袁璐璐，汪明啟，胡佳樂

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083；

2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院，北京 100083 )

0 引 言

與距今已有46億年的地球演化史相比，200萬年歷史的第四紀(jì)無疑是最接近現(xiàn)今的一個地質(zhì)時期。盡管時間短暫，但這一時期卻對人類的起源和發(fā)展起決定性作用，并將繼續(xù)影響人類未來的生存和發(fā)展。因此，第四紀(jì)的研究具有非常重要的理論和實際意義[1]。第四紀(jì)研究的一個重要分支是地層單元的劃分與對比，這是研究生物進(jìn)化、海陸變遷、環(huán)境與氣候變化、板塊運(yùn)動與海底擴(kuò)張等地質(zhì)事件的基礎(chǔ)，解決上述問題的關(guān)鍵在于對第四紀(jì)沉積物地質(zhì)年齡的測定。選用何種樣品、何種樣品能夠真正反映地質(zhì)時代，各種測年方法的優(yōu)點與不足，可以測得的年齡范圍以及定年方法的新進(jìn)展等問題，本文進(jìn)行了簡介和討論。

1 定年新技術(shù)與新方法

分析測試技術(shù)的極大提高，推動了第四紀(jì)年代學(xué)的迅速發(fā)展，而定年方法作為第四紀(jì)年代學(xué)研究的核心內(nèi)容，在應(yīng)用中得以不斷改進(jìn)和創(chuàng)新。目前，國內(nèi)外第四紀(jì)沉積物定年方法新進(jìn)展主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1.1 玻璃隕石法定年

玻璃隕石是石隕石的一種，作為物理標(biāo)記物，玻璃隕石和火山灰是風(fēng)化剖面中十分可靠的定年介質(zhì)。首先，它們包含可以被裂變徑跡法、K/Ar法和40Ar/39Ar法直接測年的礦物；其次，它們可以在遠(yuǎn)距離上相互關(guān)聯(lián)，包括海相沉積與陸相沉積相聯(lián)系[2]。全世界玻璃隕石主要分布在以下4個區(qū)域(圖1)：

(1)亞-澳區(qū)：主要是澳大利亞、印度尼西亞、東南亞、菲律賓、塔斯馬尼亞等地及附近海域，年齡值約70 ka；

(2)捷克-斯洛伐克區(qū)：包括波斯米亞和摩拉維亞，在摩拉維亞發(fā)現(xiàn)的稱莫爾達(dá)維玻璃隕石，年齡值約1 450 ka；

(3)北美區(qū)：主要在美國得克薩斯州、佐治亞州等地，年齡值約3 400 ka；

(4)科特迪瓦區(qū)：包括科特迪瓦、加納及其附近海域，年齡值約110 ka。

圖1 玻璃隕石分布圖

大約在790 ka，有一顆影響東南亞某些地區(qū)的小行星，產(chǎn)生了玻璃隕石和撞擊的碎片。已發(fā)現(xiàn)這類物質(zhì)超過地表面積的10%，其中包括中國大部分地區(qū)和周圍的海洋區(qū)。雖然關(guān)于中國玻璃隕石的形成年齡還存在爭議[3],但是，這些結(jié)論是牢固地建立在對深海巖心磁性研究和利用40Ar/39Ar法對玻璃隕石定年的基礎(chǔ)之上。此前，一系列的研究支持晚更新世的年齡范圍為5～25 ka，但現(xiàn)在認(rèn)為那是再造作用形成的較年輕沉積物的年齡。玻璃隕石的存在，為封閉沉積物提供了790 ka的最大指示年齡。

1.2 K/Ar法和40Ar/39Ar法定年

自然界中的K由3種同位素(39K,40K,41K)組成，而只有40K衰變成40Ar容易測定，可作為斷代的根據(jù)。放射性成因的40Ar逐漸在巖石中積累，只要測得樣品中40Ar和40K的比值，就可求得樣品的年齡[4]。

40Ar/39Ar法是在K/Ar法的基礎(chǔ)上建立并發(fā)展起來的一種定年新方法，這種方法的優(yōu)點在于其對樣品的要求不高，一般只需不到10 g的樣品量即可進(jìn)行測試，該定年方法使僅利用一個巖石樣品便可進(jìn)行年代序列的建立成為可能，而且為巖石冷卻后是否保持“封閉系統(tǒng)”的判斷提供了依據(jù)。此外，通過40Ar/39Ar法所獲得的定年數(shù)據(jù)和其他定年方法相比，具有較高可信度[5]。

K/Ar法和40Ar/39Ar法定年已被越來越多的應(yīng)用于火山學(xué)、磁性地層學(xué)、生物地層學(xué)、古人類學(xué)和氣候?qū)W等第四紀(jì)研究。隨著實驗操作方法和儀器測試結(jié)果日益精準(zhǔn)，這兩種方法可對鈾系、U-Th/He、14C、宇宙成因定年和天文學(xué)等其他精密計時器的定年結(jié)果做出補(bǔ)充和驗證。但并不是所有的礦物都適合用該方法定年。Vasconcelos通過研究，完整地總結(jié)出適用于K/Ar法和40Ar/39Ar法定年的礦物，主要為兩組含鉀的次生礦物：①含明礬的硫酸鹽(明礬石和黃鉀鐵礬)；②含錳、鋇的錳氧化物[6]。

1.3 鈾系定年

鈾系定年方法是十分有用的工具，這種定年方法的理論基礎(chǔ)是鈾系衰變過程中各種母體/子體同位素的衰變或積累，特別是234U/238U和230Th/234U的衰變反應(yīng)，經(jīng)常被用于了解地質(zhì)事件，描述地球化學(xué)過程。該定年方法一般用于測定洞穴堆積物和海岸沉積物中的珊瑚化石。此外，適用鈾系測年的其他物質(zhì)有：含鈾氧化物、泥煤、二氧化硅、碳酸鹽和骨骼[7]。

對地質(zhì)年代學(xué)而言，半衰期的精確認(rèn)識包括對放射性核素的地球化學(xué)行為差異的理解，以便建立可以指導(dǎo)選擇母體與子體同位素關(guān)系的假設(shè)。同時，這也可以回答地球化學(xué)的相關(guān)問題。因此，了解放射性子體的生長原理可以推斷放射性定年的結(jié)果[8]。

在環(huán)境科學(xué)方面，這種信息可以用于推測地貌生長率和沉積速率，也可以獲得風(fēng)化速率和地質(zhì)構(gòu)造方面的信息。對于核法醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用，這些信息意味著可以結(jié)合其他法醫(yī)學(xué)證據(jù)，發(fā)掘更多的細(xì)節(jié)，以便更好地了解事件發(fā)生的過程、時間以及樣品的采樣地點。

近年來，鈾元素趨勢測年得到越來越多學(xué)者的認(rèn)可，應(yīng)用這種變化了的鈾系物定年方法，可以模擬風(fēng)化區(qū)內(nèi)鈾衰變系列238U-234U-230Th的開放系統(tǒng)行為。水流通過沉積物時會導(dǎo)致母體同位素與子體同位素的分餾，通過測定來自同一材料的一系列樣品中各種同位素的活性范圍，就可得到沉積開始以及浸出的時間，這個方法已經(jīng)被應(yīng)用于一系列的沉積物上，其中包括火山灰、黃土、沖擊物、土壤和冰磧，并且在5～900 ka表現(xiàn)出一定的可應(yīng)用性。

1.4 光釋光定年

光釋光定年與同位素定年都是基于同一原理: 總量、速率與時間之間有某種函數(shù)關(guān)系(圖2)[9]。樣品年齡可通過下面公式計算得出:

A=N/B或A=De/Dy

(1)

式中：A為所測樣品年齡值，單位為千年(ka)；N為所測樣品埋藏期間的環(huán)境輻射劑量總量；B為樣品所在埋藏環(huán)境單位時間內(nèi)的輻射劑量；De為等效劑量(Equlivalent dose)，即實驗室產(chǎn)生相當(dāng)于樣品天然釋光信號所需要的輻射劑量，也稱古劑量(Paleodose，簡寫P)，單位為Gy；Dy為環(huán)境劑量率(Doserate，或稱年劑量Annual dose)，即樣品在埋藏環(huán)境中單位時間內(nèi)所接受的環(huán)境輻射劑量，單位為Gy/ka。

圖2 光釋光測年原理

由于光釋光定年方法所具有的優(yōu)越性，已被廣泛應(yīng)用于海岸沙丘砂、黃土等風(fēng)沉積物定年中。已有的應(yīng)用實踐表明，常規(guī)光釋光定年方法的測年范圍可從n×101～n×105年，遠(yuǎn)超出14C測年的范圍，因此在晚第四紀(jì)重要地質(zhì)事件研究中得到廣泛應(yīng)用[10]。石英單片再生法(SAR)是目前解決年輕樣品礦物顆粒沉積前曬退不充分問題的最好方法之一，利用石英單片再生法可對一個樣品重復(fù)測量很多的等效劑量，評估樣品曬退是否均勻，選擇曬退程度大的顆粒測年，從而提高測年的準(zhǔn)確性[11]。近年來，有中國學(xué)者在對洛川黃土細(xì)顆粒礦物深入研究的基礎(chǔ)上，將早期的多片再生法(MAR)與單片再生法(SAR)中感量校正的方式結(jié)合起來，提出了感量校正多測片再生劑量法(SMAR)，也稱簡單多片再生法。該法成功應(yīng)用于中國黃土的測年中，研究結(jié)果與已知年齡有很好的一致性[12]。此外，隨著鉀長石光釋光測量在測年精度和可靠性上的逐步提高，且測年范圍也較之前石英礦物有了進(jìn)一步的擴(kuò)大，從而很好地彌補(bǔ)了古地磁方法對最近幾十萬年沉積物測量的盲區(qū)。

但值得注意的是，有些問題還應(yīng)進(jìn)一步研究：①厘清分散等效劑量產(chǎn)生的原因。針對不同原因，解決方法不同，準(zhǔn)確甄別等效劑量值離散的原因是提高沉積物測年準(zhǔn)確度和精度的關(guān)鍵；②為了獲得準(zhǔn)確的、可再現(xiàn)的OSL年齡，平行樣品的數(shù)量是需要確定的問題之一；③石英OSL年齡較鉀長石偏低，粗顆粒和細(xì)顆粒曬退速率不同的原因尚有待深入研究。以上3個因素是光釋光定年技術(shù)亟待解決的問題，但目前這方面的研究十分薄弱。

1.5 氨基酸外消旋法(AAR)定年

氨基酸外消旋法在過去的15～20年里發(fā)展成為第四紀(jì)沉積物對比和定年的一種新方法,其原理是利用氨基酸對映異構(gòu)體之間的轉(zhuǎn)化反應(yīng)是溫度和時間的函數(shù)來計時的方法[13]。

最近，有學(xué)者提出一種改進(jìn)后的氨基酸外消旋法(AAR)——用天冬氨酸測定牙釉質(zhì)年齡。這種方法是基于一種簡單的制樣過程(分離小于3.5kDa樣品)，為了驗證方法的可靠性，他們使用了一系列“牙類”材料。被檢驗的人類牙質(zhì)膠原蛋白樣品來源于活體捐獻(xiàn)者發(fā)現(xiàn)的史前新石器時代的歷史遺骸?；谏锓N屬類型不會影響膠原蛋白外消旋率的假設(shè)，他們還研究了尼安德特人的牙釉質(zhì)樣品和食肉動物(洞熊)以及其他哺乳動物的樣品。為了驗證計算年齡的方法是否準(zhǔn)確，研究者使用了一系列放射性定年方法(包括ESR和14C法)，連同熱釋光法和AAR定年法，對無脊椎動物(介形蟲)樣本進(jìn)行定年。檢測結(jié)果證實:AAR顯示的年齡和樣品天冬氨酸消化程度具有良好的相關(guān)性，突出天冬氨酸牙質(zhì)定年與其他定年方法的強(qiáng)相關(guān)性[14]。

1.6 電子自旋共振定年(ESR)

電子自旋共振(Electron Spin Resonance，ESR)是利用礦物晶體內(nèi)的放射性損傷來定年。由于礦物中鈾、釷、鉀同位素具有放射性，在天然衰變過程中使礦物晶格受損，出現(xiàn)捕獲電子和電子空穴。當(dāng)電子暴露于強(qiáng)磁場的高頻電磁輻射中時它們就會被“激發(fā)”，當(dāng)磁場變化時，就可以探測到電子的共振。

ESR定年法因其信號的飽和劑量較高，具有比釋光法更寬的測年范圍(表1)，同時樣品處理和測量速度快，該方法已成為老于20萬年沉積物測年的有效方法之一，特別是結(jié)合地層定年法(如古地磁法等)對沉積物年代進(jìn)行測定，可以獲得更為準(zhǔn)確可靠的測年結(jié)果[15]。石英顆粒Al心信號曾被廣泛用于第四紀(jì)沉積物測年，但由于其ESR信號無法被光曬退“回零”，很難準(zhǔn)確評價其殘留信號值，往往使得所獲得的ESR年齡大于樣品的實際年齡，因此準(zhǔn)確評價Al心信號的殘留值是有待解決的關(guān)鍵問題。石英顆粒Ge心由于信號較弱、測年范圍小以及不易觀測等缺點，近年來沒有得到廣泛應(yīng)用。石英顆粒Ti心信號短時間(數(shù)十至上百小時)內(nèi)可由陽光曬退“回零”，可在實驗室中準(zhǔn)確測量，而且信號較Ge心強(qiáng)，所以更適合于第四紀(jì)沉積物年代學(xué)研究，具有較好的應(yīng)用前景[16-17]。

表1 不同物質(zhì)ESR定年可能適用的范圍

1.7 宇宙成因核素定年

宇宙成因核素測年法的廣泛應(yīng)用是地質(zhì)年代學(xué)和地貌學(xué)研究的一場革命。宇宙成因核素是宇宙射線與大氣圈或巖石圈物質(zhì)作用，發(fā)生散裂、中子捕獲和介子反應(yīng)所形成的一系列穩(wěn)定或放射性元素，包括10Be、26Al、36Cl等核素。近幾年，由于10Be、26Al 和36Cl 等核素在地質(zhì)年代學(xué)研究中的成功運(yùn)用，顯示出巨大的應(yīng)用潛力，使更多的宇宙成因核素開始受到關(guān)注[18-19]。常見的穩(wěn)定宇宙成因核素有3He、4He、21Ne、22Ne、38Ar 和83Kr，目前只有3He和21Ne在地表暴露歷史研究中得到廣泛應(yīng)用。另外，放射性核素41Ca和53Mn也有一些文獻(xiàn)報道。但新核素的研究尚在起步階段，研究多集中在形成機(jī)理和生成率等物理參數(shù)的精確測定等方面。

在過去的十多年地學(xué)研究中，原地生成宇宙成因核素(Terrestrial Insitu Cosmogenic Nuclide，TICN)研究的發(fā)展是最為引人矚目的，現(xiàn)已成為地表過程研究中的重要手段，更為重要的是利用TCN技術(shù)可以直接測定地質(zhì)、地貌體的暴露年齡和埋藏年齡[18]。這不僅突破傳統(tǒng)定年方法(如14C、熱釋光、光釋光)的樣品來源局限，而且測年范圍也相對更加廣泛。尤其在解決上新世到全新世的地學(xué)問題中占有不可替代的重要地位[20]。同時加速器質(zhì)譜儀(AMS)性能的提高大大地促進(jìn)了TCN測年方法在地學(xué)研究的應(yīng)用范圍。

宇宙成因核素測年技術(shù)在青藏高原第四紀(jì)冰川發(fā)育研究、河流階地發(fā)育年齡測量、古人類遺址埋藏年齡以及流域物質(zhì)剝蝕等方面取得了豐碩成果，有效促進(jìn)了地貌學(xué)、第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)以及地質(zhì)年代學(xué)等地學(xué)領(lǐng)域研究的深度和廣度。綜合起來，宇宙成因核素方法有下列幾個優(yōu)勢:①它可以用來測定地貌的年齡及確定地表過程的發(fā)生速率；②適用于整個第四紀(jì)時間范圍。它使我們測試沉積和地貌的年代范圍超出了14C方法50 ka BP 測年上限，因而，對于廣大第四紀(jì)研究者來說，這是一個非常有價值的方法；③可以測定多種地質(zhì)物質(zhì)。

然而，宇宙成因核素技術(shù)就其方法本身和實際應(yīng)用方面仍然存在一些問題，需要更多深入的工作來解決，比如:①在具體應(yīng)用該方法進(jìn)行地學(xué)研究時，還必須考慮沉積物在埋藏前后的侵蝕速率、核素的繼承濃度、埋藏后的核素生成量、μ介子在埋藏前后的影響、沉積物的后期改造以及沉積物復(fù)雜的暴露-埋藏歷史等。這些因素都給宇宙成因核素埋藏測年帶來了挑戰(zhàn)和不確定性。要解決這些問題，各種理論模型的建立以及其他核素的引入，將會不斷降低上述不確定因素帶來的困擾。②核素生成率會隨時間變化，但受目前知識范圍所限，我們假設(shè)核素生成率隨時間變化是恒定的。在地質(zhì)歷史時期，對核素生成率有重要影響的宇宙射線強(qiáng)度和地磁場都會有變化，現(xiàn)有研究表明，80×104a BP以來核素生成率隨時間的變化可達(dá)±15%。因此，為提高數(shù)據(jù)精確性，該方面需要重點關(guān)注[21]。除此之外，儀器測試方面的誤差和較高的測試成本都是限制宇宙成因核素技術(shù)精確測試和廣泛應(yīng)用的重要因素。

宇宙成因核素測年方法的出現(xiàn)讓我們可以解決以前的技術(shù)手段不能克服的許多問題，隨著我們對地球系統(tǒng)認(rèn)識的深入和分析測試技術(shù)的不斷進(jìn)步，宇宙成因核素測年技術(shù)的應(yīng)用面會進(jìn)一步擴(kuò)大，測年精度也會更高。

2 討 論

近年，第四紀(jì)沉積物定年研究取得了長足的進(jìn)步，時間框架已基本建立。第四紀(jì)沉積物定年方法繁多，且日趨成熟和完善，但任何一種測年方法都不是萬能的，各有適用性和局限性。國際著名地球化學(xué)家Wasserburg曾說過，沒有不好的方法，只有不適用的方法。因此，在實際的地質(zhì)工作中，應(yīng)根據(jù)研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)事件、沉積物類型以及沉積環(huán)境選擇最合適的定年方法。

綜上所述，第四紀(jì)沉積物定年方法與技術(shù)在全球氣候變化、海陸變遷及生物演化等問題的研究中具有非常廣闊的應(yīng)用前景，在第四紀(jì)沉積物定年過程中，不僅要保證所測樣品的代表性，確保測試環(huán)境無污染，還需盡可能的選擇多種相互獨(dú)立且適用的定年方法進(jìn)行對比定年，相互驗證，從而改進(jìn)和提高所測年代結(jié)果的準(zhǔn)確度和精確度。

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