铀-钍测年

铀-钍（U-Th）测年法基于对母体（铀）和子体（钍）同位素活度比的分析。利用该比值可以估算母体随时间的衰变以及子体的生成量。具体方法是使用质谱仪测定给定样品中母体（234U）和子体（230Th）的衰变产物。铀衰变时会经历一系列衰变步骤（始于238U），最终达到稳定的同位素（最终产物为206Pb，见下文）。

U-Th decay

铀-钍测年法通过计算母体同位素（铀）随时间衰变为子体同位素（钍）的过程，来测定母体和子体同位素的放射性活度比。

满足以下条件，则可以对碳酸盐样品进行铀-钍测年：

  • 形成于铀-钍测年范围内
    (可达50万BP),
  • 含有足够浓度的微量
    同位素 234U和 230Th 用于高浓度同位素稀释
    分析，
  • 沉积时已有的230Th可忽略不计或起始
    （额外的）含量已知
  • U、Th同位素自
    初次沉积以来一直处于封闭环境

在开放系统中，损失的U和吸收的230Th可能会导致错误的结论。初始 U/Ca 比值和铀浓度相对较低的样品往往会在沉积后并通过成岩作用吸收铀，从而导致年龄异常。

延伸阅读：

什么是U-Th测年？

U-Th测年与碳-14测年

U-Th测年样品选择

铀-钍测年

铀-钍测年可用于测定50万BP以内的碳酸盐样品的年龄。由于现代样品230Th浓度较低以及该方法的局限性，其无法得到可靠的铀-钍年龄。最常见的样品类型包括有洞穴壁画、石笋和流石、珊瑚和贝壳。

洞穴壁画

铀-钍测年是通过对壁画表面形成的薄层方解石进行定年，提供有关洞穴壁画绘制的大致时间信息。这样做，可以得到一个最小年龄，也被称作terminus ante quem（最晚日期）。此外，若壁画下方的方解石层可以取样，还可以得到一个最大年龄，即terminus post quem（最早日期）。此外，若壁画下方的方解石层可以取样，还可以得到一个最大年龄，即terminus post quem(Pons-Branchu等. 2014)。由于碳酸盐外壳属于开放系统，除了使用壁画上下层面的铀-钍年龄外，还可使用14C法进行交叉测年，进一步验证测年结果 (Sauvet et al. 2015)。

(Photo Credit: Arash Sharifi)

(图片来源: Arash Sharifi)

洞穴沉积物：石笋和流石

对洞穴沉积物中稳定同位素的分析可以提供其生长过程中环境变化的信息。年代学中的古气候记录依赖于铀-钍法和 14C法的精确定年，这提供了生长和年龄之间的关系。向上生长的石笋通常比向下生长的钟乳石更受欢迎，因为它的生长平面更规则，内部结构更明确 (Spötl & Boch, 2019)。

虽然铀-钍法和碳-14法都可以用于对洞穴沉积物进行测年，但碳库效应和洞穴沉积物中的化学杂质会导致碳-14测年结果出现显著的年龄不确定性（数千年），而铀-钍测年结果则相对更准确（Goslar et al. 2000）

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珊瑚

可以使用铀-钍（U-Th）测年法测定珊瑚的年龄，最长可达50万年 BP。研究表明，珊瑚会吸收和释放铀和钍，从而导致年龄测定出现偏差。当铀含量增加而钍含量减少时，样品的年龄会偏小；而当铀含量减少而钍含量增加时，样品的年龄则会偏大 (Andersen et al. 2009)。然而，可以使用筛选方法来进行系统校正 (e.g. Thompson et al., 2003)。重建随时间变化的环境变化需要可靠的年代序列。珊瑚的铀-钍测年法可以提供超出14C测年范围的可靠年龄。通过对样品的进一步分析，可为古环境重建提供多方面的数据，包括：干湿周期 (Yehudai et al. 2017)、珊瑚礁系统的死亡/恢复 (Clark et al. 2017)、海水温度 (DeCarlo et al. 2016) 和pH值 (Stewart et al. 2016; Pauly et al. 2015)。

coral

贝壳

铀-钍测年应用于贝壳样品已有几十年了。该方法依赖于样品的形成过程中有铀的输入，同时外部来源（封闭系统）的钍输入有限，使得结构中所有的钍都是铀-钍衰变的产物。但不是所有的沉积环境都能满足这一条件，在这种情况下，可以采用“等时线测年法（isochron dating）”，即可以通过对同一地层中具有不同碎屑钍输入量的多个贝壳进行测年（Bischoff & Fitzpatrick, 1991），以获得用于测年的初始铀-钍含量 (e.g. Placzek et al. 2006)。虽然贝壳系统的开放性使得测年具有挑战性，但铀-钍分析有望将贝壳的测年范围扩展到 14C法测年极限（约4万BP）之外。

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参考文献

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Bischoff, J.L. and Fitzpatrick, J.A., (1991). U-series dating of impure carbonates: an isochron technique using total-sample dissolution. Geochimica et Cosmochimica Acta, 55(2), pp.543-554. DOI: 10.1016/0016-7037(91)90011-S

Clark, T.R., Roff, G., Zhao, J.X., Feng, Y.X., Done, T.J., McCook, L.J. and Pandolfi, J.M., (2017). U-Th dating reveals regional-scale decline of branching Acropora corals on the Great Barrier Reef over the past century. Proceedings of the National Academy of Sciences, 114(39), pp.10350-10355. DOI: 10.1073/pnas.1705351114

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Goslar, T., Hercman, H. and Pazdur, A., (2000). Comparison of U-series and radiocarbon dates of speleothems. Radiocarbon, 42(3), pp.403-414. DOI: 10.1017/S0033822200030332

Pauly, M., Kamenos, N.A., Donohue, P. and LeDrew, E., (2015). Coralline algal Mg-O bond strength as a marine p CO2 proxy. Geology, 43(3), pp.267-270. DOI: 10.1130/G36386.1

Placzek, C., Patchett, P.J., Quade, J. and Wagner, J.D., (2006). Strategies for successful U‐Th dating of paleolake carbonates: An example from the Bolivian Altiplano. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 7(5). DOI: 10.1029/2005GC001157

Pons-Branchu, E., Bourrillon, R., Conkey, M.W., Fontugne, M., Fritz, C., Gárate, D., Quiles, A., Rivero, O., Sauvet, G., Tosello, G. and Valladas, H., (2014). Uranium-series dating of carbonate formations overlying Paleolithic art: interest and limitations. Bulletin de la Société préhistorique française, pp.211-224. DOI: 10.3406/bspf.2014.14395

Sauvet, G., Bourrillon, R., Conkey, M., Fritz, C., Gárate-Maidagan, D., Vilá, O.R., Tosello, G. and White, R., (2017). Uranium–thorium dating method and Palaeolithic rock art. Quaternary International, 432, pp.86-92. DOI: 10.1016/j.quaint.2015.03.053

Spötl, C. and Boch, R., (2019). Uranium series dating of speleothems. In Encyclopedia of caves (pp. 1096-1102). Academic Press.

Stewart, J.A., Anagnostou, E. and Foster, G.L., (2016). An improved boron isotope pH proxy calibration for the deep-sea coral Desmophyllum dianthus through sub-sampling of fibrous aragonite. Chemical Geology, 447, pp.148-160. DOI: 10.1016/j.chemgeo.2016.10.029

Thompson, W.G., Spiegelman, M.W., Goldstein, S.L. and Speed, R.C., (2003). An open-system model for U-series age determinations of fossil corals. Earth and Planetary Science Letters, 210(1-2), pp.365-381. DOI: 10.1016/S0012-821X(03)00121-3

Yehudai, M., Lazar, B., Bar, N., Kiro, Y., Agnon, A., Shaked, Y. and Stein, M., (2017). U–Th dating of calcite corals from the Gulf of Aqaba. Geochimica et Cosmochimica Acta, 198, pp.285-298. DOI: 0.1016/j.gca.2016.11.005

珊瑚图片: https://www.pexels.com/photo/corals-920161/