利用橄榄石原位10Be测年揭示墨西哥Pelagatos火山喷发历史：对奇奇纳乌钦火山场年代学框架的完善与灾害评估意义

《Radiocarbon》：Geochronological analysis of the eruption of the Pelagatos volcano, located in the Sierra Chichinautzin Volcanic Field, using 10 Be in situ in olivine

本刊推荐：为解决奇奇纳乌钦火山场（SCVF）内火山喷发历史重建中有机物样本稀缺的难题，研究人员开展了利用橄榄石原位10Be进行Pelagatos火山暴露定年的主题研究。研究通过对五个采样点的橄榄石样品进行加速器质谱（AMS）分析，得出其平均暴露年龄为4.7±0.8 ka，结果与已有放射性碳（14C）测年数据吻合。该研究证实了利用橄榄石中10Be进行火山岩直接定年的可行性，为缺乏石英的基性-中性火成岩提供了新的高精度定年方法，对完善该火山活跃区的喷发历史及灾害风险评估具有重要意义。

　　

在墨西哥城东南约20公里处，横亘着奇奇纳乌钦火山场（Sierra Chichinautzin Volcanic Field, SCVF），这片土地上散布着超过两百个火山锥，它们像沉睡的巨人，记录着地球深部的躁动。然而，其中仅有十三个火山锥的年龄被精确测定，这严重限制了我们对该地区火山活动规律和潜在喷发风险的理解。传统的放射性碳（¹⁴C）定年技术依赖于火山灰或古土壤中埋藏的有机质（如木炭），但这些材料在火山产物中并非总能找到，使得许多火山的喷发年代只能停留在粗略的估计范围内。Pelagatos火山就是这样一个谜团，之前的¹⁴C测年将其年龄限定在2.5±0.1 ka BP至14.1±0.2 ka BP之间，跨度巨大，亟需更精确、更直接的定年方法来揭开其真实面貌。

为了突破这一瓶颈，由亚历杭德拉·加西亚-马德里加尔（Alejandra García-Madrigal）领导的研究团队将目光投向了一种宇宙成因核素——铍-10（Beryllium-10, ¹⁰Be）。¹⁰Be是由宇宙射线与地表矿物发生核反应产生的，其浓度会随着岩石暴露在地表的时间增加而累积，因此可以用来计算岩石的“暴露年龄”。通常，¹⁰Be测年在石英（SiO₂）矿物中进行，因为石英化学性质稳定且产量模型成熟。但Pelagatos火山的岩石是基性安山岩，石英含量极低，反而富含橄榄石（(Mg,Fe)₂SiO₄）矿物。研究人员大胆创新，尝试直接从橄榄石中提取和测量原位¹⁰Be，旨在为Pelagatos火山建立一个更可靠的新年代学框架。这项开创性的研究发表在《Radiocarbon》期刊上。

为开展此项研究，作者团队运用了几个关键技术方法。首先，从Pelagatos火山两条熔岩流（Flow 1和Flow 2）的五个不同位置采集了新鲜、风化程度低的岩石样本（V1-V5），并记录了精确的地理位置、海拔、厚度和密度信息。其次，通过破碎、筛分和磁选等物理方法，从岩石中高效地分离出高纯度的橄榄石晶体，并利用扫描电子显微镜-能谱仪（SEM-EDS）和X射线衍射（XRD）进行矿物学和元素组成验证。核心步骤是宇宙成因核素¹⁰Be的化学提取与纯化：约1克橄榄石样品经过多次氢氟酸（HF）和盐酸（HCl）超声清洗以去除大气成因的¹⁰Be（ meteoric ¹⁰Be），随后加入已知量的⁹Be载体，进行酸消解，并通过溶剂萃取和离子交换树脂（Dowex AG1-X8和Dowex 50W-X8）分离纯化铍，最终转化为BeO与铌（Nb）混合，压入阴极靶。最后，利用位于墨西哥国立自治大学（UNAM）的1MV加速器质谱（Accelerator Mass Spectrometry, AMS）设施LEMA，精确测量样品中的¹⁰Be/⁹Be同位素比值，并通过扣除化学空白本底，计算出¹⁰Be的原子浓度。

结果

样品特征与橄榄石纯度

扫描电子显微镜（SEM）图像显示了典型的橄榄石晶体形态，其c轴呈垂直方向。

X射线衍射（XRD）分析进一步证实了化学处理后的样品矿物组成为镁橄榄石（Forsterite）。

能谱仪（EDS）元素分析表明，所有样品的化学组成（O, Mg, Si, Fe百分比）均符合典型橄榄石的特征，验证了物理分离过程获得高纯度橄榄石的成功。

¹⁰Be浓度

经过AMS测量和空白校正后，Pelagatos火山岩橄榄石样品中的¹⁰Be浓度范围为(8.09±0.82) × 10⁴至 (9.12±0.92) × 10⁴原子/克，平均浓度为8.65±0.75 × 10⁴原子/克。样品的¹⁰Be/⁹Be比值约为化学空白值的两倍，表明未来研究可通过增加橄榄石用量来进一步提高测量精度。

暴露年龄

研究人员使用CRONUS-Earth在线暴露年龄计算器（v3版本）进行计算。计算首先基于石英的¹⁰Be产率模型，得出的石英暴露年龄平均值为7.4±0.9 ka，这比之前¹⁴C测年结果年轻约50%。随后，研究团队根据橄榄石与石英元素组成的差异，引入了一个比例因子R（R = P_olivine/P_quartz），对产率进行了校正。校正后的橄榄石¹⁰Be暴露年龄范围为3.95±0.97 ka 至 5.7±1.4 ka（1σ）。熔岩流1（Flow 1）的两个样品平均暴露年龄为4.6±0.9 ka，熔岩流2（Flow 2）的三个样品平均暴露年龄为4.9±0.9 ka。两条熔岩流的平均年龄在误差范围内没有显著差异，表明Pelagatos火山的平均暴露年龄为4.7±0.8 ka。

讨论与结论

本研究首次成功利用橄榄石中的原位¹⁰Be浓度确定了Pelagatos火山的暴露年龄。获得的年龄（约4.7 ka）与之前通过¹⁴C测得的火山喷发年龄范围（2.5-14.1 ka）的下限相吻合，特别是与上覆古土壤年龄（2.5±0.1 ka）更为接近，而显著年轻于上覆的Tutti Frutti浮岩层年龄（约14.1 ka ¹⁴C BP）。这表明Pelagatos火山的喷发活动发生在晚更新世晚期至全新世早期，与SCVF地区大多数单成因火山的活动时期一致。两条熔岩流相似的暴露年龄支持了先前基于喷发物体积较小而提出的假设，即两次喷发相位之间的间隔很短（可能为数天至16个月），属于一次相对紧凑连续的喷发序列。

该研究的重要意义在于，它成功验证了以橄榄石为载体的原位¹⁰Be测年技术是直接测定缺乏石英的基性-中性火成岩的有效替代方案。这种方法克服了依赖间接地层关系定年的局限性，为精确构建火山喷发历史提供了新途径。对于像SCVF这样火山喷发复发间隔较短（中心区域<2500年，全区<1700年）、且靠近墨西哥城等人口密集区的火山场而言，获得更精确的火山年龄数据对于完善喷发历史、评估未来喷发风险至关重要。本研究建立的方法可推广至该区域乃至全球其他类似火山系统的年代学研究，从而显著提升我们对火山活动规律的认识和灾害预警能力。

尽管当前研究因样品量有限和年轻样品¹⁰Be浓度较低而存在约20%的不确定度，但结果已充分证明了该方法的可行性。未来通过分析更多橄榄石晶体，并与其它定年方法（如³He测年）进行交叉验证，将进一步降低不确定度，巩固这一创新年代学工具的可靠性。