210Pb和137Cs測年在中國海岸帶古環(huán)境演變研究中的應用

蔡慶芳，賈培蒙，邵長高

1.國土資源部海底礦產(chǎn)資源重點實驗室，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510075；2.中海油深圳分公司研究院，廣東 深圳 510240

210Pb和137Cs測年在中國海岸帶古環(huán)境演變研究中的應用

蔡慶芳1，賈培蒙2，邵長高1

1.國土資源部海底礦產(chǎn)資源重點實驗室，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510075；2.中海油深圳分公司研究院，廣東 深圳 510240

海岸帶地處陸地和海洋交界地區(qū)，是物質(zhì)和能量交換的中心地帶，沉積環(huán)境復雜。而對其沉積記錄古環(huán)境信息的正確理解和解釋在很大程度上依賴于年代框架的建立。210Pb和137Cs年代學的問世，解決了高速沉積環(huán)境中時間量程為百年或更短的沉積物的定年，近年來得到廣泛的應用。在實際應用中，我們應該根據(jù)研究目的、范圍等因素，選擇合適的測年手段測年。此外，由于每種方法還存在不足，且可能同時會有幾種方法適用，所以為了增加測年數(shù)據(jù)的準確性和可靠性，我們應盡量選擇多種適當方法進行對比測年。

年代；210Pb；137Cs；古環(huán)境；海岸帶

0 引言

海岸帶地處陸地和海洋交界地區(qū)，是物質(zhì)和能量交換的中心地帶，沉積環(huán)境復雜。而對其沉積記錄古環(huán)境信息的正確理解和解釋在很大程度上依賴于年代框架的建立。海岸帶地區(qū)環(huán)境演變研究一般都局限在第四紀范疇。第四紀各種測年方法及技術歸納起來如表1。隨著科學技術的進步，各種測年方法的應用領域都得到了不斷拓展，精度和可靠性也得到了不斷提高，但是每一種方法還各有各的不足。本文僅就中國海岸帶沉積物210Pb和137Cs測年方法作一回顧。

1210Pb和137Cs年代學在中國海岸帶地區(qū)的應用

自從Goldberg E.D.（1963）發(fā)現(xiàn)天然放射性元素210Pb可以作為百年尺度發(fā)生的地質(zhì)歷史事件的時鐘， Pennington W等（1973）成功利用大氣層的核試驗裂變產(chǎn)物137Cs推算出湖泊沉積物的沉積速率以來，放射性同位素測年法得到了廣泛的應用和推廣。210Pb和137Cs年代學的問世，對研究現(xiàn)代沉積意義重大，該方法解決了高速沉積環(huán)境中時間量程為百年或更短的沉積物的定年，并且具有揭示現(xiàn)代沉積事件的能力，因此，近年來，短半衰期放

射性同位素示蹤測年研究得到廣泛的應用（王福，2009）。

表 1 第四紀測年方法Table 1 Quaternary dating method

1．1210Pb年代學

210Pb 來源于238U 放射性衰變系，其半衰期為22.3年，可用于測定百年尺度內(nèi)的沉積物年齡。Goldberg 在 1963 年首次利用210Pb 對格陵蘭冰芯測年，后來人們逐漸將其應用到湖泊、海灣和近岸海洋沉積物中的測年研究（萬國江，1997）。210Pb測年對于沿海海洋工程的建設、海洋開發(fā)、海洋地質(zhì)學、海洋生物學以及海洋沉積作用過程的研究具有重大意義。

我國自20世紀80年代起，先后建立起多個210Pb實驗室，開展了渤海、黃海、東海以及河口區(qū)沉積物的210Pb測定，積累了一批210Pb分布模式及沉積速率等數(shù)據(jù)，成為研究現(xiàn)代沉積作用過程的重要參考（鄒漢陽等，1982；曾文義等，1983；業(yè)渝光等，1987；李鳳業(yè)等，1988，1990，1991；Li Fengye et al.，1996；范德江等，2000）。環(huán)渤海海岸帶最早的210Pb 示蹤與測年研究始于1980年,當時中科院地質(zhì)所在錦州灣和青島海洋地質(zhì)研究所在黃河三角洲進行的研究，此研究展現(xiàn)出了210Pb 示蹤與測年在現(xiàn)代沉積速率研究方面的美好前景，自此，中科院海洋研究所、大連海洋環(huán)境保護研究所、天津地質(zhì)礦產(chǎn)研究所和國家海洋局第一研究所等研究機構均在環(huán)渤海海岸帶及其海區(qū)展開了210Pb 示蹤與測年研究（王宏,2005）。

210Pb是基于具有穩(wěn)定的210Pb供給速率和沉積后210Pb處于封閉系統(tǒng)之中兩個最基本的假設進行測年的。而海岸帶地區(qū)所受的動力作用如風暴潮，海平面升降等較為復雜，沉積作用影響因素較多，加之各家對210Pb數(shù)據(jù)處理標準及結果表達的不統(tǒng)一，如在黃河三角洲的210Pb測年研究中，業(yè)渝光等(1989)首次提出對210Pb曲線進行標準化，結果顯示，標準化方法可以明顯地消除210Pb在黃河三角洲沉積物中不規(guī)則的分布，有利于黃河三角洲現(xiàn)代沉積作用的研究更加深入。王福（2009）選取了最新獲得的28組柱狀樣中的10組現(xiàn)代沉積物測年柱狀樣，也把210Pb在同一粒級的基準上進行了歸一。使得中國海岸帶（河口、陸架）210Pb沉積速率只能定性或者半定量地來反映沉積作用的強度（范德江等，2000）。要提高210Pb的沉積速率的可靠性和精度，應盡量選擇沉積物組成較均一、沉積環(huán)境較穩(wěn)定的海域如陸架泥質(zhì)沉積區(qū)而非河口區(qū)、濱海區(qū)進行210Pb測定；應盡量采集無擾動的樣品且在低溫、冷凍狀態(tài)下進行轉(zhuǎn)運、保存；必須提前進行必要的化學和物理校正，如壓實校正和混合校正；建議以通量來表示沉積速率，可以提高210Pb結果的可比性。

在實際應用中由于各種因素的影響，210Pb 測年逐漸出現(xiàn)某些問題，如誤差，包括自然誤差和人為誤差，因此有時候需要結合其它一些資料和測年方法，才能使得測量結果更為精確。

1．2137Cs測年

137Cs 是核裂變的產(chǎn)物，其半衰期為 30.23 年，可用于近50年來的沉積物測年。具有最大檢出深度對應1 955年時標（Milan C S et al.，1995）、最大峰值檢出深度對應1 963年時標、最后一個峰值檢出深度對應1 986年時標，有些地方還具有1 973年峰值的特征（(Mishra et al.,1975；Jha et al.,2003；王福等，2006）。利用137Cs進行測年首先是由Robbins和Edgington（Robbins J A, et al，1975）提出的、用來驗證210Pb測年的準確性；由于210Pb測年技術是通過計算獲得年代數(shù)據(jù),而137Cs技術是測出地層的絕對年代,因此,137Cs測年方法提出后，在湖泊、河口灣、潮間帶、海岸鹽沼等區(qū)域得到了廣泛的應用。

在海岸帶,生物活動、水動力條件、物質(zhì)來源以及歷史沉積事件等均會影響137Cs放射性活度的垂直分布，因此要盡量避開航道、潮汐通道等堆積、沖刷和改造比較頻繁的地方，合理選擇沉積作用相對較穩(wěn)定、沉積物組成相對較均一的海區(qū)（范德江等，2000；李建芬等，2003），而海岸帶鹽沼地區(qū)沉積環(huán)境穩(wěn)定、連續(xù)性較好，比較適合應用137Cs來測定沉積速率。Delaune等人（1978）首次在海岸帶鹽沼地區(qū)利用137Cs測年測定了該鹽沼的現(xiàn)代沉積速率，而通過對沉積速率的研究，并與海平面上升研究結果結合起來，可以分析海岸鹽沼的淤積對海平面上升的響應過程和特征（French J R.，1993；Roman C T，et al.，1997；van Wijnen H J & Bakker J P.，2001；Crooks S.，2004）。但由于沉積物黏土質(zhì)量分數(shù)、分選程度均對137Cs質(zhì)量分數(shù)有顯著影響，137Cs測年方法在海岸鹽沼中的應用還具有較大的局限性（王愛軍等，2006）。因此，要提高137Cs測定沉積速率的精度和可靠性,需在137Cs特征沉降峰值的判斷方面，結合斷面重復測量、210Pb測年等多種方法進行相互驗證；盡可能選擇有利于提高137Cs比活度靈敏性的有機質(zhì)比較豐富的地區(qū)；在鹽沼生物擾動的情況下，針對137Cs測量圖譜信息進行深度提取等手段，以保證特征沉降峰值判斷的準確性（王愛軍等，2006）。

20世紀70年代以來，許多學者通過沉積物中137Cs剖面的測量來了解放射性污染歷史、流域的侵蝕、及示蹤定年等。如潘少明等(1997)討論了137Cs剖面的最大峰值定年和最大檢測深度定年方法在河口港灣的應用和存在的問題。近60年來，137Cs在我國海岸帶地區(qū)得到了不斷的應用和發(fā)展。目前，主要集中在渤海灣、長江三角洲和珠江三角洲地區(qū)等泥質(zhì)海岸帶地區(qū)。

此外，在取樣時應盡量避免樣品的擾動，如避免混合和壓縮等。還應盡量客觀的對數(shù)據(jù)做出解釋，如進行數(shù)據(jù)校正，進行計年時標的準確確定等。值得一提的是，137Cs在地層中被檢測出來的時間已經(jīng)過了2個半衰期，其在地層中被檢測出來的時標特性將逐漸被削弱，因此尋找其它現(xiàn)代沉積物定年方法是必要的（王福等，2011），如與210Pb等多種方法進行對比研究。

1．3210Pb、137Cs計年法相互印證

海岸帶水動力作用及生物擾動強烈，沉積環(huán)境復雜，加之137Cs和210Pb計年方法的局限性，如210Pb的基本假設是一種理想狀態(tài)，實際操作中的多種干擾因素會使其出現(xiàn)偏差，因此，需要進行相互印證。137Cs和210Pb計年原理完全不同，兩者相互印證可以彌補各自的不足，從而提高測量結果的可信度。該方法已被廣泛運用于世界眾多河口海岸與陸架沉積速率的研究(Demaster et al.,1985；王愛軍等, 2006)。

與以往海岸帶現(xiàn)代沉積速率資料借助于歷史海圖或地質(zhì)學的觀測資料做估算相比，210Pb、137Cs法相互印證使沉積速率的計算趨于定量化、精確化，特別適用于沉積速率較大（一般＞0.1 cm/a），泥質(zhì)質(zhì)量分數(shù)高（黏土質(zhì)量分數(shù)一般＞40%），表面混合層不很厚（一般＜15 cm）的河口三角洲區(qū)域（陳耀泰，羅章仁，1991）。如段凌云等（2005）對取自長江口潮灘、分流河道和水下三角洲的柱樣進行沉積學分析和210Pb/137Cs測定發(fā)現(xiàn)，長江口外在水深25～30 m(31°00′N， 122°30′E)，附近存在一個泥質(zhì)沉積中心，沉積速率達 2.0～6.3 cm/a.另外，210Pb、137Cs計年法可在較大的空間范圍上開展研究，快速省時，且只需一個沉積剖面，便可進行測量，不需對同一位置做重復測量，同時運用此方法可以為研究侵蝕和沉積的空間分布快速地積累大量數(shù)據(jù)信息，在精度和時間尺度上有無可比擬的優(yōu)越性（孫麗等，2007）。

210Pb和137Cs年代學在海岸帶不同沉積環(huán)境如典型河口地區(qū)、港口、鹽沼、海灣等都得到了應用：現(xiàn)代沉積物測年在我國最主要的兩大河口長江口和黃河口開展的較早，業(yè)渝光等（1987）經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代黃河三角洲正在形成的葉瓣體由間歇式的快速沉積形成，具有極高的沉積速率；劉國賢等人(1983)通過210Pb年代學方法測定沉積速率，結合水文懸沙和地質(zhì)資料，對丹東新港的建設提出了寶貴的建議，這是首次將210Pb和137Cs年代學方法應用于工程建設的實例；王愛軍和高抒等(2005)通過取自王港鹽沼9處柱狀樣和探坑剖面，以及對柱狀樣品進行210Pb和137Cs測年分析，估算了王港鹽沼濕地的現(xiàn)代沉積速率；王宏等（2011）首次對渤海灣西岸和濱海新區(qū)的210Pb與137Cs示蹤和年輕沉積物測年進行了研究，根據(jù)其沉積速率對渤海灣西岸的沿海低地進行了初步分帶，劃分出了淺海不穩(wěn)定沉積區(qū)、潮間帶高速沉積區(qū)和沉積速率極低帶三

帶。此外，利用現(xiàn)代沉積物210Pb和137Cs定年方法，恢復百年以來地層中記錄的污染歷史這一應用也得到了研究者的關注，包括戴紀翠等(2006)對人類活動影響下的膠州灣近百年來環(huán)境演變的沉積記錄研究、王國平等（2006）對向海濕地沉積剖面化學元素相對遷移的特征分析、劉國卿等(2005)對珠江口伶仃洋西灘多環(huán)芳烴的百年記錄研究、張志忠等(2005)對浙江近岸海域地球化學元素的垂向分布與變化特征研究、chen 等(2004)對長江口重金屬百年以來的沉積含量研究、王國平等（2004）對沼澤濕地重金屬元素輸入歷史變化的研究、張麗潔等（2003）對近海沉積物重金屬及其環(huán)境意義的研究、業(yè)渝光等(1991)對黃河三角洲的Al、Fe、Mn和Cu的地球化學研究等，都取得了較好的研究成果。

由于海岸帶地區(qū)常常會受到如風暴潮、波浪、生物擾動等因素的制約，加之實驗室不同的處理過程、儀器的本底及數(shù)據(jù)表達的不同會造成各家數(shù)據(jù)的不一致和誤差，因此，有必要與地層結構、粒度分析以及其他一些測年法進行對比分析研究。此外，建立一套完善的、規(guī)范的、統(tǒng)一的樣品操作標準，包括取樣、測試、數(shù)據(jù)處理等也是必要的。

2 小結

每一種第四紀測年方法都有自己的優(yōu)勢和最適用的應用領域，因此，在實際應用中，我們應該根據(jù)研究目的、范圍等因素，選擇合適的測年手段測年。此外，由于每種方法還存在不足，且可能同時會有幾種方法適用，所以為了增加測年數(shù)據(jù)的準確性和可靠性，我們應盡量選擇多種適當方法進行對比測年。同時，希望隨著科技水平的不斷提高，測年技術和手段能夠越來越完善，越來越簡單、適用、方便。

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The application of210Pb and137Cs dating in the study of the ancient environment evolution of China coastal zone

CAI Qing-fang1, JIA Pei-meng2,SHAO Chang-gao1
1. Key Laboratory of Marine Resources, Ministry of Land Resources, Guangzhou Marine Geological Survey, Guangzhou 510075, Guangdong, China; 2. Research Institute of Shenzhen branch, CNOOC, Shenzhen 510240, Guangdong, China

The coastal zone is located in boundary between land and sea, is the central zone of the exchange of material and energy, and has complex sedimentary environment. The correct understanding and interpretation of the ancient environmental information of its sedimentary records depends largely on the establishment of the age framework. The advent of210Pb and137Cs dating to solve the high-speed sedimentary environment in the time range for 100 years or less sediment dating. In recent years are widely used. In the practical application, we should choose the appropriate dating method according to the purpose, scope and other factors. In addition, there is a lack of each method, and may also have several methods suitable, so in order to increase the accuracy and reliability of the dating data, we should try to choose a variety of appropriate methods for comparative dating.

Age;210Pb；137Cs；ancient environment; the coastal zone

P579.3

B

2014-12-20；

2015-06-18

中國地質(zhì)圖書館課題（1212011220914）;“127”國家專項（GZH201100312）;“729”國家專項（GZH201200512; GZH201200512-2）.

蔡慶芳（1987—），女，山東章丘人，國土資源部海底礦產(chǎn)資源重點實驗室，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局助理工程師.

1001—2427（2015）02 - 107 -5