火山活动作为全球气候变化的驱动因素之一^[1]，对气候的变化与人类的生存环境可以产生深远影响，强烈的火山爆发活动，可以摧毁城市、掩埋村庄，甚至引起区域或者全球性气候变化。火山灰是火山爆发时喷射到大气中由岩石、矿物及火山玻璃碎片组成的碎屑，受火山喷发规模、风力和风向等因素的影响，易扩散到海洋、冰川、泥炭等载体上沉积。当前，海洋、冰川沉积物中的火山灰记录得到了广泛的报道^{[2, 3, 4, 5, 6, 7]}，并将其作为反映古气候环境的重要指标进行了细致研究，但是泥炭沉积物中的火山灰古气候研究相对较少。泥炭是第四纪，特别是全新世以来的产物，包含了大量的古气候、古环境演化信息^{[8, 9, 10, 11]}。火山地区的泥炭更是一种捕获和保存火山灰的良好介质，它能够保存和纳入沉降于表面的火山碎屑，使其参与到自身的发育过程^[12]。

近年来，国内学者已从泥炭沉积物中寻找到了火山喷发记录，证实火山喷发事件是改变古气候的重要因素，证明泥炭可以作为恢复火山事件的良好材料。郭正府等^[13]通过对四海龙湾火山灰中玻屑的形态、年龄、电子探针分析，推断四海龙湾岩芯69~70cm处的火山灰来自天池火山公元1199~1200年的大规模喷发，为建立四海龙湾沉积过程和古气候演化的时间标尺提供依据; 毛绪美等^{[14, 15]}从金川泥炭中部识别出在15BC~26A.D.龙岗火山群金龙顶子的一次火山喷发物，通过对比喷发事件与泥炭中气候代用指标，探讨了火山喷发的气候效应，认为火山爆发会影响当地的气候，减少区域的温度和湿度，造成一种寒冷干燥的天气，研究证实了火山活动对气候效应的影响。但不足之处是,金川泥炭沉积只有6000a左右，其气候指标不能指示早全新世气候变化状况与火山喷发之间的响应; 赵宏丽和刘嘉麒^[16]在东北龙岗火山区的孤山屯泥炭地中发现原生火山灰，通过扫描电镜和电子探针技术，对火山灰的形貌特征和成分进行分析，结合AMS ¹⁴C 测年技术推断孤山屯泥炭中的火山灰来自于天池火山公元1702年、1688年或1597年的火山喷发。但是没有深入地结合孤山屯泥炭中的气候代用指标去进一步论证火山与古气候环境之间的响应关系。以上国内学者的成果主要探讨2000年以来泥炭中记录的火山喷发事件及其气候效应，而泥炭中发现的早全新世火山喷发事件却鲜有报道。

本文提取并鉴定出东北哈尼泥炭沼泽中一段25cm的含砂质泥炭层为火山灰层，使用AMS ¹⁴C 技术对火山灰层位边界的泥炭纤维素年龄进行了测定，在对火山灰的形态学和化学成分分析基础上，结合哈尼泥炭中腐殖化度以及氧同位素等气候代用指标曲线，来探讨本次火山喷发事件对区域的气候环境产生的影响。

1 研究区背景

研究区位于中国东北火山区，该区分布着约690个火山锥和火山口，5×10⁴km²的玄武岩和粗面岩。晚新生代以来火山活动极为频繁，其活动的高潮在中新世和第四纪，引发了以中国地震局为代表的火山学家的关注与研究^{[17, 18, 19]}。研究区分布两个全新世活动火山群：长白山天池火山群和龙岗火山群。

长白山天池火山是目前我国境内保存最为完整的新生代多成因复合火山，构造上位于东北最东侧的敦化-密山断裂以东地区。火山活动经历了造盾(2.77~1.20Ma，早更新世)、造锥(1.12~0.04Ma，中~晚更新世)和全新世喷发3个发展阶段。火山活动始于上新世晚期，总的火山岩分布面积接近两万平方公里，大小火山200余座，全新世以来长白山有过多次喷发^[20]。

龙岗火山群位于吉林省辉南县、靖宇县和抚松县境内，2000km²的地区分布160余座低矮火山锥，显示出高密度、多中心爆炸式喷发特点。有170余座火山，除8个火山口湖外，其余为火山渣锥，火山碎屑基浪堆积是中国少数保存较好的、近代喷发的低平火山区之一。龙岗火山第四次喷发在全新世末期结束，从东到西波及范围较广，是中国少数几个近代有喷发活动的第四纪火山之一。龙岗众多火山渣锥的K-Ar年代学测定结果主要集中于0.5Ma以来的中-晚更新世喷发活动，初步将龙岗火山活动划分为3期：小椅山期(早更新世)、龙岗期(中-晚更新世)和金龙顶子期(距今1600年左右)^[21]。

采样点哈尼泥炭地处长白山高峰西麓龙岗山脉中部，毗邻长白山天池火山与龙岗火山群( 图 1)，隶属吉林省柳河县凉水乡，地理位置为42°13′N，126°31′E。 泥炭沼泽平面呈梯形，东西向展布，东宽西窄，长6km，宽3km，面积为1680hm²，汇水面积约3000hm²，是我国泥炭积累最厚的泥炭沼泽之一。在第四纪早更新世本区地壳运动激烈，先后有两期火山活动，形成统称为军舰山期的玄武岩，广泛漫溢在沟谷低地。中、晚更新世有两次火山活动，但其规模远小于军舰山期。晚更新世南坪期也有火山活动，喷出物主要为火山渣，喷出物堵塞了哈尼宽谷的东口，形成哈尼盆地，为泥炭沼泽的形成提供了地理环境^[22]。沼泽表面平坦微向西倾，海拔882~900m。哈尼泥炭堆积于全新世，通体剖面厚度达到9.6m，沉积过程连续、贯穿整个全新世。

图 1(Fig. 1)

图 1 哈尼泥炭沼泽区与研究区地质位置简图 Fig. 1 Sketch geology map of the Changbaishan area and the location of Hani peat bog

2 样品采集与处理方法

2.1 样品采集

使用改进的俄罗斯泥炭钻在哈尼泥炭地北部沉积层钻取泥炭岩芯，共采集3根，采集间隔50m，本文样品来自第三根泥炭柱，长度为900cm，仔细剔除了表层现代植物草根等后，按5cm间隔进行分样。其中600~625cm为一层25cm的含砂质泥炭层，砂状物质连续沉积，砂质颗粒清晰可见( 图 2)，经初步判断为火山灰层，分割得到5个连续样品。将切好的样品放进先前准备好的贴有标签纸的聚乙烯薄膜样品袋中并密封，运回实验室冷藏，以便在后期研究中使用。

图 2(Fig. 2)

图 2 哈尼泥炭中火山灰层(a)和泥炭柱状中火山灰层位(b)示意图 在(b)剖面中黄色方框标记为火山灰层位；(a)红色圆圈指示的火山灰颗粒 Fig. 2 Sketch map of tephra layer in Hani peat bog and the location of the volcano ash in peat core. The yellow line mark volcano ash layer in (b); the red circles indicate volcano ash particle in (a)

2.2 火山灰提取

为了进一步识别与鉴定，在实验室对砂质火山灰物质使用酸化法^[23]进行了提取(图 3)。酸化法提取火山灰的优点是能到较为纯净的火山灰，适合进行化学组成分析。使用酸化法提取哈尼泥炭火山灰的具体步骤为:1)把样品置于烧杯中，加入98％的浓硫酸；2)静置2小时直到最初的反应产物完全沉淀；3)逐渐向烧杯中加入浓硝酸，直到激烈的反应平静下来；4)将烧杯加热至沸腾，直到样品的颜色变成透明或淡黄色；5)冷却后于离心机内离心，残留物为火山灰，然后用120目的筛网过滤，分为大于120目和小于120目两组，分别置入丙酮干燥和储存。

图 3(Fig. 3)

图 3 哈尼泥炭中火山灰偏光显微镜下形态图 (a)为单偏光镜下形态，(b)为正交偏光镜下形态 Fig. 3 Pictures of tephra in Hani peat under polarizing microscopy. Morphology and structure under single polarized (a) and cross polarized (b)

2.3 显微镜分析

在火山灰分析前期使用光学显微镜，手工挑选火山灰颗粒物质，然后将挑选出来的火山玻璃或者矿物用树胶镶嵌在载玻璃片上，抛磨、制备成所需要的分析薄片，使用偏光显微镜和环境扫描电镜进行形态学的研究，同时制成电子探针片，进行化学成分分析。

本文的偏光显微镜形态分析在中国地质大学(武汉)教育部长江三峡库区地质灾害研究中心完成，仪器型号为:KP-203Z透射反射偏光显微镜；环境扫描电镜数据在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室测定，仪器型号为:Quanta 200；电子探针数据在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室测定，仪器型号为:JCXA-733。

2.4 AMS ¹⁴C 测年

从哈尼泥炭样柱的各岩性层位分界点以及部分层位内部取样作为控制点进行 ¹⁴C 定年。共选泥炭样品13个，按Hong等^[24]所述方法提取泥炭植物纤维素作测年材料。泥炭纤维素的 ¹⁴C 年龄测定在日本筑波国立环境研究所的加速器质谱仪完成，采用CALIB4.3计算机程序进行 ¹⁴C 年代校正^[25]。最后通过内插方法获得了哈尼泥炭剖面 ¹⁴C 日历年年龄序列。

3 结果与讨论

火山灰样品制成薄片后在镜下鉴定，获取在偏光显微镜下的图片( 图 3)。从 图 3-1a和3-1b的对比中可以看到黑色箭头所指物质为玻屑，单偏光下火山玻屑呈无色透明状，在正交偏光下全消光；白色箭头所指物质在正交偏光下呈现强烈的干涉色，为暗色矿物辉石，显示出不规则粒状、不规则多边形状，表面裂纹发育，颗粒破碎。单偏光镜下呈现无色、淡褐色，无明显多色性；正高突起，边缘粗黑。正交镜下可见一级紫红至二级蓝绿干涉色，斜消光，为单斜辉石。 图 3-2a和3-2b为斜长石晶体在单偏光和正交偏光镜下的形态，可见有长条状、板状，表面较为浑浊，矿物较为破碎。单偏光镜下为无色、略显土灰色；正低突起，边缘很细，糙面不显著。正交镜下显示为一级灰，存在发育好的聚片双晶，双晶纹平直、均匀。单个矿物大小约为150μm×200μm，可见熔融反应的不规则凹凸边。 图 3-3a和3-3b为典型的火山玻屑在单偏光与正交偏光下的形态，镜下形状不规则，鸡骨头状和镰刀状，可见明显的塑性变形特征。单偏光显微镜下呈亮白色，正交镜下全消光。

在环境扫描电镜下火山灰的形态与结构如 图 4，火山灰颗粒形态极不规则，多呈纤维状、薄板状，气孔发育，结构松散。镜下观察显示全部的火山碎屑物颗粒的粒径都小于2mm，属于火山玻璃；玻屑与火山尘的形态极不规则，表现为不规则的扁平型和多角型，其棱角分明或呈“I”型或鸡腿骨型。上述形态特征表明，该层火山灰为火山喷发后直接沉积到哈尼泥炭地中的产物，没有经过再搬运以及湖底生物和水流的扰动，属于原生火山灰。

图 4(Fig. 4)

图 4 哈尼泥炭中火山灰环境扫描电镜图 Fig. 4 Pictures of tephra in Hani peat under environmental scanning electron microscope

哈尼泥炭沉积物中玻屑电子探针数据( 表 1)显示:SiO₂含量主要在62％~66％(wt)之间变化，平均值为63.87wt％，可初步判定该喷发物的整体化学成分显示岩性为中性，而个别样品的SiO₂含量略高于65wt％，呈现酸性的特点；Al₂O₃含量变化为19.13％~24.13％(wt)，平均值22.30wt％；Na₂O含量变化为4.91％~6.68％(wt)，平均值为5.69wt％，K₂O含量变化为2.16％~4.39％(wt)，平均值在3.55wt％，呈现高Na₂O低K₂O的特点。通过TAS分类图解( 图 5)去判别火山灰物质岩性，数据投点位于粗面岩分类里面，其成分相当于正长岩的喷出岩，呈浅灰、浅黄色和粉红色等，具粗糙的端口。常具斑状结构，斑晶常见碱性长石(正长石或透长石)，其次是斜长石( 图 3-2a和3-2b)，暗色矿物主要是角闪石、黑云母等，它们一般同时存在。基质具粗面结构、玻璃质结构。由此推断火山灰来自一次以粗面岩为主的中性岩浆喷发，大量的火山灰被带入到大气中，最后沉降、沉积于哈尼泥炭地中。该火山灰的平均化学组成与长白山天池火山千年大喷发所形成的火山灰的化学成分^[26]和郭正府等^[13]以及赵宏丽和刘嘉麒^[16]的研究结果相比，有着较大的差别，类似于樊棋诚等^[27]在长白山天池火山粗面玄武岩的喷发历史与演化研究中的中更新世-全新世以来长白山天池火山岩石地球化学成分，与龙岗地区第四纪单一的粗面玄武质喷发成分明显不同^[28]。

表 1(Tab.1)

表 1 哈尼泥炭沉积物火山灰电子探针测试结果(wt％)Tab.1 Electron probe analysis results of the tephra in Hani peat(wt％) 编号 SiO2 TiO2 Al2O3 FeO MnO Cr2O3 CaO Na2O K2O 总数 1 65.81 0.24 19.13 — — 0.87 2.37 6.68 3.15 98.25 2 65.79 0.32 19.99 — — 0.89 2.42 6.09 4.23 99.73 3 63.58 0.11 22.41 — — — 3.53 5.84 4.39 99.86 4 64.44 0.21 22.11 0.03 — 0.12 3.32 5.76 3.33 99.32 5 63.43 0.29 23.06 — — — 3.75 5.29 4.06 99.88 6 65.33 0.18 22.35 0.03 — — 2.16 6.68 3.42 100.15 7 63.32 0.23 23.19 — — — 3.84 5.11 4.09 99.78 8 63.76 0.22 20.93 — 0.03 — 6.66 5.85 2.53 99.98 9 64.53 0.37 21.65 — — — 2.84 5.87 4.23 99.49 10 63.13 0.21 22.79 — — — 4.19 6.43 3.19 99.94 11 64.09 0.12 22.08 — — — 4.47 5.16 4.07 99.99 12 63.29 0.18 23.97 — — — 4.01 5.11 3.25 99.81 13 63.19 0.11 22.25 — — — 6.90 5.37 2.16 99.98 14 62.77 0.09 24.13 — — — 3.54 6.11 3.06 99.70 15 63.45 0.15 21.99 0.03 — — 4.71 5.24 4.20 99.77 16 63.43 0.22 23.36 — — — 3.98 4.91 4.06 99.96 17 62.98 0.19 23.79 — — — 4.84 5.62 2.46 99.88 18 63.37 0.31 22.19 — — — 4.36 5.21 4.07 99.51

表 1 哈尼泥炭沉积物火山灰电子探针测试结果(wt％) Tab.1 Electron probe analysis results of the tephra in Hani peat(wt％)

图 5(Fig. 5)

图 5 5 哈尼泥炭火山灰TAS[29]分类图解 1.哈尼泥炭火山灰(tephra from Hani peat bog)；2.长白山天池火山岩[27](volcanic rock of Changbaishan Tianchi)；3.龙岗火山岩[28] (volcanic rock of Longgang volcano) Fig. 5 Total Alkali-Silica,TAS diagram[29] of tephra from Hani peat bog

全新世以来长白山天池火山曾有过多次喷发活动，初步分为冰场期(7800a以前)、白云峰期(6440~1050a)、八卦庙期喷发(875~825a)，据史记记载公元1413年、1597年、1665年、1702年、1903年均有火山喷发活动，比较有名的是天池火山的千年前大喷发^[30]。本文通过AMS ¹⁴C 年龄建立哈尼沼泽的年龄-深度模式，见 表 2，得到哈尼泥炭沉积物中火山灰所在层位深度600~625cm之间处的年龄为 8352±76~9604±80a B .P.(AMS ¹⁴C 年龄)，校正年龄为9337~10745a B .P. ，属于早全新世，对应于长白山全新世火山活动期次中的冰场期，在这个时间段内长白山天池火山可能经历了一次或者多次喷发。

表 2(Tab.2)

表 2 哈尼泥炭剖面AMS14C 测年数据Tab.2 Radiocarbon dates of Hani peat profile 样品编号 测年深度/cm 年龄/a B.P 校正年龄/cal.a B.P HA1 80 807±40 722 HA2 135 1380±88 1292 HA3 200 2455±46 2673 HA4 350 4674±53 5383 HA5 495 7354±63 8171 HA6 570 7658±64 8412 HA7 600 8352±76 9337 HA8 625 9604±80 10745 HA9 740 10102±80 11643 HA10 745 10399±89 12336 HA11 780 10446±91 12356 HA12 820 11122±90 13135 HA13 900 11930±172 13937

表 2 哈尼泥炭剖面AMS14C 测年数据 Tab.2 Radiocarbon dates of Hani peat profile

许多地质证据反映了全新世降温与火山喷发是密切相关的，一些科学家认为火山喷发是全新世降温主要原因之一^[31]。Bryson^[32]研究了40ka以来的全球火山活动，认为25ka B .P. 左右是火山喷发频率最高的时期，相当于最后冰期的盛冰期开始时间，大多数10²~10³a尺度上的气候事件是由火山喷发频次变化引起的。火山爆发猛烈，能够产生大量的碎屑物，减少太阳对地表的辐射量，影响局地或全球气候，部分火山喷发事件可以被气候与环境代用档案记录下来，并在气候代用指标曲线中得到响应。

前人通过哈尼泥炭剖面气候代用指标：有壳变形虫指标^[33]，泥炭纤维素碳、氢、氧同位素指标^{[34, 35, 36]}，脂类生物标记物^[37]，泥炭腐殖化度^[38]以及地表湿度^[39]的研究，取得了一系列的古气候与环境变化成果。

为了进一步探求火山喷发对气候变化的响应，本文将哈尼、金川^[14]、孤山屯^[16]以及四海龙湾^[13]4个沉积物中发现的火山事件和有历史记录的公元1014~1019年长白山天池火山大喷发^[40]事件与哈尼泥炭腐殖化度和氧同位素气候代用指标序列曲线进行对比，如 图 6。可以看出：早全新世9337~10745a B. P的长白山天池火山喷发事件中，泥炭腐殖化度出现全新世变化以来的最低值，呈现一个宽阔的低谷^[40]，说明泥炭的分解程度较小，受到温度与湿度的影响较大，δ¹⁸O曲线中也有类似的低谷，显示出温度较低，表明该段时期气候变化急剧，温度和湿度都比较小，因此推断该次火山喷发事件强度较大。金川泥炭中的龙岗火山群金龙顶子火山喷发事件，在泥炭腐殖化度以及δ¹⁸O曲线中都出现在一个转折端，显示气候出现变化^[14]。从泥炭腐殖化度曲线可以看出火山事件出现在由高变低的转折点，说明泥炭的分解受到影响——气候变得不适合泥炭分解；从δ¹⁸O曲线可以看出数值由高变低，反映出气温降低。公元1014~1019年的长白山火山喷发事件在泥炭腐殖化度曲线中对应了一个较低值；δ¹⁸O曲线变化趋势由一个平缓的上升曲线突然出现一个急剧下降的波谷，表明了气候突然变化。四海龙湾以及孤山屯泥炭记录^{[13, 16]}的长白山火山喷发事件在曲线上也表现出了类似的变化过程。李晓东等^[41]对长白山千年喷发事件的数值模拟则认为：其对全球气候产生了非常显著的影响，天池火山形成的平流层气溶胶可维持3年长的时间，其最大辐射强迫可达9W/m²。由此造成的最大纬向平均降温超过1.5℃，北半球、全球、南半球平均最大降温分别达0.85℃、0.45℃和0.16℃。

图 6(Fig. 6)

图 6 哈尼泥炭地气候代用指标曲线与东北地区火山喷发事件对比(泥炭纤维素δ18O[35]与腐殖化度曲线[38]) 虚线从左至右依次为文献[40]、[13]、[16]、[14]以及本文阴影所代表的火山喷发年代 Fig. 6 The reflection of eruption events on peat cellulose oxygen isotope curve[35]and humification curve[38]. The dotted lines from left to right literature indicate eruption events from references[40],[13],[16],[14] and the vertical light grey band indicates Changbaishan Mountain eruption

图 6中5次火山喷发事件在气候代用曲线上反映了相同的信息：火山喷发时期的泥炭腐殖化度和氧同位素曲线出现急剧的变化或者转折，呈现出较低值，指示哈尼泥炭沼泽地区气候与水文条件的变化即温度降低、湿度变小，泥炭分解变得缓慢，表明火山活动对当地的气候和环境有所改变。

4 结论

本文在哈尼泥炭岩芯中识别并提取出一个25cm的火山灰层，通过AMS ¹⁴C 年代学、形态学和元素地球化学分析，获取了火山灰的喷发时间与来源，结果显示火山灰中SiO₂含量为62％~66％(wt)，Al₂O₃含量为19.13％~24.13％(wt)，Na₂O含量为4.91％~6.68％(wt)，K₂O含量为2.16％~4.39％(wt)，呈现高Na₂O低K₂O的特点，元素组成与长白山火山岩成分相似，为粗面岩。火山灰层位边界的泥炭纤维素AMS ¹⁴C 年龄为9337~10745cal.a B.P.，由此推断该层火山灰可能源于早全新世长白山火山喷发。

本文丰富了全新世早期长白山火山的喷发记录，结合沉积物中的气候代用指标研究了火山喷发事件与区域气候变化的关系，推断出哈尼泥炭地不仅记录了广泛的火山喷发事件，也记录了火山喷发的气候效应(即温度和湿度降低，气候变得干冷)。由此可见，从泥炭中寻找火山喷发物，根据喷发物的特征成分推断火山灰的来源，可为重建火山喷发序列提供依据；结合泥炭中的气候指标分析火山喷发事件的气候效应，探求火山喷发与气候突变事件的联系，为全新世古气候研究提供新的方法和思路。

致谢 中国地质大学(武汉)地球科学学院马振东教授在本文完成过程中给予了帮助及宝贵的建议，龚鹏与蒋幸福博士在火山灰偏光显微镜镜下鉴定方面给予帮助，审稿专家和编辑部老师提出了宝贵的审核意见，在此一并表示诚挚的谢意!