《第四紀(jì)環(huán)境》測(cè)年

第四紀(jì)沉積物常用測(cè)年方法分類一．物理年代學(xué)方法二．放射性同位素年代法一．物理年代學(xué)方法

概念：利用礦物巖石的物理性質(zhì)（如熱、電、磁性等）測(cè)定沉積物的年齡的方法。

種類：古地磁法、熱釋光（TL）、光釋光(OSL)、電子自旋共振（ESR）、裂變徑跡法等。1．古地磁學(xué)方法概念：古地磁學(xué)方法是利用巖石天然剩余磁性的極性正反方向變化，與標(biāo)準(zhǔn)極性年表對(duì)比，間接測(cè)量巖石年齡的方法。實(shí)質(zhì)：相對(duì)年代學(xué)和絕對(duì)年代學(xué)方法的結(jié)合——運(yùn)用古地磁數(shù)據(jù)建立極性時(shí)（世、期）和極性亞時(shí)（事件）的相對(duì)順序，再運(yùn)用同位素（主要是K—Ar法）測(cè)定他們各自的年代，繼而建立統(tǒng)一的磁性年表。（1）基本原理A．過去地質(zhì)歷史時(shí)期與現(xiàn)代一樣，地球是一個(gè)地心軸偶極子磁場(chǎng)。B．含有鐵磁性礦物的巖石，在形成過程中受到地磁場(chǎng)的作用而被磁化，磁化方向與當(dāng)時(shí)的磁場(chǎng)方向一致。

a.沉積巖：沉積剩余磁性。

b.火成巖：居里點(diǎn)之下，稱為熱剩磁。居里點(diǎn)溫度一般在500~650℃（表）

C．不同時(shí)期磁場(chǎng)是變化的,因此保存在沉積物中的磁場(chǎng)特征也是變化的：變化包括磁極移動(dòng)（106—109年）和磁場(chǎng)倒轉(zhuǎn)（103-107）。載有剩磁的天然礦物的居里溫度礦物 組成居里溫度(℃)

磁鐵礦Fe3O4 585 赤鐵礦Fe2O3675 磁赤鐵礦γFe2O3≈740 磁黃鐵礦Fe7O8 ≈300

鐵 αFe 780 鎂鐵礦MgFe2O4440 錳尖晶石MnFe2O4310 針鐵礦 αFeOOH120 鈦尖晶石Fe2TiO4-153 纖鐵礦γFeOOH -196鈦鐵礦 FeTiO3 -218

正極性：指巖石剩磁的極性方向與現(xiàn)代地球極性方向相同，其磁傾角為正值，磁偏角接近0度。

反極性：是指巖石剩磁的極性方向與現(xiàn)代地球極性方向相反，其磁傾角為負(fù)值，磁偏角接近180度。

極性時(shí)（世、期）：指以某種極性占優(yōu)勢(shì)、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的時(shí)間單位，一般在100萬(wàn)年左右。

極性亞時(shí)（事件）：極性時(shí)中短暫的（1萬(wàn)年~十幾萬(wàn)年）極性倒轉(zhuǎn)時(shí)期。（2）古地磁極性年表（A.Cox）

古地磁極性年表是根據(jù)一系列主要用K-Ar法測(cè)定年齡的不同時(shí)間尺度的極性變化事件編制的地磁極性時(shí)間表。目前用于第四紀(jì)研究的極性年表是A.Cox等1969年根據(jù)陸地和大洋已有的140多個(gè)數(shù)據(jù)擬定的5MaB.P.以來的地磁極性時(shí)間表，后經(jīng)許多研究者補(bǔ)充修正，綜合成表。用于第四紀(jì)的古地磁極性年表

據(jù)A.Cox，1969等資料綜合 黑色為正極性；白色為反極性

(3)測(cè)年范圍及應(yīng)用條件無時(shí)間限制，整個(gè)第四紀(jì)都可以。剖面沉積連續(xù)、厚度巨大的細(xì)粒沉積層。

(4)應(yīng)用情況方法成熟，廣泛應(yīng)用。

巖石必須含有鐵磁性物質(zhì)，但后期巖脈穿插的巖石樣品不行。取定向標(biāo)本：產(chǎn)狀要素法、自然方位法采樣間距及大?。洪g距<1m，大小2cm*2cm*2cm。

(5)采樣要求古地磁方法綜述綜上所述，一些巖石中固有的這種剩余磁性是揭示過去地球磁場(chǎng)歷史的信息，類似于化石一樣地能保存到現(xiàn)在。我們通過分析巖石中的天然剩余磁性，可以了解巖石形成時(shí)的地磁極性。通過其它同位素測(cè)年確定每次地磁場(chǎng)變化的年代，建立古地磁極性年表，以此為標(biāo)準(zhǔn)，將研究區(qū)巖石磁性的變化與之對(duì)比，從而可以確定沉積物的年代。古地磁法的不足之處在于：退磁困難；難以判斷不同層位相同極性所屬時(shí)代.古地磁對(duì)比圖河北平原肅寧縣東官亭村厚達(dá)500m的第四紀(jì)沉積物的古地磁極性變化（據(jù)李素珍，1976）1.亞砂土；2.亞粘土；3.砂層；4正向極性；5.反向極性；6.正向傾角；7.反向傾角2．熱釋光（TL）、光釋光(OSL)、電子自旋共振（ESR）法這是基本原理相似而測(cè)試對(duì)象及方法不同的3種年代學(xué)方法?；驹恚喝N方法不同之處在于：TD是通過不同的激活手段（加熱、光照、加磁場(chǎng)）使其釋放出來的。TD—IDADt=（1）熱釋光（Thermoluminescence）A.基本原理非金屬絕緣礦物發(fā)光（釋放儲(chǔ)存的輻射能量）發(fā)光強(qiáng)度∝吸收的輻射能量∝時(shí)間（t）發(fā)光強(qiáng)度∝時(shí)間（t）熱發(fā)光現(xiàn)象可分為二個(gè)階段：貯集階段、發(fā)光階段（圖）計(jì)算公式加熱至紅外溫度A=PDB.基本假設(shè)條件a、所測(cè)樣品經(jīng)歷了一次徹底的“零化”(熱)事件，重新啟動(dòng)時(shí)間鐘。b、被測(cè)樣品具有足夠高的熱穩(wěn)定性.c、樣品經(jīng)過“零化”事件后,必須埋藏在鈾、釷和鉀封閉體系或動(dòng)態(tài)平衡環(huán)境中，輻射計(jì)量率為常數(shù)。C．測(cè)量對(duì)象及測(cè)年范圍a.對(duì)象受熱樣品：古陶片、古磚瓦、古窯壁、烤過的燧石石器、方解石脈、斷層泥等。充分暴露的樣品：黃土、沙漠砂、沙丘砂、海岸沙丘砂。b.測(cè)年范圍決定于樣品的環(huán)境計(jì)量率和被測(cè)礦物。一般在1.0Ma以內(nèi)。當(dāng)環(huán)境計(jì)量率為1Gy/Ka時(shí)，石英可測(cè)1K年-10萬(wàn)年或50萬(wàn)年；鉀長(zhǎng)石可測(cè)2K年-50萬(wàn)年。不同樣品的熱發(fā)光年齡的計(jì)時(shí)起點(diǎn)不同：年齡值是最后一次光照曬后埋藏之日起至測(cè)量之日所經(jīng)歷的時(shí)間。D.取樣注意事項(xiàng)a.注意避光：開挖新鮮露頭，樣品要及時(shí)用黑布或不透光的容器包裝，避免陽(yáng)光照射。b.采集埋藏穩(wěn)定、巖性均一的細(xì)粒部分的樣品，對(duì)于陶瓷樣品同時(shí)采取周圍的土樣，保證得出準(zhǔn)確的環(huán)境劑量。C.樣品水分的丟失，含水狀態(tài)對(duì)計(jì)算環(huán)境劑量率有影響。d.斷層樣品的采?。鹤钚乱淮位顒?dòng)的斷層泥，并同時(shí)取斷層兩盤的的圍巖樣，供校準(zhǔn)環(huán)境劑量。e.樣品量：除陶瓷樣品外，其它樣品需200-250克。（2）光釋光(OSL）法光釋光法（OpticallyStimulatedLuminescence）是1985年由D.JHuntley等提出和建立的一種新的第四紀(jì)沉積物年齡測(cè)定方法。它是在熱釋光基礎(chǔ)上建立起來的，近年來獲得迅猛發(fā)展。不少專家認(rèn)為，光釋光法進(jìn)一步發(fā)展可能成為一種可與14C法媲美的第四紀(jì)測(cè)年方法。我國(guó)是1990年由中科院地質(zhì)所盧演儔開始做工作，1994年建立實(shí)驗(yàn)室。光釋光法與熱釋光法不同之處在于：

被測(cè)礦物由于輻射儲(chǔ)存的電離輻射能是通過不同波段的光波激發(fā)釋放的。利用不同的光源可獲得不同碎屑礦物的OSL信號(hào)，可進(jìn)行單礦物測(cè)年。不存在困擾沉積物TL測(cè)年的殘留TL水平問題。因?yàn)镺SL信號(hào)只與光敏陷電子有關(guān)。可用于曾在搬運(yùn)、沉積過程中短暫暴露于日光下的沉積物年齡的測(cè)定。取樣時(shí)必須絕對(duì)避光，用黑雨傘或黑布避光取樣。（３）電子自旋共振（ESR）法應(yīng)用條件與熱釋光法相同，但樣品可以重復(fù)利用。①原理

根據(jù)樣品中由輻射產(chǎn)生的電子或空穴中心含有的未成對(duì)電子，利用電子順磁共振技術(shù)直接測(cè)量未成對(duì)電子的數(shù)量（ESR強(qiáng)度），進(jìn)而計(jì)算出樣品所接受的累計(jì)輻射劑量。（３）電子自旋共振（ESR）法②測(cè)試對(duì)象①沉積和淀積形成的樣品：碳酸鹽類、磷酸巖類（牙齒、動(dòng)物骨頭）、硫酸鹽類、硅酸鹽類樣品。②受熱樣品：火山物質(zhì)、古代人們燒烤過的材料。③受壓力作用的樣品：斷層活動(dòng)影響的樣品。④經(jīng)過太陽(yáng)照射的樣品：③測(cè)年范圍視不同樣品和環(huán)境劑量率大小而定，一般可以測(cè)距今幾百年到幾百萬(wàn)年時(shí)間段的年齡。（３）電子自旋共振（ESR）法④樣品的采集量A.石筍、石膏、鈣華等樣品及牙齒、動(dòng)物骨頭等生物化石：５０～１００克。B.含石英顆粒（松散沉積物）樣品的采集量視待測(cè)樣品中石英含量而定，一般需要１０００～２０００克。３．裂變徑跡法（FissionTrack）(1)基本原理238U

原子核碎片

絕緣礦物損傷

痕跡裂變徑跡密度∝t可以利用徑跡密度和長(zhǎng)度的變化特征，恢復(fù)樣品的受熱歷史，因此該方法廣泛應(yīng)用于古地溫及構(gòu)造熱史、抬升速率方面的研究。裂變（2）測(cè)量對(duì)象磷灰石、鋯石、榍石、云母、火山玻璃、隕石等。對(duì)沉積巖來說，則為代表巖石形成以來的自生礦物（磷灰石等）。（3）測(cè)年范圍：幾百年～幾百萬(wàn)年，尤宜用于測(cè)１MaBP以來的樣品。３．裂變徑跡法（FissionTrack）（4）取樣注意事項(xiàng)①巖石新鮮②礦物結(jié)晶程度高，不含或少含雜質(zhì)。③樣品量確保足以遴選出幾十個(gè)或更多的測(cè)試礦物顆粒，要求選單礦物１００～５００顆，送巖石樣品一般需２Kg。３．裂變徑跡法（FissionTrack）二．放射性同位素年代法基本原理利用礦物和巖石中含有微量放射性同位素的自行衰變計(jì)算年齡的一大類方法。計(jì)算公式：N=N0et=lnD=N0(1-e

t)分類：按照放射性同位素來源不同，可分為3類：1、宇宙成因同位素法（14C法）、2、非宇宙成因同位素法：K-Ar法、U系法3、人工核放射性沉降法。-

t

1N0

N1．

14C法（1）基本原理放射性碳的形成與衰變14C的半衰期:5730a(或5568a)14C的衰變常數(shù):1.2

×10-4a計(jì)算公式:I=I0e-

t

t=log(I/I0)×18.5

×103(a)基本假設(shè)條件a.近幾萬(wàn)年來宇宙射線強(qiáng)度不變；b.在交換庫(kù)中14C處于動(dòng)態(tài)平衡，14C含量一定；c.樣品被埋藏后處于封閉體系，無14C的加入，14C按衰變規(guī)律自然減少。（2）測(cè)量對(duì)象和測(cè)量時(shí)限測(cè)量時(shí)限：可精確測(cè)定五萬(wàn)年以來的含碳樣品的年齡。（時(shí)限的計(jì)算）測(cè)量對(duì)象：所有含碳物質(zhì)和水。（3）取樣要求①注意事項(xiàng)a.

不要采集受污染的樣品；避開污染源b.

不要讓樣品受污染：防止標(biāo)簽和包裝袋污染樣品②采集量（表）（4）對(duì)14C法的評(píng)價(jià)精度最高、用途最廣、方法最成熟的第四紀(jì)年代學(xué)方法。14C樣品采集量木炭

30~90g干燥木頭

60g和其他植物遺體干燥泥炭、古樹根150~300g草、皮、毛、蹄、鹿和其他動(dòng)物的角

500~2200g火燒骨

2200g貝殼

2200g對(duì)于年齡大于36000年或有特殊較高要求的樣品，樣品的采集量應(yīng)為要求量的2倍。

2．K-Ar法（1）基本原理通過測(cè)定K和Ar的天然放射性同位素與衰變的最終穩(wěn)定子體之間的含量比來確定年齡。（2）基本假設(shè)條件（非宇宙成因放射性同位素法都相同）①放射性元素的半衰期準(zhǔn)確知道②t=0時(shí),無放射成因的40Ar,即40Ar/36Ar為大氣比值③t時(shí)段內(nèi),K與Ar處于一個(gè)封閉體系。（3）測(cè)量對(duì)象單礦物：長(zhǎng)石、云母、角閃石、海綠石（含鉀礦物）全巖類：玄武巖、輝綠巖、粗面巖等（4）測(cè)年范圍：10萬(wàn)年~10億年（Q3以前）（5）取樣要求①樣品有一定的地質(zhì)意義；②有良好的保護(hù)環(huán)境，樣品無蝕變；③粘土樣品應(yīng)選取細(xì)粒部分(<2um或<1um),并作X光衍射和電子顯微鏡分析，判斷是否1MD伊利石。④<2Ma的年輕樣品以及不滿足上述要求的樣品，原則上只能作為實(shí)驗(yàn)性測(cè)量樣品。2．K-Ar法⑤送樣重量：估計(jì)年齡范圍(Ma)含鉀量(%)樣品重量(g)

0.05-0.4

0.5-2

5-10

0.4-10.5-2

3-5

1-5

0.5-2

1-3

>50.5-2

1

3．鈾系法（鈾系不平衡法）（1）基本原理238U、235

U、232Th非平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)衰變過程服從N=N0e-

t,t=ln放射性積累：t=0時(shí)：231Pa.230Th=0,238U有一定的含量

t時(shí)段內(nèi)：238U衰變引起231Pa.230Th積累230Th/234U、 231Pa/235U比值的變化放射性衰減：t=0時(shí)：234U、230U、230Th、231Pa過剩，

t時(shí)段內(nèi)：上述同位素作為母核衰變234U/238U、 226Ra/230Th、230Th/232Th、231Pa/230Th比值的變化。因此有兩種方法：中間產(chǎn)物積累法、中間產(chǎn)物衰減法。同位素分餾效應(yīng)物理、化學(xué)、生物作用衰變t1

N0N3．鈾系法（鈾系不平衡法）(2)假設(shè)條件：

①母體和子體的半衰期應(yīng)準(zhǔn)確知道。

②在時(shí)間為零的初始點(diǎn)，系統(tǒng)中用于測(cè)年的子體同位素放射性為零或可忽略不計(jì)或已知。

③系統(tǒng)一旦形成，必須封閉，即不再獲得或丟失子、母體核素，只有這樣，系統(tǒng)的放射性平衡才能回復(fù)。3．鈾系法（鈾系不平衡法）230Th-234U法（釷-鈾法）利用沉積物中母核238U放射性衰變系列中234U過剩和238U及234U/238U與230Th/234U放射性不平衡來計(jì)算樣品的年齡。衰變鏈238U234Th234Pa234U230Th半衰期4.99Ga

24.1d1.18min

2.48*105

75ka

3、鈾系法（鈾系不平衡法）（3）測(cè)量對(duì)象沉積物、碳酸鹽（純碳酸鹽和不純碳酸鹽）、火山巖等。沉積物：海洋沉積、錳結(jié)核、湖泊沉積、鹽類等；碳酸鹽：珊瑚、鐘乳石、石筍（純碳酸鹽）鈣質(zhì)層、鈣結(jié)核、灰華、骨頭（純碳酸鹽）（4）測(cè)年范圍幾百年－６０萬(wàn)年，最佳范圍在５萬(wàn)年－３０萬(wàn)年之間。3．鈾系法（鈾系不平衡法）(5)取樣要求碳酸鹽和火山巖樣品應(yīng)取沒有風(fēng)化的新鮮樣品.碳酸鹽樣品應(yīng)是致密的、不透水的、無風(fēng)化痕跡。這樣的樣品才可能來自封閉體系。送樣時(shí)應(yīng)附有樣品的地質(zhì)環(huán)境概況說明，利于判斷是否是封閉體系。一般樣品送樣量10~100g。珊瑚化石、錳結(jié)核等海相純碳酸鹽樣品量不得低于幾克。樣品裝入布袋中送交實(shí)驗(yàn)室。4．人工核放射性沉降法（1）原理：與放射性同位素方法相同。（2）測(cè)試對(duì)象：近幾十年來人工核爆炸后沉降到海、湖、冰雪上的核沉降物。（3）測(cè)年范圍：<100年的環(huán)境污染和沉降速率等。沉降速率計(jì)算公式的推導(dǎo)：該方法處于探索階段。4．人工核放射性沉降法測(cè)年數(shù)據(jù)可分為三個(gè)等級(jí)可信:

2種以上測(cè)年方法的結(jié)果接近并符合地層層序律。參考：只有1種年代學(xué)數(shù)據(jù)，也符合地層層序律。不可信：只有1種年代學(xué)數(shù)據(jù)且違反地層層序律，則數(shù)據(jù)不可信。不可信問題產(chǎn)生的原因：本身方法就不成熟；方法成熟但操作有誤；標(biāo)本受污染或無代表性。測(cè)年時(shí)應(yīng)同時(shí)做的工作論證方法前提的合理性；測(cè)定年齡樣品的適應(yīng)代表性；元素地球化學(xué)性質(zhì)和元素的遷移、富集規(guī)律。謝謝每一次的加油，每一次的努力都是為了下一