中国科学院地球环境研究所，黄土与第四纪地质国家重点实验室
地震主要是由板块与板块之间相互挤压碰撞造成的常见构造活动。据统计，地球上每年约发生50万次地震，即每天要发生上千次的地震。在释放板块构造累积应力的同时, 地震会造地表破裂和山体滑坡的发生（图一），对近地表岩石结构和河流流域过程有直接而长期的影响。那么，地震到底对地表环境有着如何的影响？其影响强度和影响时间到底受什么因素控制？一直以来受到关注，但知之不多。
图一 2008年汶川地震前后的卫星影响图，显示地震导致大量的山体滑坡发生
早期，学者们针对台湾地震对沉积物搬运的影响展开了研究。例如，1999年台湾集集地震发生后，Dadson et al. (2004)和Hovius et al. (2011)利用河流径流量和含沙量之间的幂函数关系，发现代表沉积物供给的幂函数系数κ在地震之后有着明显增加，代表了地震之后滑坡物质对河流沉积物的贡献大大增加，这种影响大概持续了六年（图二）。
图二 1999年集集地震前后，浊水溪在台风期间κ值-径流量和悬浮物浓度的幂函数指数的变化（Hovius et al., 2012）
然而，这个影响时间和新西兰的几次历史地震对地表过程的影响时间形成对比。新西兰的河流和湖泊沉积证据显示，地震的影响时间可能持续至少50年，或更久（Pearce and Watson, 1986; Hovius et al., 2012）。那么，到底是哪些因素控制了地震对地表过程的影响幅度和时间？
2008年汶川地震发生后，我们收集了地震影响区域的岷江、沱江和涪江16个水文站的水文数据，结果发现地震后5年，岷江、沱江、涪江的河流悬浮物年通量增加了3至7倍（图三）。地震滑坡越多，河流年悬浮物通量增加幅度越大。
图三 2008年汶川地震后，岷江、沱江和涪江地震后和地震前的河流年悬浮物通量比较（单位：百万吨/年；Wang et al., 2015）
通过对比地震滑坡物质和河流悬浮物通量，我们估算2008年汶川地震造成的滑坡细颗粒物质在流域的滞留时间从几年到几百年不等，平均为三十多年。更重要的是，我们研究发现滑坡的密度和强降雨导致的强径流事件的频率控制着细颗粒物质在流域的滞留时间。这两个因素也较好地解释了台湾集集地震对沉积物通量影响时间较短的原因（图四）。
图四 地震滑坡细颗粒物质的滞留时间与强径流和滑坡密度之间的关系（Wang et al., 2015）
地震不但影响着流域的物质搬运，同时还会破坏植被和侵蚀土壤，造成有机碳的侵蚀。然而，这部分有机碳对流域和全球的碳循环的影响如何，一直缺乏相关研究。利用宝贵的地震前保留的河流悬浮物样品，以及地震之后的长期监测，我们评价了2008年汶川地震对河流颗粒有机碳的搬运影响。结果显示，地震滑坡使得岷江支流下游生物颗粒有机碳的年通量增加了2倍。为了进一步认识地震滑坡侵蚀的有机碳对碳循环的影响，我们模拟了地震滑坡侵蚀有机碳的归宿。结果表明，大部分地震滑坡侵蚀的生物有机碳会被河流搬运出去，而没有在山坡被氧化，这些有机碳在下游沉积的埋藏是地质时间尺度的碳汇（图五）。
地震不但通过生物有机碳的侵蚀和埋藏影响碳循环，还会增加新鲜岩石的暴露，导致硅酸盐岩风化的增加，从而增加大气CO2的消耗（Jin et al., 2016）。
图五 地震滑坡对河流颗粒有机碳搬运的影响（Wang et al., 2016）
(A) 岷江支流杂谷脑河悬浮物13C、14C同位素表明，河流颗粒有机碳可以解释为生物有机碳和化石有机碳的混合；(B)地震滑坡侵蚀有机碳的搬运模型，表明大部分滑坡侵蚀的生物有机碳被河流搬运。
地震对地表环境的影响可能持续的时间达上百年，那么，全面评估地震的地表环境效应，我们需要借助沉积记录。前人研究发现，新西兰南岛的阿尔卑斯断裂带的湖泊沉积物记录了古地震事件的发生（Howarth et al., 2012）。利用新西兰南岛Paringa湖泊的6米沉积物岩心，我们定量了地震前后颗粒有机碳的沉积速率，发现过去1000年的4次地震事件使得生物有机碳的埋藏速率增加了2.5倍（图六；Frith et al., 2018）。
图六 新西兰阿尔卑斯断裂带过去1000年4次地震前后生物有机碳的埋藏效率（Frith et al., 2018）
利用这个沉积物岩心，我们评价了地震对流域侵蚀的长期影响。通过该沉积岩心碳氮同位素和生物标志物分析，反演了过去1000年该湖泊沉积物来源的历史（图七）。结果发现，地震发生后，湖泊沉积物主要来源于高海拔地区的地震滑坡，而无地震时，降雨滑坡控制着沉积物的组成，其主要来源于低海拔地区。因此，该研究提出地震能够有效地改变流域的侵蚀模式，驱动分水岭的迁移，影响流域地貌演化（Wang et al., 2020）。该研究为地震影响流域的长时间侵蚀和地貌演化提供了地质历史证据。
图七 新西兰阿尔卑斯断裂带Paringa湖泊钻孔有机指标序列及反演的沉积物来源（Wang et al., 2020）
(A)稳定碳同位素比值和有机碳氮比值；(B)正构烷烃碳优势指数（CPI）；(C)模拟计算获得的沉积物侵蚀海拔及深度。
进一步地，通过2008年汶川地震和新西兰历史地震的对比，我们评价了地震在季节到年际到百年尺度的地表环境效应。结合其它地震的监测，我们可以看出不同构造气候背景的地震对地表的环境影响存在着差异（金章东等，2022）。因此，要限定地震在全球气候和物质循环中的作用，未来需要进行更多地震的监测和评估，并结合模型进行综合评价。同时需要指出的是，气候水文在地震影响的构造活跃区的地表过程也起着非常重要的作用（如Zhang et al., 2019），因此需要重视气候和地震两者叠加对地表环境的长期影响。
本文作者系中国科学院地球环境研究所汪进研究员和金章东研究员。本文属作者认识，相关问题交流可通过邮箱wangjin09@ieecas.cn和zhdjin@ieecas.cn与作者联系。欲知更多详情，请进一步阅读下列参考文献。
参考文献：
[1] 金章东等. (2022) 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 52(2), 222-237.
[2] Dadson, S. J., et al. (2004) Earthquake-triggered increase in sediment delivery from an active mountain belt. Geology 32, 733-736.
[3] Frith, N.V., et al. (2018) Carbon export from mountain forests enhanced by earthquake-triggered landslides over millennia. Nature Geoscience 11, 772-776.
[4] Hovius, N., et al. (2011) Prolonged seismically induced erosion and the mass balance of a large earthquake. Earth and Planetary Science Letters 304, 347-355.
[5] Howarth, J. D., et al. (2012) Lake sediments record cycles of sediment flux driven by large earthquakes on the Alpine fault, New Zealand. Geology 40, 1091-1094.
[6] Jin, Z., et al. (2016) Seismically enhanced solute fluxes in the Yangtze River headwaters following the A.D. 2008 Wenchuan earthquake. Geology 44, 47-50.
[7] Pearce, A. J., Watson, A. J. (1986) Effects of earthquake-induced landslides on sediment budget and transport over a 50-yr period. Geology 14, 52-55.
[8] Wang, J., et al. (2015) Controls on fluvial evacuation of sediment from earthquake-triggered landslides. Geology 43, 115-118.
[9] Wang, J., et al. (2016) Earthquake-triggered increase in biospheric carbon export from a mountain belt. Geology 44, 471-474.
[10] Wang, J., et al. (2020) Long-term patterns of hillslope erosion by earthquake-induced landslides shape mountain landscapes. Science Advances 6, eaaz6446.
[11] Zhang, F., et al. (2019) Monsoonal control on a delayed response of sedimentation to the 2008 Wenchuan earthquake. Science Advances 5, eaav7110.
