科技日報記者 葉青 通訊員 鄧土連

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，目前依然沒有結束的跡象，而火山主椎體東南側近日又出現(xiàn)一個新的噴發(fā)口。大規(guī)模的火山噴發(fā)會釋放出大量火山氣體和火山灰，可能對地球氣候和人類活動造成嚴重影響。

對于科學家來說，火山灰是極佳的研究對象，是尋找地球系統(tǒng)演化的關鍵信息。近日，中國科學院廣州地球化學研究所同位素地球化學國家重點實驗室、深地科學卓越研究中心博士后陳宣諭、中國科學院院士徐義剛與英國學者合作，采用貝葉斯統(tǒng)計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展，相關研究發(fā)表于《第四紀地質年代學》。

厘清了存在爭議的火山灰噴發(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。在爆炸性火山活動中，圍巖和巖漿被炸碎成細小的顆粒從而形成火山灰?；鹕交覐幕鹕娇趪姲l(fā)到大氣中，經(jīng)過大氣搬運再沉降到各類環(huán)境中，整個過程時間非常短，通常只有數(shù)年左右。從地質時間尺度來看，這幾乎是瞬時的，所以在各種地質記錄中，火山灰是一種高精度的絕對時間標志層。

“火山灰年代學研究是利用地質記錄中的火山灰層來確定地質年代的科學，研究內(nèi)容涉及火山灰的化學成分、地層位置、空間分布，以及噴發(fā)年代等。”陳宣諭表示，火山灰年代學可以幫助我們解決一些重要的科學問題，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，絕對時間是地球科學研究中的一個重要參數(shù)，只有得到各個地質事件發(fā)生的準確年代，才能判斷相關事件的因果關系（比如火山噴發(fā)與氣候變化）和了解地球完整的演化歷史。

火山灰年代學的核心原理之一是不同地點發(fā)現(xiàn)的相同火山灰層具有一致的年齡，因此厘定火山灰標志層準確的噴發(fā)年齡十分關鍵，其可用于各類地質、古環(huán)境和考古學記錄的定年。本次選取的研究對象為Ko-g和Ma-f~j火山灰，它們是日本北部重要的時間標志層，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)。

“盡管過去的研究對上述火山灰開展了大量的放射性碳（14C）測年工作，但不同研究的結果差異較大，關于火山灰的噴發(fā)年齡尚無一致認識?！标愋I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，這些問題對單個14C測年結果影響較大。

此次研究人員利用貝葉斯統(tǒng)計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源年代學和地層學信息后，該研究為Ko-g火山灰提供了目前最準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

對火山噴發(fā)時間的估算實際上是對噴發(fā)產(chǎn)物的定年研究?；鹕交沂腔鹕奖ㄐ試姲l(fā)的產(chǎn)物，對其開展定年大體上包括直接測年和間接測年兩類方法。

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

“間接測年法還包括對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?！标愋I說。

據(jù)介紹，本次研究利用牛津大學的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地層關系，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，同時考慮了樣品地層位置給火山灰?guī)淼哪甏鷮W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）樣品的年齡均認為是噴發(fā)年齡相比更為準確。”

由于Ko-g和Ma-f~j火山灰在遠源湖泊中被識別，且相應湖泊沉積記錄具有大量14C測年數(shù)據(jù)，這使得利用貝葉斯統(tǒng)計方法進一步分析所有近、遠源信息成為可能。研究人員利用湖泊14C年代學和地層學數(shù)據(jù)，構建了正式的“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，沉積模型在相應位置交叉引用了上述兩層火山灰的階段模型，實現(xiàn)了同時分析與火山灰相關的所有可用的年代學和地層學信息。

貝葉斯方法在東亞火山灰研究的成功應用

本次研究運用的年代學建模方法是基于貝葉斯分析的一種統(tǒng)計方法。

“貝葉斯分析方法就是將關于未知參數(shù)的先驗信息與樣本信息綜合，根據(jù)貝葉斯公式得出后驗信息，再根據(jù)后驗信息推斷未知參數(shù)的方法。該方法的優(yōu)勢之一是在處理非常復雜問題時的高效性?！睋?jù)陳宣諭介紹，對于東亞火山灰研究，過去對火山噴發(fā)年齡的估算通?；趩蝹€14C測年結果，但由于采樣偏差、可能的樣品污染以及14C年齡校正等問題，單個樣品測年結果的誤差較大，不同研究得到的結果可以相差數(shù)千年的時間。

“測年結果的誤差主要與兩方面因素有關。一方面是各類測年方法固有的誤差，如儀器測定的誤差，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?？梢员苊狻！标愋I說。

本次研究利用貝葉斯統(tǒng)計方法構建模型，綜合分析了來自多個地點的、與火山灰相關的所有可用的年代學信息，同時還將地層學信息納入模型。這類綜合分析大量信息的方法，使得對火山噴發(fā)年齡估算的準確度有極大的提升。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。

在國際火山學界，學者們已經(jīng)意識到貝葉斯統(tǒng)計方法可以為估算火山噴發(fā)年齡提供準度和精度更高的結果，該方法也越來越多地被應用至火山灰年代學研究中。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)和測年，因此文獻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)計方法可以綜合分析這些信息并對火山噴發(fā)年齡進行優(yōu)化。

“這一方法目前在歐美地區(qū)應用較多，但在亞洲地區(qū)應用很少。”陳宣諭表示，該項研究是利用貝葉斯統(tǒng)計方法優(yōu)化火山灰年齡的一個范例，研究結果厘清了過去關于火山噴發(fā)年齡的爭論，增強了相應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鍵信息。

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