前沿報道Geology：重建火山氣體噴發歷史的新指標——樹輪穩定碳、硫同位素
火山活動噴發的大量H 2 O、CO 2 、SO 2 、H 2 S等氣體對地球氣候和環境有重要影響，研究火山氣體噴發 歷史 對了解火山活動規律及預測未來火山活動具有重要意義。當前，由於 歷史 觀測記錄缺乏，火山噴發 歷史 主要依賴地層學證據，但是地層學方法無法獲得連續的火山噴發 歷史 的時間序列，也很難研究平靜期或噴發前期的火山噴出氣體（Marti et al., 2018）。因此，需要找到壹種分辨率高且能重建連續火山氣體噴發 歷史 的指標。
最近，加拿大麥吉爾大學（McGill University）地球與行星科學學院的Fiona D’Arcy團隊在Geology上發表研究成果，他們利用樹木年輪中的穩定碳（δ 13 C）和硫（δ 34 S）同位素的連續時間變化序列來研究火山噴發氣體 歷史 。
樹木年輪分辨率高、定年準確，已被廣泛應用於過去氣候和環境變化 歷史 的研究。該研究團隊的思路是：火山噴發的CO 2 和SO 2 氣體中的碳和硫元素可以被樹木快速吸收 （McCarroll and Loader, 2004）。其中，碳元素通過葉片光合作用被樹木吸收，儲存到當年形成的樹輪中。硫元素則以SO 2 和硫酸鹽兩種形式分別通過葉片和根部被樹木吸收，最後固定於樹輪細胞壁中。因此在火山噴發口附近采集樹木年輪，通過測量每年的δ 13 C和δ 34 S，就可以重建火山氣體的噴發 歷史 。
他們以哥斯達黎加卡塔戈省的圖裏亞瓦爾（Turrialba）活火山為研究對象。火山曾於 186 3年噴發氣體和火山灰，此後處於休眠狀態。自1996年起，火山進入活躍期，尤其是2010年、2012年、2014年，均有大規模噴發。2016年4-5月，研究人員在火山噴發口附近采集並分析了樹輪樣芯 199 4-2015年δ 13 C和δ 34 S的時間變化。結果顯示，δ 13 C和δ 34 S序列與觀測到的火山SO 2 噴發量序列之間存在顯著正相關。2009年的強火山噴發後，距離火山噴發口最近的下風向樹木中的δ 34 S急劇下降，變化幅度達到–5.2‰，而δ 13 C的變化則較小（+1.3‰）。通過與背景值的對比，研究人員認為，δ 34 S和δ 13 C值的變化是火山噴發的SO 2 和CO 2 造成的。同時，火山噴發的SO 2 會損傷造成樹木葉片，影響樹木的光合作用，可能導致δ 13 C的變化幅度較小。
圖1 樹輪δ 13 C（A）、δ 34 S（B）和Turrialba火山SO 2 噴發量（C）變化序列。其中樹輪TJ05、LP01、SG08、TJ13為文中所分析4棵樹輪樣芯的代號，與火山口的距離分別為1.5 km、2.5 km、50 km、3.5 km。TJ05位於火山噴發口下風向，直接受到火山噴發影響；LP01則偶爾受到火山噴發影響；TJ13和SG08距離火山較遠，在文章中作為背景值（D'Arcy et al., 2019）
火山活動會造成附近樹輪δ 34 S和δ 13 C值的顯著變化，這為建立火山噴發 歷史 的時間序列提供了壹個新的思路。該研究方法的成功在於科學家在火山噴發口附近找到了直接受到火山噴發氣體影響的存活的樹木。但是，強火山噴發通常會焚毀附近的樹木，從而很難找到合適的樹木，而距離稍遠的樹木因為受到火山噴發氣體的影響則較弱，比如文中距離火山噴發口較遠的樹木中的δ 34 S和δ 13 C值就無法記錄到火山氣體噴發造成的同位素變化。
主要參考文獻
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.
（撰稿：安文玲/新生代室）
美編：徐海潮
校對：李玉鈐