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陈宣谕等-Quaternary Geochronology:在年轻火山喷发定年研究中取得新进展

撰稿: 发布时间:2021-09-09

      火山灰年代学的核心原理之一是:不同地点发现的相同火山灰层具有一致的年龄,因此厘定火山灰标志层精准的喷发年龄十分关键,其可用于各类地质、古环境和考古学记录的精确定年。Ko-g和Ma-f~j火山灰是日本北部重要的时间标志层,它们分别来自日本驹岳山(Komagatake)和摩周(Mashu)火山全新世规模最大的普林尼式喷发。尽管过去的研究对上述火山灰开展了大量的放射性碳(14C)测年工作,但不同研究的结果差异较大,关于火山灰的喷发年龄尚无一致认识。过去的研究中还存在采样偏差、可能的样品污染以及14C年龄校正等问题,这些问题对单个14C测年结果影响较大。

  针对上述问题,中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室、深地科学卓越研究中心陈宣谕博士后、徐义刚院士与英国学者合作,利用贝叶斯统计建模方法开展火山灰年代学研究。与单个14C定年结果易受各类问题困扰相比,贝叶斯统计方法能够综合分析多个地点的年代学数据,并将地层学信息纳入模型,通过计算机迭代运算,可以更好地校正14C年龄,得出较单个测年结果准度和精度更高的火山灰年龄估算。

  本研究首先利用OxCal软件建立‘阶段’模型分析火山灰的近源14C年龄,这些样品依据其与火山灰层的相对地层关系,被纳入不同的沉积阶段(如喷发前、同喷发、喷发后阶段)。阶段模型(图1)在校正样品年龄的过程中,同时考虑了样品地层位置给火山灰年龄带来的年代学制约(先验信息)。这与先前研究中,将采自火山灰之中和之下(紧邻地层中)样品的年龄均认为是喷发年龄相比更为准确。

  
图1. 火山灰‘阶段’模型。图中浅灰色概率分布代表14C样品仅通过校正曲线校正后得到的年龄,黑色概率分布代表地层学信息(先验信息)加入模型后,相应样品的模式年龄。  

  由于上述火山灰在远源湖泊中被识别,且相应湖泊沉积记录具有大量14C测年数据,这使得利用贝叶斯统计建模方法进一步分析所有近、远源信息成为可能。利用湖泊14C年代学和地层学数据,本研究构建了正式的‘沉积’模型,该模型利用泊松过程模拟湖泊沉积物形成过程。根据火山灰在沉积记录中的层位,‘沉积’模型在相应位置交叉引用了上述两层火山灰的‘阶段’模型(图2),实现了同时分析与火山灰相关的所有可用的年代学和地层学信息。


图2. 贝叶斯14C沉积模型。该沉积模型交叉引用了火山灰阶段模型。

  研究结果显示,与单独利用火山灰的近源或远源信息相比,交叉引用的‘阶段’和‘沉积’模型(图2)能有效地使先验信息最大化。综合分析所有近源和远源年代学和地层学信息后,该研究为Ko-g火山灰提供了目前最准确和最精确的年龄估算(6586±40 cal yr BP),而为Ma-f~j火山灰提供了目前最准确的年龄估算(7532±72 cal yr BP)(图3)。这些结果厘清了过去关于火山灰喷发年龄的争论,增强了相应火山灰作为定年工具的作用,为完善东亚全新世火山灰地层框架提供了关键信息。


图3. 本研究年龄模拟结果与过去单个14C测年结果比较。根据本研究结果,图中紫色年龄表示其不应被视作火山灰喷发年龄。

  研究成果近日发表于国际地学期刊Quaternary Geochronology,项目受中国科学院B类先导专项(XDB18000000)和中国科学院对外合作重点项目(132744KYSB20130005)联合资助。

  论文信息如下: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.

  相关链接: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1871101421000790

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