第四纪年代课件

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1、地貌学及第四纪地质学,第十一章 第四纪年代学,测定地质年代的具体方法很多，可以分为两类，一是相对地质年代；二是绝对地质年代，又称同位素地质年代。 相对地质年代是通过除了用同位素方法以外的各种手段，人为地按照一定标准尺度建立起来的不同地层的先后序列。 它只能说明年代的新老序列而不能确切地指出这些地层形成或地质事件发生的具体时间。 在地质年代表上则以代、纪、世表示。 决定相对年代的方法很多，主要有下列三种,叠覆律(Law of superposition) 斯台诺(Nicolaus Steno)1669年 在任何沉积地层（包括喷出岩）的层序中，当其没有被后期的运动所逆掩或倒转时，最年轻的地层应位于

2、层序的顶部，而最老的地层位于层序的基底。 较老的地层之上连续覆盖着逐渐年轻的地层。,生物群层序律 (Law of faunal succession) 又称化石层序律。 有机物的化石（包括动物群和植物群）在地层中，彼此有一定的相互联系的可以辨别的演化顺序。 每一个地层建造都有其特殊的总的生物面貌，它既不同于上覆地层，也不同于下伏地层。 所以，岩石的年龄可以根据其所含化石的面貌（即生物群）加以鉴定。,生物群组合律(Law of faunal assemblages) 相同的有机物（动物群或植物群）化石组合表示保存它们的岩石的地质时代相同。,同位素地质年代 是通过不同的物理和化学方除将地层中某一种

3、天然放射性同位素提取出来并根据其放射性随时间作指数的衰变规律，或由于其衰变时所放出的射线对周围物质作用所产生的效应来测量地质年龄的方法。 它是以平均太阳日年为单位所表示的某一地质事件的具体时间。 它有具体的和定量的时标概念。 所测年龄数值即表示岩矿或地质历史事件发生，延续及消亡等各个时期的年龄数值。,测量方法 1根据放射性同位素衰变规律来测定年龄的方法 通过测量样品中某种同位素含量与其衰变后的最终产物(稳定同位素)含量比来测定年龄的方法。如铀-铅法、钾氩法、铷-锶法等。所测量的年龄比较老。 通过测量某种同位素在衰变系列的某一中间过程与母体同位素的含量比来计算年龄的方法。如14C测年法等。它适用

4、于测定较年轻的样品。 2根据射线对周围物质的辐照作用所产生的次级效应来测定年龄的方法，如裂变径迹法、热释光法等。,应用放射性同位素测定地质年龄时，必须具备如下条件： 用来测定年龄的放射性同位素，必须能测出其准确的半衰期(T1/2)或衰变常数( )及相对丰度； 被测样品在地质历史进程里，其放射性同位素必须保持在封闭的化学体系中，不能因后期的地质作用而使其母体或子体同位素发生增加和丢失； 对于样品中所含放射性同位素，必须有一准确而切实可行的制样和测量方法。,第四纪年代学的主要任务 建立地层年表 建立各种地质事件的时间序列 建立、改进和完善各种年龄测定技术,相对年龄测定法与绝对年龄测定法的比较,相对

5、年龄测定法 易确定相对新老关系 定年不精确 非同一剖面的沉积物难以确定相对新老关系 只能进行小范围地层对比,绝对年龄测定法 年龄差别越小越困难 定年相对精确 非同一剖面的沉积物（同期异相沉积物）定年不受限制 可以进行全球性地层对比,一、放射性碳（ 14C）测年法,14C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，获得了1960年的诺贝尔化学奖。 14C方法是第四纪年龄测定的主要方法之一，测年精度很高。,（一）测年原理,碳在自然界有3种同位素： 12C（98.8%) 13C（1.108%） 14C（1.210-10 %）放射性同位素，主

6、要产生 于高空大气层。 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. 热中子和大气中的氮原子碰撞，使氮原子转变为14C原子。,稳定同位素,新生的14C遇氧即被氧化成二氧化碳(14CO2 )，这种含有14C的CO2与原有的CO2相混合，使大气中的CO2含有14C的放射性。 大气二氧化碳通过自然界碳的循环而扩散到整个生物圈、水圈的一切与大气CO2发生交换关系的含碳物质中，使这些含碳物质都具有14C的放射性。 这些物质中14C的含量一方面从大气中不断地获得新补充，另一方面因14C是放射性元素而按照放射性衰变规律又不断地在减少。,补充和衰减的结果使14C含量在所有含

7、碳物质中保持动态平衡，即放射性同位素14C在碳元素中所占比例几乎保持恒定值。 如果某种含碳物质，一旦停止了与大气的交换关系(像生物死亡、碳酸盐的沉淀埋藏等)，则该物质中的14C不能从大气中获得新补充，而原来含有的14C却仍按照衰变规律而不断减少，每经过一个半衰期，则减少为原有量的一半。 根据放射性衰变定律，含碳样品的放射性比度也按指数规律减少(I=Ioe- T)。,因此只要测量出样品14C比度，就可按公式计算出该样品与大气停止交换的年代。即样品的地质年代。（动植物死亡、沉积物沉积的年代）。,14C的测年范围57万年,只能应用于晚更新世以来的地质事件的测年。,14C的自然衰变 当生物死亡或碳酸岩

8、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- T I经过时间T后的14C浓度 Io14C的初始浓度（生物死亡时的浓度）， 规定为100% T时间（年） e， 常数 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。,（二）14C测年的假设条件,几万年来大气的14C放射性是稳定不变的，被测样品曾经与大气进行过充分的碳交换，并巳达动态平衡。 样品碳于某时停止了与大气的交换后，从此就处于封闭环境中，并且原有的碳原子能很好地被保存下来。 需要有一个被精确测定14C的半衰期值。 14C

9、的半衰期为5730 40年,（三）样品采集,要取得准确可靠的14C年龄数据，除了对14C实验室在样品制备和测量全过程严格要求外，采样也是一个关键性的重要问题。 可供采集的14C测年样品 凡是与大气C02进行过交换或处于交换状态的含碳物质，都可作为14C年龄测定的样品加以采集。,样品种类 大气圈 空气 水 圈 海水、地下水及冰雪等固态水。 生物圈 植物：所有植物的根、茎、叶、花、果、种子，其中木头、木炭中含炭量最高，又不易与周围物质发生碳原子的交换，是最好的14C测年标本。 动物：脊椎动物的骨头、牙齿、蹄爪、鳞角、皮毛等。,岩石圈： 生物碳酸盐类：软体动物的外壳、骨骼及由它们共同组成的沉积物。

10、如贝壳、牡蛎壳、蚌壳、珊瑚、有孔虫及海滩岩、珊瑚砂、硅藻土等。 无机碳酸盐类：如白云石、文石、方解石、石灰华、钙质胶结物、钙结核、淤泥粘土及古土壤等。 其他 如古陶瓷、砖瓦、灰烬层、古石灰、古铁器等。,样品的数量,木头及木炭 2560g 采样时要确定样品在地层中的产状，特别要注意它是否属于原生或经过搬运再沉积而成。 如采集的是大树则须注意样品取自该树的部位，因为植物生长决定了它的边材和心材的年龄不同。中心部位(心材)的样品，年龄偏于树木的初始生长年龄，而靠近树皮的外缘部位边材)所测年龄为砍伐或死亡年龄。,泥炭 200500g，一般取1000g 泥炭的堆积速度效慢，如遇到厚层泥炭时，除按顶、底板

11、采样外，层间应视地层发育情况再分层加密采集。,淤泥 、粘土 5001000g 淤泥的空隙度大，含水量高，如埋藏条件不利时，容易受到污染。 淤泥的沉积速度很慢，尤其是海相淤泥有时每千年才能沉积下几毫米。因此采样时应仔细地分层采集。,生物碳酸盐类样品(贝壳、珊瑚等) 200300g 无机碳酸盐沉积 500g (石灰华、 钟乳石、 钙结石等） 石笋、石钟乳、石柱等是逐渐形成的，和树木年轮一样，具有同心圆结构，其年龄由中心向外缘渐变。在做14C年龄测定时，可按同心圆逐层剥离、分层测定。,测定对象,土壤和古土壤 5001000g 陨石标本 200g,种子 100g,古铁器 1000g 毛发编织物 100

12、g,其它 空 气 海 水 地下水 土壤水 冰 雪,采样方法,挖开浮土，采集新鲜（未被污染）样品。 如从同一剖面的不同层位采集多个年龄样，应从下向上逐个采集。 注意不要采集已受污染的样品，采集后马上用塑料袋密封。防止与含碳的物质（如纸、棉纱织物等）接触。 若样品潮湿，且短期内又不能送实验室测定，必须就地晾（晒、烘）干，以防发霉。,（四）14C年龄测定方法的应用领域,在第四纪地质和地层年代学方面的应用 在海洋研究中的应用 海相沉积、海面升降、海陆变迁及沉积速度、沉积过程、沉积环境等方面的研究。 在考古学及古人类古脊椎动物学研究方面的应用 在古气候和古环境方面的应用 在古水文、水文地质方面的应用 通

13、过对洪泛层的14C年龄测量，并结合地质、地貌、地层等方法来测算历史时期的洪水频率、洪峰水位及水量等取得可喜进展。,对地下水进行14C年龄测定，可以得出地下水的年龄、地下水含水层的水力学联系、地下水的补给与储存等情况。 另外根据14C年龄和补给区的距离作图，可以求得地下水的流速。,二、古地磁测年法,（一）测年原理 地球具有磁场。地磁场可以看作一个地心轴向偶极子磁场。 在地质历史中，地磁场的方向和强度是不断变化的。 地磁场变化的周期有长有短。 极性世 持续时间约106年，分为,正极性世（normal polarity epoch） 与现在地磁极性相同的时期。 负极性世（reversed polar

14、ity epoch）与现在的地磁极性相反的时期。 次一级的极性变化称为极性事件 （event）持续时间约104105年。 这些变化以热剩磁、沉积剩磁和化学剩磁的形式在地层和沉积物中记录下来。,沉积剩磁,在含砂量高于60%的渗透性沉积物中，小磁性颗粒可以在充满水的孔隙中随地磁场变化自由移动，直到固结和脱水作用以后，这些小颗粒的移动才受到限制，最终沿古磁场方向排列。,化学剩磁,化学反应,磁性矿物,古地磁场,火山喷发与热剩磁,岩浆的居里点500650oC,在连续的剖面上（也可多个连续剖面相“连接”），密集采样，经古地磁测定和绝对年龄测定，得到一张古地磁表。,标准地磁极性年表：运用古地磁数据建立极性倒

15、转的相对顺 序，再运用定年手段（例如K- Ar，Ar-Ar法）测定倒转界限 的年代，继而建立全球统一的 标准地磁极性年表。,450万年以来的古地磁年表,应用古地磁方法时，在连续的剖面上系统采样，在实验室中测定“剩磁”的方向和大小，借助于KAr等测年方法，确定某个（些）极性带或极性事件的年龄，就可以确定样品的年龄。,样品年龄的确定,测定对象,火山熔岩和火山灰 静水环境沉积的细颗粒物质（红色粘土，亚粘土，粉砂，细砂等） 黄土 古土壤（由于胶体铁矿物的迁移和聚集，常获得化学剩磁）,采样方法： 打定向标本：对所采标本必须测量产状要素，并将其上、下，南、北，东、西方位标在样品上。每块样品的体积为222cm，如是用采样器采集的圆柱体，则2r=2.54cm。 如为钻孔岩心时，则要记清楚上下层位，样品的上、下方向不能倒置，应先标清楚方向，后再搬动。,