碳14測年

碳14測年

測量樣品年代的方法
碳14測年(Carbon-14 dating),又稱“碳—14年代測定法”或“放射性碳定年法(Radiocarbon dating)”,是根據碳14的衰變程度來計算出樣品的大概年代的一種測量方法,這一原理通常用來測定古生物化石的年代。[2]1940年代,碳14測年法由時任美國芝加哥大學教授威拉得·利比(Willard Frank Libby)發明,威拉得·利比因此獲得1960年諾貝爾化學獎。[1]
  • 中文名:碳14測年
  • 外文名:Radiocarbon dating
  • 定義:
  • 也稱為:放射性碳測年
  • 穩定同位素:碳12和碳13

碳測年的數據校正

放射性碳定年的第一個校準曲線建立在一個連續樹木年輪序列的基礎上。該序列可追溯到8000年前。Wesley Ferguson于20世紀60年代制定它,并在Hans Suess的資助下,公布首個有用的校正曲線。Suess的曲線以狐尾松的數據為基礎,采用年輪作為其日曆軸。

自Suess的曲線公布後,有很多校正曲線相繼誕生,但它們帶來的問題比解決的問題更多。在以後的幾年,加速器質譜儀的使用和高精度碳定年的引進也催生了校正曲線。北愛爾蘭貝爾法斯特的一家實驗室發表的高精度放射性碳校正曲線采用以愛爾蘭橡樹為基準的年輪數據。

如今,國際商定的可回溯至公元前2500年的校正曲線由Gordon Pearson 和 Minze Stuiver制定。1950年之後的校正曲線國際上沒有統一确定,但是可以提供大量關于大氣放射性碳含量的數據。

标準的碳14校正曲線的X軸(曆年)為日曆或樹輪時間表,y軸為放射性碳年齡。

校正根據

樹木年輪學是基于樹木成長時樹木的年輪也在增加這一現象,故名樹木年輪測定。 樹木年輪學家通過分析和比較樹木和年老的木頭的年輪樣式測定過去的環境中的事件和變化。他們可以判斷各樹木年輪形成的準确曆年。

樹木年輪測定結果在放射性碳定年的初期起到了重要作用。樹木年輪提供了檢查碳14定年方法的準确性所需要的年齡已知的材料。在20世紀50年代後期,幾位科學家(特别是荷蘭人Hessel de Vries)能夠根據樹輪的碳定年收集的結果确認放射性碳年齡和日曆年齡之間的差異。樹輪根據樹木年輪學測定。

目前,樹輪仍用于校正放射性碳定年結果。不同日曆年齡的樹木年輪庫現在可以提供持續至過去1.1萬年的記錄。通常被用作參考的樹有美國的狐尾松(松屬細葉)以及愛爾蘭和德國的澇栎(栎屬)。放射性碳定年實驗室一直使用其他樹木物種的數據。

原則上,通過比較某含碳樣品的放射性碳含量和一個已知日曆年齡的年輪的放射性碳含量,就可以很容易确定樣品的年齡。如果樣品的放射性碳含量和樹輪的一樣,則可以有把握地得出它們的年齡相同的結論。

在實踐中,由于許多因素,樹輪校正沒有那麼簡單。其中最重要的是,對樹木年輪和樣品進行的測量結果的精确度有限,因此得到的是一個估計的曆年範圍。

事實上,校正結果往往給出的是年齡範圍,而不是一個絕對值。年齡範圍采用截斷方法或概率方法計算,兩種方法都需要校正曲線。

校正曲線

放射性碳定年的第一個校準曲線建立在一個連續樹木年輪序列的基礎上。該序列可追溯到8000年前。Wesley Ferguson于20世紀60年代制定它,并在Hans Suess的資助下,公布首個有用的校正曲線。Suess的曲線以狐尾松的數據為基礎,采用年輪作為其日曆軸。

自Suess的曲線公布後,有很多校正曲線相繼誕生,但它們帶來的問題比解決的問題更多。在以後的幾年,加速器質譜儀的使用和高精度碳定年的引進也催生了校正曲線。北愛爾蘭貝爾法斯特的一家實驗室發表的高精度放射性碳校正曲線采用以愛爾蘭橡樹為基準的年輪數據。

如今,國際商定的可回溯至公元前2500年的校正曲線由Gordon Pearson 和 Minze Stuiver制定。1950年之後的校正曲線國際上沒有統一确定,但是可以提供大量關于大氣放射性碳含量的數據。

标準的碳14校正曲線的X軸(曆年)為日曆或樹輪時間表,y軸為放射性碳年齡。

校正參數

通過 精确分析數百個采自迄今大約10000年的橡樹、紅杉和冷杉的已知年齡樹輪的樣品獲取用于校正的參數。迄今大約20000年的年齡更老的樣品的參數以及所有海洋樣品的參數已根據其他的證據推斷出。

目前,對于迄今大約10000年的樣品可以提供準确的校正。對于迄今10000年至20000年的樣品,可以提供近似校正但以未來的變化為準。

這些年輪校正所選用的程序使用樹輪數據樣條作為校正曲線,去除實際數據點的大部分數據發散,并使用實測的相關曲線給出樣品曆年的更“真實”的近似值。樣條校正通過與實測的數據點最接近的量化函數參數對平均曲線作出調整。

測量适用範圍及注意點

曆史學、人類學和考古學是三個截然不同但密切相關的知識體系,它們借助過去告訴人類現在。曆史學家可以知道不同地區有哪些文化曾經興盛,以及它們衰落的時間。人類學家可以描述人的生理特征、文化、環境和社會關系。考古學家則證明文物的存在或揭開曆史或人類學的發現。

沒有其他任何科學能像考古學那樣,毋庸置疑地豐富了人類的曆史。考古學已設法解開了人類很大一部分未留下記錄的曆史之謎。

和生物科學不一樣,研究以前人類生活和活動殘留的材料對普通人來說可能并不重要或令人興奮。但是,考古學旨在了解人類,它是一項超越發掘寶藏、收集信息和測定年齡的崇高的事業。正是了解了昔日文化不再存在的原因後,人類才明白了确保曆史不會重演的關鍵所在。

多年來,如果不是憑借放射性碳定年、樹輪年代學、古地磁斷代、氟化物定年、光釋光測年以及黑曜石水化分析等技術,考古學發現的曆史文化信息将永遠都不被人所知。放射性碳定年技術的應用已有50年了,它徹底改變了考古學。碳14定年迄今仍是一項強大可靠的、廣泛适用的技術,對于考古學家和其他科學家來說極其寶貴。

骨類樣品

任何可能影響骨頭的碳14含量的含碳物質都被認為是一種污染物。由于考慮到骨頭經常接觸不同種類的有機物質,因此,它可以說是提交給AMS實驗室進行放射性碳定年的污染最嚴重的樣品之一。

常見的污染物有腐殖酸和富裡酸,它們是存在于土壤中的由植物或動物組織的微生物降解産生的有機酸。根據文獻記載,其他可能污染骨質樣品的有機化合物有多酚、多糖、木質素和退化的膠原蛋白。根據挖掘位置的不同,骨骼也可以被石灰石污染。這些污染物被認為是自然的污染物,因為它們與骨骼的接觸是自然發生的,而非人為發生的。

人為污染物是人類在收集、保存或包裝骨質樣品的過程中産生的污染物。當采用動物膠給骨頭貼标簽時,污染物已經被帶入到樣品中。這是因為動物膠的化學成分和骨質樣品完全一樣。那麼該樣品的加速器質譜儀實驗室結果會不準确。

在骨頭被挖出後可能會污染骨質樣品的其他物質包括殺蟲劑、聚醋酸乙烯酯和聚乙二醇(保護化學品)、煙灰,以及紙做的标簽或者包裝。

貝殼類的樣品

将貝類樣品提交給加速器質譜實驗室進行碳十四測年前需考慮的因素之一是有機體吸收碳時的當地環境。加速器質譜實驗室分析員必須知道貝殼類樣品可能接觸到的污染物種類。

任何接觸後可以改變貝殼類樣品的含有碳14的含碳物質都是污染物。這意味着,碳酸鈣、土壤腐殖物質以及土壤二氧化碳都是潛在的污染物。進行放射性碳測年的貝殼類樣品的最常見的污染物是那些由同位素交換和再結晶造成的污染物。

加速器質譜實驗室在進行碳14測年之前需進行預處理,以去除所有可能會導緻結果不準确的污染物。

有兩種和貝殼的放射性碳定年有關的源效應或碳庫效應:海洋效應和硬水效應。由于這些效應的存在,必須對貝殼的放射性碳定年結果進行年齡補償評估。

海洋效應是海洋地表水和深層水緩慢混合的結果。大氣層和生物圈之間通過二氧化碳的快速碳交換與大氣和海洋之間的碳交換并不完全一樣。

大氣和地表水之間實現二氧化碳的平衡相對較快。然而,地表水與深水的碳交換速度卻非常緩慢,以至于從地表水吸入的二氧化碳的碳14含量和從深水釋放出的二氧化碳的碳14含量可能處于放射性碳衰變的不同階段。研究表明,碳14在大氣中的停留時間為6年到10年不等,而碳14在海洋的停留時間則可能長達幾千年。

上升流是另外一種可以稀釋地表水的放射性碳含量的現象。在世界某些地區,特别是赤道地區,深水向上移動。這種現象通常由信風導緻,具有緯度依賴性。海岸線形狀、當地的氣候和風能,以及海洋底部的地形也是形成上升流的因素。深水的緩慢混合以及上湧意味着海洋的表層水的外觀放射性碳年齡與大氣相關。

淡水貝殼可能不會受到海洋效應的影響,但它們很容易受到硬水效應的影響,硬水效應是遠古碳酸鈣溶解産生的鈣離子現象。雖然硬水效應的大小與鈣離子的數量無直接關系,但是鈣離子的存在與碳14的枯竭正好一緻。硬水效應可以解釋放射性碳定年結果有幾百年差異的原因。

硬水效應也會影響沉積在像河口這樣含有豐富碳酸鹽的淡水區域的海洋貝殼。如果有機體一直生活在碳酸鹽豐富的地區(例如白垩地),則蝸牛殼等陸地貝殼也會受到硬水效應的影響。

加速器質譜實驗室的分析員必須了解可能影響任何特定貝殼類樣品的碳庫效應,這樣他們就可以知道需要的年齡補償。加速器質譜實驗室通過假設放射性碳含量一直沒有變化,以及通過測定在20世紀50年代和60年代的核武器試驗之前從同一地點收集到的同一種類的已知年齡的貝殼來量化海洋和硬水庫效應。

如果不考慮海洋碳庫效應,則無法對陸地和海洋樣品進行比較或關聯。全球不同海洋的校正因子,參見在線數據庫海洋碳庫校正數據庫。該數據庫獲得愛琴海史前史研究所的部分資助。由于海洋環流的複雜性,實際校正随位置的改變而變化。

該數據庫還用于諸如CALIB(Stuiver和Reimer,1993)或OxCal(Bronk Ramsey,1995年)等使用2004年海洋校準數據集的放射性碳校正計劃。還需值得注意的是,來自深度大于75米的樣品不包含在數據庫中,因為校正數據集中的海洋模式年齡隻對表面混合層有效。

木頭樣品

木頭或木炭樣品被掩埋時周圍的含碳材料,以及在其收集和保存過程中使用的含碳材料,可能已經改變了其碳14含量。任何給樣品增加碳含量的材料都被認為是污染物。

木頭和木炭的自然污染物是指在沉積後的環境中産生的污染物,例如土壤裡的腐殖酸和富裡酸。它們是由植物和動物組織的微生物降解産生的酸性物質。根的侵入也給木頭和木炭樣品帶來了近現代碳。此外,石灰石也是一種潛在的污染物,這要依發掘現場而定。

木頭和木炭樣品的人為污染物是人類采集和處理樣品時因疏忽或意識淡薄而産生的污染物。人為污染物包括煙灰、頭發和纖維、包裝材料紙、油、油脂,甚至膠水。

污染對進行加速器質譜放射性碳定年的木頭或木炭樣品的影響取決于污染物的類型、污染程度,以及樣品和污染物的相對年齡。

如果在進行加速器質譜放射性碳定年之前尚未去除石灰岩,則得到的結果會比木頭或木炭的實際年齡老得多,這是因為地質成因的石灰岩比任何史前樣品的年齡都要大得多。

腐植酸和黃腐酸可附加在木頭和木炭的表面,并在稱為吸附的過程中進行碳交換。它會讓樣品的放射性碳年齡變小或變老,而這取決于産生有機酸的生物體的年齡。木炭或木頭樣品上的根滲透也會導緻近現代碳的産生。

一般情況下,遠古污染物導緻木炭或木頭樣品比其實際年齡老得多,而近現代碳則讓任何樣品都比其實際年齡小得多。

為了得到準确的結果,加速器質譜實驗室在提交所有木頭和木炭樣品進行放射性碳定年之前都會對它們先執行預處理。

舊木問題

生物體的時間跨度是指其總生長時間以及與生物圈相互作用的時間。時間跨度會影響樣品的放射性碳年齡轉換為曆年的方式。木頭的時間跨度取決于進行放射性碳定年的樹木年輪的數目。但是,木炭碎片的時間跨度可能不可以量化。

放射性碳定年的主要假設之一是,該生物體的死亡時間也是其停止與生物圈進行碳交換的時間。如果不是像木頭的這種情況,則生物體的放射性碳年齡不從其死亡開始計算。

當對一塊木頭或木炭進行放射性碳定年時,測定的項目是樹木年輪的生長時間。樹木随着樹輪的添加而生長,一旦被砍伐,這些樹輪即停止與生物圈的碳交換。因此,一棵樹邊材的放射性碳年齡不會與最裡面的心材的放射性碳年齡相同,因為最裡面的心材比邊材年齡要大得多(一般為樹木的生活的年份)。

進行碳定年的任何木炭或木頭樣品會有一個表面年齡,這個年齡可能會導緻多達數百年的錯誤,除非挑選的是短壽命的樹種或樹枝進行放射性碳定年。

樣品的放射性碳年齡可以告訴我們生物體曾經存活的時間,而不是該生物體材料被使用的時間。在對史前古器物進行測量時,必須考慮“舊木”的問題,避免得出錯誤的結論。

推遲使用和重複使用也是導緻“舊木”問題産生的另外兩種可能。實際用于測量的木頭或者木炭可能之前已經經曆了很久的時間才用于燃燒或者使用。此外,質地堅硬的木材可能已保存多年并被重複使用。

這些沉積過程的影響可能不可以計量,但不應該忽視它們,因為碳14測年結果可能會比相應考古内容的真實年代更久遠。

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