测年方法20110323

测年方法及其应用地理学研究方法之提要0.引言1.14C2.137Cs3.210Pb4.10Be5.树木年轮测年6.其他7.小结引言A.地学研究：地质学研究地球的历史；地理学研究现代地理环境的形成与演化，研究现代地表过程作用的强度与方向。B.时间问题：地球上的重大环境变化/事件是何时发生的？在各地是否具有同时性？孰先孰后？变化速率如何？•时间标尺：共同基础，客观性、准确性、精度与误差•Withoutreliableestimatesoftheageofeventsinthepastitisimpossibletoknowifchangesoccurredsynchronouslyorifcertaineventsledorlaggedothers.Norisitpossibletoassesstheratesofchange.C.断代与测年•相对年代的确定：地层层序律/叠置、构造顺序律/穿插、侵蚀-堆积序列/地貌、化石顺序律（也借助考古学和历史学知识、地层磁性）断代；•缺点：–只能判断事件的新老顺序，不能确定其发生、发展的具体时间，–对比标志不具备同时性或等时性基础，如：标准化石/生物的演化树。角度不整合的必经阶段与相对年代生物演化的阶段性•绝对年代的测定：放射性年代学，放射性核素衰变形成新的核素，原有核素随时间减少，并产生特征核辐射，衰变过程有严格的时间规律。即：N=N0e-λt式中：N现存原子数，N0原有原子数，λ核素衰变常数(T1/2=ln2/λ)，t核素衰变所经历的时间•计算年龄的公式为:t=1/λln（N0/N）•不同核素的衰变都有自己的特征核辐射，如α射线、β射线、γ射线。•232Th钍-1.4×1010y→228Ra镭-β¯5.76y→228Ac锕-β¯6.13d→228Th钍-α1.913y→•••→208Pb铅（11次衰变结果）•α粒子由2个质子和2个中子组成，即氦原子核42He，22890Th-α→22488Ra+42He•选用适当的仪器，探测到一种核辐射，就等于观察到它所表征的核素。•探测放射性核素的技术所观测到的是该核素的原子的数目，灵敏度极高。D.放射性年代测定方法•以单一核素衰变为基础测年，如：14C；230Th；10Be；26Al；36Cl；210Pb等。•以放射性衰变中母子体的关系为基础测年，即找到母子体核素对，测出其在地质体中的含量，来计算年龄。如：238U-226Ra法；238U-206Pb法；40K-40Ar等。•以核辐射效应为基础的测年技术，如释光，分热释光(TL:Thermoluminescence)和光释光(OSL:OpticallyStimulatedluminescence)；电子自旋共振(ESR)；裂变径迹(Fissiontracks)等。一、14C测年•基础知识•样品的采集•测年范围与精度•树轮订正•应用实例A.基础知识宇宙射线/中子10n147N11H146CO214C的形成、交换与沉积CO242He168OCO2CO2CO2CO2CO2CO2土壤有机质、动植物残体……有机淤泥、生物遗体、无机碳酸钙？14C测年的前提条件•大气14C放射性稳定不变，碳交换达到动态平衡：产生率衰变率，生物圈大气圈水圈，不同高度、纬度的不同含碳物质14C放射性原始水平在10%的误差范围内是基本相同的，因此，被测样品大气曾经是平衡的。•样品碳停止与大气的交换后，处于封闭环境中，则14C测定的年代为样品停止与大气交换的年代，即生物死亡年龄或碳酸盐类沉积的年龄。B.采样的采集•适用样品–有机碳样品：生物有机体物质及其制成品，含有机质的沉积物；–无机碳样品：碳酸盐岩类，空气、水、冰雪•采样要求–样品的代表性：针对研究内容；–样品的原生性：样品的封闭性与污染问题；–样品具有14C初始浓度：与现代碳标准类同；–采样的系统性：不同层位，不同物质。•常规14C测年样品及采样量样品物质采样量/g样品物质采样量/g木头＞50泥碳500木炭＞20淤泥、粘土＞1000贝壳、珊瑚~200骨头2000毛发、编织、种子100土壤＞1000•不同测年技术的样品量–常规14C测年采用液体闪烁计数器/液闪法进行放射性计数，需碳量2~6g，富碳样品（贝壳、泥炭等）需200~500g，贫碳样品（土壤、沉积物等）需~1000g。–小样品制样和测量系统需碳量100~500mg，采样量10~50g即可。–加速器质谱法（AMS）需碳量1~10mg，采样量1~10g即可。C.测年范围与精度•有人说：14C测年技术可以对一个三、四千年的样品做到±10a的精度，可信吗？•14C半衰期5730±40a，5568±30a；•常规14C测年技术有效测年范围为10个半衰期，即~50000a，采用加速器质谱技术测定年限可达~100000a；•AMS计数方法的精度达2.5%以上，即2000±20a；•高精度14C测试技术与树轮年龄校正曲线结合，确定全新世以来的日历年龄，误差可达±10a。D.树轮校正AtmosphericdatafromStuiveretal.(1998);OxCalv3.9BronkRamsey(2003);cubr:4sd:12probusp[chron]4200CalBC4000CalBC3800CalBC3600CalBCCalibrateddate4800BP4900BP5000BP5100BP5200BP5300BP5400BPRadiocarbondeterminationBA03413:5050?0BP68.2%probability3950BC(54.1%)3840BC3820BC(14.1%)3790BC95.4%probability3960BC(93.6%)3750BC3740BC(1.8%)3710BC500-3500BC的日历年、14C年和校正年数日历年/BC日历年/aBP14C年/aBP校正年数/a日历年/BC日历年/aBP14C年/aBP校正年数/a500245024428(0)210040503697353(10)6002550252723(1)220041503789361(10)70026502471179(7)230042503859391(10)80027502638112(4)240043503881469(12)9002850277278(3)250044504075375(9)100029502840110(4)260045504101449(11)110030502926124(4)270046504165485(12)120031502978172(6)280047504208542(13)130032503050200(7)290048504308542(13)140033503119231(7)300049504368582(13)150034503255195(6)310050504485565(13)160035503313237(7)320051504536614(14)170036503450200(6)330052504490760(17)180037503506244(7)340053504719631(13)190038503581269(8)350054504679771(16)200039503620330(9)注:aBP距今年/1950，“校正年数”列括号中数字为校正年数占14C距今年数的百分比/％2.6～40.0kaBP的日历年、14C年和校正年数日历年/kaBP14C年/kaBP校正年数/a日历年/kaBP14C年/kaBP校正年数/a2.62.50.1(4)11.410.01.4(14)3.23.00.2(6)13.011.02.0(18)3.83.50.3(8)14.012.02.0(17)4.44.00.4(10)15.513.02.5(19)5.14.50.6(13)16.814.02.8(20)5.75.00.7(14)18.015.03.0(20)6.86.00.8(13)23.520.03.5(18)7.97.00.9(13)29.025.04.0(16)9.08.01.0(13)34.530.04.5(15)10.19.01.1(12)40.035.05.0(14)注:kaBP距今千年，“校正年数”列括号中数字为校正年数占14C距今年数的百分比/％E.应用实例丰宁黑沙土古土壤剖面邱维理等，2005，第四纪研究，25（6）：729-740黑沙土剖面14C测年结果土壤年龄的14C测定及其含义•土壤剖面的可测物质–土壤腐殖质：胡敏酸、富里酸、胡敏素–动植物残体：枯枝落叶、孢粉、碳屑等–无机碳沉积：钙结核等•引起误差的原因二、137Cs铯测年•基础知识•测年范围与精度•采样要求•应用实例A.基础知识•137Cs是人工大气核试验释放的核素之一，大气核试验始于1950年代/俄、日核泄漏。•该类核素在大气平流层中运移，停留时间约数月至1、2年，然后沉降到地表。•冰雪、海洋、湖泊沉积物（连续性）中完整地记录了核试验的历史。•根据核试验高峰期的年代和核素137Cs在沉积物中的分布对应，确定峰位的年代，从而求得近代沉积物的沉积速率及年龄。大气核试验爆炸当量及Pu钚、Sr锶随时间的分布格陵兰冰盖南极罗斯冰架1美2苏3英4法中密西根湖137Cs的分布a.估算的大气通量b.实测和计算的137Cs分布受湖底沉积表层孔隙水和水底微生物活动影响，核素发生迁移，即存在生物混合作用,下移2cm•测年范围与精度50~60a以来，与210Pb结合•采样要求连续沉积，无扰动•应用实例在土壤侵蚀研究中的应用S.Haciyakupoglu,etal.2005,Catena,64:222–231Examplesof137CsdepthprofilesfromthereferencesiteatTepecik(A1)andthereferencesiteatRiva–Kurtdogmus(A2)ineasternIstanbul137Csdepthprofilesfortheeroding(B1)anddepositional(B2)sitesintheuncultivatedareaatPamuktepe.Ifitisassumedthatthetotal137Csfalloutoccurredin1963,andthatthedepthdistributionofthe137Csinthesoilprofileisindependentoftime.黄土高原小流域土壤侵蚀（张信宝等，中国科学D，2007）云台山沟Ⅰ号坝沉积剖面的137Cs含量与黏粒(0.002mm)含量的深度变化三、210Pb测年•基础知识–210Pb是铀系衰变的中间产物，来自地层，或由逸散到大气层中的222Rn氡进一步衰变、并随降水沉降到地面，表层混合。–样品中所测210Pb=过剩（沉降）+补偿（逸出）。–222Rn的半衰期为3.8天，平均寿命5.5天，无法与大气充分交换，故不同地区210Pb沉降通量不同。•测年范围与精度–半衰期22.26a，测年范围＜100~150a，•采样要求–连续沉积区，粘土淤泥，干样品量5g，避免扰动。•应用实例210Pb活度随深度的变化衰变区：210Pb活度随深度/时间减弱混合区：斜率与混合程度有关本底区：补偿来源210Pb活度深度本底区沉积速率v=0.115cm/a贺怀宇等，2000，第四纪研究，20（6）四、10Be测年•基础知识–宇宙成因核素之一，测试地表暴露年龄。•测年范围与精度–半衰期1.5×106a，下限~1000a，上限~6×106a，测试误差＜5%~7%。•采样要求–裸露地表的基岩、地面沉积物石英、橄榄岩等，AMS测试：纯石英10~200g，岩石样品＜500g。五、树木年轮测年•基本原理–树木年轮基本上代表树木生长年龄。•测年范围与精度–＞10000a，±1a。•采样要求–树木年轮清晰，影响因子明确，生命期季节变化明显。•应用实例：