廣州地化所、深地科學(xué)卓越研究中心在年輕火山噴發(fā)定年研究中取得新進(jìn)展
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)志層精準(zhǔn)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)記錄的精確定年。Ko-g和Ma-f~j火山灰是日本北部重要的時(shí)間標(biāo)志層,它們分別來(lái)自日本駒岳山(Komagatake)和摩周(Mashu)火山全新世規(guī)模最大的普林尼式噴發(fā)。盡管過(guò)去的研究對(duì)上述火山灰開(kāi)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(wú)一致認(rèn)識(shí)。過(guò)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(wèn)題,這些問(wèn)題對(duì)單個(gè)14C測(cè)年結(jié)果影響較大。
針對(duì)上述問(wèn)題,中科院廣州地化所同位素地球化學(xué)國(guó)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、徐義剛院士與英國(guó)學(xué)者合作,利用貝葉斯統(tǒng)計(jì)建模方法開(kāi)展火山灰年代學(xué)研究。與單個(gè)14C定年結(jié)果易受各類問(wèn)題困擾相比,貝葉斯統(tǒng)計(jì)方法能夠綜合分析多個(gè)地點(diǎn)的年代學(xué)數(shù)據(jù),并將地層學(xué)信息納入模型,通過(guò)計(jì)算機(jī)迭代運(yùn)算,可以更好地校正14C年齡,得出較單個(gè)測(cè)年結(jié)果準(zhǔn)度和精度更高的火山灰年齡估算。
本研究首先利用OxCal軟件建立‘階段’模型分析火山灰的近源14C年齡,這些樣品依據(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(圖1)在校正樣品年齡的過(guò)程中,同時(shí)考慮了樣品地層位置給火山灰年齡帶來(lái)的年代學(xué)制約(先驗(yàn)信息)。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。
圖1. 火山灰‘階段’模型。圖中淺灰色概率分布代表14C樣品僅通過(guò)校正曲線校正后得到的年齡,黑色概率分布代表地層學(xué)信息(先驗(yàn)信息)加入模型后,相應(yīng)樣品的模式年齡。
由于上述火山灰在遠(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)建模方法進(jìn)一步分析所有近、遠(yuǎn)源信息成為可能。利用湖泊14C年代學(xué)和地層學(xué)數(shù)據(jù),本研究構(gòu)建了正式的‘沉積’模型,該模型利用泊松過(guò)程模擬湖泊沉積物形成過(guò)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(圖2),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。
圖2. 貝葉斯14C沉積模型。該沉積模型交叉引用了火山灰階段模型。
研究結(jié)果顯示,與單獨(dú)利用火山灰的近源或遠(yuǎn)源信息相比,交叉引用的‘階段’和‘沉積’模型(圖2)能有效地使先驗(yàn)信息最大化。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)確和最精確的年齡估算(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)(圖3)。這些結(jié)果厘清了過(guò)去關(guān)于火山灰噴發(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。
圖3. 本研究年齡模擬結(jié)果與過(guò)去單個(gè)14C測(cè)年結(jié)果比較。根據(jù)本研究結(jié)果,圖中紫色年齡表示其不應(yīng)被視作火山灰噴發(fā)年齡。
研究成果近日發(fā)表于國(guó)際地學(xué)期刊Quaternary Geochronology,項(xiàng)目受中國(guó)科學(xué)院B類先導(dǎo)專項(xiàng)(XDB18000000)和中國(guó)科學(xué)院對(duì)外合作重點(diǎn)項(xiàng)目(132744KYSB20130005)聯(lián)合資助。
論文信息如下:Chen, X.-Y.*, Blockley, S.P.E., Staff, R.A., Xu, Y.-G. and Menzies, M.A., 2022. Improved age estimates for Holocene Ko-g and Ma-f~j tephras in northern Japan using Bayesian statistical modelling. Quaternary Geochronology, 67: 101229.
(同位素地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室供稿)

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