第四纪测年方法综述

1第四纪测年方法综述摘要：第四纪与人类的关系及其在地质历史中的重要位置，需要高精度高分辨率的测年。第四纪地质学家们改进、发展了许多第四纪的测年方法。文章主要从岩石地层法、生物法、磁性地层法、考古法、放射性定年法等方面讨论了第四纪测年的基本理论及近年的一些研究进展。鉴于我国第四纪工作者对黄土的深入研究，及其在国际第四纪中的重要地位，本文还着重论述了黄土中常用的测年方法。目前，第四纪测年方法的主要进展表现在由于科学技术的提高，如激光显微探测技术等，使得测年的精度、功效显著提高而样品的用量却有了显著的降低，并且拓展了一些测年的应用领域，如电子自旋法应用于冰碛物的测年，其据测年结果建立的序列可与深海氧同位素阶段对比。但要使得测年的可靠性增强，则需要有丰富的地质工作经验，根据所测样品的特征选择恰当的测年方法，且要尽量选择多种适当方法进行对比测年。关键词：第四纪；测定年代；放射性；光释光；裂变径迹；黄土测年；第四纪是所有地质时期中最新也是最短的一个纪，是指约2.6MaBP以来地球发展的最新阶段。由于在这个时期产生了人类及其物质文明，第四纪是自然与人类相互作用的时代，它的过去、现在和未来变化都与人类的生存与发展息息相关。因此，对其的研究显得格外重要，形成了独立的第四纪科学。人们探讨的环境演变一般都局限在第四纪范畴，在这样短的时期，要求更精确的、分辨率更高的测年，以便更准确地确定周期和相位，进行全球性对比，进而认识自然演变趋势和发展规律，为科学地推测过去、认识现在、预测未来找到依据。第四纪地质的某些测年方法和技术与测定前第四纪物质(如K-Ar法)的方法和技术有很大的相似性。建立在各种物理化学和生物作用基础上的前第四纪物质的许多测年方法和技术，稍加改进就可以用以第四纪地质的研究。不仅如此，第四纪学家们也发展了许多专门测定年轻沉积物年龄的方法和技术。从1949年Lebby提出14C法以来，现在可供选择的第四纪测年方法达到几十种，但各种方法的发展过程和应用程度相差较大。各种测年方法及技术归纳起来如表l[1-3]。表l第四纪测年方法(据刘嘉麟等[1]修改．1997)岩石地层法生物法古地磁学考古法放射性定年法其他测年方法地层层序化石放射性同位素法构造层次孢子花粉极性倒转文化古迹宇宙成因核素岩石漆法沉积纹层树木年轮地衣生长法历史文献核辐射效应氨基酸消旋法上述测年方法中一类属数值定年，也就是能给出具体的年龄值，如放射性定年法、树术年轮等；另一类属对比性的定年，即能确定年龄新老，或年龄区间，但不能给出某个样品、某个事件地具体年龄值，如某些岩石地层法、生物法乃至地磁法。在实际的应用中，以上两类方法相辅相成、互相验证。2图1第四纪测年方法的时间范围和各时段方法组合选择图1.岩石地层法此类方法是基于对比进行测年，如地层层序、构造期次仅用于确定地质体形成的时代和新老关系，可适用于任何地质时代，但要想正确的定年，需要有丰富的野外地质工作经验。沉积纹层目前主要用于测定湖泊沉积物，建立古气候、古环境演化的时间序列。纹层(Lamina)是种犹如树轮的沉积纹理[4]。湖泊沉积物的纹泥是由于气候的年旋回而产生的，每个层偶(couplel)包括粗的、浅色(夏季)层和细粒、暗色(冬季)层，代表了一年。这为沉积物本身提供了精确的年代，从现代沉积物表面往下数层偶，也就确定了湖泊的形成或与其有关的特征。如把纹泥确定的相对年龄与用某种沉积物测量的日历年龄相结合，便可建立起高分辨率的古气候时间序列；而且这种季节纹泥不会因为测年技术的发展而改变其相对年龄值，据此也可研究太阳黑子活动的各种周期及一些更短的周期事件(如厄尔尼诺)。2.生物法动物和植物演化在第四纪沉积物的定年中也是非常有用的，但与前第四纪时期相比使用范围不一样，这是因为多数组合的演变速率与包含它们的短时期相比显得太缓慢了。第四纪沉积物中孢子花粉颗粒异常丰富和分布广泛，因而它们比其它任何化石更多地利用来建组合生物带。但由于穿时性，并且可能没有严格的相似物，因而很难用于环境状况重建或难于用于年龄测定和对比。孢粉分析法这是一种利用生物的进化来进行相对年龄测定的经典方法，可以用来测定前寒武纪至第四纪漫长地质历史过程的相对年龄。在第四纪年龄区间，由于时问较短，植物界的属种变化甚微，给该方法的使用带来了一定的困难因而，在第四纪花粉分析研究中，除利用属种变化来确定时代的新老外，还应注重研究现今植物群的分布及环境的变化该方法目前已得到了广泛的应用侧如：第四纪地层的划分和对比、古环境和古气候的研究、推理新构造运动和造山运动，以及考古学和第四纪动物群的研究等[5]。发现于陆相第四纪沉积物中的脊椎动物化石(主要是骨骼和牙齿)，在确定年龄上可能要比其他化石组合迅速一些。如今已证实软体动物对年龄测定有用，特别应用于第四纪早期的测年。以树木生长的年轮的厚度或密度变化为基础的树轮年代学主要特点是准确、连续性强、分辨率高及易3于获取复本等。它广泛应用于气候学、考古学、水文学、生态学、木材解剖学、农业科学、环境科学等方面，其应用领域还在不断的扩展，已成为一门有发展前途的、跨领域的综合性学科。但无论应用何种研究，年表的建立尤为重要。为定年提供服务的长年表在北美洲、欧洲、南美洲、澳洲等都有建立[6]。长年表的建立，可为14C测年提供校准曲线，使14C测年的精度提高。德国建立的橡树年表和松树年表延伸了新仙女木期，使树轮年代学为14C在全新世测年提供了确切的时间控制。我国的树轮年代学起步较晚．近年，我国相应在天山、长白山等一些地区建立了树轮宽度年表。在今后的测年研究中，树轮年代学将会发挥更大的作用。冰川融化或消退后，新近露出的冰碛沉积物或平滑的基岩面开始被地衣群落占据。Beschel(1950)提出地衣的生长速率可用来测量从地表露出以来的时间，通常所选取的地衣种类的年龄已由历史或其它已知年龄的地表面上测定，此外推测定未知年龄的地表面。该方法曾用于测定北极和阿尔卑斯山地区近代冰川后退阶段(Andrew等，1964)[2]。但使用该测年方法应注意地衣生长不受大气圈污染的影响。3.古地磁学方法古地磁学方法是利用岩石天然剩余磁性的极性正反方向变化，与标准极性年表对比，间接测量岩石年龄的方法。地球是以均匀磁化球体，其磁场相当于放在地心的一个磁偶极子的磁场。火成岩温度达到居里点时，便获得磁性，沉积岩和变质岩中含有铁磁性矿物颗粒，三类岩石都会受到形成时的地磁场的作用而磁化，磁化方向与当时地磁场方向一致，这是一种全球现象。地球上任一点的总磁场强度（T）是一个矢量（图1），它可以分解为磁偏角（D）、磁倾角（I）、水平磁场强度（H）、东向水平磁场强度（Y）、北向磁场强度（X）和垂直磁场强度（Z）7个变量，只要知道X、Y、Z或H、D、I3个变量便可求出另外3个变量。从标本中测得的天然剩余磁场要素，便获得古地磁的基本资料。地磁要素和磁极位置都随时间而变化。磁极位置的变化时间长而不显著。而地磁极性方向变化周期则为0.01~1Ma，所以极性变化更适合于第四纪沉积物年龄测量。古地磁极性的正反方向交替变化是古地磁历史的基本特征。正极性是指岩石剩磁的极性方向与现代地球极性方向一致，其磁倾角为正值，磁偏角接近于零。反极性是指岩石剩磁的极性方向与现代地球极性方向相反，其磁倾角为负值，磁偏角接近于180°[7]。图2地磁要素示意图图3深海部分沉积剖面的极性倒转图4地球磁场一直处在周期性的、长期的变化当中。了解其变化的规律，就可以从记录于不同时代岩石单元中的磁性特征来推测其岩石形成时代。由于同位素年代学对沉积岩的测年方法和精度存在一定的局限性，因此磁性地层学研究成为地层划分和对比的一个重要研究手段。它不仅用于地磁场极性变化的研究，而且发展到以岩石学基本参数进行地层的划分和对比。正是根据原生剩磁在赤平极射投影图上的指向不同，划分出正向磁化和反向磁化两种极性。依据磁偏角（D）和磁倾角（I）建立可靠的正、反变化的极性时代或极性地层，再通过磁性地层和生物地层的综合对比，确定各地层的时代归属。古生代的磁性地层研究主要集中于石炭系，二叠系Kiaman和Illawarra超带磁性地层界线的位置和精细的磁结构方面；中生代磁性地层研究与生物地层学、旋回地层学方法相结合，可建立地区性高分辨率极性时间表。作为一种研究手段，磁性地层学主要与生物地层学研究相结合，从而提高地层划分的分辨率和对比精度。运用古生物资料划分地层一是解决地层对比问题；二是用于磁性带的识别。只有将地磁资料与古生物资料综合运用才能更好地发挥它在划分地层中的作用。地磁两极的位置一直在不停地变化，不同时代的岩石记录着岩石形成时期的磁倾角和磁偏角。研究者通过计算可得出岩石形成时期所处的纬度，即古纬度。古纬度定年法正是依据所计算的古纬度对照现有的古地磁数据来判断所测岩石形成的大致时代。地球磁场在过去以各种方式变化．包括地磁极的南北极倒转、极性漂移等，蕴含于这些物质中的磁性特征的测量可通过已建立的倒转和其他变化层序的对比确定其年代。古地磁年代学为第四纪地质年代表的建立奠定最重要的基础。古地磁极性年表是根据一系列主要用40K-40Ar法测定年龄的不同时间尺度的极性变化事件编制的地球极性时间表，目前用于第四纪研究的极性年表是A.考克斯等1969年根据陆地和大洋已有的140多个数据拟定的约5MaBP以来的地磁极时间表。该表使用两级时间单位：极性时和极性亚时。极性时是指以某种极性占优势持续时间较长的时间单位；极性亚时是极性时中短暂极性倒转时期。图4用于第四纪的古地磁极性年表（A.Cox,1969）古地磁方法在第四纪测年应用广泛，主要用于沉积连续、厚度较大的剖面或钻孔岩心。虽然古地磁极性变化的全球性是该方法具有相对的独立性，但也有不足之处，如难以判断不同层位相同极性所属年代。但本方法与古生物地层学和其他年代学方法结合，就能扬长避短5发挥其优势。古地磁法要选择连续厚度较大的细粒沉积层进行连续定向取样。用铜质工具在露头上先开出平行层面小平台，把2㎝×2㎝×2㎝塑料盒扣在层面上（盒子上面的直线对准正北，小圆孔置于东侧）轻轻按下即可取样。若钻孔岩心取样则要保持岩心上下层面不要颠倒，并在样品盒一侧用箭头标出上下层位。，每已取样层中同一高度取两个样。取样层垂直间距不大于1m。取样对象是细粒沉积物（亚粘土、粘土），不要在松散砂和砾石中取样。垂直连续取样的数量多，则可比性强。古地磁学方法在黄土、湖沼沉积物、大陆架和平原钻孔岩心研究中广泛应用。中国的第四纪沉积物中尤其是中国北方的黄土中蕴含了丰富的古地磁学信息[8-12]，且其沉积序列能与深海氧同位素进行对比。几十年来，中国的黄土古地磁学也已取得很大的发展。早在20世纪70年代李华梅等在山西午城剖面对中国黄土首次进行了古地磁学研究。近几十年来，中外学者对不同地区具有相同地层的代表性黄土剖面开展了大量的磁性地层研究．为我国一系列早、中更新世连续沉积地磁和早期古人类遗址卡住了基本时间框架。极性倒转是地球磁场的重要特征之一。地质历史时期中地球磁场有规律地频繁发生过极性倒转，据此得出的全球性5Ma以来的地磁极性年表，已广泛用于确定第四纪地层的地质年龄。除地磁性倒转外，还有磁性位置极短的移动，即偏移。布容正极性时的短期极性事件和极性漂移可用于地层的进一步细分和对比，但由于这些极性事件及极性漂移持续时间短，能进行全球性对比的不多。地球磁场并非只是简单的偶极，且处处有变化的非极性因素，需利用经良好测年长期变化的标准曲线测定某些古地磁特征以测定有限地区内沉积的层序。但地层剖面时标的细刻度常需要对沉积速率进行假设，假设不同，测年结果不同。这也是迄今仍未建立全球完全一致性的地磁极性序列的最重要的原因之一。4.考古法人类的出现使得第四纪的精确测年尤为重要．随人类的发展，产生一定的文化，及和一定的文化相适应的时代，我们称之为文化期，人类文化期的划分：旧石器时期：包括Q1Q2Q3；中石器时期：距今1万年~8千年；新石器时期：距今8千年~3千年；历史时期：铜器时代，铁器时代，这些也给测年带来一些特殊的途径。第四纪沉积物所含有的人类活动的许多遗存，可以进行对比测年和数值