第四纪黄土测年研究综述

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  摘 要:第四纪与人类的关系及其在地质历史中的重要位置,需要高精度高分辨率的测年。第四纪地质学家们改进、发展了许多第四纪的测年方法。文章主要从岩石地层法、磁性地层法、考古法、放射性定年法等方面讨论了第四纪测年的基本理论及近年的一些研究进展。目前,第四纪测年方法的主要进展表现在由于科学技术的提高,如激光显微探测技术等,使得测年的精度、功效显著提高而样品的用量却有了显著的降低,并且拓展了一些测年的应用领域,如电子自旋法应用于冰碛物的测年,其据测年结果建立的序列可与深海氧同位素阶段对比。但要使得测年的可靠性增强,则需要有丰富的地质工作经验,根据所测样品的特征选择恰当的测年方法,且要尽量选择多种适当方法进行对比测年。
  关键词:第四纪;测定年代;古地磁测年;光释光;黄土测年
  第四纪是所有地质时期中最新也是最短的一个纪,是指约2.6 Ma BP以来地球发展的最新阶段。由于在这个时期产生了人类及其物质文明,第四纪是自然与人类相互作用的时代,它的过去、现在和未来变化都与人类的生存与发展息息相关。因此,对其的研究显得格外重要,形成了独立的第四纪科学。人们探讨的环境演变一般都局限在第四纪范畴,在这样短的时期,要求更精确的、分辨率更高的测年,以便更准确地确定周期和相位,进行全球性对比,进而认识自然演变趋势和发展规律,为科学地推测过去、认识现在、预测未来找到依据。
  第四纪地质的某些测年方法和技术与测定前第四纪物质(如K-Ar法)的方法和技术有很大的相似性。建立在各种物理化学和生物作用基础上的前第四纪物质的许多测年方法和技术,稍加改进就可以用以第四纪地质的研究。不仅如此,第四纪学家们也发展了许多专门测定年轻沉积物年龄的方法和技术。从1949年Lebby提出14C法以来,现在可供选择的第四纪测年方法达到几十种,但各种方法的发展过程和应用程度相差较大。
  1 第四纪黄土测年研究方法
  1.1 黄土地层法
  此类方法是基于对比进行测年,如黄土地层层序、构造期次仅用于确定地质体形成的时代和新老关系,可适用于任何地质时代,但要想正确的定年,需要有丰富的野外地质工作经验。沉积纹层目前主要用于测定湖泊沉积物,建立古气候、古环境演化的时间序列。纹层(Lamina)是种犹如树轮的沉积纹理[4]。湖泊沉积物的纹泥是由于气候的年旋回而产生的,每个层偶(couplel)包括粗的、浅色(夏季)层和细粒、暗色(冬季)层,代表了一年。这为沉积物本身提供了精确的年代,从现代沉积物表面往下数层偶,也就确定了湖泊的形成或与其有关的特征。如把纹泥确定的相对年龄与用某种沉积物测量的日历年龄相结合,便可建立起高分辨率的古气候时间序列;而且这种季节纹泥不会因为测年技术的发展而改变其相对年龄值,据此也可研究太阳黑子活动的各种周期及一些更短的周期事件(如厄尔尼诺)。
  1.2 黄土古地磁学方法
  地球磁场一直处在周期性的、长期的变化当中。了解其变化的规律,就可以从记录于不同时代岩石单元中的磁性特征来推测其岩石形成时代。由于同位素年代学对沉积岩的测年方法和精度存在一定的局限性,因此磁性地层学研究成为地层划分和对比的一个重要研究手段[9]。它不仅用于地磁场极性变化的研究,而且发展到以岩石学基本参数进行地层的划分和对比。
  古地磁方法在第四纪测年应用广泛,主要用于沉积连续、厚度较大的剖面或钻孔岩心[5-8]。虽然古地磁极性变化的全球性是该方法具有相对的独立性,但也有不足之处,如难以判断不同层位相同极性所属年代。但本方法与古生物地层学和其他年代学方法结合,就能扬长避短发挥其优势。
  1.3 考古法
  人类的出现使得第四纪的精确测年尤为重要.随人类的发展,产生一定的文化,及和一定的文化相适应的时代,我们称之为文化期,人类文化期的划分:旧石器时期:包括Q1 Q2 Q3;中石器时期:距今1万年~8千年;新石器时期:距今8千年~3千年;历史时期:铜器时代,铁器时代,这些也给测年带来一些特殊的途径。第四纪沉积物所含有的人类活动的许多遗存,可以进行对比测年和数值测年。如沉积物中的“文化层”,陶器或铜器上粘附的烟炱、珍贵的甲骨、古藏经卷、岩壁上的画像文字本身等都可以用于人类出现后的年代測定。且陶瓷、钱币可为约2500年的沉积物提供相当精确的年龄,而产出丰富的石器由于制造方法和不同类型式样异地的迁移相当缓慢,而且有些在不同的时间里,曾不止一次引进到一定地区,加之,若干文化在一地共同存在的时间很长,故石器的类型不可用于第四纪早期沉积物年龄的测定,只可给出近似的年龄[10]。
  1.4 放射性定年法
  与放射性有关的定年方法是各类方法中种类最多、应用最广的测年方法。因为它能给出
  具体的年龄值,所以也是最重要的一类测年方法。
  1.4.1放射性同位素法
  放射性同位素40K- 40Ar法和39Ar-40Ar法对建立第四纪磁性年表和深海氧同位素时间标尺起了关键作用[11]。近年来,超低底本超高灵敏惰性气体质谱仪的发展,提高了Ar的测限。激光显微探测技术使39Ar-40Ar法测年可应用于岩石中的单矿物,并使得测年的样品用量降低(1 mg即可),减小了分解矿物麻烦,且解决了样品非均性测年困难[12]。这一技术还可用于测定深成岩的冷却速率、钾一氙法配合裂变径迹法是建立东非古人类年表的主要手段。目前,该技术在我国已有发展。现在,用钾氩法测第四纪沉积地层中伊利石、蒙脱石等自生矿物年龄的可能性已引起广泛关注。
  14C测年是全新世及晚更新世最常用、一般也最可信的方法,其理论严格,技术成熟,而且适用于14C测年的样品品种多并容易找到。夏商周年表的年龄框架就是通过14C年龄测定建立的。14C测年法近年的发展主要表现在三个方面:①14C常规测定技术向高精度发展比较成熟,现代碳样的测定精度可达到2%。其14C年龄(非日历年龄)误差可达到±20 a;②加速器质谱技术使得测定的时间短、功效高、样品用量低,使得颗粒重量仅0.01~0.2pg的花粉的测定成为可能;③高精度14C树木年龄校正曲线的建立,使14C日历年龄误差只有±10a左右,口历年龄上限可达到7000 aBP。1993年公布的高精度树轮年年龄校正曲线,日历年龄上限可达10000 aBP,对万年以上的14C日历年龄数据,目前研究工作可望将校正范围延伸至2万年[13]。   1.4.2核辐射方法
  热释光(Themoluminescence dating,简称TL)、光释光(Opcic Stimulated Luminescence,简称OSL)和电子自旋法(Electron Spin Resonance,简称ESR)等方法的测年原理并非直接基于放射性核素的衰变过程,而是依赖于样品中石英、长石等在放射性射线辐射下的累积效应[14]。结晶固体的释光(磷光)现象被用来作为测年技术已有40多年历史。20世纪70年代,它作为一种新的测年技术测出无碳标本的年龄,弥补了14C测年技术的缺陷。释光测年中的一个重要因子是辐射剂量,它直接影响到测年结果。
  释光基本原理如下,吸收能量:当放射线对非导体物质(如石英或长石)作用时,晶格中一些电子获得能量并重新分配能级,其中一部分能够逃逸并且被捕获进入晶格间的其它稳定位置。释放能量:被捕获到稳定位置的电子在晶格被加热或照射时,又会重新回到“自由”状态。其中一部分自由电子填补“空穴”,能量被消耗,以热或光的形式被释放出来。能量平衡:由光或热激发的晶体样品释放的光的数量与样品(埋藏时)吸收的总的放射线剂量具有一定比例。
  1.5黄土的测年
  黄土是第四纪特有的风积物,在我国西北及华北广泛分布黄土的成分以石英为主,其次是长石、白云母和碳酸盐等,有时闷杂软体动物的硬壳和极少量有机物[15].黄土剖面中常夹富含有机质的埋藏占土壤层粉砂状黄土中可做常规14C测年的样品上要是碳酸盐和软体动物体壳;黄土中微量有机物可用加速器质谱AMS14C法测年;黄土中的石英可用TL与ESR测年。此外还可通过测连续剖面的沉积剩磁来确定其年代。
  黄土中石英颗粒的TL与ESR测年。黄土的TL法测年是60年代后期由前苏联的基辅地质研究所开始的[16]。他们注意到了阳光的晒退效应。当黄土中粉尘状石英和长石颗粒由风力作用自源区搬运至沉降区的过程中,阳光的辐照能使矿物颗牲中的TL能量重新积累,即地质时钟又重新启动。TL能量成为黄土沉降堆积的时标。当然,测年的实践比上述的筒单原理要复杂,必须对TL能量的饱和、电子陷阱的有限寿命,地层中铀钍迁移与放射性平衡等一系列因素做研究,并在计算年龄时做相对的校正。此外阳光的晒退效应可能小完全残留的,TL能量。必须做相应校正,不然然表面年龄将偏老。
  1.6其他定年法
  岩石漆中的显微层理有可能记录了古气候干湿变化的信息.而显微层理的结构是地貌面
  新老的一种反映,因此,岩石漆用于年龄测定具有重要的地质意义。目前,岩石漆测年法是
  一种仍在尝试阶段的相对测年方法。周本刚等(1999)利用特殊的超薄片磨制技术,初步建立了天山北麓晚更新世以来岩石漆显微层理的标准层序,在经过年代校正后,给出了该层序的大致年代控制[18]。是利用氨基酸对映(或非对映)异构体之间转化反应是温度和时间的函数的原理来计时的方法,适用范围是几百年至几百万年.由于该反应的另一个控制因素是温度,因此理想的样品就要求有一个稳定的古温度环境。显然,这是一个较难满足的条件。当然,如果配合他测年方法,推算出古环境温度后,也可能得到较理想的结果[17]。目前认为,深海沉积物和洞穴堆积物中的骨化石是较理想的对象,并且得到了一些成功的事例,该方法尚处于进一步酌探索和发展阶段。氨基酸分析已在过去20~30年里发展成为第四纪沉积物对比和年龄测定的一种方法,是以其所含不同的有机成分为依据的。该法测年的一大优点是便宜和迅速,可以分析许多样品。它已用于骨骼、软体动物、珊瑚、有孔虫和木头。
  2 一些测年方法国内外应用现状
  2.1古地磁技测年对古人类年代的测定
  近年来,一个由中国和美国科学家组成的研究小组利用一种古地磁技术——依靠岩石样品确定其形成时的地球磁场方向——重新测定了元谋盆地遗址的年代[19]。尽管最初发现化石的山坡已经被挖掘,但当时的研究人员记录了他们找到牙齿和工具的沉积物层位。中美科学家循着遍及整个元谋盆地的沉积层——或按照时间范围,采集了318块岩石样本。研究人员在《人类进化》杂志上发表报告说,这些化石所处的岩石层刚刚位于一个磁标——奥尔杜威-松山反转边界,至少有177万年的历史——的上方。这意味着元谋化石遗址的年代大约具有170万年的历史[20]。参与该项研究的美国华盛顿哥伦比亚特区史密森学会的古生物學家Rick Potts指出,这一年代测定结果代表了“早期人类在中国以及东亚大陆最古老的化石和考古学证据”[21]。
  2.2黄土释光测年研究现状及发展趋势
  中国第四纪黄土释光测年以混合矿物TL、IRSL、post-IR OSL 等多片再生或附加法测年技术为主,基于此,建立了晚更新世以来中国黄土的大致释光年代框架,促进了地层划分及其与深海、高纬等记录的对比;目前(21世纪以来),中国黄土释光测年以成熟的SAR 法石英OSL 技术为主(感量校正的MAR 法也有一定应用),并伴随有延长测年年限的多种技术(如石英ReOSL、富钾长石pIRIR 等)[22],这些技术对促进中国黄土晚更新世以来高准确度年代标尺建立、多种时间尺度上粉尘堆积速率的详细变化、地层划分与对比、轨道和亚轨道尺度气候演变与事件等方面研究具有重要贡献。将来,中国黄土释光测年技术可能朝着继续探索已有并发展新的延伸测年年限的技术、环境剂量率计算准确度的提高等方向发展,而建立中更新世高准确度年代标尺、支撑晚更新世和全新世亚轨道尺度上高分辨率古气候研究等将成为其主要的应用领域。
  3 第四纪黄土年代研究对全球变化的意义
  古气候记录的年代地层学研究是其他研究的基础。黄土一古土壤序列年代地层学研究一直在不断进展和完善。目前,不同方法获得的结果有较好的统一性,证实了黄土一古土壤序列是250万年来古环境变化的连续完整记录[23]。黄土地层与深海记录的对比方案已为国际学术界所广泛接受,二者均是全球环境变化研究中古气候对比的标准和经典记录。在国家自然科学基金“ 八五” 重大项目的支持下,黄土年代学研究的一个重要进展是对晚第四纪序列的热释光14C 年代学测定,其中以渭南剖面的测年数量最多[26],从而使晚第四纪黄土一古土壤序列获得了一个基于年代测定的、较高分辨率的独立时间标尺,对研究东亚古环境演化与全球变化的关系具有重要意义[24]。这些结果还揭示出,主要地层界限的年代与海陆对比的结果基本一致,但与深海氧同位素3 期的下界却不致:黄土年代测定为约5万年,而深海记录为6万年[25]。这一点可能对理解海陆气候联系有重要意义,是今后黄土年代学研究值得重视的问题。   参考文献
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