基巖就地14C測年及古地震潛在應用

尹金輝　楊　雪　鄭勇剛

(中國地震局地質(zhì)研究所，地震動力學國家重點實驗室，北京　100029)

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基巖就地14C測年及古地震潛在應用

尹金輝楊雪鄭勇剛

(中國地震局地質(zhì)研究所，地震動力學國家重點實驗室，北京100029)

在陸地表面系統(tǒng)，14C主要通過宇宙射線與大氣和暴露巖石2個明顯不同的介質(zhì)發(fā)生核反應產(chǎn)生。在大氣中生成的14C，由此建立的14C測年方法已廣泛應用于考古學和古環(huán)境及地球各圈層的相互作用等方面的研究，推動了相關學科的發(fā)展；在基巖中產(chǎn)生的就地(in situ)14C，隨著加速器質(zhì)譜計探測靈敏度的提升，就地14C對地表過程的研究潛力開始得到廣泛認可和關注，也已成為解決一些地球科學問題的重要方法。文中簡要介紹了就地14C的形成機制、產(chǎn)率值、實驗方法的歷史與現(xiàn)狀以及使用宇宙成因核素研究基巖正斷層活動性方面的最近進展。

暴露面測年宇宙成因核素就地成因14C正斷層

0　引言

地震是造成社會損失最嚴重的自然災害之一。對中國大陸內(nèi)部的斷裂而言，強震原地復發(fā)時間往往長達上千年到數(shù)千年，遠遠大于儀器記錄地震的起始時間；因此，在強震預報和抗震減災方面，古地震研究的作用就顯得尤為迫切與重要(丁國瑜，1982; 冉勇康等，1999; 張培震等，2013)。然而，由于記錄古地震事件的沉積地貌標志或斷層有時很難識別，并且容易被后期作用改造，例如埋藏或者剝蝕(冉勇康等，2014)，這些沉積物中保存的古地震記錄的完整性也日益受到關注(冉勇康等，2003; 劉靜等，2007; 冉勇康等，2014)。 特別是在基巖區(qū)，由于經(jīng)歷過多期構造活動改造及強烈的侵蝕作用，缺乏合適的應變標志和沉積物記錄。這也使得難以識別基巖區(qū)晚第四紀仍在活動的斷層并正確評價其地震危險性。例如，龍門山斷裂帶上的古地震研究不足就是1個很好的事例，這是導致汶川地震前對該斷裂帶地震危險性判斷失誤的原因之一(Zhang，2013)。

在中國西北地區(qū)廣泛發(fā)育已發(fā)生構造變形的各種河流階地、洪積臺地等地貌面(Dengetal.，1996)，如何準確獲得這些晚更新世形成的地貌面的年齡一直是1個難題，開展就地14C測年研究有可能為解決這些難題提供新的技術支撐。

與其他眾多的就地宇宙成因核素如10Be、26Al、36Cl、3He和21Ne 等相比較，對于測定3萬a來的基巖暴露年齡，就地成因14C測年法有著其獨特的優(yōu)點。例如： 1)14C 的半衰期為5,730a，比10Be、26Al核素小2個數(shù)量級以上，因而巖石中的14C衰變相對很快，繼承濃度很小，能比其他宇宙成因核素更快地達到飽和，超過2.5萬a就地14C就開始飽和，因而，使用14C可以準確地測定較短暴露歷史的地貌面，有助于獲得短時間尺度的平均剝蝕速率，對具有短期暴露歷史的地貌過程具有更準確的測定能力(Lal，1991)。2)就地成因14C測年具有更高的測量精度，精度可以優(yōu)于5%，具有測量數(shù)百年前地貌面年代的能力(Liftonetal.，2001; Hippeetal.，2013)。3)它的產(chǎn)率比常用的10Be產(chǎn)率高，實驗測定的14C:10Be=3.26±0.17(Reedyetal.，1994)。上述特性使得就地14C 測年更適合全新世含石英礦物的基巖正斷層面測年研究(Lal，1991; Liftonetal.，2001)。

近10a來，隨著技術的進步，就地14C測年在國際上已經(jīng)得到了快速的發(fā)展；但是，在中國就地14C測年還沒有得到良好的發(fā)展和應用，仍屬于研究空白領域。 針對這種情況，本文簡要介紹了就地14C測年方法，為今后基巖地區(qū)活動構造的研究提供了1種新的途徑。

1　就地14C的形成機制和產(chǎn)率

當宇宙射線穿越大氣層時，與大氣中的氮核發(fā)生核反應生成14C，這部分14C可簡稱為大氣14C，現(xiàn)已廣泛用在考古和地球科學等領域的測年上(Libbyetal.，1949)。當宇宙射線到達地面時，宇宙射線和地表暴露巖石中的氧和硅等元素不斷發(fā)生散裂反應產(chǎn)生就地14C(Julletal.，1998; Gosseetal.，2001)，μ介子誘導反應也產(chǎn)生部分就地14C(Heisingeretal.，2002)。少量就地14C還可以通過熱中子與巖石中的14N、13C和17O，以及α粒子與11B反應生成(Zitoetal.，1980; Lal，1988; Kimetal.，2007)。非宇宙成因的14C在碳循環(huán)庫中含量相對很低，因此在許多測年和示蹤過程中可以忽略不計，只在特殊的情況下非宇宙成因14C才保存著顯著的濃度。 例如在鈾和釷富集的環(huán)境，可以使用非宇宙成因的14C來研究土壤的演變歷史(Julletal.，1987)。

相比于大氣14C，就地14C的產(chǎn)率非常小。例如： 在緯度高于60°距地表2km和5km高度的就地14C產(chǎn)率估計值是5×10-514C/(cm2·s) 和3×10-314C/(cm2·s)(Laletal.，2001)，大氣14C的產(chǎn)生率則是214C/(cm2·s)(Libby，1952)。因此，在地表巖石中產(chǎn)生的就地14C占宇宙成因14C總數(shù)的比值 <0.1% 。

就地14C的產(chǎn)率受地磁場、取樣高度和緯度等因素影響(Julletal.，1994; Gosseetal.，2001; Liftonetal.，2001)。在>60°N緯度的海平面產(chǎn)率估計是 (15.2±0.3)14C/(g quartz·a)(Duganetal.，2008)。 在其他不同緯度和高度下，依據(jù)一些換算模型可以計算就地14C的當?shù)禺a(chǎn)率(Stone，2000)。

2　就地14C測年法歷史和現(xiàn)狀

在20世紀60年代，Pandow等(1960)觀察到就地14C主要以CO的形式保存在巖石中，這個發(fā)現(xiàn)對分離提取就地14C是相當有利的，影響就地14C測年的1個嚴重問題是在提取過程中受到大氣14C的干擾(大氣中的14C濃度為10×101014C/g C)，但大氣中CO的豐度很低(CO/CO2=4×10-4)。 利用14CO和14CO2的凝固點不同，使用冷凍技術可以很容易地分離14CO和14CO2(Cresswelletal.，1994)，這樣提取的14CO組分主要來自就地14C，但是這種方法的不利因素是假定巖石中的14CO/14CO2的比例恒定(Laletal.，1994)。不同提取方法包括酸解(Laletal.，1994; Handwergeretal.，1999; Kimetal.，2007)、熱解(Cresswell，1992)或燃燒(Julletal.，1989)等都嘗試用來釋放出全巖樣品所含有的14CO和14CO2，測定就地14C年齡。

這個階段建立的全巖樣品就地14C的測年技術，實驗流程相對簡單，主要應用于星際樣品的研究上，測量月球物質(zhì)和隕石等地球外物質(zhì)的地面居留年代(Goeletal.，1962; Fireman，1978; Brownetal.，1984)，取得了一定的成功(Julletal.，1998)。由于宇宙射線被地球大氣或地磁場屏蔽而減小，在地球外物質(zhì)的14C濃度比陸地巖石高得多(Laletal.，1967)，因此，可以更容易地檢測到。然而在陸地硅酸鹽中就地14C的濃度不僅比星際樣品低2～3個數(shù)量級，還受到其他非就地來源14C如大氣、有機物質(zhì)和次生碳酸鹽等污染物干擾，這些雜質(zhì)氣含量相當于或超過就地成因14C，使14C的提取非常困難。并且隨著實驗數(shù)據(jù)的積累，也發(fā)現(xiàn)就地成因的14CO和14CO2兩者的比值存在變化(Laletal.，1994)。因而，從巖石或礦物中提取就地14C的測年方法發(fā)展緩慢。

經(jīng)過近10a的探索，亞利桑那大學Lifton等(2001)開發(fā)了1套用于從硅酸鹽礦物中提取就地14C的新流程。使用純凈的石英作為就地14C分析礦物，替代早期的全巖樣品，Lifton方法解決了早期測量就地14C時遇到的本底不穩(wěn)定和可重復性差的難題，避免了巖石中CO與CO2的比例變化問題，這些和其他改進顯著增加了結果的再現(xiàn)性并獲得了更低和更穩(wěn)定的空白值(Liftonetal.，2001)。所獲得的結果通常優(yōu)于其他就地14C提取系統(tǒng)，能有效提取就地14C組分，分析精度好于2%，獲得了相當不錯的重復性。

作為就地14C的測年礦物，石英礦物有很多獨特的性質(zhì)，如： 石英中主要是由氧散裂后生成14C；石英高度耐風化并沒有解理、裂隙，而且沒有大氣14C的污染；容易用HF/HNO3蝕刻來純化；在地表極為常見；同時可與其他宇宙成因核素進行聯(lián)合測量。Lifton改進的就地14C提取方法也是吸取早期從星際物質(zhì)提取微量CO2的方法和分步燃燒法二者優(yōu)點的基礎上創(chuàng)立的(Des Marais，1978)，分析過程包含1個預加熱步驟，結果表明，在500℃以下，加熱石英樣品可以抽掉大氣14C。在提取過程中，為降低石英的熔點，向石英樣品中加入偏硼酸鋰(LiBO2)，使用普通電阻爐加熱到1,100℃，就可以釋放石英中保存的就地14C，所有生成的CO被氧化為CO2，經(jīng)過一系列的純化后，用不含14C的CO2將樣品CO2稀釋至1ml左右，減少體積測量的不確定性，CO2最終被轉(zhuǎn)化為石墨，在加速器質(zhì)譜儀上測量就地14C的年代(Liftonetal.，2001)。

Lifton方法取得了極大的成功，因而世界各地紛紛建立起類似的就地14C提取裝置，就地14C測年法開始慢慢地普及起來，在過去10a間取得了顯著的進步。Yokoyama等(2004)通過階梯式的加熱和使用混合載體氣體(He-O2-CO-CO2)方式從石英中分離出就地14C，建立了14C隨溫度的釋放曲線，揭示出60%的就地14C是在1,200℃以上的溫度下釋放出來的。Fül?p等(2010)在蘇格蘭大學環(huán)境研究中心(SUERC)建造了1個類似亞利桑那大學的提取系統(tǒng)，對流程也作了改進(Naysmithetal.，2004)。Pigati 等(2010b)改進了Lifton的設計并建造了1個價格便宜、體積微型的簡化萃取系統(tǒng)，優(yōu)化了實驗流程以縮短就地14C提取所需要的時間，測量精度好于5%。Goehring等(2014)報道了拉蒙特-多爾蒂地球觀測中心新建的就地14C提取系統(tǒng)的性能，對CRONUS-A樣品的測量精度為5%，本底值為 (1.25±43)×10514C。Hippe等(2009)開發(fā)了另一種提取系統(tǒng)，使用電子轟擊爐加熱石英到1,550～1,600℃，這樣不用助熔劑也可以熔化石英，直接用氣體離子源的加速器質(zhì)譜儀測量氣體二氧化碳的14C/12C比值，省掉了合成石墨的環(huán)節(jié)，節(jié)省了時間和精力。最近對該系統(tǒng)做了進一步的優(yōu)化，效率和重復性得到顯著的提升。分離1個石英樣品只需要2d，精度優(yōu)于2%，已投入正常運行，成功測量了1個發(fā)生在意大利費萊特谷(Val Ferret)的公元1717年歷史巖崩，14C的測年結果為 (228±45)a BP，校正后的日歷年齡為公元 1780年，與歷史年齡相當吻合，表明巖石14C現(xiàn)在可以測量短至幾百年的暴露面年齡，成為今后地貌面年代測定的有力工具(Hippeetal.，2013)。

盡管石英作為提取就地14C的主要礦物，可以獲得穩(wěn)定和可靠的分析結果，但其他礦物如橄欖石、大理石也嘗試過用于就地14C測年，取得了不錯的結果(Handwergeretal.，1999; Pigatietal.，2010a)。

3　就地14C測年在基巖正斷層暴露面上的潛在應用

宇宙成因核素已成為獲取地貌過程、暴露年齡、侵蝕速率等的有力工具(Nishiizumietal.，1993)。過去10a，隨著宇宙成因核素測年技術的快速發(fā)展，國外地震學家開始注意到地震持續(xù)活動剝露出的基巖斷層面，特別是正斷層基巖面，是獲取古地震活動歷史信息的1個重要載體，并取得了一系列的突破。

Zreda 等(1998)對美國蒙塔納州Hebgen Lake地區(qū)的正斷層暴露面進行了開拓性的研究，因為斷層面為灰?guī)r，研究者們只能采用宇宙成因36Cl從基巖斷層崖提取古地震記錄。隨后不少學者又對灰?guī)r正斷層開展了類似的研究，宇宙成因36Cl大規(guī)模地應用在重建意大利、希臘和以色列等地單條正斷層地震活動性的研究上(Mitchelletal.，2001; Benedettietal.，2003; Palumboetal.，2004; Schlagenhaufetal.，2010; Ak?aretal.，2012)。其原理可以簡單地理解為(圖1，以36Cl測年為例)： 1)斷層沒有發(fā)生地震斷錯前，斷層面被埋在地下，在宇宙成因輻射的作用下，在這些巖石中產(chǎn)生宇宙成因同位素(如14C、10Be、36Cl、21Ne 等)。 隨著時間的增長，在產(chǎn)率(忽略地球磁場變化的影響)保持恒定，沒有剝蝕時，核素濃度隨樣品埋深以指數(shù)曲線的形式下降(圖1a)(Gosseetal.，2001; Grangeretal.，2001)。2) 一旦地震發(fā)生后，新暴露的斷層面部分以更快的速度開始累計36Cl，因為與巖石相比，大氣屏蔽宇宙射線的能力弱，因此，露出斷層面部分的36Cl濃度是地震之前在地面下積累的36Cl和震后暴露在地面上累積的36Cl的總和(圖1b)。3) 在1個正斷層上大地震不斷重復發(fā)生，較深部分的斷層面不斷被剝露出來，整個暴露斷層面上的36Cl濃度剖面表現(xiàn)出由一系列的端點和由此分割開來的指數(shù)曲線組成。這些不連續(xù)端點反映了每次大地震破裂之間的邊界，而2個不連續(xù)之間的垂直間隔提供了測量地震所產(chǎn)生的位移的條件(圖1c，d)。因此，基于基巖斷層面宇宙成因核素濃度隨時間逐漸積累且與斷層活動期次、位錯量存在定量關系，各種宇宙成因同位素測年方法已被用于確定基巖斷層的強震發(fā)生時間和期次、同震位移、活動速率(Zredaetal.，1998; Harringtonetal.，2000; Mitchelletal.，2001; Benedettietal.，2002; Hippolyteetal.，2009; Schlagenhaufetal.，2010; Ak?aretal.，2012)，為獲得斷裂帶中長期強震活動歷史提供了新途徑(Dunai，2010)。

圖1　斷層崖上的宇宙成因核素濃度與正斷層分期活動導致的斷層崖高度之間的定量關系(據(jù)Palumbo et al.，2004)Fig. 1　A quantitative relationship between the cosmogenic nuclide concentration and the height of normal fault scarp after the episodic movement(after Palumbo et al.，2004).a、b、c模擬了連續(xù)3次地震活動事件(Q1、Q2、Q3)，都是在斷面垂直高度上發(fā)生4m垂直位錯和恒定的復發(fā)周期；d表示在3次地震活動后斷層停止活動；在斷層平靜期，生成了1個典型的地下宇宙成因核素濃度隨埋深變化的曲線，這個曲線的形狀保留在斷層崖面上(隨后的暴露面和之前的已經(jīng)暴露的位置都以同樣的核素濃度增長速率保持增長)

事實上，宇宙成因核素多種多樣，如3He、21Ne、10Be、26Al、14C等，因而對應的測年方法也很多。古地震學家們可以根據(jù)基巖面的不同巖性選用不同的測試方法。例如，基巖面含石英(如砂巖、花崗巖、石英巖或流紋巖)時可以用14C、10Be和26A1測年(Nishiizumietal.，1991; Brineretal.，2014)；暴露面中含橄欖石或輝石時可以用3He和21Ne 測年(Kurzetal.，1990)；對于碳酸鹽巖，除了應用36Cl外，也可以應用就地14C法測定(Handwergeretal.，1999)。大多數(shù)正斷層面巖石中都含有豐富的石英礦物，而且10Be和14C均可從石英礦物中測量，被用于基巖正斷層面的測年研究(Harringtonetal.，2000; Hippolyteetal.，2006; Kongetal.，2010)?？梢姡钪娉梢蚝怂?4C和10Be測年將具有更好的普適性。

另外，雖然10Be測年方法可以測量數(shù)千、乃至幾百年前的地貌面的年代(Van Der Woerdetal.，1998; 顧兆炎等，2006)，但由于10Be測年誤差及較低的生成速率，要區(qū)分出幾百年間隔的地貌面期次仍然有很大的困難(Gosseetal.，2001)。現(xiàn)有基巖面的36Cl測年結果也表明，研究得到的強震發(fā)生時間的不確定性多為500～1,000a，同震位移的不確定性也達到25cm(Schlagenhaufetal.，2010)。因而，利用全新世以來含石英礦物的基巖正斷層面10Be測年獲取古地震事件序列的研究仍然會面臨較多的困難。但是，在石英中就地14C的產(chǎn)率約為10Be的3倍(Reedyetal.，1994)，并且14C半衰期為5,730a，比10Be小2個數(shù)量級以上，14C的上述特性使得就地14C測年更適合全新世含石英礦物的基巖正斷層面測年研究(Lal，1991; Liftonetal.，2001)。

由上可見，當前可以嘗試使用就地14C測年法，開展全新世基巖正斷層面古地震研究和建立斷裂帶上的強震復發(fā)時間模式，這將為中、長期地震危險性預測提供新的技術支撐。

4　結論

就地14C由于含量極低，早期提取很困難；最近的技術進步，已經(jīng)克服了實驗中的大多數(shù)障礙，發(fā)展迅速。隨著不斷探索，在不久的將來，就地14C測年技術將有近一步提高的可能性，為過去2.5萬a以來地表過程、土壤動力學、地貌過程、暴露年齡、侵蝕速率、火山活動、古地震等研究發(fā)揮更大的作用。

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REVIEW ON IN-SITU COSMOGENIC14C DATING AND POTENTIAL APPLICATION IN PALEOEARTHQUAKE

YIN Jin-huiYANG XueZHENG Yong-gang

(StateKeyLaboratoryofEarthquakeDynamics，InstituteofGeology，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100029，China)

Over the last two decades，in-situ cosmogenic14C dating has become an import tool in Quaternary geology and is recognized to geoscientists because of its potential to provide information on exposure age and process rate estimates for geomorphic studies. The in-situ cosmogenic radiocarbon has a relatively short half-life(5730 yr)and is substantially more sensitive than all the other cosmogenic nuclides used so far. It is therefore particularly useful to determine surface-exposure ages of Holocene landforms and quantify erosion rates in rapidly denuding landscapes during the past few tens of thousands of years. Moreover，in situ14C is produced in quartz which is both highly resistant to weathering and common in nature，so it can be used in combination with other in-situ cosmogenic nuclides such as3He，10Be，21Ne，26Al，and36Cl to constrain complex exposure histories involving burial and/or erosion occurring over the past 25ka.

exposure age，cosmogenic nuclides，in-situ14C dating，normal fault

10.3969/j.issn.0253- 4967.2016.03.021

2015-04-17收稿，2015-10-23改回。

國家自然科學基金(41572196)、中國地震局地質(zhì)研究所基本科研業(yè)務專項(IGCEA1417)、中國地震局地震行業(yè)科研專項(201308001)與地震動力學國家重點實驗室自主研究課題(LED2013A08)共同資助。

P597+.1

A

0253-4967(2016)03-0773-10

尹金輝，男，1969年生，2006年于中國地震局地質(zhì)研究所獲博士學位，構造地質(zhì)學專業(yè)，研究員，主要從事地質(zhì)災害事件與第四紀地質(zhì)年代學研究工作，電話： 010-62009015，E-mail: yjhdzs@ies.ac.cn。

The age and slip rate of Holocene normal fault have been undoubtedly a challenge for seismologists to be faced with as result from lack of appropriate late Quaternary sediment. Recently，the cosmogenic nuclides such as36Cl of preserved，seismically exhumed normal fault scarps were used to identify the last few major earthquakes and recover their ages and displacements through the modeling of the content of36Cl in the scarp rocks.

This paper mainly summarizes the development of in-situ14C dating，including its research history，production rate estimate，production mechanism，chemical behavior and experimental method. The potential application of in-situ14C dating to recovering past earthquakes，their timing，and the regularity of their recurrence for preserved，seismically exhumed normal fault scarps is also introduced.