L'éruption de Qixiangzhan, Changbaishan - Le lac des cygnes de Shijiazhuang Co., Ltd

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 22485 (2022) Citer cet article

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La double datation au zircon (ZDD) de la lave comendite révèle un âge d'éruption de 7,0 ± 0,9 ka pour l'éruption Qixiangzhan (QXZ), volcan Changbaishan-Tianchi, Chine/RPDC. Cet âge est soutenu par de nouvelles expériences de sanidine 40Ar/39Ar et un contrôle d'âge antérieur à partir de charbon de bois à la base du QXZ. L'âge révisé prend en charge les corrélations avec les cendres distales dans l'est de la Chine et le centre du Japon et établit une éruption significative (estimée à l'indice d'explosivité volcanique 5+) qui peut fournir un marqueur stratigraphique holocène utile en Asie de l'Est. Le nouvel âge indique que la lave QXZ n'enregistre pas ca. 17 ka Hilina Pali / Tianchi excursion du champ géomagnétique mais plutôt une excursion holocène plus jeune non reconnue jusqu'à présent à ca. 7–8 ka. La comparaison entre la cristallisation du zircon U – Th et le ZDD ainsi que les âges de la sanidine 40Ar / 39Ar indique une période prolongée d'accumulation du magma QXZ qui s'étend d'environ. 18 ka à l'âge de l'éruption. Cela évoque une éruption qui a mélangé des cristaux formés tôt remobilisés ( antécristaux ) à partir d'étapes antérieures d'accumulation de magma avec des cristaux formés près du moment de l'éruption. Sur la base de ces résultats, un taux de récidive d'env. 7–8 ka pour le système magmatique Changbaishan-Tianchi se trouve au cours des deux derniers cycles éruptifs majeurs.

Les âges précis des éruptions quaternaires sont cruciaux pour une délimitation fiable des histoires volcaniques et des échelles de temps associées, avec des implications pour la géodynamique et les risques volcaniques, ainsi que le développement et l'évolution des systèmes magmatiques. Les dépôts de tephra répandus sont également des marqueurs chronostratigraphiques importants et, par conséquent, des âges d'éruption précis sont cruciaux pour limiter la stratigraphie quaternaire. Cependant, il devient de plus en plus clair que l'obtention d'âges directs robustes et précis (enregistrés dans du matériel juvénile) pour les éruptions <100 ka peut être très difficile, compromettant la chronologie volcanique précise dans cette période critique. L'éruption Qixiangzhan (QXZ) du volcan Changbaishan-Tianchi (CBS-TC) à la frontière entre la Chine et la République populaire démocratique de Corée (RPDC) (Fig. 1) illustre bon nombre de ces défis, car différentes méthodes géochronologiques ont donné lieu à des interprétations souvent contradictoires de l'âge d'éruption1,2,3. L'événement QXZ est une éruption clé dans le nord-est de la Chine/Japon, car il enregistre apparemment une excursion mondiale du champ géomagnétique dans sa lave et ses dépôts pyroclastiques soudés. Cette excursion a été diversement corrélée au ca. événement Blake de 120 kyr4, et plus récemment, à l'excursion Hilina Pali résultant en un nouvel événement paléomagnétique "Hilina Pali/Tianchi" postulé1. L'attribution adéquate de l'âge de l'éruption a pris encore plus d'importance en raison de la récente corrélation du QXZ avec les dépôts de cendres distaux en Chine (lac Yuanchi à 30 km2) et au Japon (lac Suigetsu à 900 km5), suggérant une éruption explosive d'importance régionale avec le potentiel d'aider à corréler l'hémisphère nord "événement de 8,2 ka", une transition de refroidissement abrupte à environ. 8,2 ka BP (réf.6). La validation de l'une de ces associations potentielles dépend du moment précis du QXZ.

Contexte géographique et détails de l'éruption Qixiangzhan (QXZ) du volcan Changbaishan-Tianchi. (a) Relief ombré du volcan Changbaishan-Tianchi et des environs locaux montrant l'emplacement et la distribution de la coulée de lave Qixiangzhan sur le versant nord de la caldeira Changbaishan-Tianchi. La ligne noire continue est la frontière internationale entre la Chine et la RPDC. (b) Image satellite de la coulée de lave Qixiangzhan et montrant nos emplacements d'échantillonnage. ( c ) Contexte régional plus large du volcan Changbaishan-Tianchi montrant les emplacements où des corrélatifs du téphra / cendres de l'éruption de Qixiangzhan ont été localisés.

À ce jour, la datation directe des matériaux juvéniles du QXZ a donné des résultats variables et l'âge le plus récemment promu d'environ. 8,1 ka est basé sur des datations indirectes du radiocarbone-14 (14C), de la stratigraphie et de la téphrochronologie2,5. Dans cette contribution, nous relevons ce défi en utilisant l'application combinée de la datation par déséquilibre (U–Th)/He et 238U/230Th du zircon7, connue sous le nom de double datation sur zircon (ZDD)8, indiquant un nouvel âge direct de 7,0 ± 0,9 ka pour le QXZ. De plus, nous avons mené des expériences de chauffage incrémentiel de monocristal de sanidine 40Ar/39Ar de haute précision qui donnent des âges allant de 7,2 ± 1,3 à 14,3 ± 0,7 ka qui soutiennent ce nouveau jeune âge. Le résultat de cette étude a des implications importantes pour la téphrochronologie régionale, l'histoire du champ géomagnétique, la déglaciation en tant que déclencheur d'éruption, l'histoire magmatique du volcan Changbaishan-Tianchi et la datation des éruptions volcaniques du Quaternaire.

Le volcan Changbaishan-Tianchi (ou Baegdusan, Paektusan en RPDC ; Baitoushan en japonais ; Fig. 1) est à l'origine de l'une des éruptions explosives les plus puissantes (VEI 6 à 7) de l'Holocène, l'Éruption du Millénaire (ME) de 946–947 CE (ère commune)3,9,10. L'éruption qui a précédé l'EM est l'éruption de Qixiangzhan3. De plus, il a été démontré que le QXZ recouvre l'éruption beaucoup plus ancienne de la « pierre ponce jaune » de Tianwenfeng qui a été corrélée géochimiquement avec la couche de tephra de 50,6 ka BJ dans la mer du Japon3. La plupart des descriptions de la QXZ proximale se concentrent sur la coulée de lave massive qui s'étend sur environ 5,4 km vers le nord en aval du sommet CBS-TC que Pan et al.11 ont décrit comme clastogène, impliquant une activité explosive alimentée par une fontaine. Cependant, Pan et al.12 ont également documenté des horizons pyroclastiques interstratifiés dans toute la lave, dont beaucoup sont soudés dans toute la stratigraphie proximale QXZ (Fig. S1). Ceux-ci confirment une importante activité explosive accompagnée de l'épanchement local de lave.

La confusion avec l'âge du QXZ est démontrée dans un résumé de 16 âges précédemment publiés pour le QXZ allant de 87 à 4 ka1,2,3,5,13,14,15,16,17,18,19,20 (Tableau 1). Notez que là et ailleurs dans ce document, sauf indication contraire, les incertitudes sont indiquées au niveau 2σ. Ignorant les expériences K – Ar des années 1980 qui sont clairement biaisées par un manque de correction pour 40Ar13 non pris en charge, les autres âges sont tous inférieurs à 20 ka. Toutes les expériences de datation directe concernent des matériaux provenant de la coulée de lave proximale et consistent en une série d'expériences modernes 40Ar/39Ar sur la sanidine qui donnent des âges allant de 19,7 ± 2,8 à 7,6 ± 0,2 ka14,17, des expériences de déséquilibre de la série Uranium donnant des âges allant de 18,4 ± 1,4 à 4,3 ± 0,4 ka15, un cristal de zircon à déséquilibre U-Th âge de lisation de 12,2 ± 1,7 ka16, et la méthode de résonance de spin électronique (ESR) et les déterminations d'âge par thermoluminescences (TL) qui ont donné des âges de 3,9 ± 0,5 ka19 et 3,5 ± 0,3 ka20 respectivement (toutes les sources sont indiquées dans le tableau 1).

Récemment, plusieurs travaux axés sur la téphrochronologie ont démontré une corrélation géochimique de la composition du verre de lave comendite de Qixiangzhan avec le téphra YC-162 du lac Yuanchi2, à ~ 30 km à l'est du CBS-TC, et le téphra SG14-1058 (échantillon B-Sg-08) enregistré dans le lac Suigetsu, au Japon, à ~ 900 km au SE du CBS-TC5. Les couches contenant des téphras SG14-1058 du lac Suigetsu et du téphra YC-162 ont donné des âges 14C de 8166–8099 et 8831–8100 ans cal BP (confiance à 95%), respectivement2,5. Un âge 14C plus jeune de 7370 ± 30 ans cal BP (confiance à 95%) provenant de la végétation brûlée (charbon de bois) adhérant à la base de la lave QXZ a été rapporté par Pan et al.3 sur la base desquels ils ont proposé un âge < 8 ka pour le QXZ.

25 cristaux de zircon de l'échantillon QXZD (Fig. 1) ont donné des âges de modèle de déséquilibre U – Th allant d'env. 7,7 à 59 ka (Fig. 2 ; Tableau S1). 18 de ces zircons ont été analysés pour (U–Th)/He ; 4 cristaux ont donné des dates anormalement anciennes (U-Th)/He qui ne sont pas prises en compte pour le calcul de l'âge car ce sont clairement des valeurs aberrantes ; 3 des datations anormalement anciennes (U-Th)/He (c'est-à-dire les cristaux QXZD-5, -14, -21) sont plus anciennes que leurs âges de cristallisation correspondants et sont donc interprétées comme des valeurs aberrantes analytiques résultant probablement d'imperfection du grain telles que des inclusions minérales ou fluides non détectées. Le cristal QXZD-25 avec une date (U–Th)/He de 53 ± 4,0 ka et un âge de cristallisation de 58,5 ± 11,2 ka (c'est-à-dire le dernier du groupe des dates anormalement anciennes (U–Th)/He) est une valeur aberrante statistique basée sur un critère 2-sigma modifié et représente probablement un zircon hérité d'un cycle magmatique plus ancien, peut-être l'éruption sous-jacente de la « pierre ponce jaune » de Tianwenfeng.

Résumé graphique des résultats de la double datation du zircon : panneau de gauche - diagramme d'ordre classé de l'éjection alpha et des dates de zircon corrigées en déséquilibre (U – Th) / He affichées sous forme de barres d'erreur 2σ. La moyenne pondérée (ligne noire continue) et l'intervalle de confiance à 95 % (lignes noires en pointillés) représentent notre meilleure estimation ZDD pour le moment de l'éruption et son incertitude (ou âge de l'éruption ZDD). Panneau de droite - diagramme d'ordre classé des âges U – Th du zircon avec des incertitudes analytiques de 1σ. La barre jaune foncé indique l'intervalle de confiance à 95 % de l'âge de l'éruption ZDD. Notez que les âges U – Th fournissent l'âge d'éruption maximal et que les âges U – Th les plus jeunes se chevauchent dans l'incertitude avec l'âge d'éruption ZDD, ce qui renforce la confiance dans les données.

Les 14 zircons restants forment une population d'âge uniforme (U–Th)/He avec une moyenne pondérée de 7,0 ± 0,9 ka (Fig. 2 ; Tableau 2).

L'âge d'éruption ZDD que nous avons obtenu (7,0 ± 0,9 ka) est significativement plus jeune que le 40Ar/39Ar dans les âges sanidine de Yang et al.14 et Singer et al.1 mais est concordant avec le plus jeune âge sanidine de 7,6 ± 0,2 ka rapporté par Heizler et al.17 à partir du même échantillon QXZC. Pour vérifier cela, six grands cristaux de sanidine (> 850 μm) de l'échantillon QXZC ont été choisis pour être analysés par la technique de chauffage incrémental monocristallin (SCIH) 40Ar / 39Ar. Ceux-ci donnent des âges de plateau cristallin individuels allant de 14,3 ± 0,7 à 7,2 ± 1,3 ka. Les âges du plateau sont concordants avec leurs âges de fusion normaux, inverses et totaux respectifs (Fig. S2; Tableau S2). Toutes les analyses de cristaux de sanidine grossiers sauf une ont donné des âges 40Ar / 39Ar concordants avec l'âge ZDD, le plus jeune âge sanidine 40Ar / 39Ar de 7, 2 ± 1, 3 ka obtenu dans nos propres expériences chevauchant notre âge d'éruption ZDD dans l'incertitude. La CA. La gamme d'âges de sanidine 40Ar / 39Ar de 7 à 20 ka14,17 se situe dans la plage d'âge de cristallisation du zircon U – Th d'environ. 7,7 à 59 ka qui sont nécessairement antérieurs à l'éruption.

Notre âge d'éruption ZDD est discordant avec les âges 14C pour les téphras YC-162 et SG14-1058 au niveau 2σ, mais concordant avec l'âge 7370 ± 30 ans cal BP de la branche brûlée à la base de la coulée de lave QXZ3. Cependant, l'âge de l'éruption ZDD est significativement plus ancien que le groupe d'âges plus jeunes allant de 4,3 ± 0,4 à 3,53 ± 0,3 ka obtenus à l'aide des méthodes de résonance de spin électronique, de déséquilibre de la série d'uranium et de thermoluminescences15,19,20.

La concordance de notre nouvel âge d'éruption de 7,0 ± 0,9 ka ZDD avec les 7370 ± 30 ans cal BP de la branche brûlée à la base de la lave QXZ et nos âges sanidine 40Ar/39Ar indique que le véritable âge d'éruption du QXZ est en effet < 8 ka, et nous révisons donc l'âge du QXZ à 7,0 ± 0,9 ka.

Notre nouvel âge direct pour le QXZ a des implications évidentes pour la datation de la chrono-stratigraphie volcanique d'un volcan proéminent et actif avec une histoire dangereuse, les corrélations stratigraphiques de l'Holocène en Asie/Japon, la productivité concernant l'accumulation de magma et la récurrence éruptive, et finalement les évaluations des risques pour le volcan Changbaishan-Tianchi.

Un problème important révélé par ce travail est la discordance entre la majorité des âges 40Ar/39Ar et le résultat ZDD. Seuls deux ensembles d'expériences SCIH 40Ar/39Ar sur sanidine ont donné des résultats concordants avec nos expériences ZDD, celle de Heizler et al.17 et la nôtre. La discordance entre les âges ZDD et 40Ar/39Ar est de plus en plus reconnue car plusieurs travaux récents ont montré que ZDD fournit systématiquement des âges plus jeunes et plus robustes que les âges 40Ar/39Ar correspondants sur la sanidine d'importantes éruptions quaternaires22,23,24. Cette discordance reflète en partie la différence des températures de fermeture des deux systèmes. La ZDD sur les roches volcaniques donne des âges de refroidissement (< 150 °C)8 qui correspondent à leur éruption, à condition que ces roches aient été préservées sans perturbation thermique ultérieure après dépôt. (U–Th)/He est analogue aux méthodes de datation basées sur 40Ar, mais la température de fermeture de He dans le zircon (150–220 °C)25,26 est inférieure à celle de Ar dans les phases porteuses de K couramment utilisées (par exemple, biotite, sanidine, hornblende ; 290–510 °C)27 pour la même vitesse de refroidissement. Par conséquent, la rétention complète de He dans le zircon commence au moment de l'éruption, bien qu'il existe des exemples de xénolithes crustaux dans les roches basaltiques où de brèves durées de chauffage combinées à la quantité élevée de 4He accumulé dans les xénocristaux et/ou dans les inclusions conduisent à des dates (U-Th)/He antérieures à l'éruption (réf.28). Des problèmes similaires peuvent également faire en sorte que les âges 40Ar / 39Ar dans les roches volcaniques felsiques soient significativement plus anciens que l'âge réel de l'éruption, soit comme l'ensemble de la population, soit plus communément comme un spectre d'âges qui sont surdispersés par rapport aux incertitudes analytiques. Les causes de cela restent mal comprises, avec un excès d'Ar piégé dans les cristaux (réf.29,30) ou des inclusions fondues (réf.31,32,33), et/ou la présence d'antécristaux ou de xénocristaux qui n'ont pas été complètement dégazés étant couramment invoqués (réf.23,34,35,36). À cet égard, les cristaux de sanidine manifestement plus anciens dans nos expériences 40Ar/39Ar sont particulièrement intéressants et devraient être la cible d'investigations futures, mais nécessiteront de déconvoluer la possibilité d'un excès de 40Ar dans les inclusions de fusion et les xénocristaux ou les phénocristaux37. Indépendamment des causes potentielles, les deux plus jeunes résultats 40Ar/39Ar révèlent que, dans certains cas, la sanidine peut avoir contourné par hasard les problèmes soulevés ci-dessus, et que les âges de la sanidine 40Ar/39Ar se rapprochent des données déterminées par ZDD. Dans le cas de l'éruption QXZ, la précision de l'âge (U – Th) / He est en outre étayée par les jeunes âges de cristallisation du zircon issus de la méthode de déséquilibre U – Th et de la concordance avec les âges 14C robustes16. Danišík et al.8 expliquent les avantages potentiels de l'approche ZDD par rapport non seulement aux techniques K-Ar et 40Ar/39Ar, mais également aux méthodes couramment utilisées au radiocarbone, aux traces de fission et à la luminescence.

Un résultat évident de cette nouvelle ère est que le QXZ ne chevauche pas une inversion magnétique Hilina-Pali/Tianchi de 17 ka mais peut plutôt impliquer une excursion de champ géomagnétique holocène plus jeune enregistrée dans la comendite QXZ. Zhu et al.4 ont rapporté que les parties supérieure et basale (leurs sites d'échantillonnage 1, 2 et 5) de la lave QXZ sont normalement magnétisées avec des paléointensités comprises entre 43 et 63 µT, mais la partie centrale de l'écoulement, leur site d'échantillonnage 3, sont magnétisés de manière transitoire et le site d'échantillonnage 4 est complètement inversé avec des paléointensités beaucoup plus faibles de 23,5 et 26,3 µT. Les deux derniers échantillons ont des moments dipolaires axiaux virtuels (VADM) de 3,4 × 1022 et 6,1 × 1022 A m2 respectivement1,4. Bien qu'à l'origine corrélée à tort avec une excursion à 123 ka4, Singer et al.1 ont corrigé cette corrélation à 17 ka sur la base de leurs âges 40Ar/39Ar et ont postulé que la faible paléointensité ainsi que les directions inversées à transitionnelles correspondent à l'excursion Hilina Pali précédemment datée à 19,3 ± 1,6 ka (calibrée au 14C)38. Comme leur âge pour le QXZ correspondait à cette excursion, une nouvelle excursion globale du champ magnétique nommée Hilina Pali/Tianchi a été proposée. Nos nouvelles contraintes d'âge exigent maintenant que la classification de ces directions magnétiques anormales et de faible intensité soit encore révisée. De nombreux travaux ont tenté de mettre le doigt sur les variations du champ géomagnétique de l'Holocène (réf.39,40,41,42). Ces travaux fournissent un enregistrement concis de la variabilité du champ géomagnétique de l'Holocène, et ils documentent que l'intensité géomagnétique la plus faible de l'Holocène s'est produite à environ 7 ka, conformément à l'enregistrement QXZ d'une baisse d'intensité, où le VADM était d'environ 20 % inférieur à celui d'aujourd'hui1,4,39,40,41,42. Cette faible intensité était très similaire à celle de l'enregistrement de l'Holocène moyen du Levant (Israël, Syrie, Jordanie) et des régions environnantes de l'Europe du Sud-Est, du Caucase et de l'Afrique du Nord/Égypte43. Cependant, il n'y a pas de preuve équivalente pour les directions anormales qui pourraient être considérées comme excursionnelles comme celles enregistrées dans l'éruption QXZ étudiée par Zhu et al.4. Étant donné que l'excursion QXZ est interprétée comme s'étant produite relativement rapidement, de l'ordre des années1, une possibilité est que cette excursion n'a été enregistrée que localement à Changbaishan-Tianchi, et pas ailleurs, et qu'elle a peut-être été trop brève pour être résolue par des enregistrements sédimentaires. De plus, il y a une faible probabilité de capturer un événement aussi bref dans un ensemble de données volcaniques et archéomagnétiques contemporaines clairsemées44. Par conséquent, les données actuelles n'empêchent pas catégoriquement une excursion régionale ou même mondiale autour de ca. 7 à 8 ka si sa durée était extrêmement courte, et il est également possible que la densité et la résolution des données d'autres études d'enregistrements de l'Holocène aient jusqu'à présent négligé les changements paléomagnétiques rapides enregistrés lors de l'éruption QXZ. Quoi qu'il en soit, nos nouvelles données justifient un examen plus détaillé de l'enregistrement de l'Holocène vers 7–8 ka.

Les corrélations du tephra2 YC-162 et du tephra5 SG14-1058 enregistrées dans le lac Yuanchi et le lac Suigetsu ont été utilisées pour promouvoir le QXZ comme un autre horizon marqueur important provenant de CBS-TC du centre du Japon au nord-est de la Chine (Fig. 1). Notre nouvel âge, bien que juste discordant au niveau 2σ, est suffisamment proche pour soutenir cette corrélation, en particulier lorsqu'il est combiné avec les preuves géochimiques. Les similitudes géochimiques entre les compositions de verre proximales et distales évoquent une éruption d'une certaine importance dans cette région2,3,5 bien que l'ampleur de l'éruption reste une question de spéculation. Cependant, une estimation préliminaire peut être faite sur la base des emplacements connus des cendres QXZ (Fig. 1). Nous faisons l'estimation prudente que les cendres couvraient une zone elliptique avec des axes semi-majeur et mineur de 900 km et 100 km respectivement de Changbaishan-Tianchi, lac Yuanchi, au lac Suigetsu. En supposant un dépôt très prudent de 1 cm d'épaisseur dans toute cette zone, un volume d'environ 1 km3 peut être estimé en utilisant la méthode isopaque simple de Legros44. L'épaisseur moyenne de 1 cm est tout à fait raisonnable étant donné que l'épaisseur des unités de téphra proximales dépasse largement les dizaines de mètres12, le « téphra inégal » de l'unité 3 du noyau du lac Yuanchi à 30 km mesure environ 4 cm d'épaisseur2 (profondeur du noyau de 1,62 à 1,58 m) et le cryptotéphra SG14-1058 à 900 km de la source est décrit comme un « isochrone de téphra primaire » et se trouve tout au long d'une 1 cm d'épaisseur avec une concentration de 5 000 tessons/gramme (position F11 dans le noyau SG14 ; 28,6–29,4 cm5). Ainsi, bien que simpliste et basé sur des données disponibles limitées, ce volume minimum implique que la phase explosive de l'éruption était au moins de 5 sur l'indice d'explosivité volcanique45. Sun et al.2 soutiennent de manière convaincante que la forte concentration de verre QXZ enregistrée dans le lac Suigetsu (> 5000 éclats par gramme de sédiments) suggère fortement que le QXZ peut être dispersé dans une zone plus large que la distribution très limitée actuellement connue (Fig. 1)2,5. Nous suivons Sun et al.2 et McLean et al.5 en affirmant que cette couche de tephra offre potentiellement un important horizon marqueur de l'Holocène précoce autour de l'Asie de l'Est et peut aider à limiter l'étendue d'événements paléoenvironnementaux importants comme "l'événement de 8,2 ka".

L'attribution du moment de l'éruption QXZ à la déglaciation régionale1 doit également être réévaluée à la lumière de nos nouvelles contraintes d'âge. Comme le dernier maximum glaciaire dans l'hémisphère nord s'est terminé brusquement à 19-20 ka, la déglaciation associée ne peut pas être le déclencheur du QXZ et des éruptions plus récentes. Il est possible qu'un déchargement glaciaire local se soit produit dans l'Holocène et ait déclenché des éruptions au Changbaishan-Tianchi, mais pour autant que nous sachions, il n'y a aucune preuve à l'appui. Alternativement, le rythme éruptif explosif a été entraîné par la dynamique du magma et l'évolution magmatique3,10,16,37. Trois épisodes éruptifs distincts au cours des 51 derniers kyrs au CBS-TC ont été identifiés: l'éruption de Tianwenfeng (pierre ponce jaune; BJ) à ca. 51 ka, le QXZ à ca. 7–8 ka (ce travail), et le ME à 946–947 CE3. Ces enregistrements éruptifs ont été liés à l'évolution magmatique de dominante basaltique à trachyte à bimodale comendite-trachyte au cours des 100 derniers ka, les interactions trachyte-comendite (recharge, mélange et hybridation) jouant un rôle clé dans la cyclicité explosive de l'éruption46.

Nos nouvelles données fournissent une perspective historique de la cristallisation du zircon sur la dynamique du magma au CBS-TC. Les données 238U – 230Th révèlent des âges de cristallisation du zircon largement uniformes avec une moyenne de 18,1 ± 2,7 ka, en omettant deux analyses plus anciennes avec ca. 59 ka âges. Cet âge est similaire, bien que légèrement plus ancien que l'âge moyen de cristallisation du zircon de 12,2 ± 1,1 ka pour le QXZ16, et indique un écart d'au moins 5 à 10 ka entre la cristallisation du zircon et l'éruption, une période minimale pour le rythme d'évolution du magma compte tenu du fait que le zircon ne cristallise que dans des compositions magmatiques comenditiques hautement évoluées. Les isotopes Ra/Th suggèrent que la résidence du magma pour l'événement ME est d'environ 6 à 10 kyr37. Cette échelle de temps est en accord étroit avec les échelles de temps de résidence des zircons rapportées ici et précédemment pour le QXZ et peut indiquer une échelle de temps caractéristique pour la résidence pré-éruptive du magma à Changbaishan-Tianchi. La différence mineure mais significative dans les âges de cristallisation de la jante trouvée pour notre échantillon QXZD et celui de Zou et al.16 pourrait être due à la sélection préférentielle de gros cristaux pour notre étude ZDD qui peut représenter un stade de croissance plus précoce. Le même magma contenant ca. Des cristaux de zircon de 12 ka ont été prélevés lors d'une éruption explosive à env. 1 ka, mais différentes populations de zircons - plus jeunes et plus âgées que ca. 12–18 ka—sont contenus dans les gisements ME16. Cela implique que le réservoir de magma de la comendite QXZ contenait d'une part des parties évoluées encore plus anciennes contenant des antécristaux de zircon qui ne se sont peut-être remobilisés qu'avant une très grande éruption, et d'autre part, que le système magmatique était capable de rajeunissement et de croissance renouvelée du zircon, éventuellement déclenchée par une recharge répétée de magma dans le réservoir pré-éruptif.

De nouvelles expériences de datation directe ZDD et 40Ar / 39Ar, soutenues par une précédente expérience indirecte 14C indiquent maintenant un âge d'éruption de 7,0 ± 0,9 ka pour le QXZ du CBS-TC. L'âge révisé prend en charge les corrélations avec les cendres distales dans l'est de la Chine et le centre du Japon et établit une éruption significative (estimée à l'indice d'explosivité volcanique 5+) qui peut fournir un marqueur stratigraphique holocène utile en Asie de l'Est. Le nouvel âge indique que la lave QXZ n'enregistre pas ca. 17 ka Hilina Pali / Tianchi excursion du champ géomagnétique, mais plutôt une excursion Holocène plus jeune, peut-être locale, non reconnue jusqu'à présent à ca. 7–8 ka. De plus, le déclenchement éruptif dû à la déglaciation après le dernier maximum glaciaire doit être réévalué. La comparaison entre la cristallisation du zircon U – Th et le nouvel âge d'éruption indique une période prolongée d'accumulation du magma QXZ d'env. 18 ka à l'âge de l'éruption, indiquant une remobilisation et un mélange de cristaux formés tôt (antécristaux) et avec des autocristaux. Sur la base de ces résultats, la résidence magmatique pré-éruptive d'env. 7 ka pour le système magmatique Changbaishan-Tianchi se trouve sur les deux derniers cycles éruptifs majeurs.

Un échantillon unique (QXZD) du front d'écoulement distal (Fig. 1) de la lave clastogène comendite proximale QXZ a été traité pour le zircon par broyage, panoramique, séparation magnétique et prélèvement sous un microscope binoculaire. La plupart des zircons mesuraient entre 100 et 200 µm de long et avaient un rapport d'aspect de 1:3 à 1:4.

Les cristaux de zircon ont été doublement datés en utilisant des méthodes combinées de déséquilibre U-Th et (U-Th)/He dans le laboratoire HIP de l'Université de Heidelberg (Allemagne) et dans l'installation de thermochronologie de l'Australie occidentale (WATCH) au Centre John de Laeter (Université Curtin, Perth, Australie), respectivement, en suivant les procédures détaillées dans Friedrichs et al.47 et Danišík et al.22,48.

Les analyses par spectrométrie de masse à ionisation secondaire (SIMS) au laboratoire HIP ont utilisé une microsonde ionique CAMECA ims 1280-HR réglée pour pulvériser des ions secondaires positifs avec un faisceau de 16O filtré en masse d'environ 50 nA focalisé sur un diamètre de tache d'environ 30 à 40 µm. Les ions secondaires ont été collectés en multi-collecte dynamique à l'aide de coupes de Faraday pour 232ThO+ et 238UO+, et de multiplicateurs d'électrons pour toutes les autres espèces (différentes espèces de Zr2O3+, 230Th+ et bruits de fond). Les facteurs de sensibilité relatifs pour ThO et UO ont été calibrés indépendamment à l'aide de 232Th et 238U mesurés, et la précision a été contrôlée en analysant la référence de zircon à l'équilibre séculaire AS3 en réplique, pour laquelle une moyenne (230Th)/(238U) = 1,011 ± 0,009 (carré moyen des écarts pondérés MSWD = 0,75, n = 14) a été obtenu. Les âges modèles pour les jantes en zircon QXZD ont été calculés sous forme d'isochrones à deux points ancrés à la composition de la roche totale de Changbaishan à partir de Zou et al.16 (238U)/(232Th) = 0,634 ± 0,010 et (230Th)/(232Th) = 0,711 ± 0,010.

Pour les analyses (U-Th)/He à l'installation WATCH, des cristaux de zircon ont été extraits des montures In précédemment utilisées pour l'analyse SIMS, photographiés et mesurés pour les dimensions afin de calculer le facteur de correction d'éjection alpha49,50, et transférés individuellement dans des microtubes de niobium. Le 4He radiogénique a été extrait dans un instrument Alphachron à ~ 1250 ° C sous ultra-vide à l'aide d'un laser à diode et son volume a été mesuré par dilution isotopique sur un spectromètre de masse QMG 220 M1 Pfeiffer Prisma Plus. Un « ré-extraction » a été effectué après chaque échantillon pour vérifier le dégazage complet des cristaux. Les résultats des gaz He ont été corrigés à blanc en chauffant des tubes de Nb vides en utilisant la même procédure. Après les mesures de 4He, des microtubes de Nb contenant les cristaux ont été extraits de l'Alphachron, dopés avec 235U et 230Th, et dissous dans des récipients de digestion acide de Parr dans deux cycles d'acides HF, HNO3 (cycle 1) et HCl (cycle 2) suivant les procédures décrites dans Evans et al.51. Les solutions d'échantillon, de blanc et d'étalon enrichi ont ensuite été diluées avec de l'eau Milli-Q et analysées par dilution isotopique pour 238U et 232Th, et par étalonnage externe pour 147Sm sur un ICP-MS haute résolution Element XR™. L'incertitude analytique totale des datations non corrigées (U–Th)/He a été calculée en propageant les incertitudes des mesures de U, Th, Sm et He. Les dates non corrigées (U–Th)/He ont été corrigées en Ft d'après Farley et al.52 en supposant une distribution homogène de U et Th. La précision de la procédure de datation du zircon (U–Th)/He a été contrôlée par des analyses répétées du zircon de Fish Canyon Tuff (n = 4) mesuré comme étalon interne, donnant un âge moyen (U–Th)/He de 28,5 ± 1,5 Myr il y a (2σ), compatible avec l'âge de référence (U–Th)/He de 28,3 ± 1,3 Myr il y a52. Les dates Ft-corrigées (U-Th)/He ont ensuite été corrigées pour le déséquilibre et la résidence pré-éruptive des cristaux en utilisant le logiciel MCHeCalc53 qui nécessite comme paramètres d'entrée les âges et incertitudes du zircon (U-Th)/He corrigés Ft, les âges et incertitudes de la cristallisation du zircon, et les paramètres D230 et D231 décrivant le fractionnement de Th et Pa par rapport à U. Le D230 a été calculé en divisant le Th mesuré Rapports /U des zircons par Th/U de roche totale mesurés. Pour D231, une valeur de 3,3 a été adoptée sur la base d'une moyenne des valeurs publiées du coefficient de partage de fusion zircon-rhyolite Pa/U54,55,56. Les dates corrigées du déséquilibre (U – Th) / He (14 répétitions par échantillon) ont ensuite été utilisées pour calculer la moyenne pondérée par les erreurs et l'intervalle de confiance à 95%, qui sont interprétés comme l'âge d'éruption représentatif (appelé âge d'éruption ZDD) et son incertitude, respectivement. Les résultats des expériences de déséquilibre U – Th et ZDD sont présentés dans le tableau 2, la figure 2 et le tableau S1.

Des échantillons manuels de roches volcaniques sélectionnées (Fig. 1; QXZC) ont été prélevés pour la datation 40Ar/39Ar. Des séparations minérales de sanidine et d'anorthoclase ont été produites à l'Oregon State University à l'aide de techniques conventionnelles telles que le concassage, le tamisage (> 850 μm), le lavage, le bain à ultrasons et l'utilisation de séparations magnétiques à l'aide d'un séparateur magnétique FrantzTM modèle LB-1. Les minéraux séparés ont été nettoyés en rinçant chaque échantillon à l'eau froide, puis en les lavant dans un nettoyeur à ultrasons pendant 15 minutes en utilisant de l'eau triplement distillée (eau Milli-Q), puis séchés dans une étuve à 55 °C. Un soin particulier a été pris pour éliminer tout matériau d'altération de la masse souterraine en utilisant une procédure de lixiviation acide intensive utilisant une combinaison de HCl et HNO3 à différentes forces d'acide et séché dans un four de séchage à 55°C57. Les concentrés de sanidine et d'anorthoclase ont ensuite été traités avec une solution à 15 % de HF pendant 7 minutes pour éliminer le verre adhérent. Les concentrés minéraux ont été placés dans une solution d'hétéropolytungstate de lithium (LST) en utilisant une densité de 2,582 pour faire flotter l'anorthoclase et couler tout plagioclase ou anorthoclase éventuel avec de lourdes inclusions. Les échantillons ont ensuite été lavés avec de l'eau Milli-Q et essayés à 55 °C. Une fois les échantillons séchés, ils ont été re-tamis entre 250 μm pour éliminer les fractions plus fines produites par le nettoyage aux ultrasons. Les séparations finales ont été obtenues à l'aide d'un microscope binoculaire pour obtenir des puretés > 99,9 %.

Les déterminations d'âge pour les séparations de sanidine et d'anorthoclase ont été obtenues au laboratoire d'argon de l'Université d'État de l'Oregon à Corvallis, Oregon, en utilisant un chauffage au laser CO2 incrémentiel et/ou des méthodes de fusion totale et analysées sur un spectromètre de masse à gaz noble multi-collecteurs. Des séparations d'anorthoclase, ainsi que des moniteurs de flux de sanidine (FCT-2-NM avec un âge calibré de 28,201 ± 0,023 Ma, 1σ; d'après Kuiper et al.58), ont été placés dans l'ensemble d'irradiation 16-OSU-02 et irradiés pendant 0,5 mégawattheures en position CLICIT au réacteur nucléaire TRIGA de l'Oregon State University (OSU). Les échantillons irradiés ont été chargés dans des planchettes en Cu dans une chambre d'échantillonnage à ultra-vide et chauffés progressivement en balayant un faisceau laser CO2 Synrad défocalisé de 25 W à des puissances laser croissantes selon des modèles prédéfinis sur l'échantillon, afin de libérer uniformément l'argon des échantillons. Les échantillons ont été analysés à l'aide de la méthode de fusion totale, où chaque cristal (ensemble de 30 cristaux pour chaque échantillon) a été chauffé à pleine puissance (puissance de 26 %), ou par la méthode de chauffage incrémentiel monocristallin (SCIH). Il faut noter que notre système laser n'a pas été calibré pour connaître les températures exactes. Ce système n'a pas été calibré pour obtenir des températures exactes. Après chaque étape de chauffage ou cycle de fusion totale, et avant l'analyse, les gaz réactifs ont été nettoyés pendant 90 s à l'aide d'un ensemble de getters AP10 Zr-Al ; 2 hot getters opérés à 450°C et 2 à température ambiante (21°C). Les mesures isotopiques de l'Argon ont été effectuées à l'aide d'un spectromètre de masse à gaz Noble Thermo ScientifictM Argus-VI (spectromètre "D" au laboratoire OSU) qui a 5 collecteurs F (équipés d'une résistation 1012 ohm pour les masses 39ar, 38ar et 37ar) et 1 ion-tion pour les masses 39ar, 38ar et 37ar) et 1 ion-wric . Cette configuration permet de mesurer simultanément tous les isotopes de l'argon, avec la masse 36 sur le multiplicateur et les masses 37 à 40 sur les quatre faradays adjacents. Cette configuration offre également l'avantage de fonctionner en mode multi-collecteur complet tout en mesurant le pic le plus bas (sur la masse 36) sur le multiplicateur d'électrons hautement sensible (CDD) situé dans une position à côté du collecteur Faraday de masse la plus faible qui, à son tour, a un bruit d'obscurité extrêmement faible et un rapport pic/bruit très élevé.

Tous les âges ont été calculés en utilisant la valeur corrigée de la constante originale de Steiger & Jäger59 pour la désintégration totale de 40 K à 40Ar avec une nouvelle valeur de 5,530 ± 0,097 × 10–10/an (2σ) comme indiqué par Min et al.60. Pour toutes les autres constantes utilisées dans les calculs d'âge, nous nous référons au tableau 2 de Koppers et al57. Les valeurs J individuelles pour chaque échantillon ont été calculées par extrapolation parabolique du gradient de flux mesuré par rapport à la hauteur d'irradiation et donnent généralement des incertitudes de 0, 06 à 0, 13% (1σ). Les âges calculés ont utilisé le rapport supposé 40Ar/36Ar piégé de 295,5. Les âges de plateau de chauffage incrémentiel et les âges isochrones ont été calculés sous forme de plateau, de mini-plateau ou de moyenne pondérée avec 1/σ2 comme facteur de pondération61 et comme ajustement des moindres carrés YORK2 avec des erreurs corrélées62 à l'aide du logiciel ArArCALC v2.6.2 de Koppers63 disponible sur le site Web suivant http://earthref.org/ArArCALC/. Toutes les incertitudes d'âge présentées sont 2-sigma. Les âges de fusion totaux de la sanidine (s'ils sont obtenus) sont des âges de probabilité moyens pondérés également connus sous le nom de diagramme d'idéogramme. Les âges sont calculés sans l'incertitude de la valeur J. Les résultats sont présentés dans le tableau S2 et présentés dans le spectre d'âge se trouvent dans la figure S2.

Toutes les données obtenues dans cette étude sont disponibles dans les fichiers supplémentaires de ce manuscrit.

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Cette recherche a été soutenue par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (41872254, 41911540472). Nous sommes reconnaissants au Dr Joe Stoner du CEOAS OSU pour les discussions et les conseils sur le champ géomagnétique de l'Holocène. Jade Bowers est reconnue pour son aide dans les analyses de zircon SIMS U-Th rapportées ici. Nous apprécions également la coopération et l'assistance du parc national de Changbaishan.

Station nationale d'observation et de recherche du volcan Jilin Changbaishan, Institut de géologie, Administration chinoise des tremblements de terre, Pékin, 100029, Chine

Parce que M.

Collège des sciences de la Terre, des océans et de l'atmosphère, Université d'État de l'Oregon, Corvallis, OR, 97331, États-Unis

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

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

Martin Danišík

Institut des géosciences, Université de Heidelberg, Heidelberg, 69120, Allemagne

Axel K. Schmitt

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SLdeS. et le plan de recherche conçu par BP. BP, SLdeS., MD, AK Schmitt et DPM, ont rédigé le manuscrit. MD et AKS ont effectué les analyses et expériences ZDD. DPM a effectué les analyses et expériences 40Ar/39Ar.

Correspondance à Shanaka L. de Silva.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Pan, B., de Silva, SL, Danišík, M. et al. L'éruption de Qixiangzhan, volcan Changbaishan-Tianchi, Chine/RPDC : nouvelles contraintes d'âge et leurs implications. Sci Rep 12, 22485 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-27038-5

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Reçu : 16 octobre 2022

Accepté : 23 décembre 2022

Publié: 28 décembre 2022

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

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