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Towards Automated Quantification of Volcanic Glass Shards in Cryptotephras

English title Towards Automated Quantification of Volcanic Glass Shards in Cryptotephras
Applicant Abbott Peter
Number 190373
Funding scheme Spark
Research institution Institut für Geologie Universität Bern
Institution of higher education University of Berne - BE
Main discipline Geochronology
Start/End 01.02.2020 - 31.05.2021
Approved amount 99'957.00
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Keywords (3)

Tephrochronology; Image analysis; Cryptotephras

Lay Summary (French)

Lead
Les strates de particules volcaniques peuvent fournir des marques de référence temporels dans les séquences géologiques et archéologiques, cependant, le processus pour les trouver prend du temps. Ce projet vise à améliorer cela en automatisant leur identification. Ceci est important car les strates peuvent être utilisées pour reconstruire les changements passés du climat et de l'activité volcanique et aider à prédire comment le climat peut changer à l'avenir et le risque de perturbation des activités humaines par les éruptions volcaniques.
Lay summary

Lors d'une éruption volcanique, une grande quantité de matière est éjectée dans l'atmosphère, y compris des particules microscopiques de verre formées de lave refroidie. Ces particules, des éclats de verre (tephra), peuvent être dispersées sur des milliers de kilomètres du le volcan. Parce que le tephra se déposent rapidement, quelques jours après une éruption, lorsqu'ils sont incorporés dans les sédiments, ils peuvent fournir des marques de référence dans les sequences géologiques et archéologiques pour le temps de l'éruption. Dans les archives géologiques et archéologiques proches des volcans, les dépôts de tephra sont des strates visibles et faciles à identifier. Cependant, lorsque vous vous éloignez des volcans, ces strates deviennent plus minces et commencent à ne pas laisser d'impression visible, les soi-disant cryptotephras. À ce stade, ils ne peuvent être identifiés qu'en extrayant le tephra dans un laboratoire et en comptant manuellement le nombre d'éclats de verre présents, un processus qui prend du temps.

Ce projet vise à améliorer les méthodes d'identification des cryptotephras en automatisant l'identification et le comptage de tephra dans les sédiments. S'il réussit, ce projet a le potentiel d'augmenter considérablement la vitesse à laquelle les cryptotephras peuvent être identifiés, permettant d'explorer plus de séquences à une résolution plus élevée. La recherche de ces strates dans les archives a deux applications principales. Premièrement, ils peuvent être utilisés pour corréler, synchroniser et dater des séquences qui enregistrent les changements passés du climat et des activités humaines, car les strates de tephra sont des marques de référence temporels. Ceci est important car pour mieux comprendre les changements passés du climat et des activités humaines, il est nécessaire de déterminer quand, à quelle fréquence et à quelle vitesse ces changements se sont produits. Cela nous permet ensuite d'explorer les mécanismes qui ont provoqué ces changements et de prédire si des événements similaires se produiront à l'avenir. De plus, déterminer quand et à quelle fréquence des volcans ont éclaté dans le passé nous aide à prévoir le risque futur de perturbation des activités humaines.

Direct link to Lay Summary Last update: 10.12.2019

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Abstract

Tephrochronology is a multifaceted geochronological technique underpinned by the linking and dating of geological, palaeoclimatic or archaeological sequences using horizons of rapidly deposited volcanic ejecta, tephra layers. Tephrochronology has many significant applications in palaeoenvironmental reconstruction and can be used over a wide range of timescales from tens to tens of millions of years. The primary application is the correlation of disparate palaeoclimatic sequences from a range of depositional environments using the tephra layers as isochronous tie-lines. This can help improve chronological models for palaeoclimatic records to explore the timing, rate, phasing and mechanisms forcing past climatic variations. Other important applications include reconstructing volcanic histories to assess the climatic and environmental impact of past volcanic eruptions, the future risk of disruption to human activity from volcanic eruptions and the interplay between climate and volcanism. Visible tephra layers can be identified in many different depositional sequences, however the technique recently underwent a revolution following the discovery that horizons of volcanic ash, which are not visible upon core inspection due to low concentrations and/or small grain-sizes, are also preserved. These horizons are commonly referred to as cryptotephras. Their discovery has dramatically increased the geographical range over which tephrochronology can be applied. At present, for sedimentary sequences, the most widely utilised method for identifying cryptotephras relies on extracting and identifying glass shards using density separation and manual optical microscopy. This method has been highly successful in advancing the use of tephrochronology, however, it is time and labour intensive and necessitates compromises in the temporal scope and resolution of analyses. The development of new, more efficient cryptotephra identification methods is therefore a priority for further advancing the technique. Various core-scanning methods have been successfully utilised to identify cryptotephras in sedimentary sequences, however, only those composed of high concentrations of glass shards have been routinely identified with cryptotephras that are composed of very low concentrations of glass shards being overlooked. Another possible approach is automated image analysis of particles and prior experimentation with a dynamic imaging system has demonstrated its high potential for distinguishing glass shards. Here we propose to progress this approach by conducting the first assessment of the use of static image analysis for identifying cryptotephras. This proof of concept study aims to first test whether the static imaging system can automatically identify glass tephra shards using a suite of samples covering the full range of morphologies of glass shards that can be observed and also whether it can differentiate between glass shards and other particles present within sedimentary sequences. Following this experimentation, a workflow will be developed and applied to an actual palaeoenvironmental sequence in tandem with existing extraction methods and manual optical microscopy to assess the relative quality and efficiency of the two approaches. If successful, this study has the potential to provide a step change in the efficiency of the methods for the identification of cryptotephras that will be applicable to palaeoenvironmental sequences from around the globe.
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