台湾塔屯火山群的第四纪晚期喷发历史——通过沙茂山熔岩流的锆石双定年法和40Ar/39Ar定年法获得的新证据

《Tectonophysics》：Late quaternary eruption history of the Tatun Volcano Group (Taiwan) – new constraints from zircon double-dating and 40Ar/39Ar dating of lava flows in Mt. Shamao

台湾太鲁阁火山群Shamao火山穹的喷发年龄通过zircon双测年技术（结合U-Th不等量法和(U-Th)/He法）与高精度Ar-Ar测年法测定，确认其最大喷发年龄为16.3±1.2 ka，揭示晶化历史达200 ka，并发现与火山群其他活动相关的早期年龄群。

　　

Karl D. Jabagat|袁熙李|Martin Dani?ík|Daniel Miggins|梅菲·朱|赖玉明|罗云杰|李伯椿|林正宏

台湾嘉义国立中兴大学地球与环境科学系

摘要

越来越多的证据表明，台湾北部的塔屯火山群（TVG）下方存在一个活跃的岩浆系统，这加剧了人们对其喷发历史的了解需求。准确确定过去的喷发时间对于评估火山灾害至关重要，尤其是考虑到TVG靠近人口密集的台北都会区。然而，以往的研究结果并不一致，这凸显了需要使用可靠和稳健的地质年代学方法。本研究旨在通过应用锆石双定年法（结合U-Th不平衡和U-Th/He方法）以及高精度的⁴⁰Ar/³⁹Ar整体岩石定年技术，来确定沙茂熔岩穹丘的年龄和喷发历史。锆石U-Th不平衡数据将沙茂山的最大喷发年龄限制在16.3±1.2千年前，并揭示了大约200千年的长期结晶过程以及约23千年、60千年和117千年的明显年龄群，其中一些锆石颗粒处于长期平衡状态（>300千年）。这些较老的锆石群体与TVG中的其他岩浆事件相吻合，表明可能存在锆石的继承或从一个长期存在的、相互连接的岩浆库中间歇性释放岩浆。锆石U-Th/He定年结果显示喷发时间为晚更新世，即16.3±4.9千年前，这与新的整体岩石⁴⁰Ar/³⁹Ar年龄结果（15.0±6.3千年前）以及先前报道的放射性碳年龄（约23千年至13千年前）一致。这些结果挑战了之前关于沙茂山全新世火山活动的解释（即1.3千年前），并突显了综合地质年代学技术在测定年轻火山岩年代方面的可靠性。虽然还需要更多数据来完善喷发复发模型，但本研究为改进台湾北部的火山灾害评估和风险缓解策略提供了关键基础。

引言

塔屯火山群（TVG）属于台湾北部火山带（NTVZ），位于冲绳海槽内的琉球俯冲系统的后弧区域（图1）。TVG覆盖面积约400平方公里，包含约51个保存完好的喷发中心，其特征是富含晶体的玄武安山岩和安山岩穹丘以及熔岩流，还有相关的地热特征，如温泉、喷气孔和硫磺矿床（Chen等人，2007年；Lee等人，2005年；Witt等人，2008年；Belousov等人，2010年）。最近的研究由于发现了TVG下方存在活跃岩浆室的证据而加剧，这引起了人们的关注，因为该地区靠近人口约800万的台北都会区。具有地幔特征氦同位素组成的地热水，以及火山地震数据中的异常现象，表明岩浆活动仍在持续（Lee等人，2005年；Lee等人，2008年；Konstantinou等人，2007年；Konstantinou等人，2009年；Lin和Pu，2016年；Huang等人，2021年）。鉴于这些潜在的灾害，确定最近喷发的时间对于改进火山风险评估和灾害缓解策略至关重要。

之前对TVG的地质年代学研究采用了裂变径迹、^KAr和⁴⁰Ar/³⁹Ar定年技术（Song等人，2000a，2000b），表明岩浆活动的时间跨度从约300万年前到0.2百万年前。然而，由于样品可能受到热液蚀变和风化的影响，以及当时可用定年方法的精度限制，这些结果的可靠性不确定。最近使用¹⁴C和U系列定年的研究（Belousov等人，2010年；Zellmer等人，2015年；Chu等人，2018年）报告了TVG更年轻的年龄，范围从晚更新世到全新世。尽管如此，这些发现之间仍存在差异，这表明需要替代的、更为稳健的年代学约束方法。为了解决这些不一致性，本研究整合了锆石双定年（ZDD）技术，使用²³⁸U/²³⁰Th不平衡和/或U-Pb以及U-Th/He定年，以及高精度的⁴⁰Ar/³⁹Ar整体岩石定年。ZDD在像台湾这样的风化岩石区域特别有效，能够提供从约2千年前到1百万年前的高精度日期（Schmitt等人，2006年；Dani?ík等人，2017年；Marsden等人，2021年）。此外，⁴⁰Ar/³⁹Ar定年的技术进步使得能够准确测定最近（0.5千年前）的样本，使其成为解决晚全新世火山活动的宝贵工具。虽然⁴⁰Ar/³⁹Ar定年可以进一步细化喷发年龄，但仔细考虑样品的新鲜度对于确保准确性仍然至关重要。

本研究结合了ZDD和整体岩石⁴⁰Ar/³⁹Ar定年技术，以确定沙茂山熔岩流的喷发年龄，沙茂山被认为是TVG中最年轻的火山产物。Zellmer等人（2015年）基于²²⁶Ra²³⁰Th不平衡定年报告了沙茂山穹丘的年龄为1.3千年前；然而，这一结果尚未被后续使用其他地质年代学方法的研究所证实（Chu等人，2018年；Yang等人，2018年）。准确确定这些喷发的时间对于评估当前的火山灾害和增强对未来活动的预测模型至关重要，特别是考虑到其对人口密集的台北都会区的潜在影响。

章节摘录

TVG中的岩浆活动及相关火山灾害

TVG中的岩浆活动是NTVZ的一部分，而NTVZ被认为是琉球俯冲系统的西端（Chen等人，2007年）（图1）。对琉球弧的研究表明，弧前火山主要受俯冲相关岩浆活动的影响，而冲绳海槽的后弧火山活动则主要由裂谷作用和地幔上升控制（Sibuet等人，1998年；Chen等人，1995年）。对NTVZ火山活动的主要驱动机制的理解已经发展

样品和分析程序

为了进行地质年代学研究，从单成因的沙茂山熔岩穹丘的山脚和侧翼采集了两个样品（图1c）。第一个样品是一种相对新鲜的安山岩斑岩，含有约40-50%的角闪石、斜长石、正辉石和斜方辉石斑晶，以及少量的副矿物磁铁矿、磷灰石和锆石，采集自沙茂山的东南部（25.14330°N，121.54662°E）用于锆石双定年（图1c）。

²³⁸U/²³⁰Th不平衡和U-Th/He定年

为了从样品中分离出锆石，采用了传统的尺寸减小、重力和磁选技术（即摇床、重液分离）。使用Leica M80立体显微镜选择了无包裹体的自形锆石晶体，并将其与标准样品一起压入铟制载片中，然后涂上一层导电的金。使用高灵敏度离子质谱仪进行了锆石²³⁸U/²³⁰Th不平衡定年。

⁴⁰Ar/³⁹Ar定年

整体岩石⁴⁰Ar/³⁹Ar定年在美国俄勒冈州立大学（OSU）的氩地质年代学实验室进行。对于样品22SM-06，采用了改进自Koppers等人（2000年）的严格酸浸提程序来去除任何蚀变物质。该程序使用了HCl（1N和6N溶液）和HNO3（1N和3N溶液）。最终的整体岩石浓缩物通过双筒显微镜手工挑选，纯度达到99.9%。整体岩石⁴⁰Ar/³⁹Ar年龄为

锆石²³⁸U/²³⁰Th不平衡数据

分析的大部分锆石（n=75颗）除了11颗位于等轴面上的颗粒外，都显示出²³⁸U²³⁰Th不平衡（图2a）；锆石的²³⁸U²³⁰Th同位素比值见补充文件（SF.2a）。锆石边缘的年龄范围从13.8±6.2千年前（晚更新世）到212.5±80.7千年前（中更新世）。使用Sambridge-Compston函数（Sambridge和Compston，1994年）在Isoplot（Ludwig，2003年）中对年龄谱进行反卷积，揭示了三个主要年龄

锆石结晶年龄

从最年轻的、统计上连贯的锆石群体中得出的²³⁸U²³⁰Th平均年龄为16.3±1.2千年前（2σ），代表了沙茂山熔岩流的最新喷发前结晶事件，并确定了其最大喷发年龄。这个紧密的年龄群（13.8-16.5千年前；n=7）表明锆石结晶发生在喷发前不久。在这个最年轻的群体之外，锆石结晶年龄变得更加分散，反映了与早期岩浆事件相关的较老晶体

结论

从最年轻的、统计上连贯的锆石群体中得出的²³⁸U²³⁰Th平均年龄为16.3±1.2千年前，代表了沙茂山熔岩流的最大喷发年龄。较老的锆石年龄（约200千年前、117千年前、60千年前、23千年前）可能反映了在长期存在的岩浆库中的长期结晶过程，或者是来自早期岩浆事件的先前结晶颗粒的混入。这些较老年龄与塔屯火山群（TVG）中的其他喷发事件的重叠表明

CRediT作者贡献声明

Karl D. Jabagat：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，可视化，项目管理，调查，正式分析，概念化。袁熙李：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，监督，项目管理，资金获取，正式分析，概念化。Martin Dani?ík：撰写——审稿与编辑，可视化，方法论，数据管理。Daniel Miggins：方法论，数据管理。梅菲·朱：撰写——审稿与编辑，

未引用的参考文献

Chang-Hwa，2003年Cheng-Hong等人，2010年Farley，2002年Harangi等人，2015年Hochstein，1995年Lin等人，2024年Lowe和Walker，2015年Machida，1999年Maeno和Taniguchi，2007年Mahon，1996年Matsumoto等人，1996年

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们衷心感谢经济事务部（MOEA）的地质调查和矿业管理机构提供的样品和财务支持。这项工作还得到了台湾国家科学委员会（拨款112-2740-M-001-001和111-2740-M-001-001）以及澳大利亚研究委员会（DP230103085）的支持。我们感谢Claire A. Currie（编辑）、M. G. Fellin和一位匿名审稿人的建设性评论，这些评论极大地提高了本文的质量。