测年方法20110323

3800CalBC
3600CalBC
Calibrated date
500-3500 BC 的日历年、14C 年和校正年数
日历年/BC 日历年/aBP 14C 年/aBP 校正年数/a 日历年/BC 日历年/aBP 14C 年/aBP 校正年数/a
500
600 700 800
2450
2550 2650 2750
黄土高原小流域土壤侵 蚀（张信宝等，中国科 学 D，2007）
2.6～40.0 kaBP 的日历年、14C 年和校正年数
日历年/kaBP 14C 年/kaBP 2.6 3.2 3.8 4.4 5.1 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 校正年数/a 0.1(4) 0.2(6) 0.3(8) 0.4(10) 0.6(13) 日历年/kaBP 14C 年/kaBP 11.4 13.0 14.0 15.5 16.8 10.0 11.0 12.0 13.0 14.0 校正年数/a 1.4(14) 2.0(18) 2.0(17) 2.5(19) 2.8(20)
• 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-1.4×1010 y →228Ra镭-β¯5.76
y → 228Ac锕 -β¯ 6.13d → 228Th钍-α1.913 y → • • • → 208Pb铅 （11次衰变结果）
D. 树轮校正
Atmospheric data from Stuiver et al. (1998); OxCal v3.9 Bronk Ramsey (2003); cub r:4 sd:12 prob usp[chron]
5400BP 5300BP 5200BP 5100BP 5000BP 4900BP 4800BP
– 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。
• 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: Optically Stimulated luminescence) ；电子自旋共 振(ESR) ；裂变径迹( Fission tracks ) 等。
地理学研究方法之
测年方法及其应用
提 要
0. 引言 1. 2. 3.
14C 137Cs 210Pb
4.
10Be
5. 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？
Examples of 137Cs depth profiles from the reference site at Tepecik (A1) and the reference site at Riva– Kurtdogmus (A2) in eastern Istanbul
137Cs
depth profiles for the eroding (B1) and depositional (B2) sites in the uncultivated area at Pamuktepe.
连续沉积，无扰动
• 应用实例
在土壤侵蚀研究中的应用 S. Haciyakupoglu, et al. 2005, Catena, 64: 222– 231
If it is assumed that the total 137Cs fallout occurred in 1963, and that the depth distribution of the 137Cs in the soil profile is independent of time.
3750 3850 3950
3450
3506 3581 3620
200(6)
244(7) 269(8) 330(9)
3300
3400 3500
5250
5350 5450
4490
4719 4679
760(17)
631(13) 771(16)
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/％
assess the rates of change. • 时间标尺：共同基础，客观性、准确性、
精度与误差
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。
5.7
6.8 7.9 9.0 10.1
5.0
6.0 7.0 8.0 9.0
0.7(14)
0.8(13) 0.9(13) 1.0(13) 1.1(12)
18.0
23.5 29.0 34.5 40.0
15.0
20.0 25.0 30.0 35.0
3.0(20)
3.5(18) 4.0(16) 4.5(15) 5.0(14)
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；
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
• Without reliable estimates of the age of
events in the past it is impossible to
know if changes occurred
synchronously or if certain events led
or lagged others. Nor is it possible to
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
O2 CO2
14 C 6
4
2He

宇宙射线/中子10n
16 8O 14 7N 1 H 1

CO2
土壤有机质、动植物残体… …

CO2

CO2
？

CO2
CO2
CO2
14C的形成、交换与沉积

有机淤泥、生物遗体、无机碳酸钙
– 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
木炭Hale Waihona Puke Baidu贝壳、珊瑚
＞ 50 泥碳
＞ 20 淤泥、粘土 ~200 骨头
500
＞1000 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
2442
2527 2471 2638
8(0)
23(1) 179(7) 112(4)
2100
2200 2300 2400
4050
4150 4250 4350
3697
3789 3859 3881
353(10)
361(10) 391(10) 469(12)
900
1000 1100 1200
2850
2950 3050 3150
• α粒子由2个质子和2个中子组成，即氦原子核 4 He，228 Th -α→ 224 Ra + 4 He 2 90 88 2
• 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。
BA03413 : 5050?0BP
68.2%probability 3950BC (54.1%) 3840BC 3820BC (14.1%) 3790BC 95.4%probability 3960BC (93.6%) 3750BC 3740BC ( 1.8%) 3710BC
4200CalBC
4000CalBC
3050
3119 3255 3313
200(7)
231(7) 195(6) 237(7)
2900
3000 3100 3200
4850
4950 5050 5150
4308
4368 4485 4536
542(13)
582(13) 565(13) 614(14)
1700
1800 1900 2000
3650
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，
2772
2840 2926 2978
78(3)
110(4) 124(4) 172(6)
2500
2600 2700 2800
4450
4550 4650 4750
4075
4101 4165 4208
375(9)
449(11) 485(12) 542(13)
1300
1400 1500 1600
3250
3350 3450 3550
大气核试验爆炸当量及Pu钚、Sr锶随时间的分布
1美 2苏 3英 4法中
格陵兰冰盖
南极罗斯冰架
密西根湖137Cs的分布
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 a. 估算的大气通量 b. 实测和计算的137Cs分布
• 测年范围与精度
50~60 a 以来，与210Pb结合 • 采样要求
生物演化的阶段性
角度不整合的必经阶段 与相对年代
• 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 = N0 e - 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
放射性计数，需碳量 2 ~ 6 g，富碳样品（贝壳、 泥炭等）需 200 ~ 500 g，贫碳样品（土壤、沉 积物等）需 ~ 1000 g。 – 小样品制样和测量系统需碳量 100 ~ 500 mg， 采样量 10 ~ 50 g 即可。 – 加速器质谱法（AMS ）需碳量 1 ~ 10 mg，采 样量 1 ~ 10 g 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±40 a，5568±30 a ； • 常规14C测年技术有效测年范围为10个半衰期，即 ~ 50000 a，采用加速器质谱技术测定年限可达 ~ 100000 a ； • 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 。