想象一下，一座巨大的火山在太平洋西北部喷发，熔岩横贯华盛顿州、俄勒冈州和爱达荷州。想象熔岩涌出，直到河谷被填满。直到灌木丛被埋在液态岩石里。直到最高的树被完全覆盖。
大约1600万年前，这发生了。
熔岩呈脉冲状喷发，最终将该地区掩埋到一座30层建筑的高度。如果熔岩均匀地分布在美国的48个州，而不是集中在西北部，它将覆盖整个国家，深度约为80英尺。
在此之前，大多数地质学家认为，所有这些熔岩花了近200万年才喷发出来，统称为“哥伦比亚河泛滥玄武岩”。但是，普林斯顿大学的研究人员今天发表的研究结果显示，这次火山爆发的速度是此前人们认为的两倍多，其中95%的火山爆发发生在75万年以内。
2018届毕业生乔什·默里(Josh Murray)站在悬崖底部，悬崖上有一层灰色火山灰，发现于两处玄武岩流之间，由此产生的锆石限制了瓦纳普姆玄武岩的年龄。
几个世纪以来，洪水玄武岩一直吸引着地质学家。作为地球上最大的火山活动，它们与大规模灭绝有关，例如2.52亿年前地球历史上最大的灭绝事件。1600万年前并没有大规模的物种灭绝，但在那时发生了一场重大的气候事件，被称为中中新世气候最适宜期(MMCO)，这是一场全球变暖事件，伴随着高温和大气二氧化碳水平的升高。
喷发液态岩石的火山也会释放出温室气体，因此地质学家们想知道洪水玄武岩和MMCO全球变暖事件之间是否存在联系。只有一个问题:在此之前，没有人能确定哥伦比亚河泛滥玄武岩的时间。
“为了回答哥伦比亚河泛滥的玄武岩是否导致了MMCO，我们需要尽可能准确地知道火山爆发和气候变化的时间，”地球科学副教授布莱尔·舍恩(Blair Schoene)说。
“简单地说，人们不知道哥伦比亚河玄武岩群爆发的确切时间或时间，这使得探索与MMCO的因果关系变得困难，”研究生珍妮弗·卡斯博姆(Jennifer Kasbohm)说，她是今天发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上的这篇论文的主要作者。
为了帮助解释火山爆发的规模，卡斯博姆将2010年冰岛埃亚菲亚德拉冰盖的爆发比作火山爆发。她说:“冰岛火山爆发使欧洲的机场关闭了一个星期，影响了1000万名旅客。在接下来的一个月里，航空公司也出现了周期性的航班中断。”“现在想象一下，连续75万年，每8个月就有一次冰岛火山喷发，这将会给你我们预测的哥伦比亚河玄武岩喷发率。”
三名本科生陪同卡斯博姆和舍恩在实验室和野外完成了自己的项目，同时也为他们的研究做出了贡献:2018届的乔什·默里(Josh Murray)、20岁的萨姆·巴图塞克(Sam Bartusek)和19岁的凯尔·达菲(Kyle Duffey)。卡斯博姆说:“这个项目包括7周的实地考察，很多天的温度都超过了100华氏度。”“我们遇到了一些响尾蛇，许多蜘蛛，友好和乐于助人的当地人，我们设法在该地区的森林火灾前走了一步。”
他们在寻找锆石，一种含有微量铀的微小矿物。随着时间的推移，这种天然放射性物质会衰变为铅，因此地质学家可以利用铀的比例来精确计算锆石的年龄。不幸的是，对于地质学家来说，像哥伦比亚河泛滥这样的玄武岩熔岩流没有合适的化学物质来生成锆石，所以到目前为止，地质学家们不得不接受通过其他年代测定方法产生的、不确定度超过100万年的年代。
“要测试气候和火山爆发之间的因果关系，100万年是不够的，”舍恩说。
研究人员通过观察玄武岩层之间的火山灰层来解决熔岩岩石中锆石缺乏的问题。火山灰来自附近的喀斯喀特火山(包括圣海伦斯火山)，那里确实含有锆石，而且喷发的时间和巨大的熔岩差不多。
华盛顿的帕卢斯瀑布州立公园展示了瓦纳普姆玄武岩熔岩流的绝佳暴露，这是哥伦比亚河玄武岩群第二年轻的形成。
在普林斯顿大学的实验室里，卡斯博姆和舍恩从1600万年前的岩石中分离出0.1毫米大小的锆石，测量了铀和铅的同位素比例，并确定了单个熔岩流的年龄在数万年之内。她说:“对于这个年龄的样本来说，这种精度基本上是你能用任何天文钟所能做到的最好的精度了——尽管10000年听起来很多——所以我们的方法是黄金标准。”
“这是最重要的论文出来的哥伦比亚河洪水玄武岩在十年或二十年,”Stephen Reidel说研究的地质学教授华盛顿州University-Tri-Cities研究自1972年以来这些熔岩流,导致本研究分析。“詹恩和布莱尔考虑观察流动之间火山灰层中的锆石，这一点值得称赞。当然，现在我们必须回去重新计算所有使用旧时间轴或喷发速率的数据。没关系——这是乐趣的一部分。”
通过更精确的时间轴，卡斯博姆和舍恩现在已经表明，史前气候变化确实在火山爆发之初非常接近的时间开始，但需要进一步的工作来确定它们之间的联系。
这个有着1600万年历史的气候变化事件是大气中二氧化碳浓度最后一次超过400ppm——直到最近十年。
卡斯博姆说:“MMCO可能与我们目前的气候类似，进一步调查这次事件发生的时间和持续时间将告诉我们更多关于我们如何期待地球从人为气候变化中复苏的信息。”例如，如果在火山停止喷发后，气候仍然保持温暖100万年(现在看来这是可能的)，那么这将对预测大气对人为造成的全球变暖的反应时间产生重大影响。
“时间很重要，”卡斯博姆说，“无论我们是想了解地球的过去还是未来。利用微小的矿物来讲述这些体积庞大的岩石的故事，这是一件很有力量的事情。”
这篇文章，“哥伦比亚河洪水玄武岩的快速喷发与中中新世气候的最佳相关性”，发表在9月19日的《科学进展》(DOI: 10.1126/sciad .aat8223)上，由国家科学基金研究生奖学金资助。DGE-1656466，由普林斯顿环境研究所通过Walbridge基金和普林斯顿大学地球科学系Scott脊椎动物基金资助。