寻找树木年轮中的古地震事件

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了解过去,有助于认识未来,对于我们脚下的地球来说,也是如此.树轮研究为我们了解过去的地震灾害事件打开了冰山一角等

美国加州圣安特里斯断层曾导致了伤亡严重的1906年旧金山大地震,并且直到今天仍然威胁着洛杉矶地区的安全.这个断层上的下一次地震会发生在什么时候呢?这一问题毫无疑问对于地震灾害的评估非常重要,而对它的回答需要对该地区过去发生的地震事件有详细的了解.

针对上述问题,美国的树轮学者们曾沿该地震带断层采集了树木年轮样本,通过专业的树木年轮交叉定年与测量,发现断层上的树木自1813年以来出现了急剧的生长下降,并且用了十几年的时间才恢复到被干扰前的生长水平,野外调查还发现一些树木还曾失去部分树冠.然而距离断层较远的对照树木的年轮样本并没有出现上述生长下降现象.于是学者们推测,1812－1813年期间,这一代可能曾有地震发生.历史资料恰好记录了1812年的12月这一带发生了一次7.5级以上的大地震.

上述例子证实了树木年轮具有指示过去地震事件的能力.事实上,树木年轮在精确判定过去发生的地震事件方面所发挥的作用已经得到了充分的肯定.早在19世纪中叶,英国地质学家查理斯莱尔就提出了树木能指示地震发生的概念.另外,1908年,美国研究学者就观察到发生于1906年4月18日的加利福尼亚地震对树木造成了破坏.自20世纪初,以树木年轮为研究对象的树木年代学发展成为一门独立的学科,完善了交叉定年等研究手段.科学家们在采集样品的时候一般使用一种中空的生长锥,获取的样芯直径只有5毫米左右,对树木不会造成损伤.

长期的预测地震,需要掌握地震发生的周期性规律,这个规律的寻找有赖于对过去地震事件的了解.然而事实并不乐观.迄今,人类对地震的仪器记录仅有百年的历史,历史资料对过去地震发生的记录往往不完整或短缺.在偏远的山区甚至缺乏历史记录,虽然地质年代学的方法可以用来估计古地震发生的时期,但这些技术都存在固有的不确定性,不具备年分辨能力.在美国,仅仅在19世纪早期,才有近似的地震烈度评估.因此我们对过去几百年甚至上千年时间内发生的破坏性地震灾害事件的了解其实相当有限.鉴于此,我们迫切需要知道过去地球地壳周期性的断裂所发生的时间和强度等详尽的信息,以更好地了解过去发生的地震事件.

大部分树木可以生长很长时间,一些树木甚至能够存活l 000年以上.这就为人们研究过去地震事件提供了有别于仪器和文字记录的另一条线索.树木的生长受地震干扰的影响会发生十分明显的变化,而且这一影响会持续几年至十几年.科学家们已经在一些树木中找到了这些变化,并得到文字记载的证实.目前,一些生长年限在300～500年的树种因为其广泛的分布,已经被频繁用于古地震学的研究中.

树木年轮在古地震事件的研究中的优势在于可以准确定年,甚至可以精确到季节,这是年轮分析应用于古地震学研究的关键.树木的年轮忠实地“记载”着树木的生长状况.地震时,地面的摇动、地表破裂、地面的抬升或下降,地面的位移或滑坡等干扰因素会使地震带或地震带附近的树木或灌木的根部发生压缩或拉伸,并对树冠、树干和树根产生直接的实体破坏.树冠和根部的损害,造成树木年轮宽度的突然变窄或者缺失,个别情况下地震造成的强干扰甚至导致树木的死亡.这些由外界干扰因素对树木生长的影响不同于气候变化对周边对照树木（未受地震干扰）的影响,并在树木年轮上记录下来.通过地震带附件的树木年轮分析,并与周边没有受地震影响的树木年轮之间进行对比,利用交叉定年等研究手段,可以推测过去发生的地震发生的年代.

利用树木年轮来指示过去地震发生的例子已经很多.

1964年3月份,阿拉斯加曾发生过一次大地震.萨克林角地区距离这次地震的震中有240公里的距离.除受到地震的摇动以外,萨克林角地区被抬升了4米左右.这些干扰因素使得生长在海边的西特加云杉向南发生了倾斜,部分树木暴露出了根部.科学家通过采集这些树木的样芯,来判定地震干扰对树木生长的影响.同时,研究者还采集了附近萨克林山上未受地震干扰的云杉的树芯,以便于与受地震干扰的树木年轮样本进行对比分析.

在实验室内,研究者对所采集的样品进行交叉定年与测量.结果显示,在受干扰的树木年轮样本里,南侧方向上的样芯自1964年以来呈现明显的生长下降,并形成应压木（松柏类植物的茎或枝条在抵抗迫使它们倾斜或弯曲的重力作用下形成的木材）,北侧的样芯没有表现出明显的受干扰的迹象.东西方向的样芯自1964年以来均出现生长减缓.这说明,地震导致树木发生倾斜,并在不同方位上对树木的生长产生不一致的影响.对照树木的样芯没有在1964年出现生长下降现象.树木年轮中所记录的这些信息说明,受地震影响而发生南向倾斜的树木,其南向生长的确明显受到了影响,而且这一影响持续了十几年.

树木年轮还为研究太平洋西北部的卡斯卡底地震的发生提供了重要线索.通过采集由地表变化而死亡的树木的年轮样本并与周围活树进行比较,美国研究学者推测1699－1700,卡斯卡底断裂带可能发生了强烈的地震.地震可能造成了沿海的陆地和森林的下沉.一些树木因无法忍受高盐度的海水而死亡.在进行树轮分析时,研究人员首先采集了陆地上19棵存活的北美云杉,建立了从991年到1986年的年表,又沿90公里的海岸线从河流、港湾中采集了75个死树的样品来进行对比研究,发现大多数树死亡的年代都在1680以后.但因为死树丢失了树皮,导致无法确定树木死亡的准确年代.后来,科学家们又对带有树皮的根部进行定年,最终确定了树木死亡年代是在1699年生长季之后和1700年生长季之前.日本科学家也报道1700年1月27日海啸袭击了日本本州岛,他们认为此海啸可能是由9级的地震引发的.从两者在时间上的一致性,学者们认为发生在美国太平洋西北部的地震可能诱发了此次海啸事件,其影响并波及到日本沿海.虽然对两者之间的联系仍然存在着争论,但无论如何,树木年轮为我们认识过去发生的地震事件及其他相关灾害事件的认识提供了宝贵的线索.

1931年8月11日,新疆阿尔泰山区富蕴发生8级地震.新疆与蒙古、前苏联毗邻广大地域,包括乌鲁木齐和科布多一带,直径达数百公里范围内的城镇均遭受不同程度的破坏.地震造成地崩裂,树折断,山草枯萎.日本华裔学者通过灌木－新疆方枝柏年轮分析,发现1931后的方枝柏生长的急剧下降,很好地指示了此次地震事件的影响.此外,我国学者还利用树轮分析的方法来判定了西藏当雄一带地震形变带的发生年代,并分析了树木的生长对1927年古浪8级地震的响应.

以上这些例子都说明了树木年轮在古地震时间研究中的作用,以及通过树轮精确判定地震发生年代的优势.

不仅如此,分析地震断裂带的树木,还可以为古地震的强度提供线索.在20世纪30年代,用于区别地震破坏程度的麦卡利烈度（一个量度地震对某一个特定的地点所受到的影响的量度单位.从感觉不到到全部损毁分1至12度.）表中的某些判断依据就是根据树木被地震干扰和破坏程度而建立的.例如5级地震时树木仅发生轻微的摇动,6和7级地震时中等程度和强烈的摇动,而在发生8级或以上级别的地震时,树杆或树枝会发生折断.树木年轮分析在评估和重建过去的古地震事件方面的研究也日益受到关注.

当然,在判定外界干扰因素对树木生长的影响系地震事件所致之前,我们必须排除其他可能的干扰因素,例如干旱、火灾等事件.在干旱、半干旱地区,干旱也能导致树木生长的下降,其影响一般只限于一到两年,但也有持续十年甚至更长的干旱事件,例如上世纪20年代我国北方大旱就持续了十年之久.在高海拔山区和高纬度地区,树木的生长往往会受到低温的限制.值得提出的是,干旱或低温所造成树木的生长下降不会仅限于很小的区域范围内,往往是大空间尺度上的.所不同的是,地震引起的树轮宽度变窄,往往需要几年以至于几十年才能够恢复到正常的生长状况,而且受损害的树木仅限于沿断层分布的狭窄区域.风暴、腐蚀或者非地震引起的滑坡也可能引起树木树冠的损坏、根系的破坏、树木倾倒和形成反应木.因此,从附近未受影响的树木中建立对照年表也是必须的.再结合地质学特征,以及受损树木的地理分布.就能够基本排除其它的干扰因素.一般来说,如果受干扰的树木离地表破裂处仅有几十米,那么地震就是最可能的干扰因素.

读史可以让人睿智.我们对地质历史上的灾害事件的了解越多,就越有利于我们认识脚下这个星球的脾性和活动规律.通过树木年轮对地质事件的“记载”,可以让我们了解过去的地震灾害.地震的预测固然困难,人们对地质历史的了解也许仅仅揭开了冰山一角.对地震的后期预测有赖于各个学科的发展和交叉.这个过程,不管有多曲折和漫长,对于生命来说,都很值得.

致谢

感谢中国科学院青藏高原研究所梁尔源副研究员提供文献资料并审阅本文.

（责编窦利红）