袁璐璐，汪明啟，胡佳樂(lè)

(1.中國(guó)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(guó)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(wàn)年歷史的第四紀(jì)無(wú)疑是最接近現(xiàn)今的一個(gè)地質(zhì)時(shí)期。盡管時(shí)間短暫，但這一時(shí)期卻對(duì)人類(lèi)的起源和發(fā)展起決定性作用，并將繼續(xù)影響人類(lèi)未來(lái)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(shí)際意義[1]。第四紀(jì)研究的一個(gè)重要分支是地層單元的劃分與對(duì)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(dòng)與海底擴(kuò)張等地質(zhì)事件的基礎(chǔ)，解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵在于對(duì)第四紀(jì)沉積物地質(zhì)年齡的測(cè)定。選用何種樣品、何種樣品能夠真正反映地質(zhì)時(shí)代，各種測(cè)年方法的優(yōu)點(diǎn)與不足，可以測(cè)得的年齡范圍以及定年方法的新進(jìn)展等問(wèn)題，本文進(jìn)行了簡(jiǎn)介和討論。

1 定年新技術(shù)與新方法

分析測(cè)試技術(shù)的極大提高，推動(dòng)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(guó)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(gè)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(cè)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(gè)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(chēng)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(guó)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(lèi)物質(zhì)超過(guò)地表面積的10%，其中包括中國(guó)大部分地區(qū)和周?chē)暮Ｑ髤^(qū)。雖然關(guān)于中國(guó)玻璃隕石的形成年齡還存在爭(zhēng)議[3],但是，這些結(jié)論是牢固地建立在對(duì)深海巖心磁性研究和利用40Ar/39Ar法對(duì)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(cè)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(cè)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(lái)的一種定年新方法，這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于其對(duì)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(cè)試，該定年方法使僅利用一個(gè)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(guò)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(lái)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(lèi)學(xué)和氣候?qū)W等第四紀(jì)研究。隨著實(shí)驗(yàn)操作方法和儀器測(cè)試結(jié)果日益精準(zhǔn)，這兩種方法可對(duì)鈾系、U-Th/He、14C、宇宙成因定年和天文學(xué)等其他精密計(jì)時(shí)器的定年結(jié)果做出補(bǔ)充和驗(yàn)證。但并不是所有的礦物都適合用該方法定年。Vasconcelos通過(guò)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(guò)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(guò)程。該定年方法一般用于測(cè)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(cè)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(duì)地質(zhì)年代學(xué)而言，半衰期的精確認(rèn)識(shí)包括對(duì)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(shí)，這也可以回答地球化學(xué)的相關(guān)問(wèn)題。因此，了解放射性子體的生長(zhǎng)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(cè)地貌生長(zhǎng)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(duì)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(guò)程、時(shí)間以及樣品的采樣地點(diǎn)。

近年來(lái)，鈾元素趨勢(shì)測(cè)年得到越來(lái)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(kāi)放系統(tǒng)行為。水流通過(guò)沉積物時(shí)會(huì)導(dǎo)致母體同位素與子體同位素的分餾，通過(guò)測(cè)定來(lái)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(kāi)始以及浸出的時(shí)間，這個(gè)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(shí)間之間有某種函數(shù)關(guān)系(圖2)[9]。樣品年齡可通過(guò)下面公式計(jì)算得出:

A=N/B或A=De/Dy

(1)

式中：A為所測(cè)樣品年齡值，單位為千年(ka)；N為所測(cè)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(shí)間內(nèi)的輻射劑量；De為等效劑量(Equlivalent dose)，即實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生相當(dāng)于樣品天然釋光信號(hào)所需要的輻射劑量，也稱(chēng)古劑量(Paleodose，簡(jiǎn)寫(xiě)P)，單位為Gy；Dy為環(huán)境劑量率(Doserate，或稱(chēng)年劑量Annual dose)，即樣品在埋藏環(huán)境中單位時(shí)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(cè)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(shí)踐表明，常規(guī)光釋光定年方法的測(cè)年范圍可從n×101～n×105年，遠(yuǎn)超出14C測(cè)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(wèn)題的最好方法之一，利用石英單片再生法可對(duì)一個(gè)樣品重復(fù)測(cè)量很多的等效劑量，評(píng)估樣品曬退是否均勻，選擇曬退程度大的顆粒測(cè)年，從而提高測(cè)年的準(zhǔn)確性[11]。近年來(lái)，有中國(guó)學(xué)者在對(duì)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(lái)，提出了感量校正多測(cè)片再生劑量法(SMAR)，也稱(chēng)簡(jiǎn)單多片再生法。該法成功應(yīng)用于中國(guó)黃土的測(cè)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(zhǎng)石光釋光測(cè)量在測(cè)年精度和可靠性上的逐步提高，且測(cè)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(duì)最近幾十萬(wàn)年沉積物測(cè)量的盲區(qū)。

但值得注意的是，有些問(wèn)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(duì)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(cè)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(wèn)題之一；③石英OSL年齡較鉀長(zhǎng)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(gè)因素是光釋光定年技術(shù)亟待解決的問(wèn)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(guò)去的15～20年里發(fā)展成為第四紀(jì)沉積物對(duì)比和定年的一種新方法,其原理是利用氨基酸對(duì)映異構(gòu)體之間的轉(zhuǎn)化反應(yīng)是溫度和時(shí)間的函數(shù)來(lái)計(jì)時(shí)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(cè)定牙釉質(zhì)年齡。這種方法是基于一種簡(jiǎn)單的制樣過(guò)程(分離小于3.5kDa樣品)，為了驗(yàn)證方法的可靠性，他們使用了一系列“牙類(lèi)”材料。被檢驗(yàn)的人類(lèi)牙質(zhì)膠原蛋白樣品來(lái)源于活體捐獻(xiàn)者發(fā)現(xiàn)的史前新石器時(shí)代的歷史遺骸?；谏锓N屬類(lèi)型不會(huì)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(dòng)物(洞熊)以及其他哺乳動(dòng)物的樣品。為了驗(yàn)證計(jì)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(duì)無(wú)脊椎動(dòng)物(介形蟲(chóng))樣本進(jìn)行定年。檢測(cè)結(jié)果證實(shí):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(lái)定年。由于礦物中鈾、釷、鉀同位素具有放射性，在天然衰變過(guò)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(chǎng)的高頻電磁輻射中時(shí)它們就會(huì)被“激發(fā)”，當(dāng)磁場(chǎng)變化時(shí)，就可以探測(cè)到電子的共振。

ESR定年法因其信號(hào)的飽和劑量較高，具有比釋光法更寬的測(cè)年范圍(表1)，同時(shí)樣品處理和測(cè)量速度快，該方法已成為老于20萬(wàn)年沉積物測(cè)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(duì)沉積物年代進(jìn)行測(cè)定，可以獲得更為準(zhǔn)確可靠的測(cè)年結(jié)果[15]。石英顆粒Al心信號(hào)曾被廣泛用于第四紀(jì)沉積物測(cè)年，但由于其ESR信號(hào)無(wú)法被光曬退“回零”，很難準(zhǔn)確評(píng)價(jià)其殘留信號(hào)值，往往使得所獲得的ESR年齡大于樣品的實(shí)際年齡，因此準(zhǔn)確評(píng)價(jià)Al心信號(hào)的殘留值是有待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。石英顆粒Ge心由于信號(hào)較弱、測(cè)年范圍小以及不易觀測(cè)等缺點(diǎn)，近年來(lái)沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。石英顆粒Ti心信號(hào)短時(shí)間(數(shù)十至上百小時(shí))內(nèi)可由陽(yáng)光曬退“回零”，可在實(shí)驗(yàn)室中準(zhǔn)確測(cè)量，而且信號(hào)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(cè)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(chǎng)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(kāi)始受到關(guān)注[18-19]。常見(jiàn)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(bào)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(cè)定等方面。

在過(guò)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(guò)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(cè)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(lái)源局限，而且測(cè)年范圍也相對(duì)更加廣泛。尤其在解決上新世到全新世的地學(xué)問(wèn)題中占有不可替代的重要地位[20]。同時(shí)加速器質(zhì)譜儀(AMS)性能的提高大大地促進(jìn)了TCN測(cè)年方法在地學(xué)研究的應(yīng)用范圍。

宇宙成因核素測(cè)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(cè)量、古人類(lèi)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(lái)，宇宙成因核素方法有下列幾個(gè)優(yōu)勢(shì):①它可以用來(lái)測(cè)定地貌的年齡及確定地表過(guò)程的發(fā)生速率；②適用于整個(gè)第四紀(jì)時(shí)間范圍。它使我們測(cè)試沉積和地貌的年代范圍超出了14C方法50 ka BP 測(cè)年上限，因而，對(duì)于廣大第四紀(jì)研究者來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)非常有價(jià)值的方法；③可以測(cè)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(shí)際應(yīng)用方面仍然存在一些問(wèn)題，需要更多深入的工作來(lái)解決，比如:①在具體應(yīng)用該方法進(jìn)行地學(xué)研究時(shí)，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(cè)年帶來(lái)了挑戰(zhàn)和不確定性。要解決這些問(wèn)題，各種理論模型的建立以及其他核素的引入，將會(huì)不斷降低上述不確定因素帶來(lái)的困擾。②核素生成率會(huì)隨時(shí)間變化，但受目前知識(shí)范圍所限，我們假設(shè)核素生成率隨時(shí)間變化是恒定的。在地質(zhì)歷史時(shí)期，對(duì)核素生成率有重要影響的宇宙射線強(qiáng)度和地磁場(chǎng)都會(huì)有變化，現(xiàn)有研究表明，80×104a BP以來(lái)核素生成率隨時(shí)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(diǎn)關(guān)注[21]。除此之外，儀器測(cè)試方面的誤差和較高的測(cè)試成本都是限制宇宙成因核素技術(shù)精確測(cè)試和廣泛應(yīng)用的重要因素。

宇宙成因核素測(cè)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(wèn)題，隨著我們對(duì)地球系統(tǒng)認(rèn)識(shí)的深入和分析測(cè)試技術(shù)的不斷進(jìn)步，宇宙成因核素測(cè)年技術(shù)的應(yīng)用面會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，測(cè)年精度也會(huì)更高。

2 討 論

近年，第四紀(jì)沉積物定年研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，時(shí)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(cè)年方法都不是萬(wàn)能的，各有適用性和局限性。國(guó)際著名地球化學(xué)家Wasserburg曾說(shuō)過(guò)，沒(méi)有不好的方法，只有不適用的方法。因此，在實(shí)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(lèi)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(wèn)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(guò)程中，不僅要保證所測(cè)樣品的代表性，確保測(cè)試環(huán)境無(wú)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(duì)比定年，相互驗(yàn)證，從而改進(jìn)和提高所測(cè)年代結(jié)果的準(zhǔn)確度和精確度。

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