TCN技术在冰川地貌年代测定方面的不确定性
【类型】期刊
【作者】邢春雷（辽宁师范大学城市与环境学院）
【作者单位】辽宁师范大学城市与环境学院
【刊名】牡丹江师范学院学报(自然科学版)
【关键词】 TCN技术；冰川地貌；年代测定
【ISSN号】1003-6180
【页码】P33-34
【年份】2019
【期号】第2期
【摘要】对TCN技术在冰川地貌年代测定方面的应用以及对测年结果的影响进行阐述,在不考虑核素本身物理特性及测量和样品制备误差的情况下,对该方法在冰川地貌年代测定方面的局限性进行说明.
【全文】 文献传递
TCN技术在冰川地貌年代测定方面的不确定性
摘 要：对TCN技术在冰川地貌年代测定方面的应用以及对测年结果的影响进行阐述，在不考虑核素本身物理特性及测量和样品制备误差的情况下，对该方法在冰川地貌年代测定方面的局限性进行说明.
关键词：TCN技术；冰川地貌；年代测定
宇宙成因核素法得到了国内外大多数学者的认可，并在许多领域广泛应用，尤其在冰川地貌年代测定方面有很大的优势，可以直接对暴露表面直接进行定年，但此方法仍然有不确定性和局限性.[1-2]宇宙成因核素法(简称TCN技术)在冰川地貌学、冰川年代学、构造地貌学、第四纪地质年代学、地球科学等地学领域中广泛应用，是地表研究过程的重要手段.测年问题依然存在许多不足之处，或是测年范围小，或是所需样品较难采集，或是制备过程容易产生误差等，种种因素限制了年代测定的准确性.
1 TCN技术在冰川地貌年代测定中的应用
1912年奥地利物理学家Victor Hess发现了宇宙射线的存在，在这之后的许多年中，宇宙射线主要用于基础粒子物理的研究.由于当时测量技术的限制，这项技术没有得到较好的发展.随着加速质谱仪的问世和分析手段的改善，宇宙成因核素的测量精度和灵敏度得到了实质性改善.宇宙成因核素是宇宙射线与大气圈或岩石圈物质作用，发生反应所形成的一系列稳定或放射性元素，其中与岩石圈物质作用产生的为原地宇宙成因核素，来自外层宇宙空间的高能量宇宙射线粒子(包括原生粒子和次生粒子)通过轰击地表及其附近岩石中的矿物的原子核,使其发生核反应从而产生放射性核素.[3]初始的宇宙射线粒子主要为质子(p)、氦核(a)和一些较高原子序数的重核,如碳(e)、氮(N)、氧(o)、硅(si)、铁(Fe)等.中子(n)、光子(γ)和正、负u-介子(u±，mu-meson)则是初始宇宙射线粒子与大气物质相互作用产生的次生宇宙射线粒子.原地宇宙成因核素是宇宙射线与地表物质的一小部分相互作用的产物(以大气中中子诱发的散裂反应为主).与岩石发生反应的绝大多数是宇宙射线在穿透大气层过程中产生的次生粒子.[4]
埋藏在地面以下的岩石，由于受到屏蔽，核素积累量几乎为零，当它们受到某种外力作用突然暴露后，就会受到宇宙射线粒子的轰击(主要是次生粒子)，引起一系列核反应并产生新的稳定性的放射性核素.新产生的核素积累量随着暴露时间的增加而增加，通过加速器质谱测定得到核素的浓度，根据核素生成速率确定最小暴露时间.
1.1 TCN技术在冰川地貌年代测定中的应用
冰碛物年代数据不足或冰川沉积物测年方法落后，阻碍了第四纪冰川研究的发展.年代测定的手段主要有14C测年法、电子自旋共振(ESR)、热释光(TL)、光释光测年法(OSL)、宇宙成因核素法(TCN)、裂变径迹法(包括磷石灰裂变径迹及锆石裂变径迹)等，这些技术测定的年代都是冰碛物的沉积年代(埋藏年代).TCN技术很好的解决了这个问题，其方法是测定样品表面的最小暴露年代(即冰川消融退去的时间).TCN技术还可以用于测定古冰川地貌的形成时间，也是研究冰川槽谷侵蚀模式的一种有效手段，能够在很大程度上增加人们对冰川槽谷的侵蚀模式和过程的理解.目前宇宙成因核素技术解决的问题包括地表岩石暴露年龄和侵蚀速率、沉积物埋藏年龄和搬运过程测定、河流下切速率的研究、古人类学、河湖演化历史、火山地貌、撞击抗、崩塌物的暴露年代、重建太阳活动和地磁场强度的变化历史、气候变化方面的潜在应用等.
1.2 最小暴露年代测定
TCN技术在川地貌年代测定方面广泛应用.冰川发育是在气候和构造因素共同影响下发育的，中国的第四纪冰川是气候和构造相互耦合作用的结果.[5]在一定的雪线高度上发育冰川后，冰期和间冰期的出现使冰川的规模变大或减小，伴随着冰川的移动，形成了冰川侵蚀地貌及冰川堆积地貌.Lal最先建立起了核素浓度与暴露时间和侵蚀速率的模型，随着模型的进一步发展，在满足样品初始浓度为0，且不考虑侵蚀和隆升的影响的条件下，确定了最小暴露年代的表达式：
式中，t为地表岩石的暴露时间(a)，N为样品的宇宙成因核素浓度(atoms/g)，P为宇宙成因核素的产生率[atoms/g·a]，λ为放射性宇宙核素的衰变系数.[6]
2 地质、地貌条件对测年结果的影响
冰川测定选择的样品有漂砾、基岩面、羊背石、小砾石、冰碛表面碎屑沉积物.不同的样品会对测年结果造成不同的影响.基岩面及羊背石存在核素的继承性问题，导致地貌体真实年代被高估；漂砾和小砾石，由于气候或者构造等因素造成的侵蚀作用、遮蔽及复杂埋藏暴露历史，可能造成TCN技术测得的漂砾样品的年代数据结果偏年轻；冰碛表面碎屑沉积物，可能由于冰碛表面漂砾样品的不等时暴露和侵蚀搬运过程使年轻的漂砾分布在老冰碛垄表面，及剥蚀过程导致表面漂砾年代数据分散的原因，使年代被低估或者部分漂砾先前暴露产生继承性核素，导致冰碛垄的真实年代被高估.必须注意的是，岩石侵蚀速率是影响测年结果的一个十分重要因素，国内有学者研究了不同侵蚀速率对不同暴露尺度样品暴露年代结果的影响[7]，地貌体暴露后受到侵蚀影响使得岩石表面核素浓度降低，导致样品暴露年代被低估，且样品越老所受影响越大，暴露年代被低估的程度就越大.如果知道了岩石的侵蚀速率，测年结果将能够得到很大程度上的较正.另外，冰川地貌的复杂性及核素产生机制、生成速率计算模型、降雪或碎屑物质的覆盖﹑后期侵蚀影响及样品的处理与测试等因素都会给测年结果带来误差.例如10Be在大气中的生成速率是在地球岩石中生成速率的103倍，在样品制备过程中要考虑是否受到大气污染.[8]仪器测试方面的误差和较高的测试成本是限制宇宙成因核素技术精确测试的重要因素.应用TCN暴露年代技术测定冰川地貌的年代受冰川地貌形成后的后期剥蚀过程影响，反应了单一测年方法的局限性.
3 总结
TCN技术测年的理论模型是假设所有的核素都是在暴露时期产生的，而积累量是暴露时间与生成速率的函数.但在实际应用中，这种假设过于理想，没有考虑到侵蚀、遮蔽、埋藏﹑核素继承等因素的影响.通过严格的采样程序、更好的化学预处理与分析方法，对TCN生成物理过程更好地理解，能极大地改善TCN技术的可靠性.在不考虑核素本身物理特性及测量和样品制备误差的情况下，以地质、地貌条件分析为主，对宇宙成因核素法在冰川地貌年代测定方面存在的不准确性进行详细说明，列举出使测年结果偏大或者偏小的真实原因.合理评价该技术手段，可以在使用该方法的过程中，结合其他测年方法对样品进行多次测定，使误差最小化.
参考文献
[1] 李英奎, Jon Harbor,刘耕年,等. 宇宙核素地学研究的应用现状与存在问题[J].水土保持研究，2005(8):146-152.
[2] 王建、徐孝彬.地面测年技术-宇生同位索测年[J].地球科学进展，2000(2):237-240.
[3] 顾兆炎，刘东生. 10Be和26Al在地表形成和演化研究中的应用[J].第四纪研究，1997(8):211-221.
[4] 〗刘锐. 宇宙成因核素10Be、26Al:原理及其地学应用[J]. 海洋地质动态，2008(12):11-14.
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[6] 张志刚，王建，白世彪，等.地表岩石侵蚀速率对宇生核素暴露测年影响的研究[J].地理科学 ,2014(10):116-121.
[7] D. Lal, Cosmic ray labeling of erosion surfaces: in situ production rates and erosion models[J]. Earth Planet. Science,1991，104:424-439.
[8] Kohl C P,Nishiizumi K.Chemical isolation of quartz for measurement of in situ-produced cosmogenic nuclides[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,1992，56:3583-3587.
编辑：琳莉
收稿日期：2015-11-30
[中图分类号]X144
[文献标志码]A
[文章编号]1003-6180(2016)02-0033-02