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1、第三章 全球变化学 第二节 与全球变化相关的几个问题简述,二、过去全球变化研究中的几个时间段与定年方法,过去全球变化主要集中研究的时间段为：250万年、15万年、2万年、及2000年。其原因为： 过去250万年是北半球高纬度冰盖形成，并进入冰期与间冰期多次交替的时段，也是全球从末次间冰期、末次冰期到冰后期的时段；过去2万年是地球经历了末次盛冰期到冰后期的时段；过去2000年是包括了小冰期及其结束后人类进入工业发展的时代,自然环境演变过程中保存的黄土、湖积物、沙漠沉积、冰芯、海洋沉积、树木年轮、以及地层中的生物遗存和有关历史记录等，是过去气候和环境从季节到千年、万年时间分辨率不等的变化记录。 因
2、此，气候变迁时间序列的建立和替代性气候指标乃至气候要素值的复原，是古气候和古环境研究中基础性的关键环节。,放射性衰变和地质年龄测定原理及前提,不稳定原子核自发地放出各种射线的现象称为放射性，由、三种射线组成。是高速运动的42He核粒子流；是高速运动的电子流或正电子流；是波长很短的电磁波。能自发地放射出各种射线的同位素称为放射性同位素。放射性同位素放射出或射线而发生核转变的过程称为放射性衰变。衰变前的放射性同位素叫母体，衰变过程中产生的新同位素叫子体。,放射性衰变方式,在自然界不稳定核素的自发衰变方式主要有以下几种：(1)衰变 原子核自发地放射出粒子而转变为另一种核的过程为衰变，它是重核的特征，
3、只有质量数A140的原子核才有，特别是原子序数Z82和质量数209的放射性同位素，则以衰变 为主。AZXA-4Z-2Y+42He+Q22688Ra(镭)22286Rn(氡)+42He,(2)衰变 原子核自发地放射出粒子的过程称为衰变，粒子包括正电子和负电子。- AZXAZ+1Y+e_+Q 质量数不变，序数加1+ AZXAZ-1Y+e+Q 质量数不变，序数减1 式中，e_为负电子，e+为正电子，为反中微子，为中微子。,(3)电子捕获 原子核从核外电子层中捕获一个轨道电子的过程称为轨道电子捕获K层捕获。AZX+e_AZ-1Y+Q4019 K+e_4018Ar此外，还有衰变 和核裂变等方式,放射性衰
4、变定律,衰变反应与化学反应不同，具有其特殊性质： (1) 核内部反应； (2) 衰变自发持续进行，母核素按恒定比例衰减； (3)反应不受T、P和原子存在形式影响，母体和子体的数量只是时间的函数。 据此，可归纳出放射性衰变速率定律：,单位时间内衰变的原子数与现存放射性母体原子数成正比或衰变速率正比于现存母体原子数： （dN/dT）=N (1)=（dN/dT）（1/N） (2) 式中dN/dT为衰变速率，为衰变常数，为单位时间内发生衰变的原子数的比例数，单位为d-1、s-1等。,对（1）式从0到t积分：Ln（N/N0）=-tN=N0e-t （3） N0为t=0时衰变母体原子数。 设衰变产物原子数为
5、D*D*N0N D*N0(1-e-t)=N(et -1) （4）半衰期为放射性的母体衰减到初始值一半时所需用的时间，即当N1/2 N0时，Ln2/=0.693/,同位素计时原理及前提,当矿物或岩石在一次地质事件中形成时，放射性同位素以一定的形式进入到矿物内，以后不断衰减，随之放射成因的稳定子体逐渐增加，因此只要系统中母体和子体的原子数变化归因于放射性衰变，那么通过准确测定岩石、矿物中的母体和子体的含量，就可以根据放射性衰变定律计算出该岩石或矿物的地质年龄。这种年龄测定称作同位素计时或放射性计时，计时的基本原理就是依据天然放射性同位素的衰变规律，由此测定的地质事件或宇宙事件的年龄即为同位素年龄。
6、,同位素计时的前提： (1)需精确测定，并且衰变的最终产物是稳定的； (2)样品及其测得的N和D值能代表想要得到的年龄的那个体系； (3)已知母体元素的同位素种类和相应的同位素丰度，并且无论是在不同时代的地球物质中，还是在人工合成物中，甚至在天然样品中，这些同位素都有固定的丰度值； (4)体系形成时不存在稳定子体（中间子体也不存在），即D00，或者通过一定的方法能对样品中混入的非放射成因的稳定子体的初始含量D0作出准确地扣除、校正； (5)岩石或矿物对于母体和子体是封闭体系； (6)需用高精度、高灵敏度的测试技术和方法。,1 时间序列的确定方法,14C法 天然14C是在大气层上部，宇宙射线产生
7、的中子（n)与大气中的氮核（14N）发生核反应的产物，其反应式为：14Nn 14C1H 新产生的14C在大气层中很快被氧化变成14CO2，并与大气层中原有的CO2充分混合后扩散到整个大气层中。大气层中CO2通过与溶解于海水中的CO2的交换，以及通过植物的光合作用，动物对食物中碳的吸收等，使水圈与生物圈中都存在着宇宙辐射成因的14C。,氮是大气中比较丰富的元素，14C的产生速度主要取决于由宇宙射线产生的中子数量，即宇宙辐射的强度。假如在14C测年方法可测时段内宇宙辐射的强度保持不变，天然14C产生的速度将是固定的。分布于大气圈、水圈及生物圈中的14C通过自然界中碳的交换及循环作用不断地得到补充，
8、另一方面由于14C的衰变而有一部分衰变为14N。,这两个相反的作用同时存在使得14C在这三个碳储存库中的浓度达到平衡。一旦生物体死亡后，碳的交换循环作用就停止了。其肌体内保存的14C浓度将由于14C的衰变而随时间的推移逐步减少，因此，可以根据残留的14C浓度推算有机体死亡后所经历的时间。,物资中14C浓度通常采用放射性比度，即每克碳中每分钟内14C衰变次数来表示。现代碳的放射性比度为13.560.007dpm/g。测量样品的放射性强度通常采用放射性活度，即样品每分钟的衰变次数来表示。14C的衰变是严格地按照指数定律进行的，有机物死亡（t)年后残留的14C比度A(t)为： A（t)=A0e-t
9、式中:t-有机体死亡后经历的时间；A0有机体活着时的14C比度；14C的衰变常数， 其值为：Ln2/5730=1/8267年1，半衰期为573040年。,假定最近45万年内宇宙辐射强度不变，在这一时期内大气层中14C的产生速度也将相应地不变。并假定在三个碳储存库中，14C的浓度保持相对的动态平衡，A0值为常数，它可以通过对现在生长的树木的放射性比度测量求出，其计算公式为：t=-8033Ln(Asn/Aon) 式中：Asn样品残留的14C比度(dpm/g); Aon现代碳的14C比度(dpm/g)。,铀系不平衡法,铀系不平衡现象系指自然界存在三大放射性系列中(即238U,235U,232Th),
10、23892U 82206Pb8 42He+6-+Q 23592U 82207Pb7 42He+4-+Q 23290Th 82208Pb6 42He+4-+Q由于各个核素的化学性质不同,在各种地球化学过程的作用下(如化学风化、沉淀、吸附、岩浆形成)发生了同位素分馏,造成在天然物资中这些系列的某些子母体放射性比值不等于1。铀系不平衡法就是利用天然放射性系列中某些中间产物的放射性衰减或累积进行地质计时的一种方法。,在自然界放射性衰变系列中母体和子体分离有两种情况:1).系列中的某个同位素与它的母体分开,随后则以该同位素的半衰期所决定的速率发生衰变;2).系列中的某个同位素与它的子体分开,这个同位素作
11、为母体沉积下来后不断衰变并造成其子体的累积,直至再次建立放射性平衡为止。这两种情况均能使放射性平衡遭到破坏,出现子体同位素的过剩或不足,铀系法正是利用这种子体的过剩或不足来测年的。,第一种情况下,分离出的同位素是无补偿的,即相对于母体是过剩的,该子体与其母体的放射性活度比值大于1;依据无补偿子体的衰减来进行年龄测定的方法称作子体过剩方法。第二种情况中,子体是有补偿的,它相对于母体是不足的,该子体与母体的放射性活度比值小于1;依据子体产物不断累积来进行测年的方法称作子体不足方法。,210Pb法,210Pb法(T1/2=22.3a)常用于测定湖泊,河口,近海沉积速率和冰川、雪的沉积年代,其测年上限
12、为100多年。210Pb由氡气(222Rn)衰变产生。地表释放出的222Rn进入大气,大部分停留在对流层并衰变为210Pb,210Pb在对流层停留几天或一个月,然后沉降到地表。,A. 设过量的210Pbex初始浓度为常数,沉积物的沉降速率也为常数,则Ln(210Pbex)x=Ln(210Pbex)0-(210/s)X 或Ln(210Pbex) x =Ln(210Pbex)0-(210/sm)M 式中S和Sm为用不同单位表示的沉降速率,X为深度,M为质量深度(g/cm2)。,B. 假如输入到沉积物中210Pbex的通量为常数则有:式中(210Pbex)x 为从表层到深度x的过量210Pb的总放射
13、性(dpm/cm2),tx为深度为x的样品的年龄,F为通量(dpm/cm2)a-1,F可从大于100年的岩芯深度处的210Pbex求得。 当沉降速率为常数时,两种方法计算的结果是一样的。,热释光(TL)法,热释光的定义热释光是结晶固体受热之后,以光子的形式释放其储存在固体晶格中能量的一种特征表现。结晶固体在其形成和在自然界存在的过程中,接受了来自周围环境和宇宙中的放射性核辐射,固体晶格受到辐射影响和损伤后,以内部电子的转移来储存核辐射带给晶体的能量,这种能量遇到外来热刺激(或光照),又能通过储能电子的复原运动而以光子的方式再度把能量释放出来,这就是热释光。,热释光测年的基本原理,热释光是结晶矿
14、物接受了核辐射而产生的。自然界的沉积物中,均含有微量的长寿命的放射性元素-铀、钍和钾,它们在衰变过程中释放的、和射线,可使晶体发生电离,产生游离电子。这些游离电子大部分很快复原,有部分就被较高能态的晶体缺陷捕获而贮存在结晶中。当晶体受到热刺激时,被俘获的电子就可获得能量,逸出陷阱,产生热释光。,释放的光子数与陷阱中储能电子数成正比,储能电子数与晶体接受的核辐射剂量成正比,即晶体的热释光强度与接受的核辐射总剂量成正比。在一定时距内,就半衰期很长的铀、钍和钾而言,其放射性强度几乎为恒量，每年提供给结晶固体的核辐射剂量也应为恒定值。因此，可认为晶体的热释光强度与储能电子累积的时间成正比。,可用于热释
15、光测年的矿物目前在热释光测年中应用最广泛的矿物为石英，它不仅具稳定的热释光特性，并且分布广泛，易于取样。用石英热释光特性来测年的材料有陶器、砖瓦、火山灰、火山熔岩烘烤层、火烧土及某些沉积物，如黄土、山丘沉积物、深海沉积物等。此外，方解石、钾长石等矿物以及陨石都可以测年。,沉积物热释光测年的物理基础,用沉积物中的石英、长石等矿物测定其沉积年代，是基于这些矿物具有“阳光晒退”效应。热释光的阳光晒退效应是陷阱中储能电子接受了光子给予的能量而逸出陷阱与空穴相接合的过程，其直接结果为样品经阳光暴晒后，其热释光强度明显减弱。 实验证明，光晒退过程近似地遵循如下关系：,dn/dt=e-k t 式中dn/dt为晶格的储能电子在单位时间内被光晒退的数目，是暴晒时的光强度，t为暴晒时间，k是晶格的储能系数。对于一种单一来源的石英晶体，处于固定不变的暴晒条件下，在一定范围内热释光强度的减弱与暴晒时间成指数关系。实验结果又指出，几乎所有的标本都有部分热释光不能被晒退，残存的这部分热释光，同样也可以用陷阱形成的概念来解释。,石英热释光的光晒退效应是热释光技术测定沉积物年龄的重要依据，尽管石英颗粒在搬运到沉积地点的过程中，“光晒退”不能使其积存的热释光全部晒退，但因大部分已晒退，与一次热事件的效应相当，这就能确定石英再沉积的时代为其储存辐射能的起点。,
