火山喷发是地球上的重大地质灾害之一。一些火山喷发出的火山灰高达几十公里，直抵平流层，可影响天气变化，火山灰形成的降尘也会给当地民众造成极大的生活困难。但在地质历史时期，火山灰是“诊断”地球古老地层绝对年龄的最佳材料，而地层的绝对年龄又是破译地球系统演化的关键密码。
2020年1月12日，菲律宾塔尔火山喷发（图片源自网络）
什么是火山灰？
火山灰由火山喷发的微小碎屑颗粒组成，颗粒极细的火山灰颗粒可小于125 微米，与细颗粒碎屑沉积物形态特征相近。因此，仅有小部分由大量火山灰固结形成的火山凝灰岩可在野外观察中识别出，而大部分沉积地层中所含的火山灰难以凭肉眼直接鉴定。
如何捕捉古老地层中的火山灰信号？科学家们带着野外采集的疑似火山灰样品走进实验室，试图通过火山玻璃进行识别。火山玻璃是火山喷发出的碎屑产物之一，是迅速冷却尚未结晶的一种玻璃质固体颗粒，但火山玻璃的提取和鉴定实验耗时长且价格昂贵，不适合广泛推广。而火山喷发物质含有大量磁性矿物，它们常以填隙物或包裹体的形式存在于火山灰中，不易被环境破坏，与普通碎屑沉积岩可能存在不同。因此，可以考虑利用快捷便宜的岩石磁学方法识别火山灰。
哪里能找到火山灰？
究竟哪种岩石磁参数捕捉火山灰最灵敏、有效呢？2013年起，中国科学院青藏高原研究所新生代环境团队颜茂都研究员及其合作者多次赴云南剑川和曲靖寻找火山灰的踪迹。
云南剑川盆地火山岩考察
剑川盆地风化状火山岩（粗面岩)
云南位于青藏高原东南缘，有很多新生代沉积盆地。盆地中的沉积地层记录了丰富的古环境演化信息，对破解青藏高原和亚洲季风的起源和演化之谜具有重要价值。但云南的新生代地层大都缺乏绝对年龄，限制了对上述问题的认识。因此迫切需要把地层中的火山灰识别出来，以确定地层的绝对年龄，从而建立起青藏高原和亚洲季风起源和演化的准确时间线。
在云南省曲靖市沾益县蔡家冲村和剑川县双河煤矿附近，团队发现了距今3500多万年前的两套河流与湖泊成因的沉积地层。曲靖的这套地层顶部有一层厚达3米的灰白色火山凝灰岩。而剑川的这套地层则含有多层的火山岩。野外工作中，经验丰富的地质工作者可依据岩石矿物组成、结构和构造特征将火山岩识别出来。
云南曲靖始新世巨厚火山凝灰岩
但火山凝灰岩主要由粒径小于2毫米的晶屑、岩屑及玻屑组成，常夹杂着一些暗色矿物，只有部分有明显的颗粒感并肉眼可见，与其他种类的细颗粒沉积岩形态特征相近，不易识别。火山凝灰岩在形态特征上极易和石灰岩混淆。因此，野外工作中，科研工作者常通过岩性特征和盐酸滴定相结合的方法区分二者，被盐酸滴过不会产生气泡的才有可能是火山凝灰岩。
谁是识别火山灰最灵敏的参数？
经过详细的调研、讨论和采样，团队成员决定通过构建“火山岩—火山凝灰岩—沉积岩”的对比序列，寻找可以识别地层中火山灰的最灵敏和有效的岩石磁学参数。
剑川盆地中性火山岩显微照片，不透明磁性矿物属金属矿物，在显微镜单偏光下呈黑色，在反射光下呈亮灰色
团队对这三类样品从磁性矿物的种类、含量和粒径三个方面开展了系统的岩石磁学参数对比研究。结合岩相学、地球化学等方法，探究了火山灰区别于沉积岩最显著的岩石磁学特征。
研究发现，上述三方面相关的大量磁学参数中，低温频率磁化率参数显示火山岩和火山凝灰岩含大量的超细磁性矿物，而大多数沉积岩则缺乏这一特征。因此，低温频率磁化率参数可作为捕捉云南地区火山灰的有效指标。该指标所需样品前处理简单、测试快速，相比于利用火山玻璃的鉴别方法，大大提高了实验室识别火山灰的效率。
该成果3月2日在线发表于《地球物理研究：固体地球》(Journal of Geophysical Research：Solid Earth)，可助力解决“卡脖子”的地层年代学问题，为青藏高原东南缘的构造和古环境演化等研究的年代学问题提供岩石磁学支撑，对全面深入了解青藏高原和亚洲季风的起源和演化等重大科学问题具有重要意义。
文章链接：https://dx.doi.org/10.1029/2019JB017946
撰文：申苗苗、颜茂都、刘晓倩
编辑排版：刘晓倩、李亮
图片提供：申苗苗
审核：安宝晟、颜茂都、王光鹏、张亚琳
