海洋沉積物同位素年代測定
正文
套用海洋沉積物中某些放射性同位素衰變的規律來測定沉積物形成時距今的年代。它是一種精確的地質計時手段。同位素年代是定量地衡量海洋沉積的時間尺度，是研究沉積發育史必不可少的資料，也是計算沉積速率的直接依據。沉積層的劃分與對比，恢復和重建古地理，了解冰期與間冰期的持續時間和海平面變化過程，確定古地磁事件的年限，測定錳結核礦產的生長速率，以及海岸工程建設中泥沙淤積量的計算等等，都需要沉積物年代的資料。1908年愛爾蘭J.喬利最先發現海洋沉積物中鈾系存在著放射性不平衡，這就為利用放射性同位素衰變規律測定海洋沉積物的年代提供了理論基礎。1936年蘇聯Л.М.庫爾巴托夫開始用226 Ra測定喀拉海錳結核的年齡。1942年美國C.S.皮戈特和W.D.尤里用226 Ra 測定大洋沉積物的年齡和沉積速率。嗣後在海洋沉積物年代測定上又採用14 C法、230 Th／232 Th法、231 Pa／230 Th法、210 Pb法、10 Be法等等。
基本原理 任何放射性同位素都以其特有的恆定速度產生衰變，並且不受地球產生的高溫、高壓和電磁場變化的干擾，也不依賴於其化學狀態。當海洋沉積物沉積時放射性元素以一定的形式進入沉積物中，隨著時間的推移，放射性元素即遵循放射性衰變定律進行自發的衰變，其基本公式為
N=N0e-λt
式中t為時間,表示所求沉積物的年齡；N0表示時間開始時(t=0)某一同位素的原子數;N表示經過t時間後該同位素所剩下未衰變的原子數；λ表示該同位素的衰變常數，它與半衰期T1/2的關係是e是自然對數的底(e=2.71828182)。從上式中可以看出衰變為時間的函式,在沉積層中表現為隨著埋藏深度的增加,同位素的含量呈指數降低，這樣只要能準確測定沉積物各層中該同位素的含量，即可根據放射性衰變定律求得沉積物的年齡。研究表明，海洋沉積物中放射性元素母體與子體之間常處於不平衡狀態,也就是說，或者子體不足,或者子體過剩。因此，測年的方法概括起來不外乎用衰變產物積累的方法和過剩產物的衰變方法。儘管各種測年方法的計算公式千變萬化，但都是由上述基本公式導出的。根據求得某層沉積物的年齡和沉積物所處的深度，即可算出沉積物的沉積速率。套用同位素測年總的前提條件為：①進入沉積物的放射性元素應基本保持一定的速率，沉積的量不隨時間有大幅度的變化；②沉積後放射性元素的衰變應大體保持在封閉的化學體系中進行，不受外界條件的影響，不與周圍物質發生交換，即沒有母體或子體同位素的丟失或加入；③在測年的範圍內沉積層應是連續的，不能有沉積間斷，不能有突變性的火山噴發和濁流沉積等。
測年方法 海洋沉積物有時代年輕和結構疏鬆兩個顯著的特點。因年輕，通常不能採用測定古老地層年齡的方法（如鈾-鉛法、銣-鍶法等）。而必須選擇一些半衰期相對較短的同位素。因疏鬆，就要求在採樣時必須謹慎，不能將沉積物的層次錯動。
沉積物中存在的一系列同位素，可以組合成許多測年方法。套用廣泛、數據可信、比較成熟的幾種測年方法如下
中子-內部結構模型圖14 C法能夠測定的最大年齡為 5～6萬年。該法已被廣泛套用。中國對黃海和東海等海區的某些沉積物已進行過14 C年齡的測定。
(230 Th)法測年 溶解在海水中的238 U衰變生成230 Th,230 Th主要通過離子交換吸附形式定向地向沉積物中遷移,由於230 Th遷移能力大於238 U，造成沉積物中230 Th的過剩(即沉積物中230 Th的量超過與238 U處於放射性平衡的量)，這些過剩的230 Th隨時間衰變，因此可用來測定年代。其計年公式為 式中(230 Th)ex 0為表層沉積物中過剩的230 Th（下角標0表示表層，上角標ex表示過剩）；(230 Th)ex l為欲測層沉積物中過剩的230 Th（下角標l表示欲測層）。
在一些貝殼、珊瑚礁樣品中,230 Th有時不足。這時年齡即可按230 Th的積累法求得。
230 Th法測的最大年限約為 40萬年。該法曾用於太平洋、印度洋沉積速率的測定。中國利用230 Th法測定過南海東北部大陸坡的沉積速率。
鏷-(231 Pa/230 Th)法測年231 Pa和230 Th的共同點是來源於同一個元素──鈾，前者來源於235 U，後者來源於238 U。231 Pa和230 Th的化學性質相似,在海洋中具有近似的地球化學行為，垂直分布、沉澱機理和進入沉積物的形式都比較一致，因此即便當外界某種因素對其分布產生影響時，二者的比值仍近乎不變，這樣更有利於精確的測年。 海洋中的231 Pa和230 Th主要是通過吸附途徑一同進入沉積物，沉積後二者的比值即按指數規律衰減。該法計年公式為 231 Pa/230 Th法可測的最大年限約為 15萬年。該法也曾用於太平洋及印度洋沉積速率的測定,與230 Th法測得結果大體一致。
-釷(230 Th/232 Th)法測年230 Th和232 Th沉積後，通過放射性衰變，230 Th的量將逐漸減少，而232 Th由於半衰期比230 Th長得多，其量可視為基本上不變,這樣藉助沉積物中230 Th/232 Th比值隨著深度的降低，即可得出沉積物的形成年代。鑒於有時某些物理化學因素可能引起230 Th的變化,這時測年如單獨地根據230 Th的降低，就不如利用230 Th/232 Th比值的降低,因即便230 Th偶爾波動而比值往往不受影響，從而避免測年出現較大誤差。230 Th/232 Th法測年的計算公式為 式中λ230為230 Th的衰變常數;為表層沉積物中的比值；為欲測層沉積物中的比值；230 Thu為沉積物中由238 U衰變生成的230 Th(該項常可忽略不計)。
該法適於測定的最大年齡約為40萬年。利用這種方法測定過北太平洋、南太平洋和大西洋的沉積速率，結果表明北太平洋的沉積速率比南太平洋的快，大西洋的沉積速率比太平洋的快，這與北太平洋和大西洋均有大量的陸源物質供應的基本地質事實相吻合。
鐳(226 Ra)法測年 226 Ra在海洋沉積物中的分布有兩種模式：第一種模式是226 Ra沿著沉積層自上而下一開始就呈連續的指數降低，這表示沉積一開始226 Ra就顯著過剩，過剩的226 Ra隨時間而衰變，這樣根據公式 即可計算出年代,可測的最大年限為6000年;第二種模式是鐳曲線一開始先隨深度而增加，繼之達到最大值，之後隨著深度而降低,這表示沉積一開始230 Th的量就明顯地大於226 Ra的量，曲線上的最大值表示226 Ra與230 Th達到放射性平衡，之後226 Ra曲線即按照230 Th的半衰期呈指數規律減少,因而可按前述230 Th法測年的公式進行年代的計算。
226 Ra法測年在一些國家從 30年代至今屢有報導。中國已開始226 Ra測年的研究,利用該法曾測得東海近岸區的平均沉積速率。
鉛-210（210 Pb）法測年 大氣中的222 Rn衰變生成210 Pb， 它與大氣沉降物一起進入海洋，此外海水中的226 Ra也生成一部分210 Pb，它們很快轉入沉積物，於是海底沉積物中經常出現210 Pb的過剩，過剩的210 Pb在沉積層中的垂直分布遵循衰變定律，藉此即可計年，計算公式與230 Th法類同，即 210 Pb法可測最大年齡為100年左右。該法於60年代初首次提出,然而發展很快。中國也已建立210 Pb測年實驗室，測定了渤海及東海等海域的沉積速率。
鈹(10 Be)法測年 大氣圈上層宇宙射線與氧核相互作用形成10 Be，隨著降雨進入海洋，10 Be與230 Th一樣主要通過吸附作用沉入海底，這樣在正常情況下沉積物內10 Be的垂直分布就取決於它的放射性衰變，利用測得表層的10 Be及欲測層的10 Be按照下列公式即可計算年代 由於10 Be的半衰期較長（1.5×106 年），故可用來測定上新世數百萬年以來的年齡。該法曾用於測定太平洋的沉積速率，與230 Th法、230 Th/232 Th法所獲結果近似。
不平衡鈾（234 U/238 U）法測年 海洋沉積物中的234 U與238 U常處於不平衡狀態,即234 U大於238 U,過剩234 U的衰變必然引起234 U/238 U比值的改變,根據234 U與238 U之間放射性平衡恢復的程度即可計算年齡：
鉀-氬(40 K/40 Ar)法測年 沉積物含鉀礦物中放射性同位素40 K以K層電子俘獲的形式可轉變為40 Ar，它同樣服從於放射性衰變定律。因40 K有兩種衰變過程，一是k層電子俘獲，一是β衰變生成40 Ca，相應的衰變常數分別為λв和λβ，因此,40 K的衰變常數λ＝λв＋λβ,其測年公式為 該法最早只是套用於古老地層的測年，近年由於測試技術的提高，特別是使用快中子活化法測定40 Ar/39 Ar,可使測年的最小年限縮短至2500年。該法曾用於北太平洋第三紀沉積物年齡及沉積速率的測定。
除了上述的方法外，用於沉積物測年的還有－鈾 （230 Th/234 U）法、鏷-鈾（231 Pa/235 U）法、鈾-氦(238 U/4 He)法、矽-32(32 Si)法、鋁-26(26 Al)法等(見表)。 此外還有間接的測年法，如古地磁法、胺基酸法等。還有一些方法正在探索中。 必須指出的是，每種方法都有其局限性，如14 C法雖比較成熟，但用於測年的樣品必須含有足夠量的碳；231 Pa/230 Th法雖精確,但231 Pa的測定比較困難;210 Pb法雖已廣泛套用,但對沉積速率緩慢、粒度粗的沉積物無法測定;40 K/40 Ar法雖已用來測定較年輕的沉積物,但需要先進的中子活化測試技術,而且多限於含鉀高(＞1％)的火山沉積物樣品；另外每種方法都有其一定的測年範圍，超出其範圍的自然就無法測定。鑒於這些方法各有長短，測年時最好選擇幾種方法同時測定,綜合分析,從而得出比較準確的年代。
參考書目
G.Faure，Principles of Isotope Geology，JohnWiley &Sons，New York，1977.
Ю.В.庫茲涅佐夫著,夏明等譯：《海洋放射年代學》，科學出版社，北京，1981。
