Der Qixiangzhan-Ausbruch, Changbaishan

Scientific Reports Band 12, Artikelnummer: 22485 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Die Zirkon-Doppeldatierung (ZDD) von Comendit-Lava zeigt ein Eruptionsalter von 7,0 ± 0,9 ka für den Qixiangzhan-Ausbruch (QXZ), Vulkan Changbaishan-Tianchi, China/DVRK. Dieses Alter wird durch neue 40Ar/39Ar-Sanidin-Experimente und eine frühere Alterskontrolle anhand von Holzkohle an der Basis des QXZ gestützt. Das überarbeitete Alter stützt Korrelationen mit distaler Asche in Ostchina und Zentraljapan und stellt einen signifikanten Ausbruch (geschätzt mit dem Vulkanexplosivitätsindex 5+) dar, der einen nützlichen holozänen stratigraphischen Marker in Ostasien liefern könnte. Das neue Alter deutet darauf hin, dass die QXZ-Lava keine ca. 17 ka Hilina Pali/Tianchi geomagnetische Feldexkursion, sondern eher eine bisher unerkannte jüngere holozäne Exkursion bei ca. 7–8 ka. Ein Vergleich zwischen U-Th-Zirkonkristallisation und ZDD- sowie 40Ar/39Ar-Sanidinalter weist auf eine längere Akkumulationsperiode des QXZ-Magmas hin, die sich von ca. 18.000 Jahre bis zum Ausbruchsalter. Dies deutet auf einen Ausbruch hin, bei dem remobilisierte, früh gebildete Kristalle (Vorkristalle) aus früheren Stadien der Magma-Ansammlung mit Kristallen vermischt wurden, die sich kurz vor dem Ausbruch bildeten. Basierend auf diesen Ergebnissen wird eine Rezidivrate von ca. Für das Changbaishan-Tianchi-Magmasystem wurden in den letzten beiden großen Eruptionszyklen 7–8 ka festgestellt.

Das genaue Alter quartärer Eruptionen ist entscheidend für die zuverlässige Abgrenzung der Vulkangeschichte und der damit verbundenen Zeitskalen, mit Auswirkungen auf die Geodynamik und vulkanische Gefahren sowie auf die Entwicklung und Entwicklung magmatischer Systeme. Weit verbreitete Tephra-Ablagerungen sind ebenfalls wichtige chronostratigraphische Marker und daher sind genaue Eruptionsalter von entscheidender Bedeutung für die Eingrenzung der quartären Stratigraphie. Es wird jedoch immer deutlicher, dass es sehr schwierig sein kann, belastbare und präzise direkte Altersangaben (aufgezeichnet in jungem Material) für Ausbrüche < 100.000 Jahre zu erhalten, was die genaue vulkanische Chronologie in diesem kritischen Zeitraum gefährdet. Der Qixiangzhan-Ausbruch (QXZ) des Changbaishan-Tianchi-Vulkans (CBS-TC) an der Grenze zwischen China und der Demokratischen Volksrepublik Korea (DVRK) (Abb. 1) ist ein Beispiel für viele dieser Herausforderungen, da unterschiedliche geochronologische Methoden zu oft widersprüchlichen Ausbrüchen geführt haben Altersinterpretationen1,2,3. Das QXZ-Ereignis ist ein wichtiger Ausbruch im Nordosten Chinas/Japans, da es offenbar eine weltweite geomagnetische Feldexkursion innerhalb seiner Lava und verschweißten pyroklastischen Ablagerungen aufzeichnet. Dieser Ausflug wurde auf verschiedene Weise mit dem ca. in Verbindung gebracht. 120.000 Jahre altes Blake-Ereignis4 und in jüngerer Zeit die Hilina Pali-Exkursion, die zu einem postulierten neuen paläomagnetischen Ereignis „Hilina Pali/Tianchi“ führte1. Eine angemessene Zuordnung des Eruptionsalters hat aufgrund der jüngsten Korrelation des QXZ mit distalen Ascheablagerungen in China (Yuanchi-See – 30 km entfernt2) und Japan (Suigetsu-See – 900 km entfernt5) noch mehr an Bedeutung gewonnen, was auf einen explosiven Ausbruch von regionaler Bedeutung schließen lässt das Potenzial, zur Korrelation des „8,2 ka-Ereignisses“ auf der Nordhalbkugel beizutragen, einem abrupten Abkühlungsübergang bei ca. 8,2 kyr BP (Ref.6). Die Validierung einer dieser potenziellen Assoziationen hängt vom genauen Zeitpunkt des QXZ ab.

Geografischer Kontext und Details des Qixiangzhan (QXZ)-Ausbruchs des Vulkans Changbaishan-Tianchi. (a) Schattiertes Relief des Changbaishan-Tianchi-Vulkans und seiner örtlichen Umgebung, das die Lage und Verteilung des Qixiangzhan-Lavastroms am Nordhang der Changbaishan-Tianchi-Caldera zeigt. Die durchgezogene schwarze Linie ist die internationale Grenze zwischen China und der DVRK. (b) Satellitenbild des Qixiangzhan-Lavastroms und Darstellung unserer Probenstandorte. (c) Breiterer regionaler Kontext des Vulkans Changbaishan-Tianchi, der Orte zeigt, an denen sich Korrelative der Tephra/Asche des Qixiangzhan-Ausbruchs befanden.

Bisher hat die direkte Datierung von Jugendmaterial aus dem QXZ unterschiedliche Ergebnisse geliefert und das zuletzt angegebene Alter beträgt ca. 8,1 ka basiert auf indirekten Daten aus Radiokarbon-14 (14C), Stratigraphie und Tephrochronologie2,5. In diesem Beitrag gehen wir diese Herausforderung an, indem wir die kombinierte Anwendung der (U-Th)/He- und 238U/230Th-Ungleichgewichtsdatierung von Zirkon7 verwenden, bekannt als Zirkon-Doppeldatierung (ZDD)8, was auf ein neues direktes Alter von 7,0 ± 0,9 ka hinweist für den QXZ. Darüber hinaus haben wir hochpräzise Experimente zur inkrementellen Erwärmung von 40Ar/39Ar-Sanidin-Einkristallen durchgeführt, die Alter im Bereich von 7,2 ± 1,3 bis 14,3 ± 0,7 ka ergaben, die dieses neue junge Alter unterstützen. Das Ergebnis dieser Studie hat wichtige Auswirkungen auf die regionale Tephrochronologie, die Geschichte des Erdmagnetfelds, die Enteisung als Ausbruchsauslöser, die magmatische Geschichte des Changbaishan-Tianchi-Vulkans und die Datierung quartärer Vulkanausbrüche.

Der Vulkan Changbaishan-Tianchi (oder Baegdusan, Paektusan in der DVRK; Baitoushan auf Japanisch; Abb. 1) ist die Quelle einer der stärksten explosiven Eruptionen (VEI 6 bis 7) im Holozän, der Millennium Eruption (ME) von 946 –947 n. Chr. (Gemeinzeitliche Ära)3,9,10. Der Ausbruch, der dem ME vorausging, ist der Qixiangzhan-Ausbruch3. Darüber hinaus wurde nachgewiesen, dass der QXZ über dem viel älteren Tianwenfeng-Ausbruch „Gelber Bimsstein“ liegt, der geochemisch mit der 50,6 ka großen BJ-Tephra-Schicht im Japanischen Meer korreliert wurde3. Die meisten Beschreibungen des proximalen QXZ konzentrieren sich auf den massiven Lavastrom, der sich etwa 5,4 km nordwärts vom CBS-TC-Gipfel erstreckt und den Pan et al.11 als klastogen beschrieben haben, was auf eine explosive, von Quellen gespeiste Aktivität schließen lässt. Pan et al.12 dokumentierten jedoch auch eingebettete pyroklastische Horizonte in der gesamten Lava, von denen viele in der gesamten proximalen QXZ-Stratigraphie verschweißt sind (Abb. S1). Diese bestätigen, dass mit dem örtlichen Lavaausfluss eine erhebliche explosive Aktivität einherging.

Die Verwirrung mit dem Alter des QXZ wird in einer Zusammenfassung von 16 zuvor veröffentlichten Altersstufen des QXZ im Bereich von 87 bis 4 ka1,2,3,5,13,14,15,16,17,18,19,20 ( Tabelle 1). Beachten Sie, dass dort und an anderer Stelle in diesem Dokument, sofern nicht anders angegeben, Unsicherheiten auf dem 2σ-Niveau angegeben werden. Wenn man die K-Ar-Experimente aus den 1980er-Jahren außer Acht lässt, die eindeutig durch eine fehlende Korrektur für nicht unterstütztes 40Ar13 verzerrt sind, sind alle übrigen Altersgruppen jünger als 20.000 Jahre. Alle direkten Datierungsexperimente beziehen sich auf Material aus dem proximalen Lavastrom und bestehen aus einer Reihe moderner 40Ar/39Ar-Experimente mit Sanidin, die Alter im Bereich von 19,7 ± 2,8 bis 7,6 ± 0,2 ka14,17 ergeben, sowie Ungleichgewichtsexperimente der Uran-Reihe, die Altersbereiche im Bereich ergeben von 18,4 ± 1,4 auf 4,3 ± 0,4 ka15, ein U-Th-Ungleichgewichts-Zirkonkristallisationsalter von 12,2 ± 1,7 ka16 und Altersbestimmungen mit der Elektronenspinresonanzmethode (ESR) und Thermolumineszenz (TL), die Alter von 3,9 ± 0,5 ka19 und 3,5 ergeben haben ± 0,3 ka20 (alle Quellen sind in Tabelle 1 angegeben).

Kürzlich haben mehrere Arbeiten mit Schwerpunkt auf Tephrochronologie eine geochemische Korrelation der Comendit-Lavaglaszusammensetzung von Qixiangzhan mit der YC-162-Tephra aus dem Yuanchi-See2, etwa 30 km östlich des CBS-TC, und der SG14-1058 (Probe B-Sg -08) Tephra, aufgenommen im Suigetsu-See, Japan, etwa 900 km südöstlich von CBS-TC5. Die SG14-1058-Tephra enthaltenden Schichten aus dem Suigetsu-See und die YC-162-Tephra ergaben 14C-Alter von 8166–8099 bzw. 8831–8100 Kal.-Jahren vor Christus (95 %-Konfidenz)2,5. Ein jüngeres 14C-Alter von 7370 ± 30 Kal.Jahren vor Christus (95 %-Konfidenz) aus verbrannter Vegetation (Holzkohle), die an der Basis der QXZ-Lava haftete, wurde von Pan et al.3 berichtet, auf deren Grundlage sie ein Alter von < 8.000 Jahren vorschlugen für den QXZ.

25 Zirkonkristalle aus der Probe QXZD (Abb. 1) haben U-Th-Ungleichgewichtsmodellalter im Bereich von ca. 7,7 bis 59 ka (Abb. 2; Tabelle S1). 18 dieser Zirkone wurden auf (U–Th)/He analysiert; 4 Kristalle ergaben ungewöhnlich alte (U–Th)/He-Daten, die bei der Altersberechnung nicht berücksichtigt werden, da es sich eindeutig um Ausreißer handelt; 3 der ungewöhnlich alten (U–Th)/He-Daten (d. h. die Kristalle QXZD-5, -14, -21) sind älter als ihr entsprechendes Kristallisationsalter und werden daher als analytische Ausreißer interpretiert, die wahrscheinlich auf Kornunvollkommenheiten zurückzuführen sind, wie z. B. unentdeckte Mineralien oder Flüssigkeitseinschlüsse. Der Kristall QXZD-25 mit einem (U–Th)/He-Datum von 53 ± 4,0 ka und einem Kristallisationsalter von 58,5 ± 11,2 ka (d. h. der letzte aus der Gruppe der ungewöhnlich alten (U–Th)/He-Datumsdaten) ist ein statistischer Ausreißer auf einem modifizierten 2-Sigma-Kriterium21 und stellt wahrscheinlich einen geerbten Zirkon aus einem älteren magmatischen Zyklus dar, möglicherweise die zugrunde liegende Tianwenfeng-Eruption des „Gelben Bimssteins“.

Grafische Zusammenfassung der Ergebnisse der Zirkon-Doppeldatierung: Linkes Feld – Diagramm der Alpha-Auswurf- und Ungleichgewichts-korrigierten Zirkon- (U–Th)/He-Daten in geordneter Reihenfolge, angezeigt als 2σ-Fehlerbalken. Der gewichtete Mittelwert (durchgezogene schwarze Linie) und das 95 %-Konfidenzintervall (gestrichelte schwarze Linien) stellen unsere beste ZDD-Schätzung für den Zeitpunkt des Ausbruchs und seine Unsicherheit (oder das Alter des ZDD-Ausbruchs) dar. Rechtes Feld – Diagramm der Rangordnung des Zirkon-U-Th-Alters mit analytischen Unsicherheiten von 1σ. Der tiefgelbe Balken zeigt das 95 %-Konfidenzintervall des ZDD-Eruptionsalters an. Beachten Sie, dass die U-Th-Alter das maximale Eruptionsalter angeben und sich die jüngsten U-Th-Alter innerhalb einer gewissen Unsicherheit mit dem ZDD-Eruptionsalter überschneiden, was für zusätzliches Vertrauen in die Daten sorgt.

Die verbleibenden 14 Zirkone bilden eine einheitliche (U-Th)/He-Alterspopulation mit einem gewichteten Durchschnitt von 7,0 ± 0,9 ka (Abb. 2; Tabelle 2).

Das von uns erhaltene ZDD-Eruptionsalter (7,0 ± 0,9 ka) ist deutlich jünger als das 40Ar/39Ar-Sanidin-Alter von Yang et al.14 und Singer et al.1, stimmt jedoch mit dem jüngsten berichteten Sanidin-Alter von 7,6 ± 0,2 ka überein von Heizler et al.17 aus derselben Probe QXZC. Um dies zu überprüfen, wurden sechs große (> 850 μm) Sanidinkristalle aus der Probe QXZC für die Analyse mit der Single Crystal Incremental Heating (SCIH) 40Ar/39Ar-Technik ausgewählt. Diese ergeben ein Alter der einzelnen Kristallplateaus im Bereich von 14,3 ± 0,7 bis 7,2 ± 1,3 ka. Die Plateaualter stimmen mit ihrem jeweiligen normalen, inversen und totalen Fusionsalter überein (Abb. S2; Tabelle S2). Alle Analysen der sechs groben Sanidinkristalle bis auf eine ergaben ein 40Ar/39Ar-Alter, das mit dem ZDD-Alter übereinstimmte, wobei das jüngste Sanidin 40Ar/39Ar-Alter von 7,2 ± 1,3 ka, das in unseren eigenen Experimenten ermittelt wurde, innerhalb der Unsicherheit mit unserem ZDD-Eruptionsalter überlappte. Die ca. Der 7–20 ka-Bereich des Sanidin 40Ar/39Ar-Alters14,17 liegt im Bereich des U–Th-Zirkon-Kristallisationsalters von ca. 7,7–59 ka, die notwendigerweise vor dem Ausbruch liegen.

Unser ZDD-Eruptionsalter stimmt nicht mit dem 14C-Alter für die YC-162- und SG14-1058-Tephra auf der 2σ-Ebene überein, stimmt jedoch mit dem 7370 ± 30 Kal.-Jahre BP-Alter des verbrannten Zweigs an der Basis des QXZ-Lavastroms überein3. Das ZDD-Eruptionsalter ist jedoch deutlich älter als die Gruppe jüngerer Altersgruppen und liegt zwischen 4,3 ± 0,4 und 3,53 ± 0,3 ka, ermittelt mithilfe von Elektronenspinresonanz-, Uranserien-Ungleichgewichts- und Thermolumineszenzmethoden15, 19, 20.

Die Übereinstimmung unseres neuen ZDD-Eruptionsalters von 7,0 ± 0,9 ka mit dem 7370 ± 30 Kal.jahr BP vom verbrannten Ast an der Basis der QXZ-Lava und unserem Sanidin-40Ar/39Ar-Alter bedeutet, dass das wahre Eruptionsalter des QXZ tatsächlich < ist 8 ka, und wir revidieren daher das Alter des QXZ auf 7,0 ± 0,9 ka.

Unser neues direktes Alter für den QXZ hat offensichtliche Auswirkungen auf die Datierung der vulkanischen Chronostratigraphie eines prominenten und aktiven Vulkans mit einer gefährlichen Geschichte, auf holozäne stratigraphische Korrelationen in Asien/Japan, auf die Produktivität hinsichtlich Magma-Ansammlung und eruptiver Wiederkehr und letztendlich auf Gefahrenbewertungen für den Vulkan Changbaishan-Tianchi.

Ein wichtiges Problem, das diese Arbeit aufdeckt, ist die Diskrepanz zwischen der Mehrzahl der 40Ar/39Ar-Alter und dem ZDD-Ergebnis. Nur zwei Sätze von 40Ar/39Ar-SCIH-Experimenten mit Sanidin haben zu übereinstimmenden Ergebnissen mit unseren ZDD-Experimenten geführt, dem von Heizler et al.17 und unserem eigenen. Eine Diskrepanz zwischen dem ZDD- und dem 40Ar/39Ar-Alter wird zunehmend erkannt, da mehrere neuere Arbeiten gezeigt haben, dass ZDD durchweg jüngere und robustere Alter liefert als entsprechende 40Ar/39Ar-Alter auf Sanidin aus wichtigen quartären Eruptionen22,23,24. Diese Diskrepanz spiegelt teilweise den Unterschied in den Verschlusstemperaturen der beiden Systeme wider. ZDD auf Vulkangestein ergibt Abkühlungsalter (< 150 °C)8, die ihrem Ausbruch entsprechen, vorausgesetzt, dass diese Gesteine ​​nach der Ablagerung ohne nachfolgende thermische Störung erhalten blieben. (U–Th)/He ist analog zu 40Ar-basierten Datierungsmethoden, aber die Verschlusstemperatur von He in Zirkon (150–220 °C)25,26 ist niedriger als die von Ar in häufig verwendeten K-haltigen Phasen (z. B. Biotit, Sanidin, Hornblende; 290–510 °C)27 bei gleicher Abkühlgeschwindigkeit. Daher beginnt die vollständige Retention von He im Zirkon zum Zeitpunkt der Eruption, obwohl es Beispiele für Krusten-Xenolithe in Basaltgesteinen gibt, bei denen kurze Erhitzungsdauern in Kombination mit der hohen Menge an angesammeltem 4He in Xenokristallen und/oder Einschlüssen zu (U–Th) führen )/Er stammt aus der Zeit vor dem Ausbruch (Ref.28). Ähnliche Probleme können auch dazu führen, dass das 40Ar/39Ar-Alter in felsischem Vulkangestein deutlich älter als das tatsächliche Eruptionsalter ist, entweder als Gesamtpopulation oder häufiger als Altersspektrum, das im Vergleich zu analytischen Unsicherheiten überstreut ist. Die Ursachen hierfür sind nach wie vor kaum verstanden, da überschüssiges Ar in den Kristallen eingeschlossen ist (Ref. 29, 30) oder Schmelzeinschlüsse (Ref. 31, 32, 33) und/oder Vorkristalle oder Xenokristalle vorhanden sind, die nicht vollständig entgast wurden häufig aufgerufen (Ref. 23,34,35,36). In dieser Hinsicht sind die nachweislich älteren Sanidinkristalle in unseren 40Ar/39Ar-Experimenten besonders interessant und sollten ein Ziel für zukünftige Untersuchungen sein, müssen jedoch die Möglichkeit von überschüssigem 40Ar in Schmelzeinschlüssen und Xenokristallen oder Phänokristallen entschlüsseln37. Unabhängig von den möglichen Ursachen zeigen die beiden jüngsten 40Ar/39Ar-Ergebnisse, dass Sanidin in einigen Fällen zufälligerweise die oben angesprochenen Probleme umgangen hat und dass sich das Alter von 40Ar/39Ar-Sanidine den von ZDD ermittelten Daten annähert. Im Fall des QXZ-Ausbruchs wird die Genauigkeit des (U-Th)/He-Alters weiter durch das junge Zirkonkristallisationsalter aus der U-Th-Ungleichgewichtsmethode und die Übereinstimmung mit robusten 14C-Altern gestützt16. Danišík et al.8 erläutern die potenziellen Vorteile des ZDD-Ansatzes nicht nur gegenüber den K-Ar- und 40Ar/39Ar-Techniken, sondern auch gegenüber den häufig verwendeten Radiokohlenstoff-, Spaltungsspur- und Lumineszenzmethoden.

Ein offensichtliches Ergebnis dieses neuen Zeitalters ist, dass sich das QXZ nicht über eine 17.000 Jahre dauernde magnetische Umkehrung von Hilina-Pali/Tianchi1 erstreckt, sondern möglicherweise stattdessen eine jüngere holozäne geomagnetische Feldexkursion impliziert, die im QXZ-Komendit aufgezeichnet wurde. Zhu et al.4 berichteten, dass die oberen und basalen Teile (ihre Probenstellen 1, 2 und 5) der QXZ-Lava normalerweise mit Paläointensitäten zwischen 43 und 63 µT magnetisiert sind, aber der zentrale Teil des Flusses, ihre Probenstelle 3 , sind vorübergehend magnetisiert und Probenstelle 4 ist vollständig umgekehrt mit viel geringeren Paläointensitäten von 23,5 und 26,3 µT. Die beiden letztgenannten Proben haben virtuelle axiale Dipolmomente (VADM) von 3,4 × 1022 bzw. 6,1 × 1022 A m21,4. Obwohl ursprünglich fälschlicherweise mit einer Exkursion bei 123 ka4 korreliert, korrigierten Singer et al.1 diese Korrelation auf der Grundlage ihres 40Ar/39Ar-Alters auf 17 ka und postulierten, dass die niedrige Paläointensität zusammen mit der Umkehrung der Übergangsrichtungen der Hilina-Pali-Exkursion entspricht, die zuvor bei datiert wurde 19,3 ± 1,6 ka (14C kalibriert)38. Da ihr Alter für das QXZ dieser Exkursion entsprach, wurde eine neue globale Magnetfeldexkursion namens Hilina Pali/Tianchi vorgeschlagen. Unsere neuen Altersbeschränkungen erfordern nun eine weitere Überarbeitung der Klassifizierung dieser anomalen magnetischen Richtungen und geringen Intensität. In vielen Arbeiten wurde versucht, holozäne Erdmagnetfeldschwankungen genau zu bestimmen (Ref. 39, 40, 41, 42). Diese Arbeiten liefern eine präzise Aufzeichnung der holozänen Erdmagnetfeldvariabilität und dokumentieren, dass die niedrigste geomagnetische Intensität im Holozän bei etwa 7 ka auftrat, was mit der QXZ-Aufzeichnung eines Intensitätsabfalls übereinstimmt, bei dem VADM etwa 20 % niedriger war als heute1. 4,39,40,41,42. Diese geringe Intensität war der für die mittelholozäne Aufzeichnung der Levante (Israel, Syrien, Jordanien) und der umliegenden Regionen Südosteuropas, des Kaukasus und Nordafrikas/Ägyptens sehr ähnlich43. Es gibt jedoch keine gleichwertigen Beweise für anomale Richtungen, die als exkursiv angesehen werden könnten, wie sie bei der von Zhu et al. untersuchten QXZ-Eruption aufgezeichnet wurden.4. Angesichts der Interpretation, dass die QXZ-Exkursion relativ schnell stattgefunden hat, in der Größenordnung von Jahren1, besteht eine Möglichkeit darin, dass diese Exkursion nur lokal in Changbaishan-Tianchi und nicht anderswo aufgezeichnet wurde und möglicherweise zu kurz war, um durch Sedimentanalysen aufgelöst zu werden Aufzeichnungen. Darüber hinaus besteht eine geringe Wahrscheinlichkeit, ein solch kurzes Ereignis in einem spärlichen, gleichzeitigen vulkanischen und archäomagnetischen Datensatz zu erfassen44. Daher schließen die aktuellen Daten eine regionale oder gar globale Abweichung um ca. 20 % nicht grundsätzlich aus. 7–8 ka, wenn seine Dauer außerordentlich kurz war, und es ist auch möglich, dass die Datendichte und Auflösung anderer Studien holozäner Aufzeichnungen bisher alle schnellen paläomagnetischen Veränderungen, die während des QXZ-Ausbruchs aufgezeichnet wurden, übersehen haben. In jedem Fall rechtfertigen unsere neuen Daten eine detailliertere Untersuchung der holozänen Aufzeichnungen im Alter von etwa 7–8 ka.

Korrelationen der im Yuanchi-See und im Suigetsu-See aufgezeichneten YC-162-Tephra2 und SG14-1058-Tephra5 wurden verwendet, um das QXZ als einen weiteren wichtigen CBS-TC-basierten Markerhorizont von Zentraljapan bis Nordostchina zu bewerben (Abb. 1). Obwohl unser neues Zeitalter auf der 2σ-Ebene nur nicht übereinstimmt, ist es nahe genug, um diese Korrelation zu stützen, insbesondere in Kombination mit den geochemischen Beweisen. Geochemische Ähnlichkeiten zwischen proximalen und distalen Glaszusammensetzungen deuten auf einen Ausbruch von einiger Bedeutung in dieser Region hin2,3,5, obwohl das Ausmaß des Ausbruchs weiterhin Spekulation bleibt. Eine vorläufige Schätzung kann jedoch anhand der bekannten Standorte der QXZ-Asche vorgenommen werden (Abb. 1). Wir gehen von einer konservativen Schätzung aus, dass Asche ein elliptisches Gebiet mit einer Halbhaupt- und einer Nebenachse von 900 km bzw. 100 km von Changbaishan-Tianchi, Yuanchi-See bis zum Suigetsu-See bedeckte. Unter der Annahme einer sehr konservativen 1 cm dicken Ablagerung in diesem gesamten Gebiet kann mit der Single-Isopach-Methode von Legros44 ein Volumen von ~ 1 km3 geschätzt werden. Die durchschnittliche Mächtigkeit von 1 cm ist durchaus angemessen, wenn man bedenkt, dass die Mächtigkeit der proximalen Tephra-Einheiten weit über zehn Meter beträgt12, die „fleckige Tephra“ in Einheit 3 ​​des 30 km entfernten Kerns des Yuanchi-Sees ist ~ 4 cm dick2 (1,62–1,58). m Kerntiefe) und die SG14-1058-Kryptotephra 900 km von der Quelle entfernt wird als „primäre Tephra-Isochrone“ beschrieben und ist in einer Dicke von 1 cm mit einer Konzentration von 5000 Scherben/Gramm zu finden (Position F11 im SG14-Kern; 28,6– 29,4 cm5). Obwohl vereinfacht und auf begrenzten verfügbaren Daten basierend, deutet dieses Mindestvolumen darauf hin, dass die explosive Phase des Ausbruchs mindestens eine 5 auf dem Volcanic Explosivity Index45 betrug. Sun et al.2 argumentieren überzeugend, dass die hohe Konzentration von QXZ-Glas im Suigetsu-See (> 5000 Scherben pro Gramm Sediment) stark darauf hindeutet, dass das QXZ möglicherweise in einem größeren Gebiet verteilt ist als die derzeit bekannte sehr begrenzte Verbreitung (Abb. 1). )2,5. Wir folgen Sun et al.2 und McLean et al.5 und behaupten, dass diese Tephra-Schicht möglicherweise einen wichtigen frühen Holozän-Markerhorizont um Ostasien darstellt und dazu beitragen könnte, das Ausmaß wichtiger paläoumweltbezogener Ereignisse wie das „8,2 ka-Ereignis“ einzuschränken.

Auch die Zuordnung des Zeitpunkts des QXZ-Ausbruchs zur regionalen Enteisung1 muss im Lichte unserer neuen Altersbeschränkungen neu bewertet werden. Da das letzte Gletschermaximum auf der Nordhalbkugel bei 19–20 ka abrupt endete, kann die damit verbundene Abschmelzung nicht der Auslöser des QXZ und jüngerer Eruptionen sein. Es ist möglich, dass im Holozän lokale Gletscherentladungen stattgefunden haben und Ausbrüche am Changbaishan-Tianchi ausgelöst haben, aber soweit uns bekannt ist, gibt es keine Beweise dafür. Alternativ wurde das explosive Eruptionstempo durch die Magmadynamik und die magmatische Entwicklung bestimmt3,10,16,37. Drei unterschiedliche Eruptionsepisoden in den letzten 51.000 Jahren am CBS-TC wurden identifiziert: der Tianwenfeng-Ausbruch (Gelber Bimsstein; BJ) bei ca. 51 ka, der QXZ bei ca. 7–8 ka (dieses Werk) und das ME bei 946–947 n. Chr.3. Diese Eruptionsaufzeichnungen wurden mit der magmatischen Entwicklung von überwiegend Basalt über Trachyt bis hin zu bimodalem Comendit-Trachyt in den letzten 100.000 Jahren in Verbindung gebracht, wobei Trachyt-Comendit-Wechselwirkungen (Aufladung, Vermischung und Hybridisierung) eine Schlüsselrolle bei der explosiven Eruptionszyklizität spielten46.

Unsere neuen Daten bieten einen Einblick in die Geschichte der Zirkonkristallisation für die Magmadynamik am CBS-TC. Die 238U–230Th-Daten zeigen ein weitgehend einheitliches Zirkonkristallisationsalter mit durchschnittlich 18,1 ± 2,7 ka, wobei zwei ältere Analysen mit ca. 18,1 ± 2,7 ka weggelassen wurden. 59 ka alt. Dieses Alter ist ähnlich, wenn auch etwas älter als das durchschnittliche Zirkonkristallisationsalter von 12,2 ± 1,1 ka für den QXZ16, und weist auf eine Lücke von mindestens 5–10 ka zwischen Zirkonkristallisation und Eruption hin, ein Mindestzeitraum für das Tempo der Magmaentwicklung angesichts der Tatsache ist, dass Zirkon nur in hochentwickelten komenditischen Magmazusammensetzungen kristallisiert. Ra/Th-Isotope deuten darauf hin, dass der Magma-Aufenthalt für das ME-Ereignis etwa 6–10 kyr37 beträgt. Diese Zeitskala steht in enger Übereinstimmung mit den hier und zuvor für das QXZ gemeldeten Zirkon-Verweilzeitskalen und könnte auf eine charakteristische Zeitskala für die Magma-Verweildauer vor der Eruption in Changbaishan-Tianchi hinweisen. Der geringfügige, aber signifikante Unterschied im Randkristallisationsalter, der für unsere Probe QXZD und die von Zou et al.16 festgestellt wurde, könnte auf die bevorzugte Auswahl großer Kristalle für unsere ZDD-Studie zurückzuführen sein, die möglicherweise ein früheres Wachstumsstadium darstellen. Dasselbe Magma enthält ca. 12 ka große Zirkonkristalle wurden während einer explosiven Eruption bei ca. 1 ka, aber unterschiedliche Zirkonpopulationen – jünger und älter als ca. 12–18 ka – sind in ME-Ablagerungen enthalten16. Dies impliziert, dass das QXZ-Komendit-Magmareservoir einerseits noch ältere entwickelte Anteile mit Zirkon-Vorkristallen enthielt, die möglicherweise erst vor einem sehr großen Ausbruch remobilisiert wurden, und andererseits, dass das Magmasystem zur Verjüngung und Erneuerung von Zirkon fähig war Wachstum, möglicherweise ausgelöst durch wiederholte Wiederauffüllung von Magma in das präeruptive Reservoir.

Neue ZDD- und 40Ar/39Ar-Datierungsexperimente mit direktem Alter, unterstützt durch ein früheres indirektes 14C-Experiment, deuten nun auf ein Eruptionsalter von 7,0 ± 0,9 ka für das QXZ des CBS-TC hin. Das überarbeitete Alter stützt Korrelationen mit distaler Asche in Ostchina und Zentraljapan und stellt einen bedeutenden Ausbruch (geschätzt mit dem Vulkanexplosivitätsindex 5+) dar, der einen nützlichen holozänen stratigraphischen Marker in Ostasien liefern könnte. Das neue Alter deutet darauf hin, dass die QXZ-Lava keine ca. 17 ka Hilina Pali/Tianchi geomagnetische Feldexkursion, sondern eher eine bisher unerkannte, vielleicht lokale, jüngere holozäne Exkursion bei ca. 7–8 ka. Darüber hinaus muss die Eruptionsauslösung durch Abschmelzen nach dem letzten Gletschermaximum neu bewertet werden. Ein Vergleich zwischen der U-Th-Zirkonkristallisation und dem neuen Eruptionszeitalter weist auf eine längere Akkumulationsperiode des QXZ-Magmas von ca. 18.000 bis zum Eruptionszeitalter, was auf eine Remobilisierung und Vermischung von früh gebildeten Kristallen (Vorkristallen) und mit Autokristallen hinweist. Basierend auf diesen Ergebnissen beträgt der präeruptive Magma-Aufenthalt ca. Für das Changbaishan-Tianchi-Magmasystem wurden in den letzten beiden großen Eruptionszyklen 7 ka festgestellt.

Eine einzelne Probe (QXZD) von der distalen Fließfront (Abb. 1) der proximalen klastogenen QXZ-Comendit-Lava wurde durch Zerkleinern, Schwenken, magnetische Trennung und Pflücken unter einem Binokularmikroskop auf Zirkon verarbeitet. Die meisten Zirkone waren zwischen 100 und 200 µm lang und hatten ein Aspektverhältnis von 1:3 bis 1:4.

Zirkonkristalle wurden unter Verwendung kombinierter U-Th-Ungleichgewichts- und (U-Th)/He-Methoden im HIP-Labor der Universität Heidelberg (Deutschland) und in der Western Australia ThermoChronology (WATCH) Facility am John de Laeter Center (Curtin University) doppelt datiert. Perth, Australien) entsprechend den in Friedrichs et al.47 und Danišík et al.22,48 beschriebenen Verfahren.

Sekundärionisations-Massenspektrometrieanalysen (SIMS) im HIP-Labor verwendeten eine CAMECA ims 1280-HR-Ionenmikrosonde, die darauf abgestimmt war, positive Sekundärionen mit einem ~ 50 nA massengefilterten 16O-Strahl zu zerstäuben, der auf einen Punkt mit ~ 30–40 µm Durchmesser fokussiert war. Sekundärionen wurden in einer dynamischen Mehrfachsammlung unter Verwendung von Faraday-Bechern für 232ThO+ und 238UO+ und Elektronenvervielfachern für alle anderen Spezies (verschiedene Zr2O3+-Spezies, 230Th+ und Hintergründe) gesammelt. Die relativen Empfindlichkeitsfaktoren für ThO und UO wurden unabhängig voneinander unter Verwendung der gemessenen 232Th und 238U kalibriert, und die Genauigkeit wurde durch die Analyse der säkularen Gleichgewichtszirkon-Referenz AS3 im Replikat überwacht, für die ein Durchschnitt (230Th)/(238U) = 1,011 ± 0,009 (mittleres Quadrat der gewichteten Werte) ermittelt wurde weicht ab MSWD = 0,75, n = 14) wurde erhalten. Modellalter für QXZD-Zirkonfelgen wurden als Zweipunkt-Isochronen berechnet, die an der Gesamtgesteinszusammensetzung von Changbaishan verankert sind, von Zou et al.16 (238U)/(232Th) = 0,634 ± 0,010 und (230Th)/(232Th) = 0,711 ± 0,010 .

Für (U-Th)/He-Analysen in der WATCH-Einrichtung wurden Zirkonkristalle aus den zuvor für die SIMS-Analyse verwendeten In-Halterungen entnommen, fotografiert und auf ihre Abmessungen hin vermessen, um den Alpha-Ausstoß-Korrekturfaktor49,50 zu berechnen, und einzeln in übertragen Niob-Mikroröhrchen. Radiogenes 4He wurde in einem Alphachron-Instrument bei ~ 1250 °C unter Ultrahochvakuum mit einem Diodenlaser extrahiert und sein Volumen durch Isotopenverdünnung auf einem Massenspektrometer QMG 220 M1 Pfeiffer Prisma Plus gemessen. Nach jeder Probe wurde eine „Reextraktion“ durchgeführt, um das vollständige Ausgasen der Kristalle zu überprüfen. Die Ergebnisse der He-Gase wurden durch Erhitzen leerer Nb-Röhrchen nach dem gleichen Verfahren leer korrigiert. Nach den 4He-Messungen wurden Nb-Mikroröhrchen, die die Kristalle enthielten, aus dem Alphachron entnommen, mit 235U und 230Th versetzt und anschließend in Parr-Säureaufschlussgefäßen in zwei Zyklen mit HF, HNO3 (Zyklus 1) und HCl-Säuren (Zyklus 2) aufgelöst Verfahren beschrieben in Evans et al.51. Proben-, Blind- und aufgestockte Standardlösungen wurden dann mit Milli-Q-Wasser verdünnt und durch Isotopenverdünnung auf 238U und 232Th sowie durch externe Kalibrierung auf 147Sm auf einem Element XR™ High Resolution ICP-MS analysiert. Die gesamte analytische Unsicherheit unkorrigierter (U-Th)/He-Daten wurde durch Weitergabe der Unsicherheiten der U-, Th-, Sm- und He-Messungen berechnet. Die unkorrigierten (U–Th)/He-Daten wurden Ft-korrigiert, nachdem Farley et al.52 eine homogene Verteilung von U und Th angenommen hatten. Die Genauigkeit des Zirkon (U-Th)/He-Datierungsverfahrens wurde durch wiederholte Analysen von Fish Canyon Tuff-Zirkon (n = 4) überwacht, die als interner Standard gemessen wurden, was ein mittleres (U-Th)/He-Alter von 28,5 ± 1,5 Millionen Jahren ergab ( 2σ), im Einklang mit dem Referenzalter (U–Th)/He von 28,3 ± 1,3 Millionen Jahren52. Die Ft-korrigierten (U–Th)/He-Daten wurden dann mithilfe der MCHeCalc-Software53, die als Eingabeparameter das Ft-korrigierte Alter und die Unsicherheiten des Zirkons (U–Th)/He benötigt, um Ungleichgewicht und präeruptive Kristallresidenz korrigiert Alter und Unsicherheiten der Zirkonkristallisation sowie D230- und D231-Parameter, die die Fraktionierung von Th und Pa im Verhältnis zu U in der Zirkonschmelze beschreiben. Der D230 wurde berechnet, indem die gemessenen Th/U-Verhältnisse von Zirkonen durch das gemessene Gesamtgesteins-Th/U dividiert wurden. Für D231 wurde ein Wert von 3,3 angenommen, basierend auf einem Durchschnitt der veröffentlichten Pa/U-Werte für den Verteilungskoeffizienten der Zirkon-Rhyolith-Schmelze54,55,56. Anschließend wurden ungleichgewichtskorrigierte (U–Th)/He-Daten (14 Wiederholungen pro Probe) verwendet, um den fehlergewichteten Mittelwert und das 95 %-Konfidenzintervall zu berechnen, die als repräsentatives Eruptionsalter (als ZDD-Eruptionsalter bezeichnet) bzw. dessen Unsicherheit interpretiert werden . Die Ergebnisse für das U-Th-Ungleichgewicht und die ZDD-Experimente sind in Tabelle 2, Abb. 2 und Tabelle S1 aufgeführt.

Handproben für ausgewähltes Vulkangestein (Abb. 1; QXZC) wurden für die 40Ar/39Ar-Datierung gesammelt. Mineralseparate aus Sanidin und Anorthoklas wurden an der Oregon State University unter Verwendung herkömmlicher Techniken hergestellt, darunter Zerkleinern, Sieben (> 850 μm), Waschen, Ultraschallbaden und die Verwendung magnetischer Trennungen unter Verwendung eines magnetischen Separators FrantzTM Modell LB-1. Mineralseparate wurden gereinigt, indem jede Probe mit kaltem Wasser gespült, dann 15 Minuten lang in einem Ultraschallreiniger mit dreifach destilliertem Wasser (Milli-Q-Wasser) gewaschen und anschließend in einem Trockenofen bei 55 °C getrocknet wurde. Besonderes Augenmerk wurde darauf gelegt, jegliches Veränderungsmaterial aus der Grundmasse zu entfernen, indem ein intensives Säurelaugungsverfahren mit einer Kombination aus HCl und HNO3 bei unterschiedlichen Säurestärken verwendet und in einem Trockenofen bei 55 °C getrocknet wurde57. Die Sanidin- und Anorthoklas-Konzentrate wurden weiter 7 Minuten lang mit einer 15 %igen HF-Lösung behandelt, um anhaftendes Glas zu entfernen. Die Mineralkonzentrate wurden durch eine Lösung aus Lithiumheteropolywolframat (LST) mit einer Dichte von 2,582 geleitet, um den Anorthoklas zum Schweben zu bringen und etwaigen Plagioklas oder Anorthoklas mit starken Einschlüssen zu versenken. Die Proben wurden dann mit Milli-Q-Wasser gewaschen und bei 55 °C getestet. Sobald die Proben getrocknet waren, wurden sie erneut auf 250 μm gesiebt, um feinere Fraktionen aus der Ultraschallreinigung zu entfernen. Die endgültigen Separationen wurden unter Verwendung eines Binokularmikroskops erhalten, um Reinheiten von > 99,9 % zu erhalten.

Altersbestimmungen für Sanidin- und Anorthoklas-Separate wurden am Argon Laboratory der Oregon State University in Corvallis, Oregon, unter Verwendung von inkrementeller CO2-Laserheizung und/oder Totalfusionsmethoden durchgeführt und auf einem Multikollektor-Edelgas-Massenspektrometer analysiert. Anorthoklas-Separate sowie Sanidin-Flussmonitore (FCT-2-NM mit einem kalibrierten Alter von 28,201 ± 0,023 Ma, 1σ; nach Kuiper et al.58) wurden in das Bestrahlungspaket 16-OSU-02 gegeben und mit 0,5 Megawatt bestrahlt Stunden in der CLICIT-Position am TRIGA-Kernreaktor der Oregon State University (OSU). Bestrahlte Proben wurden in Cu-Planchetten in einer Ultrahochvakuum-Probenkammer geladen und schrittweise erhitzt, indem ein defokussierter 25-W-Synrad-CO2-Laserstrahl bei zunehmender Laserleistung in voreingestellten Mustern über die Probe gescannt wurde, um das Argon gleichmäßig aus der Probe freizusetzen Proben. Die Proben wurden mit der Total-Fusion-Methode analysiert, bei der jeder Kristall (Satz von 30 Kristallen für jede Probe) mit voller Leistung (26 % Leistung) erhitzt wurde, oder mit der Einzelkristall-Inkrementalerwärmungsmethode (SCIH). Es ist zu beachten, dass unser Lasersystem nicht für die genaue Ermittlung der Temperaturen kalibriert ist. Dieses System wurde nicht für die Ermittlung exakter Temperaturen kalibriert. Nach jedem Erhitzungsschritt oder Gesamtschmelzlauf und vor der Analyse wurden die reaktiven Gase 90 s lang mit einem Satz AP10-Zr-Al-Getter gereinigt; 2 Heißgetter wurden bei 450 °C und 2 bei Raumtemperatur (21 °C) betrieben. Argon-Isotopenmessungen wurden mit einem Thermo ScientificTM Multikollektor-ARGUS-VI-Edelgas-Massenspektrometer (Spektrometer „D“ im OSU-Labor) durchgeführt, das über 5 F-Kollektoren verfügt (ausgestattet mit einem 1012-Ohm-Widerstand zur Messung der Massen 41Ar und 40Ar). mit 1013 Ohm Widerständen für die Massen 39Ar, 38Ar und 37Ar) und 1 ionenzählenden Cu-Be-Elektronenvervielfacher. Diese Konfiguration ermöglicht die gleichzeitige Messung aller Argonisotope mit der Masse 36 am Multiplikator und den Massen 37 bis 40 an den vier benachbarten Faradays. Diese Konfiguration bietet auch den Vorteil, dass sie in einem vollständigen Multikollektormodus läuft und gleichzeitig den niedrigsten Peak (auf Masse 36) auf dem hochempfindlichen Elektronenvervielfacher (CDD) misst, der sich in einer Position neben dem Faraday-Kollektor mit der niedrigsten Masse befindet, der wiederum hat ein extrem niedriges Dunkelrauschen und ein sehr hohes Spitzen-/Rauschverhältnis.

Alle Alter wurden unter Verwendung des korrigierten Werts für die ursprüngliche Konstante von Steiger & Jäger59 für den gesamten 40-K-Zerfall auf 40Ar mit einem neuen Wert von 5,530 ± 0,097 × 10–10/Jahr (2σ) berechnet, wie von Min et al.60 berichtet. Für alle anderen in den Altersberechnungen verwendeten Konstanten verweisen wir auf Tabelle 2 in Koppers et al.57. Individuelle J-Werte für jede Probe wurden durch parabolische Extrapolation des gemessenen Flussgradienten gegen die Bestrahlungshöhe berechnet und ergeben typischerweise 0,06–0,13 % Unsicherheiten (1σ). Für die Berechnung des Alters wurde ein angenommenes Verhältnis von eingeschlossenem 40Ar/36Ar von 295,5 zugrunde gelegt. Inkrementelle Heizplateaualter und Isochronalter wurden entweder als Plateau, Miniplateau oder gewichteter Mittelwert mit 1/σ2 als Gewichtungsfaktor61 und als YORK2-Anpassungen der kleinsten Quadrate mit korrelierten Fehlern62 unter Verwendung der Software ArArCALC v2.6.2 von Koppers63 berechnet, die auf der folgenden Website verfügbar ist http://earthref.org/ArArCALC/. Alle dargestellten Altersunsicherheiten sind 2-Sigma. Das Sanidin-Gesamtfusionsalter (falls ermittelt) ist ein gewichtetes mittleres Wahrscheinlichkeitsalter, das auch als Ideogrammdiagramm bezeichnet wird. Das Alter wird ohne die Unsicherheit des J-Werts berechnet. Die Ergebnisse sind in Tabelle S2 dargestellt und im Altersspektrum in Abb. S2 dargestellt.

Alle in dieser Studie gewonnenen Daten sind in den Zusatzdateien dieses Manuskripts verfügbar.

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Referenzen herunterladen

Diese Forschung wurde von der National Natural Science Foundation of China (41872254, 41911540472) unterstützt. Wir danken Dr. Joe Stoner von CEOAS OSU für Diskussionen und Ratschläge zum holozänen Erdmagnetfeld. Jade Bowers wird für ihre Hilfe bei den hier beschriebenen SIMS U-Th-Zirkonanalysen gedankt. Wir schätzen auch die Zusammenarbeit und Unterstützung des Changbaishan-Nationalparks.

Jilin Changbaishan Volcano National Observation and Research Station, Institut für Geologie, China Earthquake Administration, Peking, 100029, China

Weil Mr

College of Earth, Ocean, and Atmospheric Sciences, Oregon State University, Corvallis, OR, 97331, USA

Bo Pan, Shanaka L. de Silva und Daniel P. Miggins

John de Laeter Centre, Curtin University, Perth, WA, 6845, Australien

Martin Danišík

Institut für Geowissenschaften, Universität Heidelberg, Heidelberg, 69120, Germany

Axel K. Schmitt

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SLdeS. und BP entwarf einen Forschungsplan. BP, SLdeS., MD, AK Schmitt und DPM haben das Manuskript geschrieben. MD und AKS führten die ZDD-Analysen und -Experimente durch. DPM führte die 40Ar/39Ar-Analysen und Experimente durch.

Korrespondenz mit Shanaka L. de Silva.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Pan, B., de Silva, SL, Danišík, M. et al. Der Qixiangzhan-Ausbruch, der Changbaishan-Tianchi-Vulkan, China/DVRK: New-Age-Einschränkungen und ihre Auswirkungen. Sci Rep 12, 22485 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-27038-5

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Eingegangen: 16. Oktober 2022

Angenommen: 23. Dezember 2022

Veröffentlicht: 28. Dezember 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-27038-5

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