火山噴發是地球上的重大地質災害之一。一些火山噴發出的火山灰高達幾十公裡，直抵平流層，可影響天氣變化，火山灰形成的降塵也會給當地民眾造成極大的生活困難。但在地質歷史時期，火山灰是「診斷」地球古老地層絕對年齡的最佳材料，而地層的絕對年齡又是破譯地球系統演化的關鍵密碼。
2020年1月12日，菲律賓塔爾火山噴發（圖片源自網絡）
什麼是火山灰？
火山灰由火山噴發的微小碎屑顆粒組成，顆粒極細的火山灰顆粒可小於125 微米，與細顆粒碎屑沉積物形態特徵相近。因此，僅有小部分由大量火山灰固結形成的火山凝灰巖可在野外觀察中識別出，而大部分沉積地層中所含的火山灰難以憑肉眼直接鑑定。
如何捕捉古老地層中的火山灰信號？科學家們帶著野外採集的疑似火山灰樣品走進實驗室，試圖通過火山玻璃進行識別。火山玻璃是火山噴發出的碎屑產物之一，是迅速冷卻尚未結晶的一種玻璃質固體顆粒，但火山玻璃的提取和鑑定實驗耗時長且價格昂貴，不適合廣泛推廣。而火山噴發物質含有大量磁性礦物，它們常以填隙物或包裹體的形式存在於火山灰中，不易被環境破壞，與普通碎屑沉積巖可能存在不同。因此，可以考慮利用快捷便宜的巖石磁學方法識別火山灰。
哪裡能找到火山灰？
究竟哪種巖石磁參數捕捉火山灰最靈敏、有效呢？2013年起，中國科學院青藏高原研究所新生代環境團隊顏茂都研究員及其合作者多次赴雲南劍川和曲靖尋找火山灰的蹤跡。
雲南劍川盆地火山巖考察
劍川盆地風化狀火山巖（粗面巖)
雲南位於青藏高原東南緣，有很多新生代沉積盆地。盆地中的沉積地層記錄了豐富的古環境演化信息，對破解青藏高原和亞洲季風的起源和演化之謎具有重要價值。但云南的新生代地層大都缺乏絕對年齡，限制了對上述問題的認識。因此迫切需要把地層中的火山灰識別出來，以確定地層的絕對年齡，從而建立起青藏高原和亞洲季風起源和演化的準確時間線。
在雲南省曲靖市霑益縣蔡家衝村和劍川縣雙河煤礦附近，團隊發現了距今3500多萬年前的兩套河流與湖泊成因的沉積地層。曲靖的這套地層頂部有一層厚達3米的灰白色火山凝灰巖。而劍川的這套地層則含有多層的火山巖。野外工作中，經驗豐富的地質工作者可依據巖石礦物組成、結構和構造特徵將火山巖識別出來。
雲南曲靖始新世巨厚火山凝灰巖
但火山凝灰巖主要由粒徑小於2毫米的晶屑、巖屑及玻屑組成，常夾雜著一些暗色礦物，只有部分有明顯的顆粒感並肉眼可見，與其他種類的細顆粒沉積巖形態特徵相近，不易識別。火山凝灰巖在形態特徵上極易和石灰巖混淆。因此，野外工作中，科研工作者常通過巖性特徵和鹽酸滴定相結合的方法區分二者，被鹽酸滴過不會產生氣泡的才有可能是火山凝灰巖。
誰是識別火山灰最靈敏的參數？
經過詳細的調研、討論和採樣，團隊成員決定通過構建「火山巖—火山凝灰巖—沉積巖」的對比序列，尋找可以識別地層中火山灰的最靈敏和有效的巖石磁學參數。
劍川盆地中性火山巖顯微照片。不透明磁性礦物屬金屬礦物，在顯微鏡單偏光下呈黑色，在反射光下呈亮灰色
團隊對這三類樣品從磁性礦物的種類、含量和粒徑三個方面開展了系統的巖石磁學參數對比研究。結合巖相學、地球化學等方法，探究了火山灰區別於沉積巖最顯著的巖石磁學特徵。
研究發現，上述三方面相關的大量磁學參數中，低溫頻率磁化率參數顯示火山巖和火山凝灰巖含大量的超細磁性礦物，而大多數沉積巖則缺乏這一特徵。因此，低溫頻率磁化率參數可作為捕捉雲南地區火山灰的有效指標。該指標所需樣品前處理簡單、測試快速，相比於利用火山玻璃的鑑別方法，大大提高了實驗室識別火山灰的效率。
該成果3月2日在線發表於《地球物理研究：固體地球》(Journal of Geophysical Research：Solid Earth)，可助力解決「卡脖子」的地層年代學問題，為青藏高原東南緣的構造和古環境演化等研究的年代學問題提供巖石磁學支撐，對全面深入了解青藏高原和亞洲季風的起源和演化等重大科學問題具有重要意義。
作者：申苗苗、顏茂都、劉曉倩
來源：中國科學院青藏高原研究所