2008年汶川地震相關堆積物的細顆粒石英光釋光測年研究

楊會麗 陳 杰 劉進峰 余 松

(中國地震局地質研究所，地震動力學國家重點實驗室，北京 100029)

2008年汶川地震相關堆積物的細顆粒石英光釋光測年研究

楊會麗 陳 杰 劉進峰 余 松

(中國地震局地質研究所，地震動力學國家重點實驗室，北京 100029)

現代強震相關堆積物的釋光測年研究有助于理解古地震相關沉積物釋光測年的地質意義，提高古地震測年的精度和準確度，更好地認識大地震發生的規律。文中選擇了若干典型的2008年汶川大地震的相關堰塞湖堆積物、泄洪堆積物和噴砂堆積物，進行了細顆粒石英光釋光測年研究。結果表明，這些地震相關沉積物中的細顆粒石英靈敏度較高，但釋光信號并未完全歸零，等效劑量殘留值有的可高達10Gy，這對百年或千年尺度復發周期地震事件的釋光測年影響較大，但對萬年至10萬年尺度的地質事件測年影響可以忽略不計。地震前古地面附近沉積物樣品細顆粒石英的光曬退程度較好，其等效劑量僅0.2Gy，因此應盡量采集古地面附近的樣品來限定古地震事件發生的時間。

汶川地震 堰塞湖 地震噴砂 細顆粒石英 光釋光測年

0 引言

數十年至數千年復發周期地震事件的高分辨率、高精度測年一直是活動構造研究的一個難點。近年來發展迅速的光釋光(Optically Stimulated Luminescence，OSL)年代學，是一種極有潛力的測年方法(Wintle et al.，1993;Porat et al.，1997;Lu et al.，2002;Murray et al.，2002;Chen et al.，2006;Wintle et al.，2006;Rittenour，2008;Fattahi，2009;Liu et al.，2010)。例如 Banerjee 等(2001)對1755年Lisbon地震海嘯相關沉積物的光釋光測年獲得了較可靠的結果，其中現代海岸沙的光釋光年齡為(6±3)a，這表明在近百年這個時間尺度上的光釋光測年，可能優于14C測年。

沉積物在搬運過程中得到充分的光曬退是光釋光準確測年的前提。不同沉積環境樣品沉積埋藏時釋光信號是否完全曬退依賴于多種因素，包含曝光時間的長短、沉積前光曬退時的波長等(Berger，1990;Spooner，1994;Singarayer et al.，2004)。因此，現代沉積物(零年齡)樣品的研究，不僅對于釋光測年方法改進和物理模型的檢驗具有重要意義，還可以檢驗樣品光曬退(回零)程度，估計同類沉積物釋光測年值的不確定性，從而提高沉積物釋光測年的精度和準確度。對沉積搬運距離較短或曬退光強較弱的現代堆積物，如水下環境，由于光的折射、反射與水渾濁度影響導致光強大大減弱，沉積物完全曬退的可能性大大降低，導致其光釋光年齡偏老(Berger，1990)。部分現代水下沉積物試驗結果表明，樣品沉積埋藏前得到了充分的光曬退(Jain et al.，2004);同時也有實驗結果表明樣品存在明顯的殘留信號(Rhodes etal.，1994，Rhodes，2000;Stokes et al.，2001;Jia-Fu Zhang，2010)。Stokes(1992)利用多測片技術研究各種沉積環境中的年輕(現代)沉積物獲得了較低的等效劑量值(0.05～0.3Gy)。Stokes(2001)將單片再生法應用于水下沉積物獲得了類似結果。

強震相關沉積物如堰塞湖沉積物、泄洪堆積物、地震噴砂、斷層崩積楔、推覆楔、堰塞塘等堆積物大多為近緣快速堆積，釋光信號在沉積埋藏前是否完全歸零?其堆積前的古地面沉積物釋光信號是否完全歸零?目前對于這些問題的研究實例尚少見。2008年汶川大地震形成了眾多的地震相關沉積物，本文選擇3個典型剖面，對地震堰塞湖沉積、泄洪堆積物、地震噴砂堆積物分別開展了初步的細顆粒石英測年研究，以評估釋光殘留信號對地震相關沉積物光釋光測年精度和準確度的影響。

1 研究剖面及樣品

1.1 鄧家剖面——唐家山堰塞湖泄洪堆積物

2008年6月11日(汶川地震后)唐家山堰塞湖泄洪時，在洪水流經兩岸的地表沉積了大量的泄洪堆積物，圖1為北川鄧家湔江低階地面上厚度達50cm的泄洪堆積剖面。此剖面共分成4層:①人工擾動層，含正在生長的莊稼根系;②青灰色中細砂，層厚19cm，松散，分選好，見0.4～1cm厚的層理，具遞變層理;③青灰色粉細砂，層厚30cm，松散，略顯遞變層理，分選中等，含一厚0.5～3cm的植物根系層(A);④土黃色含礫黏土，固結好，分選差，礫石粒徑1～5mm、磨圓差，富含植物根系和褐色銹斑，該層頂部為泄洪前古地面。整體上層②明顯比層③粗，可能為多次洪峰堆積，層②堆積時水動力條件可能比層③強。

我們在此剖面采用常規采樣流程(Liu et al.，2010;楊會麗等，2011)采集了4個樣品。具體位置與巖性見圖1和表1。

圖1 堰塞湖泄洪堆積物鄧家剖面Fig.1 The floodwater sediment section at Dengjia.

1.2 三洞水剖面——岷江支流地震堰塞湖堆積

5.12汶川地震在涪江沿線形成多個地震堰塞湖，在綿陽市石坎鄉健康村附近涪江支流河漫灘上殘留了厚度近50cm的堰塞湖堆積物(圖2)。該剖面沉積物粒度從上至下逐漸變粗，具典型遞變層理，共分成4層:①青灰色細粉砂，層厚8cm，松散狀，分選好，略見水平層理;②灰色細砂，層厚26cm，松散狀，分選好，見波狀層理，樣品LED09-312采自此層;③灰色中砂，層厚12cm，松散狀，分選好，未見層理，見大量云母長石礦物，在此層中采集樣品LED09-258;④黃灰色含細礫黏土，地震前河漫灘堆積，LED09-311采自該層最上部的埋藏前河漫灘表面。

1.3 馬鹿鄉方石村低階地上的地震噴砂及其砂源

大地震發生時常常伴有砂土液化、噴砂冒水現象。Porat等(2007)曾對以色列古地震噴砂管及相關沉積開展了研究。Thomas等(2007)通過對印度北部砂土液化的研究認為，使用釋光技術可以直接限定史前地震發生的時間。

汶川地震時，在馬鹿鄉方石村一帶清水河低階地上發育了張裂縫、陷落坑和較強烈的噴砂冒水(陳立春等，2008)。地震噴砂過程中礦物顆?？赡芙洑v了短暫的曝光，這個過程能否使光釋光信號歸零?如果不歸零對測年結果產生多大影響?方石村地表噴砂冒水堆積物厚約15～20cm，我們從中采集了LED08-215和LED08-183兩個樣品(圖3a)。在橫跨張裂縫開挖的40余m長、深3m的探槽剖面上(陳立春等，2008)，可見噴砂管及其砂源，在砂源處采集了LED08-204、LED08-205、LED08-184三個樣品(圖3b)。

圖2 地震堰塞湖堆積物三洞水剖面Fig.2 The dammed lake sediment section at Sandongshui.

2 細顆粒石英的提取與測量儀器

這批樣品總體上為中細砂，在暗室內經過常規實驗室前處理(Aitken，1998;Lu et al.，2007)提取了細顆粒組分物質，此批樣品富含有機質和碳酸鹽，用H2O2約5～7d，用HCl約4～6d才完全去除有機質和碳酸鹽。然后采用靜水沉淀法分離出細顆粒組分，再用30%氟硅酸刻蝕此細顆粒組分至長石礦物完全去除。除LED09-313樣品較粗外，其它樣品均提取出了較純的細顆粒石英。細顆粒石英純度采用紅外(IR)信號檢測和Duller等(2003)提出的紅外藍光逐出比法及110℃熱釋光(TL)峰法(Aitken，1998)來檢驗。從圖4中可以看出光釋光信號還是較強的，IR信號曲線接近測量本底，紅外后藍光信號(Post-IR OSL)與藍光信號(OSL)比值(逐出比)均在0.9～1.1之間，具有典型的石英熱釋光110℃峰，以上結果表明石英純度已達到釋光測量要求。

圖3 方石村地震噴砂Fig.3 Earthquake-related ejected sand sediments at Fangshi.

圖4 石英純度檢驗及熱釋光特征峰Fig.4 Fine quartz purity IR check and characteristic peaks of thermoluminescence glow curve.

OSL測量均在Daybreak 2200自動化釋光測量儀上完成，激發光源為藍光(波長:(470±5)nm，最大功率 67.3mw/cm2)，測量時激發光強設為最大功率的 80%，光釋光信號通過EMIQA9235型光電倍增管(PMT)檢測，在激發光源和PMT之間附加2塊U-340濾光片(厚度分別為2.5mm和4.5mm);機載輻照源劑量率為0.0327Gy/s。

圖5 LED09-312樣品光釋光生長曲線(a)及光釋光衰減曲線(b)Fig.5 LED09-312 OSL growth curve(a)and OSL decay curve(b).

3 等效劑量測量

為了檢驗本批樣品的釋光特性，對每個樣品選取若干測片進行藍光曬退，然后附加一個已知的人工劑量后進行預熱，預熱溫度為200℃，預熱時間為10s，一組測片直接在真空下進行熱釋光測量，樣品均具有典型的石英325℃峰，其熱釋光信號以325℃峰為主，僅在325℃峰右肩部有一較微弱的375℃峰(圖5b);另一組測片先在125℃下用藍光激發300s后進行熱釋光測量，如圖5b所示樣品的石英325℃峰被藍光激發所消除，只剩下石英375℃峰。說明本批樣品的OSL信號主要來自于石英325℃峰所在陷阱，石英釋光特性主要以快速組分為主，符合簡單多片再生法測量要求。另外由于這批樣品較年輕，采用Murray等(2002)的建議，預熱溫度為200℃、預熱時間為10s;實驗劑量預熱溫度為160℃、預熱時間為0s。

采用簡單多片再生法(SMAR)流程(王旭龍等，2005;Lu et al.，2007)獲得了所有樣品的等效劑量(表1)。等效劑量的計算取釋光信號發光曲線第1s減去最后1s(本底)光子計數積分。在SMAR法測量時，天然N的測片為8個，圖5a，b為典型樣品的光釋光生長曲線和衰減曲線，曲線擬合較好，釋光信號在前5s基本衰減至本底?；厥诼市∮贛urray等(2002，2003)所建議的5%，所得等效劑量還是比較可靠的。

4 初步認識與討論

通過對以上2008年汶川大地震相關堆積物樣品細顆粒石英的釋光測年，獲得了其等效劑量。這些樣品雖然均為近緣快速堆積，但其細顆粒石英靈敏度較高，光釋光信號主要來自石英325℃峰所在陷阱。

對地震堰塞湖沉積物和泄洪堆積物的研究表明，其細顆粒石英釋光信號并未完全歸零，等效劑量殘留值可高達3～10Gy(表1)，這對百年或千年尺度復發周期地震事件的釋光測年顯然影響較大，但是對于萬年至10萬年尺度地質事件釋光測年的影響相對較小，可以忽略因曬退不徹底造成的影響。另外不能依靠單獨的年齡來確定古地震發生的時間，要在疑似沉積物中進行密集采樣，利用多個平行樣品年齡來限定地質事件發生的時間。

三洞水和鄧家2個剖面地震前位于地表的樣品細顆粒石英等效劑量均為0.2Gy(表1)，說明地震前的地面堆積物，由于長期暴露于地表，其釋光信號幾乎完全回零，因此在進行地質事件年代測定時，應盡量采集古地面附近的樣品來限定事件發生的時間。

Thomas等(2007)對印度與地震相關古砂土液化層的研究認為，地震噴砂過程可以使樣品釋光信號回零，因此可用光釋光測年技術直接限定古地震發生的時間。而我們對汶川地震噴砂及其砂源的初步測年表明，汶川大地震雖然發生在中午，但相對于其噴砂源層(等效劑量為3.7～6.1Gy)而言，地表地震噴砂堆積物樣品的細顆粒石英釋光信號只被部分曬退，其等效劑量殘留值可達1.8～3.2Gy(表1)，說明該地地震噴砂強度較弱、噴砂高度有限，砂體自源區噴出地表至下落堆積的時間較短，不足以被完全光曬退。因此，在應用地震噴砂樣品進行古地震事件測年時應謹慎。

通過上述研究還可以得出不能依靠單獨的年齡來確定古地震發生的時間，要在疑似沉積物中進行密集采樣，獲得一個剖面的系統年齡和多個平行樣品年齡來限定地質事件發生的時間。

本文僅對不同類型現代地震相關堆積物細顆粒石英進行了初步的研究，還將對這些地震相關堆積物中粗顆粒長石釋光信號光曬退程度及不同粒組石英曬退程度和速率的差異做進一步研究工作。

致謝 陳立春副研究員參加了方石村探槽剖面的開挖和樣品采集工作，深表謝意。

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OPTICAL DATING OF FINE QUARTZ FROM THE 12 MAY 2008，MS8.0WENCHUAN EARTHQUAKE RELATED SEDIMENTS

YANG Hui-li CHEN Jie LIU Jin-feng YU Song
(State Key Laboratory of Earthquake Dynamics，Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China)

The research of optical dating aboutmodern strong earthquake sedimentswill be useful for understanding geological significance of paleoearthquake related sediments，improving dating precision and accuracy，and better understanding the law of earthquake occurrence.This article chooses some typical sediments related with 2008Wenchuan earthquake，such as dammed lake deposits，floodwater deposits and ejected sands，to do optical dating of fine-grained quartz.Preliminary results from optical dating of fine-grained quartz extracted from 11 samples suggest that fine-grained quartz is sensitive and Devalues obtained from the three sections indicate residual Deup to 10Gy.Caution should be taken for optical dating of sediments related to paleoearthquake with a recurrence interval of hundreds or thousands of years，but the effect can be neglected for the paleoearthquake with a recurrence interval of ten thousands or hundred thousands of years.Residual Devalues less than 0.2Gy are observed in two samples collected from pre-earthquake surface.Therefore，we should collect samples on pre-earthquake surface to limit the event time.

Wenchuan earthquake，dammed lake，earthquake-related ejected sand，fine qartz，OSL

P597

A

0253-4967(2011)02-0413-08

2011-03-02收稿，2011-03-29改回。

2008年地震行業科研專項(200808015)、地震動力學國家重點實驗室自主研究課題(LED2008A02)和中國地震局地質研究所基本科研業務專項(DF-IGCEA060821)共同資助。通訊作者:陳杰，研究員，E-mail:chenjie@ies.ac.cn。

10.3969/j.issn.0253-4967.2011.02.014

楊會麗，女，1982年出生，2007年畢業于中國礦業大學，2010年在中國地震局地質研究所獲得地球化學專業碩士學位，現為博士研究生，主要從事構造地質學研究，電話:010-62009111，E-mail:yanghuili07@mails.gucas.ac.cn。