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火山灰扩散模型揭示 Poás 火山过去5万年的复杂喷发史及季节性危害差异，通过整合60余处火山灰地层学与19个新放射性碳年代测定，建立了高精度年代框架，发现 Holocene 时期喷发模式从 flank 侧向喷发转向 summit 爆发，并模拟干湿季风影响下 VEI2-4 级喷发的火山灰覆盖范围，为中美洲人口密集区灾害评估提供新依据。
保罗·伊达尔戈（Paulo Hidalgo）|吉列尔莫·E·阿尔瓦拉多（Guillermo E. Alvarado）|瑞安·库里尔（Ryan Currier）|安杰利卡·格里尔（Anjelica Guerrier）|拉斯·柯恩（Russ Kirn）|安德里亚·麦克卢尔（Andrea McClure）
美国乔治亚州立大学地球科学系，38 Peachtree Center Avenue, Langdale Hall, Suite 730, 亚特兰大, GA 30303
摘要
哥斯达黎加的波阿斯火山（Poás volcano）对人口密集的中央山谷（Central Valley）构成了重大威胁。然而，由于植被茂密以及缺乏可靠的地质年代学数据，人们对它的长期喷发历史了解不足。本研究通过整合来自60多个地点的详细火山灰地层记录和19个新的放射性碳测年结果，建立了过去5万年的新年代地层框架。研究发现，波阿斯火山的喷发活动非常复杂，包括普林尼式（Plinian）、次普林尼式（sub-Plinian）、斯特龙博利式（Strombolian）、蒸汽岩浆作用（phreatomagmatic）和蒸汽爆炸（phreatic）等多种形式。全新世时期，火山活动主要集中在山顶，从博托斯锥（Botos cone）的形成到现代火山口的形成发生了显著变化。在过去的约5000年里，波阿斯火山以频繁的低强度喷发（VEI ≤ 2）为特征，这与晚更新世时期的强烈普林尼式喷发不同。为了评估现代火山灾害，我们使用Ash3D模型模拟了历史上的（VEI 2级）和可能的最大强度（VEI 4级）喷发的火山灰扩散情况。模型显示，季节性风速变化对火山灰的扩散范围有重要影响：旱季（1月至4月）的喷发会将火山灰向西南方向输送至圣何塞（San José）等主要城市，而雨季（5月至11月）的喷发则会在西部形成更集中、含量更高的火山灰沉积。VEI 4级喷发可能对关键基础设施（如国际机场和水电站）造成严重破坏，具体受影响区域取决于季节。这项研究提供了详细的喷发时间线，对于制定更精确的灾害地图和风险模型至关重要。
引言
尽管波阿斯火山频繁发生爆炸性喷发，但对火山灰沉积物的数值年代测定主要局限于历史事件（Raccichini和Bennett, 1977; Casertano等, 1983; Alvarado, 2009; Mora, 2019），这导致该地区的长期喷发历史存在明显空白。火山灰沉积层是宝贵的沉积记录（Alloway等, 2006），它们提供了有助于确定过去喷发类型、岩浆系统化学演化以及火山风险评估中相关风险和不确定性的时间平行信息。
本研究通过分析晚更新世至全新世期间的火山灰沉积物，详细探讨了哥斯达黎加波阿斯火山的喷发历史和喷发特征。我们特别关注过去约5万年的数据，因为这一时间段是放射性碳14C测年方法的实际上限，这是本研究用于构建高分辨率年代地层框架的主要地质年代学工具。
中央山谷（Valle Central）是哥斯达黎加社会和经济发展的核心区域（Alvarado, 2000; INEC, 2022）。该地区北侧是中央山脉（Cordillera Central），其中包含两个重要的火山群：巴尔瓦火山（Barva），自西班牙人到来后一直处于休眠状态；以及波阿斯火山（Poás），它从历史时期起就持续活跃，目前仍会发生蒸汽岩浆和蒸汽爆炸现象（Ruiz等, 2019; Mora-Amador等, 2019）。这两个火山中心距离首都和主要国际机场均不超过33公里。波阿斯火山周边地区的经济主要依赖旅游业和农业，但受到火山活动的威胁。
波阿斯火山的近期喷发导致波阿斯国家公园暂时关闭，游客无法进入；同时，酸性降雨和火山灰对格雷西亚（Grecia）的植被造成了破坏。该地区最大的人口中心阿拉胡埃拉（Alajuela）距离波阿斯火山仅45公里，而拥有数千居民的小镇波阿西托（Poasito）则位于火山活跃火山口仅10公里处。鉴于这些社区与哥斯达黎加最活跃火山的邻近性，制定准确可靠的灾害地图十分必要。这些地图有助于识别高风险区域，确保居民安全，指导应急响应，并减轻对生命和基础设施的潜在威胁（Sparks等, 2013; Rougier等, 2013）。
目前，哥斯达黎加应急委员会（CNE）等机构绘制的灾害地图主要基于粗略的地层调查。然而，由于缺乏过去5万年的详细放射性碳测年数据，这些评估存在较大不确定性。没有准确的过去喷发事件年代信息，难以准确模拟火山灰扩散或确定喷发频率，从而限制了灾害地图的有效性。通过建立完整的5万年喷发历史，本研究为减少这些不确定性、完善区域灾害模型提供了必要的地质年代学基础。
有一份专门研究波阿斯火山的文献集，其中包含地质学、岩石学、地球物理学和地球化学方面的研究成果（Tassi等, 2019）。不过，该文献集缺乏最近几千年的详细记录（Mora Amador等, 2019; Ruiz, 2010; Ruiz等, 2019; Alvarado和Gans, 2012）。尽管地质学研究为波阿斯火山的主要地质单元提供了年代数据，并有火山灰地层学研究作为补充（Abarca等, 2006），但已发表的波阿斯火山喷发事件的放射性碳年龄数据非常有限（Malavassi等, 1990; Prosser, 1987）。因此，过去5万年的地质年代记录严重缺失。表1列出了在波阿斯火山地区进行的研究项目。
这些知识空白的原因在于茂密的植被遮蔽了地质露头。再加上缺乏地质年代学数据，植被覆盖可能导致火山灰层之间的错误关联和来源判断，从而影响火山灾害的量化。此外，在波阿斯火山的西南侧，巴尔瓦火山及其次级喷发中心的火山灰层可能相互叠加，形成复杂的地层结构，仅靠火山灰地层学关联难以解析（Alvarado和Salani, 2004）。
本研究旨在通过构建波阿斯火山5万年的完整喷发历史来解决这些地层学问题。我们使用了前所未有的大量新放射性碳14C测年数据，以准确确定火山灰层的来源和年龄。通过建立这一可靠的年代地层框架，我们为重新解读火山灰扩散提供了基础，并将其应用于预测性灾害模型，评估季节性变化（特别是旱季12月至4月与雨季5月至11月）对火山灰分布的影响。这种综合方法对于制定这一人口密集地区的精确灾害地图至关重要。
地层概述
该地区的活跃火山活动是由科科斯板块（Cocos Plate）在中美洲西海岸俯冲到加勒比板块（Caribbean Plate）下引起的（图1）。由此形成的中央山脉（Cordillera Central）由安山岩盾状火山和成层火山组成，其地质历史可追溯至更新世至全新世。波阿斯火山的演化过程大约持续了60万年，传统上分为三个主要阶段：
地质年代学
我们基于该地区约28个精心采集的地层柱建立了准确的相关性，并参考了Abarca等（2006）的35个地层柱（图3）。这些地层柱大多采集于间距至少50米的道路切割面上，以确保全面覆盖研究区域。选择地层柱的位置时，优先考虑了露头的质量和沉积物的暴露情况，以确保数据可靠性。
结果
本节总结了我们的主要研究结果，首先介绍了基于放射性碳测年得出的新年代地层框架。接着描述了通过野外工作和相关性分析确定的火山单元，最后展示了历史喷发的定量分析和火山灰扩散模型的结果。
地层相关性
该地区的先前研究往往缺乏连续的火山灰地层年代学框架。在我们的对比地层中，我们识别出至少15次显著的爆炸性喷发事件，这些事件发生在过去约5万年内。这些沉积物可分为四个主要的喷发单元：波阿斯火山渣凝灰岩（Poás lapilli tuff）、拉皮利A层（Lapilli A bed）、萨巴纳雷东达段（Sabana Redonda Member）和全新世山顶火山灰（Holocene summit tephras）。这些单元通过发育良好的古土壤在地层上得到区分。
CRediT作者贡献声明
瑞安·库里尔（Ryan Currier）：撰写初稿、可视化制作、验证、软件应用、方法论设计。安杰利卡·格里尔（Anjelica Guerrier）：撰写初稿、项目管理、方法论设计、概念构思。拉斯·柯恩（Russ Kirn）：撰写初稿、项目管理、方法论设计、概念构思。安德里亚·麦克卢尔（Andrea McClure）：撰写初稿、项目管理。保罗·伊达尔戈（Paulo Hidalgo）：审稿与编辑、撰写初稿、项目管理、资金筹集、概念构思。吉列尔莫·E.
未引用文献
Alfaro, 2003; Barahona, 2003; Bonadonna和Costa, 2012; Bonadonna和Costa, 2013; Burden等, 2011; Lücke和Arroyo, 2015; Mora-Amador, 2011; Pyle, 1995; Rojas, 2003; Rudín等, 1910; Thorpe等, 1981; Vargas, 2003.利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
我们感谢Francisco Arias、Yakira Chapman、Lisa Duong、Jason Malik、Katherine Morgan、Jacob Mozley、Montanus Trammell、Colin Windmill、Tim Herold、Saidra Hamid、Kate Conell、Jude Waguespack、Chelsea Busch、Lori Farley、Jeff McKeon、Mark Rudell、Kate Schwarz、Diana Snyder、Sybill Kim和Shad Brooks在样本收集和地层柱制作方面的宝贵贡献。同时，我们也感谢SINAC组织，特别是波阿斯国家公园的工作人员。
