第四紀(jì)測年方法的改進(jìn)與發(fā)展

第四紀(jì)測年方法的改進(jìn)與發(fā)展

第四紀(jì)是所有地質(zhì)時期中最最新、最短的紀(jì)。這一時期，人類的產(chǎn)生與人類的發(fā)展密切相關(guān)，因此對其的研究特別重要，形成了獨(dú)特的第四紀(jì)科學(xué)。人們探討的環(huán)境演變一般都局限在第四紀(jì)范疇,在這樣短的時期,要求更精確的,分辨率更高的測年,以便更準(zhǔn)確地確定周期和相位,進(jìn)行全球性對比,進(jìn)而認(rèn)識自然演變趨勢和發(fā)展規(guī)律,為科學(xué)地推測過去、認(rèn)識現(xiàn)在、預(yù)測未來找到依據(jù)。第四紀(jì)地質(zhì)的某些測年方法和技術(shù)與測定前第四紀(jì)物質(zhì)(如K-Ar法)的方法和技術(shù)有很大的相似性。建立在各種物理化學(xué)和生物作用基礎(chǔ)上的前第四紀(jì)物質(zhì)的許多測年方法和技術(shù),稍加改進(jìn)就可以用以第四紀(jì)地質(zhì)的研究。不僅如此,第四紀(jì)學(xué)家們也發(fā)展了許多專門測定年輕沉積物年齡的方法和技術(shù)。各種測年方法及技術(shù)歸納起來如表1:上述測年方法中一類屬數(shù)值定年,也就是能給出具體的年齡值,如放射性定年法、樹木年輪等;另一類屬對比性的定年,即能確定年齡新老,或年齡區(qū)間,但不能給出某個樣品、某個事件地具體年齡值,如某些巖石地層法、生物法乃至地磁法。在實際的應(yīng)用中,以上兩類方法相輔相成、互相驗證。1古氣候、古環(huán)境演化時間序列的建立此類方法是基于對比進(jìn)行測年,如地層層序、構(gòu)造期次僅用于確定地質(zhì)體形成的時代和新老關(guān)系,可適用于任何地質(zhì)時代,但要想正確的定年,需要有豐富的野外地質(zhì)工作經(jīng)驗。沉積紋層目前主要用于測定湖泊沉積物,建立古氣候、古環(huán)境演化的時間序列。紋層(lamina)是種猶如樹輪的沉積紋理。湖泊沉積物的紋泥是由于氣候的年旋回而產(chǎn)生的,每個層偶(couplet)包括粗的、淺色(夏季)層和細(xì)粒、暗色(冬季)層,代表了一年。這為沉積物本身提供了精確的年代,從現(xiàn)代沉積物表面往下數(shù)層偶,也就確定了湖泊的形成或與其有關(guān)的特征。如把紋泥確定的相對年齡與用某種沉積物測量的日歷年齡相結(jié)合,便可建立起高分辨率的古氣候時間序列;而且這種季節(jié)紋泥不會因為測年技術(shù)的發(fā)展而改變其相對年齡值,據(jù)此也可研究太陽黑子活動的各種周期及一些更短的周期事件(如厄爾尼諾)。2樹輪年代學(xué)在確定年齡上的應(yīng)用動物和植物演化在第四紀(jì)沉積物的定年中也是非常有用的,但與前第四紀(jì)時期相比使用范圍不一樣,這是因為多數(shù)組合的演變速率與包含它們的短時期相比顯得太緩慢了。第四紀(jì)沉積物中孢子花粉顆粒異常豐富和分布廣泛,因而它們比其它任何化石更多地利用來建組合生物帶。但由于穿時性,并且可能沒有嚴(yán)格的相似物,因而很難用于環(huán)境狀況重建或難于用于年齡測定和對比。發(fā)現(xiàn)于陸相第四紀(jì)沉積物中的脊椎動物化石(主要是骨骼和牙齒),在確定年齡上可能要比其他化石組合迅速一些。如今已證實軟體動物對年齡測定有用,特別應(yīng)用于第四紀(jì)早期的測年。以樹木生長的年輪的厚度或密度變化為基礎(chǔ)的樹輪年代學(xué)主要特點是準(zhǔn)確、連續(xù)性強(qiáng)、分辨率高及易于獲取復(fù)本等。它廣泛應(yīng)用于氣候?qū)W、考古學(xué)、水文學(xué)、生態(tài)學(xué)、木材解剖學(xué)、農(nóng)業(yè)科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等方面,其應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷的擴(kuò)展,已成為一門有發(fā)展前途的、跨領(lǐng)域的綜合性學(xué)科。但無論應(yīng)用何種研究,年表的建立尤為重要。為定年提供服務(wù)的長年表在北美洲、歐洲、南美洲、澳洲等都有建立。長年表的建立,可為14C測年提供了校準(zhǔn)曲線,使14C測年的精度提高。德國建立的橡樹年表和松樹年表延伸了新仙女木期,使樹輪年代學(xué)為14C在全新世測年提供了確切的時間控制。我國的樹輪年代學(xué)起步較晚。近年,我國相應(yīng)在天山、長白山等一些地區(qū)建立了樹輪寬度年表。在今后的測年研究中,樹輪年代學(xué)將會發(fā)揮更大的作用。冰川融化或消退后,新近露出的冰磧沉積物或平滑的基巖面開始被地衣群落占據(jù)。Beschel(1950)提出地衣的生長速率可用來測量從地表露出以來的時間,通常所選取的地衣種類(即Rhizocarpongeographium)的年齡已由歷史或其它已知年齡的地表面上測定,此外推測定未知年齡的地表面。該方法曾用于測定北極和阿爾卑斯山地區(qū)近代冰川后退階段(Andrew等,1964)。但使用該測年方法應(yīng)注意地衣生長不受大氣圈污染的影響。3黃土古地磁學(xué)的發(fā)展地球磁場在過去以各種方式變化,包括地磁極的南北極倒轉(zhuǎn)、極性漂移等,蘊(yùn)含于這些物質(zhì)中的磁性特征的測量可通過已建立的倒轉(zhuǎn)和其他變化層序的對比確定其年代。古地磁年代學(xué)為第四紀(jì)地質(zhì)年代表的建立奠定最重要的基礎(chǔ)。中國的第四紀(jì)沉積物中尤其是中國北方的黃土中蘊(yùn)含了豐富的古地磁學(xué)信息,且其沉積序列能與深海氧同位素進(jìn)行對比。幾十年來,中國的黃土古地磁學(xué)也已取得很大的發(fā)展。早在20世紀(jì)70年代李華梅等在山西午城剖面對中國黃土首次進(jìn)行了古地磁學(xué)研究。近幾十年來,中外學(xué)者對不同地區(qū)具有相同地層的代表性黃土剖面開展了大量的磁性地層研究,為我國一系列早、中更新世連續(xù)沉積地磁和早期古人類遺址卡住了基本時間框架。極性倒轉(zhuǎn)是地球磁場的重要特征之一。地質(zhì)歷史時期中地球磁場有規(guī)律地頻繁發(fā)生過極性倒轉(zhuǎn),據(jù)此得出的全球性5Ma以來的地磁極性年表,已廣泛用于確定第四紀(jì)地層的地質(zhì)年齡。除地磁性倒轉(zhuǎn)外,還有磁性位置極短的移動,即偏移。布容正極性時的短期極性事件和極性漂移可用于地層的進(jìn)一步細(xì)分和對比,但由于這些極性事件及極性漂移持續(xù)時間短,能進(jìn)行全球性對比的不多。地球磁場并非只是簡單的偶極,且處處有變化的非極性因素,需利用經(jīng)良好測年長期變化的標(biāo)準(zhǔn)曲線測定某些古地磁特征以測定有限地區(qū)內(nèi)沉積的層序。但地層剖面時標(biāo)的細(xì)刻度常需要對沉積速率進(jìn)行假設(shè),假設(shè)不同,測年結(jié)果不同。這也是迄今仍未建立全球完全一致性的地磁極性序列的最重要的原因之一。4“文化層”的設(shè)置人類的出現(xiàn)使得第四紀(jì)的精確測年尤為重要,也給測年帶來一些特殊的途徑。第四紀(jì)沉積物所含有的人類活動的許多遺存,可以進(jìn)行對比測年和數(shù)值測年。如沉積物中的“文化層”,陶器或銅器上粘附的煙炱、珍貴的甲骨、古藏經(jīng)卷、巖壁上的畫像文字本身等都可以用于人類出現(xiàn)后的年代測定。且陶瓷、錢幣可為約2500年的沉積物提供相當(dāng)精確的年齡,而產(chǎn)出豐富的石器由于制造方法和不同類型式樣異地的遷移相當(dāng)緩慢,而且有些在不同的時間里,曾不止一次引進(jìn)到一定地區(qū),加之,若干文化在一地共同存在的時間很長,故石器的類型不可用于第四紀(jì)早期沉積物年齡的測定,只可給出近似的年齡。5輻射定年法與放射性有關(guān)的定年方法是各類方法中種類最多、應(yīng)用最廣的測年方法。因為它能給出具體的年齡值,所以也是最重要的一類測年方法。5.1鈾系組分法測年放射性同位素40K-40Ar法和39Ar-40Ar法對建立第四紀(jì)磁性年表和深海氧同位素時間標(biāo)尺起了關(guān)鍵作用。近年來,超低底本超高靈敏惰性氣體質(zhì)譜儀的發(fā)展,提高了40Ar的測限。激光顯微探測技術(shù)使39Ar-40Ar法測年可應(yīng)用于巖石中的單礦物,并使得測年的樣品用量降低(1mg即可),減小了分解礦物麻煩,且解決了樣品非均性測年困難。這一技術(shù)還可用于測定深成巖的冷卻速率。鉀-氬法配合裂變徑跡法是建立東非古人類年表的主要手段。目前,該技術(shù)在我國已有發(fā)展?，F(xiàn)在,用鉀氬法測第四紀(jì)沉積地層中伊利石、蒙脫石等自生礦物年齡的可能性已引起廣泛關(guān)注。將鈾系衰變的不平衡過程應(yīng)用于測年,主要成功體現(xiàn)在對珊瑚礁及純凈未風(fēng)化洞穴碳酸巖的測年。對深海沉積物和動物化石測年也取得成效,為3.5~4萬aB.P.全球海平面升降和氣候變化的研究提供了時標(biāo)。我國35萬年來的古人類進(jìn)化和舊石器考古年表主要是通過鈾系法建立的。鈾系組分法對年輕火山巖定年已有極大的潛力。近年鈾系法的突破是熱電離質(zhì)譜(ThermalIonizationMassSpectrometer,簡稱TIMS)鈾系法。TIMS鈾系法使得測年精度提高了1~2個數(shù)量級,所需樣品量和測量時間卻大大減少。但20世紀(jì)90年代末,MC-ICP-MS開始用于230Th測年,其比TIMS更省時、省樣、提高精度的空間且有進(jìn)行微區(qū)測年的前景,現(xiàn)在甚至有ICP-MS230Th測年法代替TIMS的趨勢。210Pb為鈾系的衰變子體,其半衰期適合于現(xiàn)代人類活動時間尺度環(huán)境過程的示蹤,在流域侵蝕和現(xiàn)代沉積研究中具有很好的示蹤價值。Goldberg(1963)首次利用210Ph作為格陵蘭冰芯計年。近30年來,210Pb廣泛用于現(xiàn)代沉積速率的測定,取得了很好的進(jìn)展,顯示出210Ph在百年時間尺度上的沉積物計年價值。5.2年代學(xué)及研究熱點14C測年是全新世及晚更新世最常用、一般也最可信的方法,其理論嚴(yán)格,技術(shù)成熟,而且適用于14C測年的樣品品種多并容易找到。夏商周年表的年齡框架就是通過14C年齡測定建立的。14C測年法近年的發(fā)展主要表現(xiàn)在三個方面:①14C常規(guī)測定技術(shù)向高精度發(fā)展比較成熟,現(xiàn)代碳樣的測定精度可達(dá)到2%。其14C年齡(非日歷年齡)誤差可達(dá)到±20a;②加速器質(zhì)譜技術(shù)使得測定的時間短、功效高、樣品用量低,使得顆粒重量僅0.01~0.2μg的花粉的測定成為可能;③高精度14C樹木年齡校正曲線的建立,使14C日歷年齡誤差只有±10a左右,日歷年齡上限可達(dá)到7000aBP。1993年公布的高精度樹輪年年齡校正曲線,日歷年齡上限可達(dá)10000aBP,對萬年以上的14C日歷年齡數(shù)據(jù),目前研究工作可望將校正范圍延伸至2萬aBP。10Be和26Al等宇宙成因核素作為第四紀(jì)計時器,可能是AMS研究熱點。沈承德等通過洛川黃土剖面中10Be濃度的研究,認(rèn)為10Be可作為黃土剖面相對時標(biāo)。在格陵蘭和極地冰芯中觀察到,在35000±1500aBP,10Be濃度有峰值。這個10Be峰與近年來地中海CT85-5鉆孔沉積物10Be峰及其它從深海沉積物中獲取的10Be峰在時間上是屬于同期的,可作為Reibeck時標(biāo)。目前,通過研究控制初始10Be濃度的各種因子及海洋沉積物10Be/9Be值,完善了深海沉積物及錳結(jié)核的10Be的測年方法,由于26Al的產(chǎn)生行為與10Be相似,這方面也用26Al/10Be的值。10Be和26Al已被成功用來測定地表暴露、埋藏和沉積年齡,估計風(fēng)化—侵蝕速率,探討各種地表過程,適用于距今萬年至數(shù)百萬年的地質(zhì)歷史時期。如Gosse等通過測量美國懷俄明Fremont湖盆冰川漂礫中石英的含量,獲得了該區(qū)冰川發(fā)育極盛期的10Be年齡,較好地重建了該區(qū)末次冰川作用的歷史。36CI斷代法是近幾十年發(fā)展起來的第四紀(jì)地質(zhì)事件測年的新方法。Phillips等建立了火山巖的36Cl斷代法,應(yīng)用36Cl斷代法研究了美國西部冰川堆積物的年代學(xué)。36Cl測年的關(guān)鍵問題是測年技術(shù)。加速質(zhì)譜法的應(yīng)用提高了36Cl的測試精度,也使36Cl斷代法成為第四紀(jì)重要的年代學(xué)研究方法。在我國36Cl已有一定的發(fā)展,中國科學(xué)院鹽湖研究所和中國地質(zhì)大學(xué)(北京)建立了36Cl制樣實驗室,中國原子能科學(xué)研究院建立了Cl/Cl加速質(zhì)譜室。5.3光釋光測年技術(shù)熱釋光(Thermoluminescencedating,簡稱TL)、光釋光(OpticStimulatedLuminescence,簡稱OSL)和電子自旋法(ElectronSpinResonance,簡稱ESR)等方法的測年原理并非直接基于放射性核素的衰變過程,而是依賴于樣品中石英、長石等在放射性射線輻射下的累積效應(yīng)。結(jié)晶固體的釋光(磷光)現(xiàn)象被用來作為測年技術(shù)已有40多年歷史。20世紀(jì)70年代,它作為一種新的測年技術(shù)測出無碳標(biāo)本的年齡,彌補(bǔ)了14C測年技術(shù)的缺陷。釋光測年中的一個重要因子是輻射劑量,它直接影響到測年結(jié)果。熱釋光測年(TL)方法可用于確定陶器燒制的時代和確定燒過的燧石最后一次受熱時間,也可測定深海沉積物、黃土和河湖相粉砂沉積的時代以及埋藏土壤埋藏時代。但對這些沉積物進(jìn)行精確測年尚有不少問題需探討,首先面臨的就是熱釋光的曬退效應(yīng)問題,另外沉積物的元素、礦物組成、粒度以及地下水的變動等許多因素也影響測年精度。目前,選用單礦物、選取特定波長范圍的TL信號,有可能提高TL法測沉積物年齡的精度并拓延其測年范圍。OSL法是TL法測年的新進(jìn)展。它排除了(至少降低)TL法中殘余信號的干擾。近年的突出進(jìn)展是單片技術(shù)的應(yīng)用,解決了傳統(tǒng)光釋光測年的許多問題,它的應(yīng)用為快速沉積不均勻曬退的沉積物,如洪積物、冰積物及風(fēng)暴沉積物等的年代測定提供可能性。沉積物OSL測年方法按所用激發(fā)光源可分為綠光釋光(GLSL)和紅外釋光(IRSL)兩種技術(shù)。對于同一個含有石英和鉀長石碎屑礦物的沉積物樣品同時進(jìn)行綠光釋光(GLSL)和紅外釋光(IRSL)測年并對比結(jié)果,可獲得OSL測年可靠性的一種自檢。趙華等對鄭州邙山黃土剖面的馬蘭黃土作了實驗發(fā)現(xiàn)GLSL和IRSL測得年齡在1~2σ標(biāo)準(zhǔn)差內(nèi)一致。光釋光(OSL)技術(shù)在晚第四紀(jì)水懸浮碎屑沉積物的年齡測定方面具有巨大的潛力,對沙漠黃土邊界帶湖相沉積物的年齡測定也可取得理想效果。近年發(fā)展的特征波長光釋光測定年齡的技術(shù)——選頻光釋光測年方法,可以使測年結(jié)果的互比在同一樣品中進(jìn)行,這既是一種自我鑒定,同時也保證了年齡數(shù)據(jù)的可靠。電子自旋法(ESR)測年的范圍很廣,包括骨骼、牙齒、軟體動物殼體、磷灰?guī)r晶體、石灰華、鐘乳石、火山玻璃和長石晶體、石膏晶體及取自斷裂帶的變形石英顆粒等。ESR法主要優(yōu)點是所需樣品的規(guī)格小(約0.25g)及可測物質(zhì)年齡范圍廣(數(shù)百萬年),因而隨著該方法的發(fā)展,它有可能覆蓋14C的較老界限和其它同位素技術(shù)如K-Ar法年輕極限間的時間間隔。用ESR法可驗證