整的、定量反演是较为可靠的。
图10 反演的22万年大地震事件，与死海断裂带中部1990-2015年器测地震同样遵从古登堡-理查德分布（Lu et al., 2020）
小结与后记
前后三代人在死海地区持续开展了近四十年的沉积古地震学工作（Seilacher, 1984; Marco and Agnon, 1995; Marco et al., 1996; Ken-Tor et al., 2001; Heifetz et al., 2005; Wetzler et al., 2010; Lu et al., 2020），持续推进着该领域的发展，最终得以突破“沉积古地震学无法定量评估古地震烈度/震级”的传统认识（图11）。这个过程或许也可视为国际沉积古地震学发展的一个缩影。
图11 死海沉积古地震学研究的代表性工作与学者
俗话说“你知道的越多，你不知道的越多”。深钻、高分辨率图像扫描、高分辨率XRF扫描等技术的发展，一方面使得我们能够获取更长、更连续的沉积记录并可以读取更多、更精细的沉积学信息，另一方面也会引起我们更多的疑问并激发我们新的探索动机。
卢银，同济大学百人计划研究员，博导（海洋地质国家重点实验室），从事震积岩与事件沉积研究。曾获欧洲地球科学联合会 “地层学-沉积学-古生物学” 领域 “青年科学家奖” (2022)。邮箱：yinlu@tongji.edu.cn.
参考文献
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