绝对年代测定法

第四纪年代测定法第四纪年代测定法 一一 碳十四测年法 碳十四测年法 14C 1 基本原理 自然界中的 14C 主要是由宇宙射线中的中子与大气中的氮核 14N 发生核反应而形成的 新 生的 14C 遇氧化合为含14C 的 CO2 大气中的 CO2通过自然界碳的循环进入生物圈和水圈 植 物 通过光合作用吸收大气中的 CO2 动物又吃植物 因而所有生物都含有 14C 生物死后 尸体分解 将 14C 带进土壤或大气中 大气又与海面接触 其中的 CO2 又与海水中溶 解的碳酸盐和 CO2 进行 交换 导致所有含碳物质均具有 14C 如果含碳物质一旦停止与大气交换如生物死亡 碳酸盐沉积 被埋藏等 则 14C 得不到新的补充 而原有的14C 仍按衰变指数继续减少 每隔 5730 年 14C 的半 衰期 减少原含量的一半 时间愈久含量愈少 只要我们测出与大气发生过交换平衡的含碳物质中 14C 的含量 就可以计算出该样品与外界停止14C 交换后所经历的年代 有一点必须指出 过去大 气中的碳十四放射性水平只是变化相对不大 但并不是真正恒定的 利用统一的现代标准计算出来 的年代并不是日历年代 只能称为碳十四年代 为了解决这个矛盾 学者们又找出了一个辅助的方 法 就是通过树轮年代校正曲线来进行校正 树木春长秋止 在树干截面上形成疏密相间的年轮 年轮的宽窄是由当年的气候等因素决定的 科学家根据年轮的宽狭序列便可知道其生长的年代 他 们首先建立起近几万年的树轮序列 然后测定每一个年轮的碳十四含量 作出了一个曲线 就是树 轮年代曲线图 用它校正 可将误差缩减到几年 2 采样要求 凡与大气发生过交换平衡的含碳物质 如木 碳 生物体 泥 贝壳 骨 碳酸盐等 均可用 于 14C 测年 样品类别样品种类采样量 g 木质树木 竹子 木器50 100 碳质木炭 炭化木20 50 生物体果实 各种编织物100 泥质泥炭 粘土 土壤500 2000 贝壳壳体 礁体100 200 骨质骨骼 牙齿 角 100 碳酸盐灰华 钙结核 钟乳石100 为了保证数据可靠性和正确使用数据 采样注意事项 A 所采样品要防止后期污染 包括采样过程 运输 实验室处理中有可能出现的碳污染 B 要注意所采样品的埋藏状态 如是否经过搬运等 现在已经普遍采用超高灵敏度加速器质谱仪 AMS Accelerator Mass Spectrometry 它与常 规 14C 测年的原理是一致的 但技术不同 常规14C 法是采用 计数法 测量的是一定时间内样品 中发生衰变的 14C 原子数 而 AMS14C 测定的是样品中现存的14C 原子数 或更准确地说测量样品 的 14C 12C 原子数比值 由于14C 半衰期相对较长 一定时间内发生衰变的14C 原子数相对于总原子 数是及其微量的 因此常规 14C 法要用几克纯碳 测量要几天的时间 而 AMS14C 只要毫克数量级 的纯碳就够了 每 30 分钟便可以测量一个样品 不仅使样品量大大减少 只需纯碳 1 100mg 而 且精度也大大提高 我国第一个 AMS14C 实验装置是北京大学重离子研究所与北京大学考古系合作 建立的 3 测年范围 一般在 5 万年以内 二 铀系法二 铀系法 1 基本原理 以 238U 和235U 为母体产生的衰变系列中 包含有许多子体 在正常的地质过程中 这些子体 与母体分离 衰变链被断开 从此母体与子体各自按本身的半衰期进行衰变 母体则衰变形成子体 核素 利用辐射探测器可测定核素的放射性比值 以此推算出沉积物的年龄 它分为两种 一是常 规的 能谱铀系法 一是热电离质谱法 TIMS 都是基于样品中 235U 和238U 衰变系中各核素间 放射性平衡的破坏和重建 通过测量样品中 231Pa 235U 和230Th 234U 原子数比或放射性活度比计算 年代 能谱铀系法曾帮助建立了我国第一个较完整的旧石器考古遗址的年代框架 80 年代末发 展起来的 TIMS 测年法与 能谱铀系法相比 用样量减少一个数量级 测量时间从几十小时减少到 2 3 个小时 精确度也有较大提高 核素半衰期 a 234U 2 48 105 230Th 7 52 104 226Ra 1 622 102 210Pb 2 226 10 231Pa 3 248 104 2 样品采集 适用于铀系法的样品有泥质沉积 碳酸盐沉积 生物贝壳 骨化石 珊瑚 铁锰结核 冰雪及 水等 一般要求样品在 10g 以上 80 年代末发展起来的 TIMS 测年法与 能谱铀系法相比 用样 量减少一个数量级 测量时间从几十小时减少到 2 3 个小时 精确度也有较大提高 3 测年范围 理论上 铀系法的测年范围可达百万年 但现阶段以测定 10 40 万年内的样品最为灵敏 由于 具体方法不同 其测年范围也有不同 如不平和铀系法的范围为 50 万年 230Th 为 20 40 万年 231Pa 为 20 15 万年 210Pb 为小于 15 万年 而 TIMS 测年法测年下限从距今 35 万年延长到距今 50 万年左右 三 钾 氩法 三 钾 氩法 K Ar 法 法 1 基本原理 自然界中的 K 在地壳中含量丰富 重量约占 2 8 由三种同位素 39K 40K 41K 组成 其中 非放射性同位素 39K 41K 共占 99 9 以上 另有一个放射性同位素40K 只占 0 0118 40K 有两种 不同的衰变方式 约有 89 放射一个电子 衰变成 40Ca 余 11 以捕获 K 层一个电子的方式衰变 成 40Ar 放射性成因的40Ca 与原来岩石中的40Ca 无法加以区别 难以定量估计 因此只有40K 衰 变成 40Ar 容易测定 可作为断代的根据 氩是惰性气体 在火山岩形成时 由于高温 岩石中不 可能保留有气体 冷却后 放射性成因的 40Ar 才逐渐在岩石中积累 只要测得样品中40Ar 和40K 的比值 就可求得样品的年龄 2 样品采集 凡是含 K 并能牢固地保存衰变子体 40Ar 的样品 原则上都可用于 K Ar 法测年 常用样品有火 山岩 全岩或其中的黑云母 透长石 沉积岩中的同生海绿石 钾盐和陨石等 一般要选粒径大 于 0 5mm 的矿物颗粒 重量要求 30g 以上 3 测试范围 传统的 K Ar 法主要用于测定老地层的年龄 而近年来稀释法和中子活化法的建立使第四纪样 品也可用于测年 主要用来测定早期遗址和古人类的年代 范围在 10 万年以上 四 热释光法 四 热释光法 TL 法 法 Thermoluminescence 1 基本原理 一些不导电的晶 固 体物质 在放射性射线辐照之下 以其内部电子的转移来储藏辐射能量 其方式是晶体在周围放射性元素放射出来的 射线辐照下产生电离 大部分能量以晶体 发热的形式被消耗掉 另一小部分电子则被晶格缺陷所俘获 并留下空穴 这些落入陷阱的电子必 须有足够的动能才能重新从陷阱中逸出而与空穴复合 在常温下 电子在陷阱中的状态是稳定的 只有在加热的情况下 陷阱中的电子动能增加 被俘获的电子才能从陷阱中射出 与空穴复合并以 光量子形式释放出热量 称之为热释光 热释光断代就是利用热释光技术 测定各类样品最后一次 受到热事件或在阳光下受到光晒退 归零 以后 晶体物质被埋藏并再次遭受周围放射性元素辐射 所重新积聚的能量 这种能量可以通过人工晒退求得 也就是说通过加热或光照测定样品中释光信 号的强度 与被俘获电子数目成正比 和年受照剂量的大小便可以推算出自上次受热或曝光以来所 经历的时间 也就是上次归零以后能量重新积累的时间 2 样品采集 用于热释光测年的样品必须经历过热事件并被埋藏 因此 适用的有 火山物质及火山烘烤层 陶瓷 砖瓦及各类烧土 灰烬 陨石 风积物 石英砂 为避免所采样品再次遭受热事件 采样 和运送中要采用黑袋或黑盒 而且要求采样有一定的深度 50cm 左右 样品采集量一般应在 200g 以上 并应同时采集样品周围土样 200 300g 供测量铀 钍 钾剂量之用 3 测试范围 数百年至几十万年之间 五 光释光法 五 光释光法 OSL 法 法 optically stimulated luminescence 1 基本原理 与热释光类似 是在它的基础上发展起来的 光照射矿物晶体 尤其是硅酸盐矿物晶体 激发 晶体先前贮存的电离辐射能 并以光的形式释放出来 亦即晶体被光激发而发射的光 就是光释光 OSL 通过测量 OSL 信号的强度 建立 OSL 信号与辐照剂量的关系 就可获得样品埋藏期间所 吸收的电离辐射剂量即等效剂量 DE 值 而 DE 值又是样品接受的年剂量和样品埋藏时间的函数 相当于样品年龄 环境剂量率可通过样品及其周围物质的铀 钍 钾和含水量的测量来获得 也就是说 通过测量样品的光释光 OSL 信号强度和环境剂量率 经 过 OSL 信号对辐照剂量的响应函数可获得样品的沉积埋藏年龄的技术即为光释光 OSL 测年技 术 它的好处是 对于酸性不含有机物而不能用 14C 测年的堆积物 就可以尝试这种方法 因为所 需要的样品分布比较广泛 2 样品采集 目前石英 长石等矿物光释光技术主要应用于第四纪碎屑沉积物的年龄测定 古陶器 瓷器 燧石石器 火山喷发物也可用来测年 3 测试范围 在一定条件下 石英和长石的 OSL 测年范围可以测量小到百年 大到几十万年 甚至百万年 的沉积物年龄 六 电子自旋共振测年法 六 电子自旋共振测年法 ESR Electron Spin Resonance 1 基本原理 与热释光法类似 样品在所处自然条件中 遭受铀 钍 钾和宇宙射线的辐照 产生晶格陷阱 和俘虏层充填 形成可被 ESR 所探测的顺磁中心 顺磁中心的数目与样品所受天然辐照总剂量 AD 成正比 也就是与年龄成正比 t AD D 式中 t 为样品年龄 AD 为样品所受天然辐照总剂量 D 为年辐照剂量 2 样品采集 与热释光法类似 包括珊瑚 牙珐琅 洞穴碳酸盐化学沉积物等 3 测试范围 从几千年到几百万年 不过需要与其它方法互校 七 裂变径迹法七 裂变径迹法 1 基本原理 样品中的 238U 在得到足够能量的粒子轰击时 就会发生裂变 裂变中所产生的裸核射入周围 绝缘材料或矿物时 不断俘获沿途电子 而使它们所途经的路程周围产生辐射损伤区 这就是裂变 径迹 常温下 损伤在绝缘结晶固体中能长期保持 若加热到 500 以上 径迹就会消失 由此可 见 样品中的裂变径迹数 与 238U 的原子数以及该样品经历最后一次高温以来的年数成正比 因 此 根据样品中的铀含量和自发裂变的径迹数 就可以推算出样品经受最后一次高温以来的时间 也就是说单位体积内裂变径迹的数目与矿物中铀含量 238U 裂变速度及矿物累积径迹的时间 年龄 成正比 即裂变径迹的数目与年龄成正比 裂变径迹的数目可以通过显微镜下测读获得 2 样品采集 凡含铀量高的矿物 如锆石 云母 磷灰石 石膏 石英 黑曜岩 火山玻璃 陨石等 均可 用于测年 样品要求新鲜 未风化或未被污染 粒度要求大于 30 m 铀含量高 样品在储运过程 中 要避免受热或被辐照 3 测年范围 一般在数百年至 100 万年左右 八 氨基酸外消旋法八 氨基酸外消旋法 1 基本原理 生物体由蛋白质组成 而构成蛋白质的基本单元是氨基酸 氨基酸根据其内部结构 可以划分 为 L 型结构氨基酸和 D 型结构氨基酸 其中 L 型结构氨基酸具旋光性 随温度升高 L 型结构 氨基酸将转变为 D 型 这种转化达到平衡时形成由等量的 D 型和 L 型氨基酸组成的混合物 从 而失去其旋光性 称外消旋作用 在生物死亡并被埋藏的条件下 氨基酸外消旋作用的反应速度主 要取决于温度与埋藏时间 也就是说 在氨基酸由 L 型向 D 型转化的过程中 D 型与 L 型氨基 酸的浓度比 D L 是时间与温度的函数 目前主要以选用天门冬氨酸和异亮氨基酸最为理想 前者适 用于年轻样品 后者适用于较老的样品 2 样品采集 主要是生物化石 如骨化石 牙齿 贝壳等 其它如碳酸盐类也可选用 严禁化石的有机物污 染 3 测年范围 由于骨化石埋藏环境的古气温变化是很复杂的 难以准确确定 因此该法误差较大 一般可达 几十万年或 100 多万年 九 古地磁法九 古地磁法 1 基本原理 在地球历史上 地球磁场的南极和北极曾颠倒过多次 称为极性倒转 其中 105 106 年长 度的极性变化称为极性期 与现代磁场方向相同的时期称正向极性期 反之称反向极性期 地球磁 场的极性变化特征在岩石或沉积物中矿物冷却 沉积或蚀变时 被记录在这些物质的剩余磁性记录 中 全球各地所记载的极性变化的历史是一致的 因此 如果对每一个极性倒转事件发生的时间进 行测定 就可以建立起一个在全球都可对比的古地磁年表 成为全球对比的时间标尺 目前已建立 起 5MaBP 以来较高分辨率的古地磁年表和 100MaBP 以来较粗分辨率的古地磁年表 任一地区内地 层的古地磁年代都可以通过与已知的古地磁年表对比来确定 这就是古地磁测年的原理 古地磁是只有两个状态的时变函数 一个状态变量不足以确定一个