第四紀黃土測年研究綜述

張鵬

摘 要：第四紀與人類的關系及其在地質(zhì)歷史中的重要位置，需要高精度高分辨率的測年。第四紀地質(zhì)學家們改進、發(fā)展了許多第四紀的測年方法。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測年的基本理論及近年的一些研究進展。目前，第四紀測年方法的主要進展表現(xiàn)在由于科學技術的提高，如激光顯微探測技術等，使得測年的精度、功效顯著提高而樣品的用量卻有了顯著的降低，并且拓展了一些測年的應用領域，如電子自旋法應用于冰磧物的測年，其據(jù)測年結(jié)果建立的序列可與深海氧同位素階段對比。但要使得測年的可靠性增強，則需要有豐富的地質(zhì)工作經(jīng)驗，根據(jù)所測樣品的特征選擇恰當?shù)臏y年方法，且要盡量選擇多種適當方法進行對比測年。

關鍵詞：第四紀；測定年代；古地磁測年；光釋光；黃土測年

第四紀是所有地質(zhì)時期中最新也是最短的一個紀，是指約2.6 Ma BP以來地球發(fā)展的最新階段。由于在這個時期產(chǎn)生了人類及其物質(zhì)文明，第四紀是自然與人類相互作用的時代，它的過去、現(xiàn)在和未來變化都與人類的生存與發(fā)展息息相關。因此，對其的研究顯得格外重要，形成了獨立的第四紀科學。人們探討的環(huán)境演變一般都局限在第四紀范疇，在這樣短的時期，要求更精確的、分辨率更高的測年，以便更準確地確定周期和相位，進行全球性對比，進而認識自然演變趨勢和發(fā)展規(guī)律，為科學地推測過去、認識現(xiàn)在、預測未來找到依據(jù)。

第四紀地質(zhì)的某些測年方法和技術與測定前第四紀物質(zhì)（如K-Ar法）的方法和技術有很大的相似性。建立在各種物理化學和生物作用基礎上的前第四紀物質(zhì)的許多測年方法和技術，稍加改進就可以用以第四紀地質(zhì)的研究。不僅如此，第四紀學家們也發(fā)展了許多專門測定年輕沉積物年齡的方法和技術。從1949年Lebby提出14C法以來，現(xiàn)在可供選擇的第四紀測年方法達到幾十種，但各種方法的發(fā)展過程和應用程度相差較大。

1 第四紀黃土測年研究方法

1.1 黃土地層法

此類方法是基于對比進行測年，如黃土地層層序、構造期次僅用于確定地質(zhì)體形成的時代和新老關系，可適用于任何地質(zhì)時代，但要想正確的定年，需要有豐富的野外地質(zhì)工作經(jīng)驗。沉積紋層目前主要用于測定湖泊沉積物，建立古氣候、古環(huán)境演化的時間序列。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，每個層偶（couplel）包括粗的、淺色（夏季）層和細粒、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的特征。如把紋泥確定的相對年齡與用某種沉積物測量的日歷年齡相結(jié)合，便可建立起高分辨率的古氣候時間序列；而且這種季節(jié)紋泥不會因為測年技術的發(fā)展而改變其相對年齡值，據(jù)此也可研究太陽黑子活動的各種周期及一些更短的周期事件（如厄爾尼諾）。

1.2 黃土古地磁學方法

地球磁場一直處在周期性的、長期的變化當中。了解其變化的規(guī)律，就可以從記錄于不同時代巖石單元中的磁性特征來推測其巖石形成時代。由于同位素年代學對沉積巖的測年方法和精度存在一定的局限性，因此磁性地層學研究成為地層劃分和對比的一個重要研究手段[9]。它不僅用于地磁場極性變化的研究，而且發(fā)展到以巖石學基本參數(shù)進行地層的劃分和對比。

古地磁方法在第四紀測年應用廣泛，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的獨立性，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和其他年代學方法結(jié)合，就能揚長避短發(fā)揮其優(yōu)勢。

1.3 考古法

人類的出現(xiàn)使得第四紀的精確測年尤為重要.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的時代，我們稱之為文化期，人類文化期的劃分：舊石器時期：包括Q1 Q2 Q3；中石器時期：距今1萬年～8千年；新石器時期：距今8千年～3千年；歷史時期：銅器時代，鐵器時代，這些也給測年帶來一些特殊的途徑。第四紀沉積物所含有的人類活動的許多遺存，可以進行對比測年和數(shù)值測年。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)后的年代測定。且陶瓷、錢幣可為約2500年的沉積物提供相當精確的年齡，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緩慢，而且有些在不同的時間里，曾不止一次引進到一定地區(qū)，加之，若干文化在一地共同存在的時間很長，故石器的類型不可用于第四紀早期沉積物年齡的測定，只可給出近似的年齡[10]。

1.4 放射性定年法

與放射性有關的定年方法是各類方法中種類最多、應用最廣的測年方法。因為它能給出

具體的年齡值，所以也是最重要的一類測年方法。

1.4.1放射性同位素法

放射性同位素40K- 40Ar法和39Ar-40Ar法對建立第四紀磁性年表和深海氧同位素時間標尺起了關鍵作用[11]。近年來，超低底本超高靈敏惰性氣體質(zhì)譜儀的發(fā)展，提高了Ar的測限。激光顯微探測技術使39Ar-40Ar法測年可應用于巖石中的單礦物，并使得測年的樣品用量降低（1 mg即可），減小了分解礦物麻煩，且解決了樣品非均性測年困難[12]。這一技術還可用于測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，該技術在我國已有發(fā)展。現(xiàn)在，用鉀氬法測第四紀沉積地層中伊利石、蒙脫石等自生礦物年齡的可能性已引起廣泛關注。

14C測年是全新世及晚更新世最常用、一般也最可信的方法，其理論嚴格，技術成熟，而且適用于14C測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14C年齡測定建立的。14C測年法近年的發(fā)展主要表現(xiàn)在三個方面：①14C常規(guī)測定技術向高精度發(fā)展比較成熟，現(xiàn)代碳樣的測定精度可達到2%。其14C年齡（非日歷年齡）誤差可達到±20 a；②加速器質(zhì)譜技術使得測定的時間短、功效高、樣品用量低，使得顆粒重量僅0.01～0.2pg的花粉的測定成為可能；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10000 aBP，對萬年以上的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2萬年[13]。

1.4.2核輻射方法

熱釋光（Themoluminescence dating，簡稱TL）、光釋光（Opcic Stimulated Luminescence，簡稱OSL）和電子自旋法（Electron Spin Resonance，簡稱ESR）等方法的測年原理并非直接基于放射性核素的衰變過程，而是依賴于樣品中石英、長石等在放射性射線輻射下的累積效應[14]。結(jié)晶固體的釋光（磷光）現(xiàn)象被用來作為測年技術已有40多年歷史。20世紀70年代，它作為一種新的測年技術測出無碳標本的年齡，彌補了14C測年技術的缺陷。釋光測年中的一個重要因子是輻射劑量，它直接影響到測年結(jié)果。

釋光基本原理如下，吸收能量：當放射線對非導體物質(zhì)（如石英或長石）作用時，晶格中一些電子獲得能量并重新分配能級，其中一部分能夠逃逸并且被捕獲進入晶格間的其它穩(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，又會重新回到“自由”狀態(tài)。其中一部分自由電子填補“空穴”，能量被消耗，以熱或光的形式被釋放出來。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）吸收的總的放射線劑量具有一定比例。

1.5黃土的測年

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

黃土中石英顆粒的TL與ESR測年。黃土的TL法測年是60年代后期由前蘇聯(lián)的基輔地質(zhì)研究所開始的[16]。他們注意到了陽光的曬退效應。當黃土中粉塵狀石英和長石顆粒由風力作用自源區(qū)搬運至沉降區(qū)的過程中，陽光的輻照能使礦物顆牲中的TL能量重新積累，即地質(zhì)時鐘又重新啟動。TL能量成為黃土沉降堆積的時標。當然，測年的實踐比上述的筒單原理要復雜，必須對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，并在計算年齡時做相對的校正。此外陽光的曬退效應可能小完全殘留的，TL能量。必須做相應校正，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)構是地貌面

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

一種仍在嘗試階段的相對測年方法。周本剛等（1999）利用特殊的超薄片磨制技術，初步建立了天山北麓晚更新世以來巖石漆顯微層理的標準層序，在經(jīng)過年代校正后，給出了該層序的大致年代控制[18]。是利用氨基酸對映（或非對映）異構體之間轉(zhuǎn)化反應是溫度和時間的函數(shù)的原理來計時的方法，適用范圍是幾百年至幾百萬年.由于該反應的另一個控制因素是溫度，因此理想的樣品就要求有一個穩(wěn)定的古溫度環(huán)境。顯然，這是一個較難滿足的條件。當然，如果配合他測年方法，推算出古環(huán)境溫度后，也可能得到較理想的結(jié)果[17]。目前認為，深海沉積物和洞穴堆積物中的骨化石是較理想的對象，并且得到了一些成功的事例，該方法尚處于進一步酌探索和發(fā)展階段。氨基酸分析已在過去20～30年里發(fā)展成為第四紀沉積物對比和年齡測定的一種方法，是以其所含不同的有機成分為依據(jù)的。該法測年的一大優(yōu)點是便宜和迅速，可以分析許多樣品。它已用于骨骼、軟體動物、珊瑚、有孔蟲和木頭。

2 一些測年方法國內(nèi)外應用現(xiàn)狀

2.1古地磁技測年對古人類年代的測定

近年來，一個由中國和美國科學家組成的研究小組利用一種古地磁技術——依靠巖石樣品確定其形成時的地球磁場方向——重新測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，但當時的研究人員記錄了他們找到牙齒和工具的沉積物層位。中美科學家循著遍及整個元謀盆地的沉積層——或按照時間范圍，采集了318塊巖石樣本。研究人員在《人類進化》雜志上發(fā)表報告說，這些化石所處的巖石層剛剛位于一個磁標——奧爾杜威-松山反轉(zhuǎn)邊界，至少有177萬年的歷史——的上方。這意味著元謀化石遺址的年代大約具有170萬年的歷史[20]。參與該項研究的美國華盛頓哥倫比亞特區(qū)史密森學會的古生物學家Rick Potts指出，這一年代測定結(jié)果代表了“早期人類在中國以及東亞大陸最古老的化石和考古學證據(jù)”[21]。

2.2黃土釋光測年研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

中國第四紀黃土釋光測年以混合礦物TL、IRSL、post-IR OSL 等多片再生或附加法測年技術為主，基于此，建立了晚更新世以來中國黃土的大致釋光年代框架，促進了地層劃分及其與深海、高緯等記錄的對比；目前（21世紀以來），中國黃土釋光測年以成熟的SAR 法石英OSL 技術為主（感量校正的MAR 法也有一定應用），并伴隨有延長測年年限的多種技術（如石英ReOSL、富鉀長石pIRIR 等）[22]，這些技術對促進中國黃土晚更新世以來高準確度年代標尺建立、多種時間尺度上粉塵堆積速率的詳細變化、地層劃分與對比、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。將來，中國黃土釋光測年技術可能朝著繼續(xù)探索已有并發(fā)展新的延伸測年年限的技術、環(huán)境劑量率計算準確度的提高等方向發(fā)展，而建立中更新世高準確度年代標尺、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用領域。

3 第四紀黃土年代研究對全球變化的意義

古氣候記錄的年代地層學研究是其他研究的基礎。黃土一古土壤序列年代地層學研究一直在不斷進展和完善。目前，不同方法獲得的結(jié)果有較好的統(tǒng)一性，證實了黃土一古土壤序列是250萬年來古環(huán)境變化的連續(xù)完整記錄[23]。黃土地層與深海記錄的對比方案已為國際學術界所廣泛接受，二者均是全球環(huán)境變化研究中古氣候?qū)Ρ鹊臉藴屎徒?jīng)典記錄。在國家自然科學基金“ 八五” 重大項目的支持下，黃土年代學研究的一個重要進展是對晚第四紀序列的熱釋光14C 年代學測定，其中以渭南剖面的測年數(shù)量最多[26]，從而使晚第四紀黃土一古土壤序列獲得了一個基于年代測定的、較高分辨率的獨立時間標尺，對研究東亞古環(huán)境演化與全球變化的關系具有重要意義[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：黃土年代測定為約5萬年，而深海記錄為6萬年[25]。這一點可能對理解海陸氣候聯(lián)系有重要意義，是今后黃土年代學研究值得重視的問題。

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