重绘火山喷发历史贝叶斯方法绘制更精确的时间线

火山灰年代学可以帮助我们解决一些重要的科学问题，如大规模火山爆发与气候变化的成因关系、人类演化、快速气候变化事件的区域差异等。

西班牙加那利群岛拉帕尔马岛的火山自9月19日以来一直活跃。大规模的火山爆发会释放出大量的火山气体和火山灰，可能会对地球的气候和人类活动产生严重的影响。

对于科学家来说，火山灰是一个极好的研究对象，也是了解地球系统演化的关键信息。近日，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博士后陈炫瑜、中国科学院院士徐毅刚与英国学者合作，利用贝叶斯统计方法研究了两种主要火山灰的火山喷发年龄，在年轻火山喷发年龄研究方面取得新进展。相关研究发表于《第四纪地质年代学》。

确定火山灰年龄意义重大。

火山灰是指火山爆发形成的直径小于2 mm的喷发碎屑。在爆发性火山活动中，围岩和岩浆破碎成细小颗粒，从而形成火山灰。火山灰从火山口喷发到大气中，由大气输送，然后沉降到各种环境中。整个过程很短，通常只有几年左右。从地质时间尺度来看，几乎是瞬间的，所以在各种地质记录中，火山灰是一个绝对的时间标记，精度很高。

“火山灰年代学研究是一门利用地质记录中的火山灰层来确定地质年代的科学。研究内容涉及火山灰的化学成分、地层位置、空间分布和喷发时代等。”陈炫瑜说，火山灰年表可以帮助我们解决一些重要的科学问题，如大规模火山爆发与气候变化的遗传关系、人类进化、快速气候变化事件的区域差异等。

值得一提的是，绝对时间是地球科学研究中的一个重要参数。只有得到每个地质事件的确切时间，才能判断相关事件(如火山喷发、气候变化)的因果关系，了解地球完整的演化历史。

火山灰年代学的核心原理之一是不同地方发现的同一火山灰层具有相同的年龄，因此确定火山灰标志层的准确喷发年龄非常重要，可用于各种地质、古环境和考古记录的年代测定。本文选取的研究对象是日本北部重要的时间标志层——Ko-g和Ma-f~j火山灰，它们分别来自北海道巨岳火山和周茉火山全新世最大规模的普林尼喷发。

“虽然以往的研究对上述火山灰进行了大量的放射性碳(14C)测年工作，但不同研究的结果差异较大，对于火山灰的喷发年龄也没有共识。”陈炫瑜指出，以往的研究仍存在采样偏差、可能的样品污染和14C年龄校正等问题，对单个14C测年结果影响较大。

在这项研究中，研究人员使用贝叶斯统计建模方法来研究火山爆发的年龄。在综合分析了所有来自近源和远源的年代学和地层学信息后，本研究为Ko-g火山灰和Ma-f~j火山灰提供了最准确和最准确的年龄估计，证实上述两次大喷发分别发生在约6600年和7500年前。

火山灰测年方法一般有两种。

火山喷发时间的估算实际上是对喷发产物年代的研究。火山灰是火山爆发喷发的产物，其测年一般包括直接测年和间接测年两种方法。

直接测年利用火山灰中的原生矿物或玻璃来确定火山灰年龄。主要方法有放射性定年法，如氩氩法、铀系法和发光法。间接测年利用火山灰或火山灰包裹的外来物质间接确定火山灰年龄。主要方法有放射性测年法和增量法。如火山喷发碎屑中的炭化木或火山灰下土壤中的有机质的14C测年属于放射性测年法，而通过地层年代学和冰芯年代学获得的火山灰年龄属于增量法。

“间接测年方法还包括含火山灰沉积序列的年龄模拟，本研究属于这一类。”陈璇说。

据介绍，本研究利用英国牛津大学的OxCal软件建立阶段模型，分析火山灰的近源14C年龄。根据样品与火山灰层的相对地层关系，将其划分为喷发前、喷发中、喷发后等不同沉积阶段。在校正样品年龄的过程中，模型还考虑了样品地层位置对火山灰年代的制约。陈炫瑜告诉记者：“这比以前的研究更准确，以前的研究认为在火山灰中和火山灰下(在紧邻的地层中)采集的样本的年龄是喷发年龄。”

由于Ko-g和Ma-f~j火山灰是在遥远的湖泊中识别的，而相应的湖泊沉积记录有大量的14C测年数据，因此有可能用贝叶斯统计方法进一步分析所有的远近源信息。利用14C年代学和湖泊地层学数据，研究人员构建了一个正式的“沉积”模型，该模型通过泊松过程模拟了湖泊沉积物的形成过程。根据沉积记录中火山灰的层位，沉积模型在相应位置交叉引用了上述两层火山灰阶段模型，实现了对所有可用的与火山灰相关的年代学和地层信息的同时分析。

有助于完善东亚全新世火山灰地层格架。

本研究采用的时间序列建模方法是基于贝叶斯分析的统计方法。

“贝叶斯分析方法是将关于未知参数的先验信息与样本信息相结合，根据贝叶斯公式获得后验信息，根据后验信息推断未知参数的方法。这种方法的优点之一是处理非常复杂的问题效率高。”根据陈炫瑜的说法，对于东亚的火山灰研究，过去对火山爆发年龄的估计通常基于单一的14C年代测定结果。但由于采样偏差、可能的样品污染和14C年龄校正，单个样品的定年结果误差较大，不同研究得到的结果可能相差几千年。

“测年结果的误差主要与两个因素有关。一方面是各种测年方法的固有误差，如仪器测量的误差，以及14C年龄校正过程中产生的误差。

本次研究利用贝叶斯统计方法构建模型，综合分析了来自多个地点的、与火山灰相关的所有可用的年代学信息，同时还将地层学信息纳入模型。这类综合分析大量信息的方法，使得对火山喷发年龄估算的准确度有极大的提升。研究中，喷发年龄估算的精确度也较过去的研究有所提升。

在国际火山学界，学者们已经意识到贝叶斯统计方法可以为估算火山喷发年龄提供准度和精度更高的结果，该方法也越来越多地被应用至火山灰年代学研究中。大型爆炸性火山喷发的产物，由于其分布广泛，常在不同记录中被发现和测年，因此文献中有很多这类火山灰的地层和年龄信息，而利用贝叶斯统计方法可以综合分析这些信息并对火山喷发年龄进行优化。

“这一方法目前在欧美地区应用较多，但在亚洲地区应用很少。”陈宣谕表示，该项研究是利用贝叶斯统计方法优化火山灰年龄的一个范例，研究结果厘清了过去关于火山喷发年龄的争论，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。