張鵬

摘 要：第四紀(jì)與人類的關(guān)系及其在地質(zhì)歷史中的重要位置，需要高精度高分辨率的測(cè)年。第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)家們改進(jìn)、發(fā)展了許多第四紀(jì)的測(cè)年方法。文章主要從巖石地層法、磁性地層法、考古法、放射性定年法等方面討論了第四紀(jì)測(cè)年的基本理論及近年的一些研究進(jìn)展。目前，第四紀(jì)測(cè)年方法的主要進(jìn)展表現(xiàn)在由于科學(xué)技術(shù)的提高，如激光顯微探測(cè)技術(shù)等，使得測(cè)年的精度、功效顯著提高而樣品的用量卻有了顯著的降低，并且拓展了一些測(cè)年的應(yīng)用領(lǐng)域，如電子自旋法應(yīng)用于冰磧物的測(cè)年，其據(jù)測(cè)年結(jié)果建立的序列可與深海氧同位素階段對(duì)比。但要使得測(cè)年的可靠性增強(qiáng)，則需要有豐富的地質(zhì)工作經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)所測(cè)樣品的特征選擇恰當(dāng)?shù)臏y(cè)年方法，且要盡量選擇多種適當(dāng)方法進(jìn)行對(duì)比測(cè)年。

關(guān)鍵詞：第四紀(jì)；測(cè)定年代；古地磁測(cè)年；光釋光；黃土測(cè)年

第四紀(jì)是所有地質(zhì)時(shí)期中最新也是最短的一個(gè)紀(jì)，是指約2.6 Ma BP以來(lái)地球發(fā)展的最新階段。由于在這個(gè)時(shí)期產(chǎn)生了人類及其物質(zhì)文明，第四紀(jì)是自然與人類相互作用的時(shí)代，它的過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)變化都與人類的生存與發(fā)展息息相關(guān)。因此，對(duì)其的研究顯得格外重要，形成了獨(dú)立的第四紀(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(shí)期，要求更精確的、分辨率更高的測(cè)年，以便更準(zhǔn)確地確定周期和相位，進(jìn)行全球性對(duì)比，進(jìn)而認(rèn)識(shí)自然演變趨勢(shì)和發(fā)展規(guī)律，為科學(xué)地推測(cè)過(guò)去、認(rèn)識(shí)現(xiàn)在、預(yù)測(cè)未來(lái)找到依據(jù)。

第四紀(jì)地質(zhì)的某些測(cè)年方法和技術(shù)與測(cè)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(cè)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(cè)定年輕沉積物年齡的方法和技術(shù)。從1949年Lebby提出14C法以來(lái)，現(xiàn)在可供選擇的第四紀(jì)測(cè)年方法達(dá)到幾十種，但各種方法的發(fā)展過(guò)程和應(yīng)用程度相差較大。

1 第四紀(jì)黃土測(cè)年研究方法

1.1 黃土地層法

此類方法是基于對(duì)比進(jìn)行測(cè)年，如黃土地層層序、構(gòu)造期次僅用于確定地質(zhì)體形成的時(shí)代和新老關(guān)系，可適用于任何地質(zhì)時(shí)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(yàn)。沉積紋層目前主要用于測(cè)定湖泊沉積物，建立古氣候、古環(huán)境演化的時(shí)間序列。紋層（Lamina）是種猶如樹輪的沉積紋理[4]。湖泊沉積物的紋泥是由于氣候的年旋回而產(chǎn)生的，每個(gè)層偶（couplel）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(duì)年齡與用某種沉積物測(cè)量的日歷年齡相結(jié)合，便可建立起高分辨率的古氣候時(shí)間序列；而且這種季節(jié)紋泥不會(huì)因?yàn)闇y(cè)年技術(shù)的發(fā)展而改變其相對(duì)年齡值，據(jù)此也可研究太陽(yáng)黑子活動(dòng)的各種周期及一些更短的周期事件（如厄爾尼諾）。

1.2 黃土古地磁學(xué)方法

地球磁場(chǎng)一直處在周期性的、長(zhǎng)期的變化當(dāng)中。了解其變化的規(guī)律，就可以從記錄于不同時(shí)代巖石單元中的磁性特征來(lái)推測(cè)其巖石形成時(shí)代。由于同位素年代學(xué)對(duì)沉積巖的測(cè)年方法和精度存在一定的局限性，因此磁性地層學(xué)研究成為地層劃分和對(duì)比的一個(gè)重要研究手段[9]。它不僅用于地磁場(chǎng)極性變化的研究，而且發(fā)展到以巖石學(xué)基本參數(shù)進(jìn)行地層的劃分和對(duì)比。

古地磁方法在第四紀(jì)測(cè)年應(yīng)用廣泛，主要用于沉積連續(xù)、厚度較大的剖面或鉆孔巖心[5-8]。雖然古地磁極性變化的全球性是該方法具有相對(duì)的獨(dú)立性，但也有不足之處，如難以判斷不同層位相同極性所屬年代。但本方法與古生物地層學(xué)和其他年代學(xué)方法結(jié)合，就能揚(yáng)長(zhǎng)避短發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。

1.3 考古法

人類的出現(xiàn)使得第四紀(jì)的精確測(cè)年尤為重要.隨人類的發(fā)展，產(chǎn)生一定的文化，及和一定的文化相適應(yīng)的時(shí)代，我們稱之為文化期，人類文化期的劃分：舊石器時(shí)期：包括Q1 Q2 Q3；中石器時(shí)期：距今1萬(wàn)年～8千年；新石器時(shí)期：距今8千年～3千年；歷史時(shí)期：銅器時(shí)代，鐵器時(shí)代，這些也給測(cè)年帶來(lái)一些特殊的途徑。第四紀(jì)沉積物所含有的人類活動(dòng)的許多遺存，可以進(jìn)行對(duì)比測(cè)年和數(shù)值測(cè)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(cè)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(shí)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(shí)間很長(zhǎng)，故石器的類型不可用于第四紀(jì)早期沉積物年齡的測(cè)定，只可給出近似的年齡[10]。

1.4 放射性定年法

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(cè)年方法。因?yàn)樗芙o出

具體的年齡值，所以也是最重要的一類測(cè)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法對(duì)建立第四紀(jì)磁性年表和深海氧同位素時(shí)間標(biāo)尺起了關(guān)鍵作用[11]。近年來(lái)，超低底本超高靈敏惰性氣體質(zhì)譜儀的發(fā)展，提高了Ar的測(cè)限。激光顯微探測(cè)技術(shù)使39Ar-40Ar法測(cè)年可應(yīng)用于巖石中的單礦物，并使得測(cè)年的樣品用量降低（1 mg即可），減小了分解礦物麻煩，且解決了樣品非均性測(cè)年困難[12]。這一技術(shù)還可用于測(cè)定深成巖的冷卻速率、鉀一氙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(guó)已有發(fā)展?，F(xiàn)在，用鉀氬法測(cè)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。

14C測(cè)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(cè)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(guò)14C年齡測(cè)定建立的。14C測(cè)年法近年的發(fā)展主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：①14C常規(guī)測(cè)定技術(shù)向高精度發(fā)展比較成熟，現(xiàn)代碳樣的測(cè)定精度可達(dá)到2%。其14C年齡（非日歷年齡）誤差可達(dá)到±20 a；②加速器質(zhì)譜技術(shù)使得測(cè)定的時(shí)間短、功效高、樣品用量低，使得顆粒重量?jī)H0.01～0.2pg的花粉的測(cè)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，口歷年齡上限可達(dá)到7000 aBP。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)10000 aBP，對(duì)萬(wàn)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(wàn)年[13]。

1.4.2核輻射方法

熱釋光（Themoluminescence dating，簡(jiǎn)稱TL）、光釋光（Opcic Stimulated Luminescence，簡(jiǎn)稱OSL）和電子自旋法（Electron Spin Resonance，簡(jiǎn)稱ESR）等方法的測(cè)年原理并非直接基于放射性核素的衰變過(guò)程，而是依賴于樣品中石英、長(zhǎng)石等在放射性射線輻射下的累積效應(yīng)[14]。結(jié)晶固體的釋光（磷光）現(xiàn)象被用來(lái)作為測(cè)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(cè)年技術(shù)測(cè)出無(wú)碳標(biāo)本的年齡，彌補(bǔ)了14C測(cè)年技術(shù)的缺陷。釋光測(cè)年中的一個(gè)重要因子是輻射劑量，它直接影響到測(cè)年結(jié)果。

釋光基本原理如下，吸收能量：當(dāng)放射線對(duì)非導(dǎo)體物質(zhì)（如石英或長(zhǎng)石）作用時(shí)，晶格中一些電子獲得能量并重新分配能級(jí)，其中一部分能夠逃逸并且被捕獲進(jìn)入晶格間的其它穩(wěn)定位置。釋放能量：被捕獲到穩(wěn)定位置的電子在晶格被加熱或照射時(shí)，又會(huì)重新回到“自由”狀態(tài)。其中一部分自由電子填補(bǔ)“空穴”，能量被消耗，以熱或光的形式被釋放出來(lái)。能量平衡：由光或熱激發(fā)的晶體樣品釋放的光的數(shù)量與樣品（埋藏時(shí)）吸收的總的放射線劑量具有一定比例。

1.5黃土的測(cè)年

黃土是第四紀(jì)特有的風(fēng)積物，在我國(guó)西北及華北廣泛分布黃土的成分以石英為主，其次是長(zhǎng)石、白云母和碳酸鹽等，有時(shí)悶雜軟體動(dòng)物的硬殼和極少量有機(jī)物[15].黃土剖面中常夾富含有機(jī)質(zhì)的埋藏占土壤層粉砂狀黃土中可做常規(guī)14C測(cè)年的樣品上要是碳酸鹽和軟體動(dòng)物體殼；黃土中微量有機(jī)物可用加速器質(zhì)譜AMS14C法測(cè)年；黃土中的石英可用TL與ESR測(cè)年。此外還可通過(guò)測(cè)連續(xù)剖面的沉積剩磁來(lái)確定其年代。

黃土中石英顆粒的TL與ESR測(cè)年。黃土的TL法測(cè)年是60年代后期由前蘇聯(lián)的基輔地質(zhì)研究所開始的[16]。他們注意到了陽(yáng)光的曬退效應(yīng)。當(dāng)黃土中粉塵狀石英和長(zhǎng)石顆粒由風(fēng)力作用自源區(qū)搬運(yùn)至沉降區(qū)的過(guò)程中，陽(yáng)光的輻照能使礦物顆牲中的TL能量重新積累，即地質(zhì)時(shí)鐘又重新啟動(dòng)。TL能量成為黃土沉降堆積的時(shí)標(biāo)。當(dāng)然，測(cè)年的實(shí)踐比上述的筒單原理要復(fù)雜，必須對(duì)TL能量的飽和、電子陷阱的有限壽命，地層中鈾釷遷移與放射性平衡等一系列因素做研究，并在計(jì)算年齡時(shí)做相對(duì)的校正。此外陽(yáng)光的曬退效應(yīng)可能小完全殘留的，TL能量。必須做相應(yīng)校正，不然然表面年齡將偏老。

1.6其他定年法

巖石漆中的顯微層理有可能記錄了古氣候干濕變化的信息.而顯微層理的結(jié)構(gòu)是地貌面

新老的一種反映，因此，巖石漆用于年齡測(cè)定具有重要的地質(zhì)意義。目前，巖石漆測(cè)年法是

一種仍在嘗試階段的相對(duì)測(cè)年方法。周本剛等（1999）利用特殊的超薄片磨制技術(shù)，初步建立了天山北麓晚更新世以來(lái)巖石漆顯微層理的標(biāo)準(zhǔn)層序，在經(jīng)過(guò)年代校正后，給出了該層序的大致年代控制[18]。是利用氨基酸對(duì)映（或非對(duì)映）異構(gòu)體之間轉(zhuǎn)化反應(yīng)是溫度和時(shí)間的函數(shù)的原理來(lái)計(jì)時(shí)的方法，適用范圍是幾百年至幾百萬(wàn)年.由于該反應(yīng)的另一個(gè)控制因素是溫度，因此理想的樣品就要求有一個(gè)穩(wěn)定的古溫度環(huán)境。顯然，這是一個(gè)較難滿足的條件。當(dāng)然，如果配合他測(cè)年方法，推算出古環(huán)境溫度后，也可能得到較理想的結(jié)果[17]。目前認(rèn)為，深海沉積物和洞穴堆積物中的骨化石是較理想的對(duì)象，并且得到了一些成功的事例，該方法尚處于進(jìn)一步酌探索和發(fā)展階段。氨基酸分析已在過(guò)去20～30年里發(fā)展成為第四紀(jì)沉積物對(duì)比和年齡測(cè)定的一種方法，是以其所含不同的有機(jī)成分為依據(jù)的。該法測(cè)年的一大優(yōu)點(diǎn)是便宜和迅速，可以分析許多樣品。它已用于骨骼、軟體動(dòng)物、珊瑚、有孔蟲和木頭。

2 一些測(cè)年方法國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1古地磁技測(cè)年對(duì)古人類年代的測(cè)定

近年來(lái)，一個(gè)由中國(guó)和美國(guó)科學(xué)家組成的研究小組利用一種古地磁技術(shù)——依靠巖石樣品確定其形成時(shí)的地球磁場(chǎng)方向——重新測(cè)定了元謀盆地遺址的年代[19]。盡管最初發(fā)現(xiàn)化石的山坡已經(jīng)被挖掘，但當(dāng)時(shí)的研究人員記錄了他們找到牙齒和工具的沉積物層位。中美科學(xué)家循著遍及整個(gè)元謀盆地的沉積層——或按照時(shí)間范圍，采集了318塊巖石樣本。研究人員在《人類進(jìn)化》雜志上發(fā)表報(bào)告說(shuō)，這些化石所處的巖石層剛剛位于一個(gè)磁標(biāo)——奧爾杜威-松山反轉(zhuǎn)邊界，至少有177萬(wàn)年的歷史——的上方。這意味著元謀化石遺址的年代大約具有170萬(wàn)年的歷史[20]。參與該項(xiàng)研究的美國(guó)華盛頓哥倫比亞特區(qū)史密森學(xué)會(huì)的古生物學(xué)家Rick Potts指出，這一年代測(cè)定結(jié)果代表了“早期人類在中國(guó)以及東亞大陸最古老的化石和考古學(xué)證據(jù)”[21]。

2.2黃土釋光測(cè)年研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

中國(guó)第四紀(jì)黃土釋光測(cè)年以混合礦物TL、IRSL、post-IR OSL 等多片再生或附加法測(cè)年技術(shù)為主，基于此，建立了晚更新世以來(lái)中國(guó)黃土的大致釋光年代框架，促進(jìn)了地層劃分及其與深海、高緯等記錄的對(duì)比；目前（21世紀(jì)以來(lái)），中國(guó)黃土釋光測(cè)年以成熟的SAR 法石英OSL 技術(shù)為主（感量校正的MAR 法也有一定應(yīng)用），并伴隨有延長(zhǎng)測(cè)年年限的多種技術(shù)（如石英ReOSL、富鉀長(zhǎng)石pIRIR 等）[22]，這些技術(shù)對(duì)促進(jìn)中國(guó)黃土晚更新世以來(lái)高準(zhǔn)確度年代標(biāo)尺建立、多種時(shí)間尺度上粉塵堆積速率的詳細(xì)變化、地層劃分與對(duì)比、軌道和亞軌道尺度氣候演變與事件等方面研究具有重要貢獻(xiàn)。將來(lái)，中國(guó)黃土釋光測(cè)年技術(shù)可能朝著繼續(xù)探索已有并發(fā)展新的延伸測(cè)年年限的技術(shù)、環(huán)境劑量率計(jì)算準(zhǔn)確度的提高等方向發(fā)展，而建立中更新世高準(zhǔn)確度年代標(biāo)尺、支撐晚更新世和全新世亞軌道尺度上高分辨率古氣候研究等將成為其主要的應(yīng)用領(lǐng)域。

3 第四紀(jì)黃土年代研究對(duì)全球變化的意義

古氣候記錄的年代地層學(xué)研究是其他研究的基礎(chǔ)。黃土一古土壤序列年代地層學(xué)研究一直在不斷進(jìn)展和完善。目前，不同方法獲得的結(jié)果有較好的統(tǒng)一性，證實(shí)了黃土一古土壤序列是250萬(wàn)年來(lái)古環(huán)境變化的連續(xù)完整記錄[23]。黃土地層與深海記錄的對(duì)比方案已為國(guó)際學(xué)術(shù)界所廣泛接受，二者均是全球環(huán)境變化研究中古氣候?qū)Ρ鹊臉?biāo)準(zhǔn)和經(jīng)典記錄。在國(guó)家自然科學(xué)基金“ 八五” 重大項(xiàng)目的支持下，黃土年代學(xué)研究的一個(gè)重要進(jìn)展是對(duì)晚第四紀(jì)序列的熱釋光14C 年代學(xué)測(cè)定，其中以渭南剖面的測(cè)年數(shù)量最多[26]，從而使晚第四紀(jì)黃土一古土壤序列獲得了一個(gè)基于年代測(cè)定的、較高分辨率的獨(dú)立時(shí)間標(biāo)尺，對(duì)研究東亞古環(huán)境演化與全球變化的關(guān)系具有重要意義[24]。這些結(jié)果還揭示出，主要地層界限的年代與海陸對(duì)比的結(jié)果基本一致，但與深海氧同位素3 期的下界卻不致：黃土年代測(cè)定為約5萬(wàn)年，而深海記錄為6萬(wàn)年[25]。這一點(diǎn)可能對(duì)理解海陸氣候聯(lián)系有重要意義，是今后黃土年代學(xué)研究值得重視的問(wèn)題。

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