第八章 第四纪年代学Chapter 8Quaternary Geochronology

C

第一节 放射性碳测年法Section 1 Radioactive Carbon Dating

C

1.14C测年的 基本原理(1)自然界的碳同位素14 C 测年法是由美国放射性化学家 W.F.Libby(利比) 1949

年首创的。由于他在14C测年方面的杰出贡献，1960年获得 诺贝尔化学奖。 14C方法是第四纪年龄测定的主要方法之 一，测年精度很高。 碳在自然界有3种同位素：12C(98.8%) 13C(1.108%) 14C(1.2×10-10%)——放射性同位素，主要产生于高空

稳定同位素

大气层。

(2)14C的产生在高空大气层，由于宇宙射线的冲击，产生一些热中子和电子 等多种粒子。 冲击概率恒定

其它粒子 宇宙射线的主要成分为质子 (83% ~ 89%) 、 α 粒子 (10% ~ 15%) 及原 子序数 Z≥3 的轻核和高能电子 (1% ~2%),这种射线能量很高，可达 10~20MeV以上。

热中子电子

热中子——运动很缓慢,能量在0.03电子伏特数量级。相对而言， 还有“快中子”,能量在 1.1 兆电子伏特以上。中子不带电，且 有一个质量单位。

宇宙射线——是一种来自宇宙的能量特别大的带电粒子流。

1912年，德国科学家韦克多·汉斯带着电离室乘气球升空测定空气电离度，发现电离室内的电流随海拔升高而变大，从而认 定电流是来自地球以外的一种穿透性极强的射线所产生的，于

是有人取名为“宇宙射线”。宇宙射线的产生 太阳系是在圆盘状的银河系中运行的，运行过程中会发生 相对于银河系中心位置的位移，每隔6200万年就会到达距离银

河系中心的最进点。而整个“银河盘”又是在包裹着它的热气体中以每秒200公里的速度运行。“银河盘幵不像飞盘那样圆滑 ”,科学家称，“它是扁平的”。当银河系的“北面”或前面

与周围的热气摩擦时就会产生宇宙射线。

宇宙射线还存在着转化、簇(醋)射的过程。除中微子以外，几乎 所有的高能宇宙射线，在穿过大气层时都要与大气中的氧、氮 等原子核发生碰撞，幵转化出次级宇宙线粒子，而超高能宇宙 线的次级粒子又将有足够能量产生下一代粒子，如此下去，一 级一级的转化，将会产生一个庞大的粒子群。 1938 年，法国人 奥吉尔在阿尔卑斯山观测到了这一现象，幵将其命名为“广延 大气簇射”。 宇宙射线为来自太阳系以外的高能量粒子，能量约从 109eV 到 1020eV以上。在靠近地球的太空中，每秒每平方厘米约有一个宇 宙射线穿过。宇宙射线的主要成份是质子，其它核种从氦核到 铁核以上，甚至微量的镧系元素。在人造粒子加速器中其最高 能量约为1013eV。宇宙射线的能谱横跨12个数量级的能量。能谱 上有两个有重要物理意义的转折点， 1015eV 称

为膝点 (knee) , 3×1018eV 称 为 踝 点 (ankle) 。 极 高 能 宇 宙 射 线 (Ultra High Energy Cosmic Rays: UHECR)主要研究1018eV以上的宇宙射线。

大气中有很多氮(大气中氮78.09%,氧20.95%,氩0.93%——容 积的99.9%,质量的99.95%),热中子和氮原子碰撞，使氮原子 转变为14C原子：14N + 1n 7 0 14C 6

+ p(1H1) 质子

大气氮

热中子

放射性碳

质子中子

质子中子

氮

碳

(3)14C的衰变14C是一种放射性同位素，一旦形成，便发生衰变：

14N + 1n 7 0 14C 6 14N + 7

14C 6

+ p( 14C6产生) 114C 衰变)2 6

e - + +Q(

电子 反中微子

最大衰变能量

14C通过第一式不断产生，通过第二式不断衰变。

思考：A. 在14C6产生和衰变的最初一段时间， 14C6产生与衰变的速度 (单位时间内衰变的14C6原子数)如何？ B. 经过一段时间后， 14C6产生与衰变的速度又如何？ C. 当14C6产生的速度与衰变速度相等时，大气中14C6的浓度如何 ？

有一个流浪汉，每天得到100元救济款，但此君每天都花 掉所拥有钱数的1/2,在救济开始的第一天之前，此君手 中的钱数是0,濒于饿死。第1天 得到100元 存款100元第2天 得到100元 存款150元 第3天 得到100元 存款175元

花掉50元花掉75元 花掉87.5元

剩余50元剩余75元 剩余87.5元

第4天 得到100元 存款187.5元 第5天 得到100元 存款193.75元第6天 得到100元 存款196.875元 第7天 得到100元 存款198.4375元

花掉93.75元 花掉96.875元花掉98.4375元 花掉99.21875元

剩余93.75元 剩余96.875元剩余98.4375元 剩余99.21875元 剩余99.609375元 剩余99.8046875元 剩余99.90234375元

第8天 得到100元 存款199.21875元 花掉99.609375元 第9天 得到100元 存款199.609375元 花掉99.8046875元 第10天 得到100 存款199.8046875 花掉99.90234375元∞

1 50+50/2+50/4+50/8+· 上述问题是一个等比级数问题，Money=50∑ —— · · +50/2n-1+· · · n=1 2n-1 1 最后，此君手中有100元，每天得到100元，花掉100元 等比级数的前n项和Sn=2-—— 2n-1

当大气中14C6产生的速度与衰变速度相等(动态平 衡)时，大气中14C6的浓度是一定值。

(4)碳 循 环14 C 在高空形成以后，很快被氧化成 14 CO ,并均匀分布 6 2

在大气圈中(注意，大气中氧很丰富，约占20.95%)。植物 光合作用 吸收CO2 放出O2 食草动物14C 食肉动物14C14C

吃 饭喝 水 吃水果14C

大气中的另外一部分14C随CO2溶于水，其中一部分形成含 有 1 4 C 的 碳 酸 岩 ( 例 如 Ca14CO3) 或 重 碳 酸 岩 (

Ca(H14CO3)2),另一部分被海洋生物吸收。

14C

陆地上的生物死亡以后，或水中的物质沉积以后， 都释放出CO2进入大气(注意，其中一部分为14CO2 )。这样，随着大气圈、水圈、生物圈中的碳交换 ，最终使“三圈”中的14C浓度保持着平

衡。

14C

14C

(5)14C的自然衰变当生物死亡或碳酸岩沉积之后，如果被迅速埋藏，那 么，生物体内或碳酸岩内部的14C与外界的交换便停 止下来。其内部的14C浓度随时间按指数规律减少： I=Ioe- λ TI——经过时间T后的14C浓度 Io——14C的初始浓度(生物死亡时的浓度), 规定为100% T——时间(年) e,λ——常数 注意：上述衰变过程不受任何外界环境的影响！随着时间的增

长， 14C的浓度越来越小。

100

50

I=Ioe- λ T

0

10000 5730 5568

20000 时 间/ a B . P .

30000

40000

放射性碳衰变曲线

14C衰变公式

:

I=Ioe- λ T

(1)

将(1)式两边同乘以e λ T ,并同除以I,得到： Io I 等式两边取以10为底的对数： λTlge= lg Io I Io 1 lg I (2) 所以， T= λlge 常数

e λ T=

已知14C的半衰期为5568 30年，从而得出常数项为：

1 λ lge

= 18.5 103(年)

因此有：T=lg Io 18.5 103(年) I

(3)

上式中初始值Io为已知，一般取现今大气中14C的浓度。只要测

得样品中的14C浓度I ,根据(3)式就可以确定样品的年龄。由(3)式可以看出，经过10个半衰期以后(即T= 55680年) I Io 14C浓度减小到原来1/1000。 lg Io =3, =1000, 即样品中的 I

这时现有的仪器几乎测量不出来，所以，14 C方法可以测定的最 老年龄为5万年。最近，利用加速器加速14C,可以测定6~7万年的老样品。

2.14C测年的假设条件 假定在可测定年龄的时间内(即7万年以 来),大气圈中的14CO2浓度为一常数(即 等于现在大气层中的14C浓度)。 假定生物死亡或碳酸岩沉积之后，保存于 封闭环境，不与外界发生14C交换。思考——如果有交换，结果如何?

在现在生活的树木中，12C

∶ 13C ∶ 14C=98.9 ∶1.1 ∶1.07×10-10,这个 比值称为碳活动性常数。 工业废气及汽车尾气中的 CO2, 化石燃料和碳 水化合物燃烧排放的CO2,会稀释大气中14C的 浓度。尤其 1850~1954 年的工业革命，化石燃 料的燃烧使12C浓度大大增加。 近代核武器爆炸会增加大气中14C的浓度。1963 年大量核武器爆炸，使14C ∶ C增加了90%。 地球磁场强度变化，太阳黑子活动，可以改变 宇宙射线流，进而改变大气中14C的浓度。

3.测定对象 木头及木炭 泥炭 淤泥 骨头、骨化石 25~60g 200~500g,一般取1000g 500~1000g 1000g

贝壳、珊瑚等石灰华 钟乳石

200~300g

无机碳酸盐沉积 500g苏 达 钙结石 天然碱

古石灰

1000g

象牙

50g

测定对象 土壤和古土壤 陨石标本 种子 谷粒 硬果壳 草 布 兽皮 古铁器 细枝 纸 500~1000g 200g 100g

25g1000g

毛发编织物 其它 空 气 冰

100g

海 水 地下水土壤水 雪