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Journal of Tropical Oceanography >

2017 , Vol. 36 >Issue 6: 12 - 18

DOI: https://doi.org/10.11978/2016114

海洋地质学

Progress of applied research of tephra in the Indian Ocean sediments

  • DU Shuhuan ,
  • XIANG Rong ,
  • CHEN Muhong ,
  • LIU Jianguo ,
  • ZHANG Lanlan ,
  • LUO Chuanxiu ,
  • SU Xiang ,
  • ZHANG Qiang
Expand
  • CAS Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Guangzhou 510301, China
Corresponding author: DU Shuhuan. E-mail:

Received date: 2016-11-08

  Request revised date: 2016-12-13

  Online published: 2018-01-18

Supported by

Foundation item: Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Science (XDA11030104)

Guangdong Province Science and Technology Project (2015A020216015)

Copyright

热带海洋学报编辑部
Fold

Abstract

The Indian Ocean is the important channel of #cod#x0201c;Maritime Silk Road#cod#x0201d; in the 21st century, and is the main origins of the two sub-systems (the Indian monsoon and the East Asian monsoon) of the Asian monsoon, which plays an important role in the global change. Tephra in marine sediments as a stratigraphic tool not only records the information of source area, transporting medium and mechanism, but also can effectively make isochronal dating. The content and composition of tephra has great significance to study sedimentary and tectonic activity. In this paper, we summarize progress of applied research of tephra in the Indian Ocean sediments, including: 1) the definition of tephra and its isochronal dating in the Indian Ocean sediments; and 2) the analysis method of tephra (volcanic glass) and the effect on trace material sources, volcanic structure and magmatism, the Indian monsoon evolution, etc. Our future work on tephra in the Indian Ocean mainly includes in two tasks: 1) tephra and its application in surface sediments; and 2) tephra and high-resolution paleoenvironment records. Finally, regional climate change and driving factors are discussed by means of tephra isochronal dating.

Key words： Indian Ocean; deep-sea sediments; tephra; analysis; apply

Cite this article

DU Shuhuan , XIANG Rong , CHEN Muhong , LIU Jianguo , ZHANG Lanlan , LUO Chuanxiu , SU Xiang , ZHANG Qiang . Progress of applied research of tephra in the Indian Ocean sediments[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2017 , 36(6) : 12 -18 . DOI: 10.11978/2016114

印度洋位于世界屋脊青藏高原的南翼, 是研究地球系统科学与多圈层相互作用的天然实验室; 印度洋因火山热点众多、地球深部物质输出强烈, 是南亚季风的策源地和物源区, 蕴藏了构造、气候环境变化的重要信息; 同时又是全球海洋生产力最高、生物多样性最为丰富的海区之一。因此, 印度洋研究工作的开展倍受关注。近年来, 越来越多的学者发现海洋沉积物中的火山灰是一种有效的地层研究工具, 火山灰不仅记录了沉积物源区、搬运介质和搬运机制的相关信息, 还能有效地#cod#x0201c;等时#cod#x0201d;定年(陈宣谕等, 2014)。火山灰含量和成分对研究沉积作用和构造活动具有重要意义, 可用于重塑火山活动历史、追踪地质时期的大气及洋流的变迁、探讨火山对气候造成的影响等, 因此具有重要的研究价值(徐义刚 等, 2015)。本文对有关印度洋沉积物中的火山灰研究进行综述, 包括利用沉积物中的火山灰进行定年、火山灰物源追踪、火山岩浆作用和火山内部构造, 以及探讨印度洋的古海洋环境演变等。

1 火山灰及其定年

火山作用是自然界中的一种重要的地质作用。火山喷发过程会产生大量的未固结的火山碎屑产物, 称为火山灰(Tephra, 广义), 按粒径大小可分为火山块或火山弹(大于64mm)、火山砾(2~64mm)以及火山灰(小于2mm, 狭义) (Lowe, 2011)。这些物质可以随火山喷发气体上升到平流层, 喷出的细粒岩浆源碎屑(狭义火山灰)和火山气体可随喷射气流长距离运移, 并在随后的几个月至几年内减少太阳对地表的直接辐射量, 并增加云层向外太空的散射和反射能量, 由此降低地表的温度(图1)。颗粒较粗的火山碎屑通常堆积在火山口附近, 形成近源空降堆积, 而细粒岩浆源碎屑则可在远离火山口的位置沉降, 形成远源空降堆积, 包括陆相、海相和湖相三类。与气溶胶组分不同, 火山爆发喷出的固体碎屑物(包括火山玻璃、矿物晶体、浮岩和岩屑等)通常在数分钟至数天的尺度内快速沉降(Lowe, 2011), 即使是颗粒极细的火山灰(小于2mm) 甚至是火山尘(小于1/16mm), 其在大气中的滞留时间通常只有1~3年(图1)。由于在地质时间尺度上, 火山灰从产生到降落并保存到沉积物中的这一整个过程是瞬时的, 因此, 同一次火山爆发所产生的火山灰, 在其所能覆盖到的地理区域内就形成了一个空间上的等时标志面(层), 从而为该区域内不同环境中地层序列的定年及对比提供了极有价值的时间标尺。
火山灰年代学最原始的定义是指通过火山灰地层关联构成等时标志层, 并利用其对海洋、湖泊、冰芯以及大陆等各类沉积层序进行链接、同步和定年(Thorarinsson, 1944)。测年手段包括直接和间接两种, 前者利用火山灰中的原生矿物或玻璃确定火山灰年龄, 例如用40Ar/39Ar、U-Th/He、裂变径迹等方法; 或者利用包裹火山灰或被火山灰包裹的外来物质间接地确定火山灰年龄, 例如14C、年纹层计数等(Lowe, 2011)方法。对于海相远源火山灰, 其颗粒较细甚至肉眼不可见, 较多地运用K-Ar、40Ar/39Ar、裂变径迹或利用有孔虫#cod#x003b4;18O作为材料, 建立高分辨率天文年代标尺进行年龄约束。
Fig. 1 Schematic of volcanic eruptions and proximal and distal volcanic deposits produced by volcanic eruptions. After Robock (2000)

图1 火山喷发作用及其产生的近、远源火山堆积示意图 (根据Robock, 2000 修改)

印度洋及周围火山热点众多, 地球深部物质输出强烈, 近源或远源空降堆积的火山灰作为海洋沉积物的重要组成部分, 成为印度洋古海洋学研究的重要载体。其中, 相关研究最多的是Toba火山, 位于印度尼西亚苏门答腊岛的西北部(图2), 是全球第二大超级火山, 其火山喷发物在印度洋多次被发现(Rose et al, 1987)。印度洋深海沉积物保留了Toba火山喷发的多层火山灰层(A、C、D、E、I), 其中, A层火山灰对应Youngest Toba tuff (YTT), 其年龄研究较为详细, 但在不同地区仍有一定的差异(表1)。采用K-Ar法测得苏门答腊YTT的年龄为(73.5#cod#x000b1;5.0)ka (Ninkovich et al, 1978); 采用40Ar/39Ar法测得苏门答腊YTT的年龄为(73#cod#x000b1;4.0)ka(Chesner et al, 1991); 采用裂变径迹法测得马来西亚YTT火山玻璃的年龄为(68#cod#x000b1;7.0)ka (Chesner et al, 1991); 采用氧同位素地层年龄（SPECMAP）测得苏门答腊YTT的年龄为(73.9#cod#x000b1;2.6)ka (Rampino et al, 1992); 采用裂变径迹法测得印度及马来西亚的火山玻璃碎屑的年龄为(79#cod#x000b1;8.0)ka (Westgate et al, 1998)。采用40Ar/39Ar法测得的印度洋ODP758孔(图2)YTT的年龄为(73#cod#x000b1;4.0)ka, Middle Toba tuff (MTT, C层火山灰)喷发年代为(501#cod#x000b1;5.0)ka, 而Oldest Toba tuff (OTT, E层火山灰)时间为(840#cod#x000b1;30)ka (Chesner, 1988; Dehn et al, 1991; Chesner et al, 1991); HALL等 (1995)对该孔沉积物D层和I层火山灰进行定年, 利用放射性40Ar/39Ar测年技术独立评估了古地磁Brunhes- Matuyama极性转换期年龄大致为(800#cod#x000b1;20)ka (D层), Nunivak事件终止于(4.43#cod#x000b1;0.03)Ma (I层)。火山灰层的发现和时间的确定, 为研究印度洋古海洋沉积事件年代学框架提供了良好的参照研究对象。Touchard 等 (2003)对Ocean Drilling Program (ODP) Leg 115的711A 和709B孔4层火山灰层进行40Ar/39Ar测年, 查明了Ethiopian traps事件大致发生时间在27~34Ma之间。Qiu等(2014) 等对位于东北印度洋的IR-GCI孔火山灰层进行区分, 并利用浮游有孔虫#cod#x003b4;18O建立年代框架, 推测该孔A层火山灰对应YTT的时间大约为76~80ka, 而B层火山灰来自Toba火山的另外一次喷发, 时间大致为98~100ka, C层火山灰出现在粉红色红拟抱球虫末现面出现之前, 推测年代大于135ka。Mascarenhas-Pereira等(2016) 对位于中印度洋海盆多个沉积物钻孔的5层火山灰层进行定年, 230Thexcess测年结果显示, 只有70~75ka火山灰层与已知的YTT喷发时间一致, 而另外4层火山灰层年代约为34ka、85ka、107~109ka和142~146ka, 虽目前无法找到已知的火山喷发证据, 但可推测这些沉积物多为海底火山喷发形成。
Fig. 2 Distribution of the main sites of tephra in the Indian Ocean sediments

图2 研究印度洋火山灰的主要站点分布图

Tab. 1 The methods and dating in Toba volcanic ash layer

表1 Toba火山灰层定年及方法

火山灰层 年代 方法 地点 数据来源
A层
(YTT)		 (73.5#cod#x000b1;5.0)ka K-Ar 苏门答腊 Ninkovich et al, 1978
(73.0#cod#x000b1;4.0)ka 40Ar/39Ar 苏门答腊 Chesner et al, 1991
(68.0#cod#x000b1;7.0)ka 裂变径迹 马来西亚 Chesner et al, 1991
(73.0#cod#x000b1;4.0)ka 40Ar/39Ar 印度洋 Dehn et al, 1991
(73.9#cod#x000b1;2.6)ka 氧同位素年龄 苏门答腊 Rampino et al, 1992
(79.0#cod#x000b1;8.0)ka 裂变径迹 印度及马来西亚 Westgate et al,1998
(76.0~80.0)ka 氧同位素年龄 印度洋 Qiu et al, 2014
(70.0~75.0)ka 230Thexcess 印度洋 Mascarenhas-Pereira et al, 2016
C层(MTT) (501.0#cod#x000b1;5.0)ka 40Ar/39Ar 印度洋 Chesner, 1988
D层 (800#cod#x000b1;20)ka 40Ar/39Ar 印度洋 Hall et al, 1995
E层(OTT) (840#cod#x000b1;300)ka 40Ar/39Ar 印度洋 Chesner et al, 1991
I层 (4.43#cod#x000b1;0.03)Ma 40Ar/39Ar 印度洋 Hall et al,1995
40Ar/39Ar 法具有较高的精度, 但对于超年轻的火山灰无法给出可靠的年龄结果, 且目前国际上只有极少数的实验室能做出误差为千年尺度的年代学数据。而U-Th/He方法相对K/Ar衰变体系更为敏感, 且其测试范围覆盖了14C方法所无法涉及的50~300ka左右的时间窗口, 可广泛用于酸性火山岩的定年。深海沉积物也可利用有孔虫的#cod#x003b4;18O作为材料, 建立高分辨率天文年代标尺, 从而得到深海剖面的钻孔深度-氧同位素-年龄三者间的关系。火山灰年代学整合了各类测年方法的结果, 并提供多元年龄间交叉验证的可能, 在校正各类沉积层序的年龄-深度曲线方面起到关键作用, 使其作为等时面而拥有其他普通年代学所不具备的时空优越性。

2 火山灰分析及其应用

深海沉积物中的火山灰层, 其物理特征和化学成分明显有别于常见陆源碎屑物质和生源物质, 故可作为极好的地层对比标志。火山灰分英安质和流纹质二种化学类型。
常见的火山灰研究方法包括粒度分析、显微镜下矿物分析、同位素分析、扫描电镜以及化学组成测试等(隋淑珍等, 2003)。其中, 应用较多的是对火山玻璃进行元素的电子探针分析。首先进行电子探针样品的制备, 将处理后获得的火山灰样品滴在温暖的毛载玻片上蒸干后, 用一薄层环氧树脂覆盖, 然后用6#cod#x003bc;m和1#cod#x003bc;m的金刚砂磨光, 直到火山玻屑暴露出来。测试时, 使用15nA的电流, 在直径为1#cod#x003bc;m的电子束斑条件下, 用2个分光计来分析9个主元素(Dugmore et al, 1992)。火山玻璃作为岩浆源物质普遍出现在各类近源、远源可见火山灰层和显微火山灰中, 其主量、微量元素含量和特定的同位素组成能被电子、激光和离子探针技术准确测定。早年对火山玻屑微量元素或同位素进行#cod#x0201c;bulk analysis#cod#x0201d;, 但小于1mm的带状玻屑之内可以存在极大的地球化学不均一性(Peate et al, 2008)。随着分析技术的发展, 近年来, 微区分析在技术和方法上有了较大的改进(Pearce et al, 2007; Tomlinson et al, 2010), 为火山玻璃的精确测试提供了解决方案。使用激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱(LA-ICP-MS) 或二次离子探针质谱(SIMS), 玻屑的微量元素含量能在小至5~57#cod#x003bc;m的范围内被准确测定(Tomlinson et al, 2012; Albert et al, 2015)。利用大范围微量元素特征(从不相容元素到相容元素)进行火山灰地层的匹配, 能够获得统计学上更为可靠的关联结果。

2.1 火山灰与物源

Pattan et al (1999, 2002) 通过对位于中印度洋海盆8个沉积物钻孔火山灰层进行化学元素、稀土元素分析, 追踪火山灰来源, 研究结果显示其物源来自Toba火山。针对沉积物中不同火山灰层进行地球化学分析, 中印度洋海盆深海沉积物反映出Toba火山YTT时期喷发规模巨大, 粗组分(大于63mm)火山玻屑可沉降到先前已知降落区1500km以南的南半球, YTT火山灰在中印度洋海盆的覆盖面积大约提高了3.2#cod#x000D7;106km2, 火山灰体积比之前报道的350km2增加了160km2, 表明了Toba火山喷发的火山灰、气体及其气溶胶对全球气候有深刻的影响。印度西部大陆边缘钻孔火山灰层的扫描电镜结果显示其属于流纹熔岩, 玻屑总碱质量分数达8.5%, SiO2质量分数高达77%。火山灰主量元素及稀土元素的结果显示该火山灰层来自于YTT, 再次表明了Toba火山喷发物对全球的影响力(Pattan et al, 2001)。Fretzdorff et al (2000)发现西印度洋3个钻孔(S17-666, S17-662, S17-656)存在多层火山灰层且沉积连续, 测年结果表明Reunion火山大约在260ka开始喷发, 其活跃的时间段为180~150ka; 火山灰同位素及地球化学分析结果显示钻孔中火山灰来自不同的火山, 推测部分来自未知的海底火山。Ananou 等(2003)针对ODP 709和711孔沉积物进行电子自旋共振(ESR)和磁化率分析, 发现火山灰层对ESR信号反映强烈, 可将其作为工具对海洋沉积物中稀释的火山灰成分进行检验, ESR测试结果显示了709和711孔火山灰信号的相似性, 推测二者来自共同的火山喷发源。Touchard 等(2004)则利用磁化率对ODP Leg115的4个钻孔进行火山灰厚度的测算, 发现火山灰厚度与火山灰磁化率峰值面积成比例, 在充分考虑沉积物岩性、沉积速率和生物扰动作用后, 得出该火山灰层属于Toba火山, 是于75ka前后长时间喷发的熔结凝灰岩。ODP758孔的Sr、Nd同位素及稀土元素测试结果显示该孔火山灰主要来自印尼火山弧, Sr、Nd同位素可作为识别火山灰层的有用工具(Padmakumari et al, 2004)。该孔火山玻璃的化学元素聚类分析结果显示, YTT的火山玻璃Sr、Ba和Y相对其他两层火山灰层集中, Ba/Y高比值的出现可作为YTT层的明显标志(Westgate et al, 2013), 而OTT则以Ba质量分数很低为特征(Pearce et al, 2014)。Peate et al (2003)利用火山玻璃的微量元素结合同位素特征对印度洋火山灰样品进行测试, 发现火山灰样品在微量元素-同位素二元图解中主要落入埃塞俄比亚-也门大火成岩省所在区域, 显著区分于其他可能来源, 从而精确匹配近源-远源火山灰(图3)。Qiu等(2014)对IR-GC1岩芯中识别出的3个火山灰层进行鉴定, 发现其富含火山玻璃和长石、云母及角闪石等矿物颗粒, 结合火山玻璃的扫描电镜及化学成分分析, 认为层A来源于YTT, 层B成分上与层A几乎一致, 认为其可能代表层A的底部, 与海底滑塌、海洋底流或生物扰动对沉积物的改造有关。而层C与层A、B成分上有差异, 表明他们岩浆来源不同, 具体来源还无法确定。另外, 研究发现质量分数SiO2/Al2O3和K2O/Al2O3比值可以作为沉积物中酸性火山灰沉降事件的指标。
Fig. 3 The precise match of proximal and distal tephras by combining trace element ratio and isotopic characteristic Indian Ocean tephras 4W, 5W; after (Peate et al, 2003)

图3 利用微量元素比值结合同位素特征精确匹配近源-远源火山灰

4W、5W: 印度洋火山灰样品编号; 据Peate et al, 2003

2.2 火山灰与岩浆作用

海洋沉积物中火山灰层可以提供高分辨率火山活动信息, 可作为重建火山地形岩石成因演化过程的指示器(Menzies, 1985), 因此, 其在Deep Sea Drilling Project (DSDP)、Ocean Drilling Program (ODP)以及近来的Integrated Ocean Drilling Program (IODP)钻探计划中得到了广泛应用(Straub, 1997)。火山玻璃碎片的颜色可以指示其成分类型(Horn et al, 1969), 如无色火山玻璃为硅质饱和组分, 而褐色火山玻璃为镁铁质组分。火山玻璃的形状受到各种变量的影响, 如浮石碎片趋向于发育在温度小于850℃的黏度相对较高的流纹质岩浆中, 而泡壁状碎片趋向于发育在温度大于850℃的黏度相对较低的岩浆中(Izett, 1981)。对火山岩演化的研究, 通常基于全岩的化学分析, 但Peate等(2008)利用束斑分析方法研究了印度洋钻孔中的4层远源火山灰, 发现其中的带状玻屑在小于1mm的尺度内保存了单层火山灰约85%的主量元素的变化范围, 通过对深海火山灰中代表性的玻屑进行微区主、微量元素和同位素测定, 发现它们记录了近源火山灰全岩分析无法发现的单次火山活动的极大的地球化学不均一性(SiO2的变化范围高达32%)。将这些远源火山灰与位于3000km外的火山源区#cod#x02014;#cod#x02014;阿拉伯大火山岩省的酸性火山碎屑岩相互关联, 得到深海火山灰与陆上沉积单元的对应关系, 并探讨了分离结晶和岩浆再充填等岩浆房演化信息, 充分展示了火山灰在岩石成因和演化研究中的独特优势。
Mascarenhas-Pereira等 (2006) 对位于印度洋中部盆地的罗德里格斯三联点地带海山沉积物中的火山灰成分进行能量色散谱仪分析, 结果表明, 火山灰SiO2质量分数变化范围在74%~77%之间, 主要为流纹岩和硅质成分。该火山最早喷发时间无法确定, 但大量块状火山碎屑物的出现显示其为近端源的原位喷发, 推测其为晚更新世活化的构造活动断裂引起的板内火山作用。
东北印度洋安达曼海活火山Barren岛的野外考察及实验室分析结果显示该岛可能是晚更新世所建造, 最新火山灰出自2008年的喷发物, 该研究除了对岛上火山灰进行地球化学和同位素分析外, 还结合火山喷发类型以及岩石成因等方面的工作, 试图为未来预测火山的喷发提供线索(Sheth et al, 2009)。

3 展望

印度洋作为我国#cod#x0201c;21世纪海上丝绸之路#cod#x0201d;的重要通道, 国际上对印度洋的研究相对薄弱, 开展印度洋研究是提升我国在海洋地球科学领域的创新、引领能力的重要历史机遇, 可以实质性地加快我国走向海洋科学强国的步伐。印度洋及周围火山众多, 火山灰成为海洋沉积物的重要组成部分, 不仅能成为#cod#x0201c;等时#cod#x0201d;定年的有效地层工具, 更是印度洋古海洋学研究的重要载体。
目前, 我国科研工作者在印度洋开展火山灰研究相对较少, 估计与获取样品难度有关。如今, 国家推崇#cod#x0201c;一带一路#cod#x0201d;, 加强了印度洋的研究力度, 结合其他海区对火山灰的研究热点, 建议未来在印度洋开展火山灰相关研究应聚焦于以下两方面: 1)开展印度洋表层沉积物火山灰研究。表层沉积物是现代沉积作用的结果, 是近现代火山活动的产物, 有助于我们了解近现代火山活动源区性质, 为火山活动提供有力支撑。2)火山灰与高分辨率古环境记录的关系研究。由于气候突变会在数十年甚至一年的尺度内发生, 同一事件在不同地区还存在时间和幅度的差异, 相同的火山灰在不同沉积记录中出现, 使得以年为单位同步沉积环境记录的研究成为可能。了解气候突变的时空差异, 有助于预测各地对气候变化的响应情况。火山灰定年的#cod#x0201c;等时#cod#x0201d;性可以为探讨气候变化的区域差异及驱动因素提供同步记录。

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