火山氣體火山灰或?qū)Φ厍蛟斐蓢?yán)重影響 科學(xué)家厘清火山灰噴發(fā)年齡

從9月19日至今，西班牙拉帕爾馬島火山持續(xù)噴發(fā)已經(jīng)超過四周，目前依然沒有結(jié)束的跡象，而火山主椎體東南側(cè)近日又出現(xiàn)一個(gè)新的噴發(fā)口。大規(guī)模的火山噴發(fā)會(huì)釋放出大量火山氣體和火山灰，可能對(duì)地球氣候和人類活動(dòng)造成嚴(yán)重影響。

對(duì)于科學(xué)家來說，火山灰是極佳的研究對(duì)象，是尋找地球系統(tǒng)演化的關(guān)鍵信息。近日，中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所同位素地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、深地科學(xué)卓越研究中心博士后陳宣諭、中國科學(xué)院院士徐義剛與英國學(xué)者合作，采用貝葉斯統(tǒng)計(jì)方法厘清了兩大火山灰的火山噴發(fā)年齡，在年輕火山噴發(fā)定年研究中取得新進(jìn)展，相關(guān)研究發(fā)表于《第四紀(jì)地質(zhì)年代學(xué)》。

厘清了存在爭(zhēng)議的火山灰噴發(fā)年齡

火山灰是指火山爆炸性噴發(fā)形成的、直徑小于2毫米的噴發(fā)碎屑。在爆炸性火山活動(dòng)中，圍巖和巖漿被炸碎成細(xì)小的顆粒從而形成火山灰。火山灰從火山口噴發(fā)到大氣中，經(jīng)過大氣搬運(yùn)再沉降到各類環(huán)境中，整個(gè)過程時(shí)間非常短，通常只有數(shù)年左右。從地質(zhì)時(shí)間尺度來看，這幾乎是瞬時(shí)的，所以在各種地質(zhì)記錄中，火山灰是一種高精度的絕對(duì)時(shí)間標(biāo)志層。

“火山灰年代學(xué)研究是利用地質(zhì)記錄中的火山灰層來確定地質(zhì)年代的科學(xué)，研究內(nèi)容涉及火山灰的化學(xué)成分、地層位置、空間分布，以及噴發(fā)年代等。”陳宣諭表示，火山灰年代學(xué)可以幫助我們解決一些重要的科學(xué)問題，比如大型火山噴發(fā)事件與氣候變化、人類演化之間的成因聯(lián)系，以及氣候快速變化事件的區(qū)域差異等。

值得一提的是，絕對(duì)時(shí)間是地球科學(xué)研究中的一個(gè)重要參數(shù)，只有得到各個(gè)地質(zhì)事件發(fā)生的準(zhǔn)確年代，才能判斷相關(guān)事件的因果關(guān)系(比如火山噴發(fā)與氣候變化)和了解地球完整的演化歷史。

火山灰年代學(xué)的核心原理之一是不同地點(diǎn)發(fā)現(xiàn)的相同火山灰層具有一致的年齡，因此厘定火山灰標(biāo)志層準(zhǔn)確的噴發(fā)年齡十分關(guān)鍵，其可用于各類地質(zhì)、古環(huán)境和考古學(xué)記錄的定年。本次選取的研究對(duì)象為Ko-g和Ma-f~j火山灰，它們是日本北部重要的時(shí)間標(biāo)志層，分別來自北海道駒岳和摩周火山全新世規(guī)模最大的普林尼式噴發(fā)。

“盡管過去的研究對(duì)上述火山灰開展了大量的放射性碳(14C)測(cè)年工作，但不同研究的結(jié)果差異較大，關(guān)于火山灰的噴發(fā)年齡尚無一致認(rèn)識(shí)。”陳宣諭指出，過去的研究中還存在采樣偏差、可能的樣品污染以及14C年齡校正等問題，這些問題對(duì)單個(gè)14C測(cè)年結(jié)果影響較大。

此次研究人員利用貝葉斯統(tǒng)計(jì)建模方法開展火山噴發(fā)年齡研究。經(jīng)綜合分析所有近源和遠(yuǎn)源年代學(xué)和地層學(xué)信息后，該研究為Ko-g火山灰提供了目前最準(zhǔn)確且最精確的年齡估算(6586±40 cal yr BP)，而為Ma-f~j火山灰提供了目前最準(zhǔn)確的年齡估算(7532±72 cal yr BP)，確證了上述兩次大型噴發(fā)分別發(fā)生在距今約6600和7500年以前。

利用貝葉斯“階段”和“沉積”模型開展研究

對(duì)火山噴發(fā)時(shí)間的估算實(shí)際上是對(duì)噴發(fā)產(chǎn)物的定年研究。火山灰是火山爆炸性噴發(fā)的產(chǎn)物，對(duì)其開展定年大體上包括直接測(cè)年和間接測(cè)年兩類方法。

直接測(cè)年利用火山灰中的原生礦物或玻璃確定火山灰年齡，方法主要是放射性測(cè)年法，如氬-氬法、鈾系法、釋光法等。間接測(cè)年利用包裹火山灰或被火山灰包裹的外來物質(zhì)間接地確定火山灰年齡，方法主要是放射性測(cè)年法和增量法。如對(duì)火山噴發(fā)碎屑中的碳化木或火山灰下部土壤中的有機(jī)質(zhì)開展的14C測(cè)年就屬于放射性測(cè)年法，而通過紋層年代學(xué)、冰芯年代學(xué)得到的火山灰年齡則屬于增量法。

“間接測(cè)年法還包括對(duì)含有火山灰的沉積層序開展年齡模擬，本次研究就屬于這一范疇。”陳宣諭說。

據(jù)介紹，本次研究利用牛津大學(xué)的OxCal軟件建立“階段”模型分析火山灰的近源14C年齡。樣品依據(jù)其與火山灰層的相對(duì)地層關(guān)系，被納入不同的沉積階段，如噴發(fā)前、同噴發(fā)、噴發(fā)后階段。階段模型在校正樣品年齡的過程中，同時(shí)考慮了樣品地層位置給火山灰?guī)淼哪甏鷮W(xué)制約。陳宣諭告訴記者：“這與先前研究中，將采自火山灰之中和之下(緊鄰地層中)樣品的年齡均認(rèn)為是噴發(fā)年齡相比更為準(zhǔn)確。”

由于Ko-g和Ma-f~j火山灰在遠(yuǎn)源湖泊中被識(shí)別，且相應(yīng)湖泊沉積記錄具有大量14C測(cè)年數(shù)據(jù)，這使得利用貝葉斯統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)一步分析所有近、遠(yuǎn)源信息成為可能。研究人員利用湖泊14C年代學(xué)和地層學(xué)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了正式的“沉積”模型，該模型利用泊松過程模擬湖泊沉積物形成過程。根據(jù)火山灰在沉積記錄中的層位，沉積模型在相應(yīng)位置交叉引用了上述兩層火山灰的階段模型，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)分析與火山灰相關(guān)的所有可用的年代學(xué)和地層學(xué)信息。

貝葉斯方法在東亞火山灰研究的成功應(yīng)用

本次研究運(yùn)用的年代學(xué)建模方法是基于貝葉斯分析的一種統(tǒng)計(jì)方法。

“貝葉斯分析方法就是將關(guān)于未知參數(shù)的先驗(yàn)信息與樣本信息綜合，根據(jù)貝葉斯公式得出后驗(yàn)信息，再根據(jù)后驗(yàn)信息推斷未知參數(shù)的方法。該方法的優(yōu)勢(shì)之一是在處理非常復(fù)雜問題時(shí)的高效性。”據(jù)陳宣諭介紹，對(duì)于東亞火山灰研究，過去對(duì)火山噴發(fā)年齡的估算通常基于單個(gè)14C測(cè)年結(jié)果，但由于采樣偏差、可能的樣品污染以及14C年齡校正等問題，單個(gè)樣品測(cè)年結(jié)果的誤差較大，不同研究得到的結(jié)果可以相差數(shù)千年的時(shí)間。

“測(cè)年結(jié)果的誤差主要與兩方面因素有關(guān)。一方面是各類測(cè)年方法固有的誤差，如儀器測(cè)定的誤差，又如14C年齡校正過程中產(chǎn)生的誤差，這類誤差較難避免;另一方面，是采樣過程中可能存在的偏差或樣品污染等，這類誤差屬于樣品處理過程中人為引入的誤差，通常可以避免。”陳宣諭說。

本次研究利用貝葉斯統(tǒng)計(jì)方法構(gòu)建模型，綜合分析了來自多個(gè)地點(diǎn)的、與火山灰相關(guān)的所有可用的年代學(xué)信息，同時(shí)還將地層學(xué)信息納入模型。這類綜合分析大量信息的方法，使得對(duì)火山噴發(fā)年齡估算的準(zhǔn)確度有極大的提升。研究中，噴發(fā)年齡估算的精確度也較過去的研究有所提升。

在國際火山學(xué)界，學(xué)者們已經(jīng)意識(shí)到貝葉斯統(tǒng)計(jì)方法可以為估算火山噴發(fā)年齡提供準(zhǔn)度和精度更高的結(jié)果，該方法也越來越多地被應(yīng)用至火山灰年代學(xué)研究中。大型爆炸性火山噴發(fā)的產(chǎn)物，由于其分布廣泛，常在不同記錄中被發(fā)現(xiàn)和測(cè)年，因此文獻(xiàn)中有很多這類火山灰的地層和年齡信息，而利用貝葉斯統(tǒng)計(jì)方法可以綜合分析這些信息并對(duì)火山噴發(fā)年齡進(jìn)行優(yōu)化。

“這一方法目前在歐美地區(qū)應(yīng)用較多，但在亞洲地區(qū)應(yīng)用很少。”陳宣諭表示，該項(xiàng)研究是利用貝葉斯統(tǒng)計(jì)方法優(yōu)化火山灰年齡的一個(gè)范例，研究結(jié)果厘清了過去關(guān)于火山噴發(fā)年齡的爭(zhēng)論，增強(qiáng)了相應(yīng)火山灰作為定年工具的作用，為完善東亞全新世火山灰地層框架提供了關(guān)鍵信息。(科技日?qǐng)?bào)記者 葉青 通訊員 鄧土連)

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