Geology：重建火山气体喷发历史的新指标——树轮稳定碳、硫同位素

来源：中科院地质地球所

【前沿报道】Geology：重建火山气体喷发历史的新指标——树轮稳定碳、硫同位素

火山活动喷发的大量H2O、CO2、SO2、H2S等气体对地球气候和环境有重要影响，研究火山气体喷发历史对了解火山活动规律及预测未来火山活动具有重要意义。当前，由于历史观测记录缺乏，火山喷发历史主要依赖地层学证据，但是地层学方法无法获得连续的火山喷发历史的时间序列，也很难研究平静期或喷发前期的火山喷出气体（Marti et al., 2018）。因此，需要找到一种分辨率高且能重建连续火山气体喷发历史的指标。 

最近，加拿大麦吉尔大学（McGill University）地球与行星科学学院的Fiona D’Arcy团队在Geology上发表研究成果，他们利用树木年轮中的稳定碳（δ13C）和硫（δ34S）同位素的连续时间变化序列来研究火山喷发气体历史。 

树木年轮分辨率高、定年准确，已被广泛应用于过去气候和环境变化历史的研究。该研究团队的思路是：火山喷发的CO2和SO2气体中的碳和硫元素可以被树木快速吸收 （McCarroll and Loader, 2004）。其中，碳元素通过叶片光合作用被树木吸收，储存到当年形成的树轮中。硫元素则以SO2和硫酸盐两种形式分别通过叶片和根部被树木吸收，最后固定于树轮细胞壁中。因此在火山喷发口附近采集树木年轮，通过测量每年的δ13C和δ34S，就可以重建火山气体的喷发历史。 

他们以哥斯达黎加卡塔戈省的图里亚瓦尔（Turrialba）活火山为研究对象。火山曾于1863年喷发气体和火山灰，此后处于休眠状态。自1996年起，火山进入活跃期，尤其是2010年、2012年、2014年，均有大规模喷发。2016年4-5月，研究人员在火山喷发口附近采集并分析了树轮样芯1994-2015年δ13C和δ34S的时间变化。结果显示，δ13C和δ34S序列与观测到的火山SO2喷发量序列之间存在显著正相关。2009年的强火山喷发后，距离火山喷发口最近的下风向树木中的δ34S急剧下降，变化幅度达到–5.2‰，而δ13C的变化则较小（+1.3‰）。通过与背景值的对比，研究人员认为，δ34S和δ13C值的变化是火山喷发的SO2和CO2造成的。同时，火山喷发的SO2会损伤造成树木叶片，影响树木的光合作用，可能导致δ13C的变化幅度较小。 

图1  树轮δ13C（A）、δ34S（B）和Turrialba火山SO2喷发量（C）变化序列。其中树轮TJ05、LP01、SG08、TJ13为文中所分析4棵树轮样芯的代号，与火山口的距离分别为1.5 km、2.5 km、50 km、3.5 km。TJ05位于火山喷发口下风向，直接受到火山喷发影响；LP01则偶尔受到火山喷发影响；TJ13和SG08距离火山较远，在文章中作为背景值（D'Arcy et al., 2019）

火山活动会造成附近树轮δ34S和δ13C值的显著变化，这为建立火山喷发历史的时间序列提供了一个新的思路。该研究方法的成功在于科学家在火山喷发口附近找到了直接受到火山喷发气体影响的存活的树木。但是，强火山喷发通常会焚毁附近的树木，从而很难找到合适的树木，而距离稍远的树木因为受到火山喷发气体的影响则较弱，比如文中距离火山喷发口较远的树木中的δ34S和δ13C值就无法记录到火山气体喷发造成的同位素变化。 

主要参考文献

1.D'Arcy F, Boucher E, De Moor J M, et al. Carbon and sulfur isotopes in tree rings as a proxy for volcanic degassing[J]. Geology, 2019.

2.Marti J, Groppelli G, da Silveira A B. Volcanic stratigraphy: A review[J]. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 2018, 357: 68-91.

3.McCarroll D, Loader N J. Stable isotopes in tree rings[J]. Quaternary Science Reviews, 2004, 23(7-8): 771-801.