U-Th测年

U-Th测年法是根据母体（铀）和子体（钍）之间的活度比来进行计算的。这个比值用来计算母体衰变为子体的时间。使用的是质谱仪来测量样品中的母体(234U)衰变为子体(230Th)的比例。铀的衰变要经历一系列过程，衰变是从238U开始，直到最终衰变为稳定的同位素206Pb。

U-Th decay

U-Th测年法是通过测量母体（铀）和产物（钍）之间的活度比，来计算母体衰变为子体的时间的。

满足以下条件，则可以对碳酸盐样品进行U-Th测年：

  • 形成于U-Th测年范围内
    (50万BP),
  • 含有足够浓度的微量
    元素 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

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 和U浓度相对较低的样品，在沉积后和成岩过程中往往会吸收U，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

U-Th测年

U-Th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，其无法得到可靠的U-Th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

U-Th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。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。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U-Th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等. 2015)。

(Photo Credit: Arash Sharifi)

(图片来源: Arash Sharifi)

洞穴沉积物：石笋和流石

对石笋中稳定同位素的分析可以提供石笋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U-Th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U-Th和14C法都可用于石笋的测年，但与U-Th测年相比，石笋化学杂质带来的碳库效应会导致14C年龄产生数千年的不确定性(Goslar等. 2000)。

(Photo Credit: Arash Sharifi)

(图片来源: Arash Sharifi)

珊瑚

使用U-Th法对珊瑚进行测年，上限为50万BP。珊瑚已被证明会获得和失去U和Th，从而产生年龄偏差。当样品同时出现U增益与Th损失时，测年结果会偏小；而当U损失和Th增益同时发生时，测年结果会偏大(Andersen等. 2009)。然而，可以使用筛选方法来进行系统校正(例如 Thompson等, 2003)。随着时间的推移，环境变化的重建需要一个严谨的年代表。珊瑚的U-Th测年结果更可靠，且测年范围大于碳-14C法。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：湿/干相(Yehudai等. 2017)、珊瑚系统的死亡/恢复(Clark等. 2017)、海水温度(DeCarlo等. 2016)和pH值(Stewart等. 2016; Pauly等. 2015)。

coral

贝壳

U-Th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U的输入，同时外部来源（封闭系统）的Th输入有限，使得结构中所有的Th都是U-Th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“，即在同一时间范围内对多个贝壳进行测年，通过使用Th输入量不同的碎屑（Bischoff 和 Fitzpatrick.1991），获得U-Th含量的初始值(例如Placzek等. 2006)。虽然贝壳天然的开放系统性质给测年带来了挑战，但是U-Th法弥补了 14C法测年极限（约4万BP日历年）的不足。

(Photo Credit: Arash Sharifi)

(图片来源: Arash Sharifi)

参考文献

Andersen, M.B., Gallup, C.D., Scholz, D., Stirling, C.H. and Thompson, W.G., (2009). U-series dating of fossil coral reefs: consensus and controversy. Pages News, 17, pp.54-56.

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

DeCarlo, T.M., Gaetani, G.A., Cohen, A.L., Foster, G.L., Alpert, A.E. and Stewart, J.A., (2016). Coral Sr‐U thermometry. Paleoceanography, 31(6), pp.626-638. DOI: 0.1002/2015PA002908

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/