重繪火山噴發歷史 貝葉斯方法畫出更精準時間軸

火山灰年代學可以幫助我們解決一些重要的科學問題，比如大型火山噴發事件與氣候變化、人類演化之間的成因聯繫，以及氣候快速變化事件的區域差異等。

西班牙加納利羣島拉帕爾馬島火山自9月19日爆發後，至今仍在持續活動。大規模的火山噴發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。

而對於科學家來説，火山灰是極佳的研究對象，是理解地球系統演化的關鍵信息。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後陳宣諭，中國科學院院士徐義剛與英國學者合作，採用貝葉斯統計方法研究了兩大火山灰的火山噴發年齡，在年輕火山噴發定年研究中取得新進展，相關研究發表於《第四紀地質年代學》。

確定火山灰年齡意義重大

火山灰是指火山爆炸性噴發形成的、直徑小於2毫米的噴發碎屑。在爆炸性火山活動中，圍巖和岩漿被炸碎成細小的顆粒從而形成火山灰。火山灰從火山口噴發到大氣中，經過大氣搬運再沉降到各類環境中，整個過程時間非常短，通常只有數年左右。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誌層。

“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，研究內容涉及火山灰的化學成分、地層位置、空間分佈，以及噴發年代等。”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，比如大型火山噴發事件與氣候變化、人類演化之間的成因聯繫，以及氣候快速變化事件的區域差異等。

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，只有得到各個地質事件發生的準確年代，才能判斷相關事件的因果關係（比如火山噴發與氣候變化）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，是不同地點發現的相同火山灰層具有一致的年齡，因此釐定火山灰標誌層準確的噴發年齡十分關鍵，其可用於各類地質、古環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誌層，分別來自北海道駒嶽和摩周火山全新世規模最大的普林尼式噴發。

“儘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，關於火山灰的噴發年齡尚無一致認識。” 陳宣諭指出，過去的研究中還存在採樣偏差、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。

此次研究中，研究人員利用貝葉斯統計建模方法開展火山噴發年齡研究。經綜合分析所有近源和遠源年代學和地層學信息後，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，而為Ma-f~j火山灰提供了目前最準確的年齡估算，確證了上述兩次大型噴發分別發生在距今約6600和7500年以前。

火山灰定年方法總體有兩大類

對火山噴發時間的估算實際上是對噴發產物的定年研究。火山灰是火山爆炸性噴發的產物，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測年就屬於放射性測年法，而通過紋層年代學、冰芯年代學得到的火山灰年齡則屬於增量法。

“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，本次研究就屬於這一範疇。”陳宣諭説。

據介紹，本次研究利用英國牛津大學的OxCal軟件建立階段模型分析火山灰的近源14C年齡。樣品依據其與火山灰層的相對地層關係，被納入不同的沉積階段，如噴發前、同噴發、噴發後階段。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帶來的年代學制約。陳宣諭告訴記者：“這與先前研究中，將採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年齡相比更為準確。”

由於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測年數據，這使得利用貝葉斯統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年代學和地層學數據，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。

有助完善東亞全新世火山灰地層框架

本次研究運用的年代學建模方法是基於貝葉斯分析的一種統計方法。

“貝葉斯分析方法就是將關於未知參數的先驗信息與樣本信息綜合，根據貝葉斯公式得出後驗信息，再根據後驗信息推斷未知參數的方法。該方法的優勢之一是在處理非常複雜問題時的高效性。”據陳宣諭介紹，對於東亞火山灰研究，過去對火山噴發年齡的估算通常基於單個14C測年結果，但由於採樣偏差、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年齡校正過程中產生的誤差，這類誤差較難避免；另一方面，是採樣過程中可能存在的偏差或樣品污染等，這類誤差屬於樣品處理過程中人為引入的誤差，通常可以避免。”陳宣諭説。

本次研究利用貝葉斯統計方法構建模型，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，使得對火山噴發年齡估算的準確度有極大的提升。研究中，噴發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，學者們已經意識到貝葉斯統計方法可以為估算火山噴發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的產物，由於其分佈廣泛，常在不同記錄中被發現和測年，因此文獻中有很多這類火山灰的地層和年齡信息，而利用貝葉斯統計方法可以綜合分析這些信息並對火山噴發年齡進行優化。

“這一方法目前在歐美地區應用較多，但在亞洲地區應用很少。”陳宣諭表示，該項研究是利用貝葉斯統計方法優化火山灰年齡的一個範例，研究結果釐清了過去關於火山噴發年齡的爭論，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。