(地質礦產部海洋地質研究所)
年輕沈積物年代學是年輕沈積物地質研究的內容之壹。到目前為止，有近20種測年方法，每種方法都有最適合的樣本和最佳的測年範圍。近年來，由於新技術的應用，測年技術有了很大發展。加速器質譜儀(AMS)技術的應用，幾乎讓常規的14C方法黯然失色。電子自旋* * *振動(ESR)測年法異軍突起，極大地拓寬了第四紀研究領域。高精度質譜是鈾年代測定的壹次偉大革命。目前，年輕沈積物年代學的發展方向是新技術、高精度、小樣本和自動化。
AMS定年ESR定年；MS定年；年輕沈積物光致發光定年
1年輕沈積物的年代學及其意義
人類生活在地質歷史的第四紀時期，晚第三紀以來的沈積物可以統稱為年輕沈積物。研究年輕沈積物對於了解和研究現代自然環境和人類生存發展具有重要意義。更重要的是，對年輕沈積物的研究可以預測未來人類生存環境的變化。年輕沈積物年代學是年輕沈積物地質研究的重要組成部分。它使人們對地質事件有了具體的時間概念，可以對各種地質事件進行對比，從而揭示更深層次的地質意義。年輕沈積物的年代學研究不僅具有理論意義，而且具有實際意義。隨著社會的發展和科技的進步，城市地質、環境地質、農業地質、災害地質和工程地質已經成為困擾人類生存和發展的重要因素。這對了解年輕沈積物的年代學進展無疑是非常有益的。
年輕沈積物的測年方法有近20種，大體可分為兩大類。壹類來源於放射性同位素衰變機制的方法，如K-Ar、Rb-Sr等經典方法，以及14C、熱釋光(TL)、發光(OSL)、裂變徑跡(FT)、電子自旋* * *振動(ESR)、鈾系不平衡、10Be等方法。另壹種是基於沈積物隨時間的相對變化，如古地磁(PM)和氨基酸消旋化(AAR)。此外還有孢粉、糧泥等方法；從技術上來說，加速器質譜計(AMS)也可以自成壹類。
本文主要從放射性同位素衰變的機理和方法方面介紹了近年來的壹些突出進展。
2 AMS技術
AMS是英文加速器質譜儀的縮寫。這種方法其實就是把加速器和高能質譜儀結合起來。雖然串列加速器本身沒有質量分辨能力，但它可以利用外加磁場將加速前後的質量分開，使原有質譜儀的靈敏度提高了至少5個數量級。自1977年美國羅切斯特大學和加拿大麥克馬斯特大學相繼發表用AMS技術分析10Be和14c的工作以來，目前全世界已有30多臺AMS裝置在運行，分析最多的核素是14C、10Be、36Cl、26Al和14C。
AMS測年法的基本原理與常規測年法相同，都遵循被測樣品中核素的原子序數隨時間呈指數遞減的規律。但兩種方法直接測量的對象完全不同。常規方法是測量樣品中衰變壹段時間的核素原子數，而AMS技術是對樣品中存在的核素原子數進行“計數”，即確定樣品中的同位素比例。本文以14C為例，分析了常規方法的壹些嚴重弱點:①需要大量的樣品，通常是幾克碳，由於樣品中的原子數較多，而14C的半衰期較長(5 730a)，所以常規方法測得的衰變原子數只占很小壹部分。比如年齡為0.04Ma的1g碳樣品，其中14C的總原子數為4.7×108，平均每小時只有6.3個14C的原子衰變；②測量時間長。由於14C原子的衰變數較小，必須長時間測量，壹般需要17h左右，而10Be的測量需要連續測試1 ~ 1.5個月。③最大使用壽命很難超過4 ~ 5萬年，因為目前測量儀器的噪聲本底計數很難降到0.5cpm以下。與傳統方法相比，AMS技術具有許多獨特的優勢。首先，它可以大大減少待測樣品的數量，壹般只需要幾毫克到幾十毫克的碳樣品，這就使得很多珍貴的樣品如考古中的有孔蟲、月球和深海沈積物都要進行測試。而壹些重要的地質樣品由於數量少，只能用AMS方法測試，如冰芯中的CO2、黃土中的分層選擇的不同有機質、鈣華等碳酸鹽沈積物中的少量有機質。其次，測量效率高。壹般24小時內可以檢測40個樣本。④由於靈敏度大大提高，14C的測定周期可能延長到7萬年到8萬年。
AMS技術與常規方法相比也存在壹些缺點:①測量精度不夠高，穩定性不夠好。目前常規14C的精度可以達到1%以下，AMS對於0.01Ma的樣品可以達到1%左右，而老壹點的樣品精度只能達到4% ~ 5%。目前，只有少數實驗室達到了高水平的測量精度，而常規方法通常是穩定的。②設備非常昂貴，日常工作成本也很高，無法像常規方法那樣廣泛使用。(3)由於需要的樣品是微量的，所以對微量樣品的處理技術要求非常嚴格，壹般的樣品處理不像常規方法那麽簡單。
盡管如此，AMS測年技術仍然是年輕沈積物年代學的壹次偉大革命。對14C、10Be、36Cl、26Al、129I等長壽命宇宙成因核素的分析極其靈敏，所需樣品僅為常規方法的千分之壹。利用這些核素成為地球科學家手中測年或示蹤的有力手段，使地球科學的研究更加深入。例如，隨著第四紀研究的深入，人們需要探索古氣候、古環境的高分辨率記錄。為了實現這個目標，首先需要壹個高精度的時間標尺。可以說，如果沒有AMS技術對海洋有孔蟲的14C年齡進行定年，就無法從全球變化的角度來討論新仙女事件。
AMS10Be已用於研究深海沈積物和大洋錳結核的沈積率和生長率，並用於研究玄武巖和安山巖帶的暴露年齡和侵蝕率。AMS36Cl可以確定蒸發鹽沈積的來源和年齡，成功確定了大和隕石在南極的降落年齡和暴露年齡。AMS129I在水文學研究中也具有重要意義。
我國的AMS研究已經開展了幾年，已經安裝或正在安裝AMS裝置的單位有四個(中國原子能科學研究院、北京大學、上海原子核研究所、蘭州近代物理研究所)。中國原子能科學研究院HI-13串列加速器質譜計對10Be進行了測試，研究中太平洋錳結核的生長速率和沈積物的沈積速率，正在對36Cl和1291。北大在考14C。隨著國民經濟的快速發展和科研投入的增加，AMS在我國的應用前景將會越來越廣闊。
3 ESR測年
ESR，英文是電子自旋共振的縮寫，是近年來發展起來的壹種新的測年技術，發展非常迅速，是壹種很有潛力的測年新方法。目前國外有50多個ESR測年實驗室，其中壹半左右在日本，國內有十多個實驗室從事測年工作。ESR測年的學術交流非常活躍，發表的文獻超過300篇。已經召開了三次ESR測年和劑量學國際會議，在歐洲召開了六次TL和ESR測年會議。我國自1987以來已經召開了三次TL和ESR測年學術會議，在目前國內形勢下每兩年召開壹次全國性的學術會議實屬罕見，這也顯示了ESR測年的發展勢頭。
ESR測年的原理是，當物質受到自身或環境物質中的鈾、釷、鉀等雜質放射性衰變產生的電離輻射時，物質內部產生壹些缺陷，同時形成壹些自由電子。當這些自由電子被晶格中的其他雜質或缺陷俘獲時，形成俘獲中心，或者原來的原子失去電子，形成空穴中心。俘獲的電子中心或空穴中心具有磁性，因為它們含有不成對電子，物質中不成對電子的濃度隨時間成正比增加。這些不成對電子的濃度可以通過ESR譜儀檢測出來，從而達到斷代的目的。
ESR測年的主要特點是:壹是確定的年代範圍大，從幾千年到幾個ma；其次，可以測試的樣品很多，如各種生物化石、海相碳酸鹽、火成巖、變質巖、斷層泥、沈積物中的應時、火山灰、矽石、石膏、長石、高嶺石等。，其中有14C、鈾系、熱釋光、裂變徑跡等多種測年方法。再次，樣品用量少(1 ~ 3g)，珍貴樣品只需幾十毫克，可反復測定。該樣品仍可用於許多物品的物理和化學分析，而不會被損壞。第四，樣品制備簡單，易於批量檢測。
ESR測年法被廣泛使用，並且正在迅速擴展。可應用於古海洋學、石油地質學、災害地質學(斷層、滑坡和泥石流)、環境地質學、經濟地質學、工程地質學和第四紀地質學。這項技術不僅可以確定年代，還可以提供許多有用的信息，如被測樣品的熱歷史。
ESR測年目前處於發展階段，影響測年的因素有十幾種，有些影響很大。目前看來，最大的不確定性來自於累積劑量的確定。由於ESR測年的歷史較短，還不夠成熟，壹些影響因素的機理還不清楚，需要考慮和解決的問題很多，給ESR測年帶來了壹定的困難和較大的誤差，遠不如現在的14C測年完善。而ESR法有其獨特的優勢，可以用在壹些成熟的測年方法不能用的地方，這大概也是它生命力如此強大的原因。
我國開始ESR測年還不算晚，過去五六年已經做了大量工作，如黃土中的應時、南海的珊瑚礁、海洋沈積物中的貝殼、蚌類和洞穴沈積物、西藏的矽石和石膏、遼寧周口店和金牛山的骨骼化石和斷層泥、雲南東川的泥石流沈積以及南海和黃海的海洋沈積物中的海岸風成沙等。這些研究有的達到了當時國外同類工作的研究水平。總的來說，國內對ESR測年的研究多集中在應用方面，對ESR測年機理的研究較少。ESR測年技術復雜，涉及專業知識面廣。因此，需要時間學家、地質學家和固體物理學家相互合作，取長補短，共同研究，使這項新技術走向新的高度。
ESR譜儀是高科技產品，目前國內還不能生產。應該說，國內進口的ESR譜儀不在少數，但大多集中在壹些重點大學的理化系或生物醫學研究系，沒有專門的ESR測年實驗室。1992年，地礦部向海洋地質研究所年代實驗室引進了西德Brnker公司的新型ESR譜儀，這是地礦部第壹臺ESR譜儀，也是我國第壹臺從年代實驗室引進的ESR譜儀。這壹先進儀器的引進將極大地促進中國ESR測年的發展。
鈾系的高精度質譜定年
鈾系(MS)高精度質譜定年最早是由美國人在上世紀80年代末提出的。該方法的測年結果報道後，在學術界引起巨大反響，獲得壹致好評，被認為是鈾系測年的壹次偉大革命。常規的鈾年代測定法是根據單位時間內a衰變的次數來確定這種核素的含量。因此，常規的鈾測年方法使用的樣品多，耗時長，準確性差。使用MS測鈾系統可以將樣品降低到200mg(珊瑚)，誤差可以降低到65438±0%以下。由於常規方法測鈾需要更多的樣品，人們在壹些不滿足測年前提的情況下，盡量提出壹些測年模型，而MS法可以直接測定更小的樣品，減少了壹些人工模型，使測試結果更加客觀。
以前人們認為14C是最準確的斷代方法。經過仔細研究發現，海洋是14C最大的交換庫，不僅與大氣直接接觸，而且體積巨大，因此海洋對大氣CO2的變化也有影響。鈾系測年和14C測年是兩種機制不同的測年方法。珊瑚樣品同時用這兩種方法測量，鈾系年齡往往大於14C。由於常規鈾系測年的精度不如14C測年，這壹年齡差沒有引起足夠的重視。利用高精度質譜230Th/234U測年技術，珊瑚年齡測定的不確定度小於100a，從而可以利用鈾系與14C的年齡差計算大氣14C比值的變化，進壹步修正14C的年齡。這個例子足以說明MS鈾年代測定的意義。目前MS鈾測年僅限於碳酸鹽和年輕火山巖，具有壹定的局限性。隨著研究的深入，質譜鈾測年的應用範圍必將擴大。
國內沒有MS鈾系定年的報道，但國內有適合MS鈾系定年的質譜儀，國內應積極開展這項工作。
5熱釋光和光致發光(OSL)測年
自20世紀70年代末80年代初發現礦物熱釋光信號的光褪色現象和第四紀沈積物的熱釋光測年以來，熱釋光在年輕沈積物測年方面取得了許多進展，其中最引人註目的是其在黃土研究中的應用。中外學者對中國、歐洲、北美中部和阿拉斯加的黃土，特別是黃土進行了多次熱釋光測量。總的來說，TL的應用範圍還比較狹窄，大部分TL工作集中在晚更新世以來的沈積物研究上。
光釋光測年(OSL)是近年來在熱釋光測年基礎上發展起來的壹種新的第四紀沈積物測年技術，它類似於熱釋光測年，但優於熱釋光測年。OSL信號是以“光敏俘獲電子”形式積累在晶體中的電離輻射，在光的激發下，能夠以光的形式釋放出來的結果。目前可用於OSL測年的礦物有應時、鉀長石、鋯石和磷灰石，測年範圍壹般為數千年至數十萬年。適合OSL測年的地質體是各種風成沈積(包括各種風成粉塵和風成砂沈積)和各種水流懸浮的沈積物(如河湖相、海相和三角洲碎屑沈積物等。).與熱釋光測年相比，OSL測年有以下優點:①不考慮殘余OSL信號，更準確；②樣品的OSL信號比熱釋光信號測量更容易、簡單、準確；③壹些罕見的小樣本可以定年。OSL測年提出才幾年，還處於發展階段。還有許多問題需要進壹步研究，但它的測年潛力已經引起了許多地質學家的註意。
6210Pb測年
210Pb是238U衰變系的子系。210Pb測年法是確定現代沈積速率和研究環境的有效工具。以前210Pb的工作僅限於測量海洋和湖泊的沈積速率。近年來，國外已轉向研究環境問題、大氣通量210Pb和土地侵蝕。自20世紀80年代初中國在中美合作研究項目中使用該技術以來，其主要工作壹直集中在河口及其鄰近大陸架的沈積速率研究上。近年來，湖泊210Pb的工作非常活躍。鄱陽湖、滇池、太湖、昆明湖、洱海、巴裏坤湖、艾比湖等我國著名湖泊都進行了210Pb的測試，研究湖泊近百年的沈積環境變化和工業汙染歷史，是我國210Pb的壹個主要研究方向。
綜上所述，可以看出年輕沈積物年代學新進展的特點是:新測試技術在測年中的應用越來越多，測年精度越來越高，使用的樣品越來越少，測量時間明顯縮短。
參考文獻(略)
(《當代地質科學技術進展》，中國地質大學出版社，第1993、129 ~ 135頁)