碳14测年

更新时间:2022-08-14

碳14测年,又称碳—14年代测定法或放射性碳定年法(Radiocarbon Dating),就是根据碳—14衰变的程度来计算出样品的大概年代的一种测量方法。这一原理通常用来测定古生物化石的年代。

基本信息

中文名碳14测年
外文名Carbon-14 dating
别名碳—14年代测定法,放射性碳定年法
稳定同位素碳12和碳13

详情介绍

放射性碳或碳14是碳元素的不稳定和弱放射性的同位素。稳定同位素是碳12和碳13

碳14由于受到宇宙射线中子对碳14原子的作用,不断地形成于大气上层。它在空气中迅速氧化,形成二氧化碳并进入全球碳循环。动植物一生中都从二氧化碳中吸收碳14。当它们死亡后,立即停止与生物圈的碳交换,其碳14含量开始减少,减少的速度由放射性衰变决定。放射性碳定年本质上是一种用来测量剩余放射能的方法。通过了解样品中残留的碳14含量,就可以知道有机物死亡的年龄。但必须指出的是,放射性碳定年结果表明的是有机物死亡的时间,而不是源自该有机物的材料的使用时间。

碳14的衰变需要几千年,正是大自然的这种神奇,形成了放射性碳定年的基本原理,使碳14分析成为揭示过去的有力工具。在放射性碳定年过程中,首先分析样品中遗留的碳14。被分析的样品的碳14比例可以说明自样品源死亡后流逝的时间。报告的放射性碳定年结果是未校准年BP(迄今),其中BP是指公元1950年。接着进行校准,将BP年转换为历年。随后将该信息与准确的历史年龄联系起来。

碳测年的发现

美国物理化学家 Willard Libby在后二战时代领导一支科学家团队开发了一种测量放射性碳活性的方法。他被认为是第一位说明生命物质中可能存在名为放射性碳或碳14的不稳定碳同位素的科学家。

Libby先生和他的科学家团队发表了一份文件,对有机样品中首次发现放射性碳的情况进行了概述。利比先生还是第一位测量放射性衰变率,并且把5568年± 30年作为半衰期的科学家。

1960年,Libby先生被授予诺贝尔化学奖,以此承认他在开发放射性碳定年中做出的努力。

可进行放射性碳测年的材料

并非所有的材料都可以进行放射性碳定年。大多数有机物(不是所有)都可以进行碳定年。此外,一些无机物质,如贝壳的文石(主要是CaCO3)成分,虽然为无机物,但是也可以进行碳定年(只要矿物的形成有吸收碳14,并保持与大气的碳14浓度相当即可)。

自采用该方法以来,已进行过碳定年的样品包括木炭、木材、树枝、种子、骨头、贝壳、皮革、泥炭、湖泊淤泥、土壤、头发、陶器、花粉、壁画、珊瑚、血液残留、布料、纸或羊皮纸、树脂、水,等等。

在分析这些物质的放射性碳含量之前,先要对它们进行物理和化学预处理以去除可能存在的污染物。

测量放射性碳的主要方法

有三种主要技术用于测量任何给定样品的碳14含量:气体正比计数、液体闪烁计数(LSC)和加速器质谱(AMS)。

气体正比计数是一种计算给定样品发射的β粒子的传统放射性定年技术。β粒子是放射性碳衰变的产物。在此方法中,碳样品首先转换成二氧化碳气体,然后在气体正比计数器上进行测量。

液体闪烁计数是另一种放射性碳定年技术,曾经在20世纪60年代流行。在此方法中,样品为液体形式,并添加了闪烁体。当闪烁体与一个β粒子相互作用时会产生闪光。一个装有样品的小瓶在两个光电倍增管之间通过。只有当两个设备都记录下闪光,才能产生一个计数。

加速器质谱(AMS)是一种现代化的放射性碳定年法,被认为是衡量样品的放射性碳含量更为有效的方法。在此方法中,直接测量碳14与碳12和碳13的相对含量。该方法不计算β粒子,而是计算样品中存在的碳原子数量以及同位素的比例,因此更为精确可靠,是目前最为流行的测量方法。

碳测年的标准化

放射性碳测定值被称为常规放射性碳年龄(CRA)。CRA公约包括(一)采用Libby半衰期,(二)采用Oxalic AcidⅠ或Ⅱ或任何适当的二级标准作为近现代放射性碳标准,(三)将样品同位素分馏校正为每千-25.0的正常值或基值(相对于南卡罗来纳州Peedee白垩纪箭石地层中的碳酸盐岩标准VPDB中的碳12/碳 13的比例),(四)零BP(迄今)规定为公元1950年,以及(五)全球放射性碳含量不变的假设。

由于放射性碳定年结果报告中还包括标准误差,因此采用“±”值。这些值通过统计方法获得。

一般误差范围为:

0 – 6000 +/- 40 BP

~ 6000 – 11000 +/- 50-60 BP

~12000 – 20000 +/- 70-150 BP

~20000 – 30000 +/- 150-350

BP ~30000 – 40000 +/- 350 – 750 BP

Upper age Limit ~ 43500 BP

有些实验室6000年以内可以达到+/-30年BP  

校正根据

树木年轮学是基于树木成长时树木的年轮也在增加这一现象,故名树木年轮测定。树木年轮学家通过分析和比较树木和年老的木头的年轮样式测定过去的环境中的事件和变化。他们可以判断各树木年轮形成的准确历年。

树木年轮测定结果在放射性碳定年的初期起到了重要作用。树木年轮提供了检查碳14定年方法的准确性所需要的年龄已知的材料。在20世纪50年代后期,几位科学家(特别是荷兰人Hessel de Vries)能够根据树轮的碳定年收集的结果确认放射性碳年龄和日历年龄之间的差异。树轮根据树木年轮学测定。

树轮仍用于校正放射性碳定年结果。不同日历年龄的树木年轮库现在可以提供持续至过去1.1万年的记录。通常被用作参考的树有美国的狐尾松(松属细叶)以及爱尔兰和德国的涝栎(栎属)。放射性碳定年实验室一直使用其他树木物种的数据。

原则上,通过比较某含碳样品的放射性碳含量和一个已知日历年龄的年轮的放射性碳含量,就可以很容易确定样品的年龄。如果样品的放射性碳含量和树轮的一样,则可以有把握地得出它们的年龄相同的结论。

在实践中,由于许多因素,树轮校正没有那么简单。其中最重要的是,对树木年轮和样品进行的测量结果的精确度有限,因此得到的是一个估计的历年范围。

事实上,校正结果往往给出的是年龄范围,而不是一个绝对值。年龄范围采用截断方法或概率方法计算,两种方法都需要校正曲线。

校正曲线

放射性碳定年的第一个校准曲线建立在一个连续树木年轮序列的基础上。该序列可追溯到8000年前。Wesley Ferguson于20世纪60年代制定它,并在Hans Suess的资助下,公布首个有用的校正曲线。Suess的曲线以狐尾松的数据为基础,采用年轮作为其日历轴。

自Suess的曲线公布后,有很多校正曲线相继诞生,但它们带来的问题比解决的问题更多。在以后的几年,加速器质谱仪的使用和高精度碳定年的引进也催生了校正曲线。北爱尔兰贝尔法斯特的一家实验室发表的高精度放射性碳校正曲线采用以爱尔兰橡树为基准的年轮数据。

如今,国际商定的可回溯至公元前2500年的校正曲线由Gordon Pearson 和 Minze Stuiver制定。1950年之后的校正曲线国际上没有统一确定,但是可以提供大量关于大气放射性碳含量的数据。

标准的碳14校正曲线的X轴(历年)为日历或树轮时间表,y轴为放射性碳年龄。  

校正参数

通过 精确分析数百个采自迄今大约10000年的橡树、红杉冷杉的已知年龄树轮的样品获取用于校正的参数。迄今大约20000年的年龄更老的样品的参数以及所有海洋样品的参数已根据其他的证据推断出。

当前,对于迄今大约10000年的样品可以提供准确的校正。对于迄今10000年至20000年的样品,可以提供近似校正但以未来的变化为准。

这些年轮校正所选用的程序使用树轮数据样条作为校正曲线,去除实际数据点的大部分数据发散,并使用实测的相关曲线给出样品历年的更“真实”的近似值。样条校正通过与实测的数据点最接近的量化函数参数对平均曲线作出调整。

测量适用范围及注意点

历史学、人类学和考古学是三个截然不同但密切相关的知识体系,它们借助过去告诉人类现在。历史学家可以知道不同地区有哪些文化曾经兴盛,以及它们衰落的时间。人类学家可以描述人的生理特征、文化、环境和社会关系。考古学家则证明文物的存在或揭开历史或人类学的发现。

没有其他任何科学能像考古学那样,毋庸置疑地丰富了人类的历史。考古学已设法解开了人类很大一部分未留下记录的历史之谜。

和生物科学不一样,研究以前人类生活和活动残留的材料对普通人来说可能并不重要或令人兴奋。但是,考古学旨在了解人类,它是一项超越发掘宝藏、收集信息和测定年龄的崇高的事业。正是了解了昔日文化不再存在的原因后,人类才明白了确保历史不会重演的关键所在。

多年来,如果不是凭借放射性碳定年、树轮年代学古地磁断代、氟化物定年、光释光测年以及黑曜石水化分析等技术,考古学发现的历史文化信息将永远都不被人所知。放射性碳定年技术的应用已有50年了,它彻底改变了考古学。碳14定年迄今仍是一项强大可靠的、广泛适用的技术,对于考古学家和其他科学家来说极其宝贵。

骨类样品

任何可能影响骨头的碳14含量的含碳物质都被认为是一种污染物。由于考虑到骨头经常接触不同种类的有机物质,因此,它可以说是提交给AMS实验室进行放射性碳定年的污染最严重的样品之一。

常见的污染物有腐殖酸和富里酸,它们是存在于土壤中的由植物或动物组织的微生物降解产生的有机酸。根据文献记载,其他可能污染骨质样品的有机化合物有多酚、多糖、木质素和退化的胶原蛋白。根据挖掘位置的不同,骨骼也可以被石灰石污染。这些污染物被认为是自然的污染物,因为它们与骨骼的接触是自然发生的,而非人为发生的。

人为污染物是人类在收集、保存或包装骨质样品的过程中产生的污染物。当采用动物胶给骨头贴标签时,污染物已经被带入到样品中。这是因为动物胶的化学成分和骨质样品完全一样。那么该样品的加速器质谱仪实验室结果会不准确。

在骨头被挖出后可能会污染骨质样品的其他物质包括杀虫剂、聚醋酸乙烯酯和聚乙二醇(保护化学品)、烟灰,以及纸做的标签或者包装。

贝壳类的样品

将贝类样品提交给加速器质谱实验室进行碳十四测年前需考虑的因素之一是有机体吸收碳时的当地环境。加速器质谱实验室分析员必须知道贝壳类样品可能接触到的污染物种类。

任何接触后可以改变贝壳类样品的含有碳14的含碳物质都是污染物。这意味着,碳酸钙、土壤腐殖物质以及土壤二氧化碳都是潜在的污染物。进行放射性碳测年的贝壳类样品的最常见的污染物是那些由同位素交换和再结晶造成的污染物。

加速器质谱实验室在进行碳14测年之前需进行预处理,以去除所有可能会导致结果不准确的污染物。

有两种和贝壳的放射性碳定年有关的源效应或碳库效应:海洋效应和硬水效应。由于这些效应的存在,必须对贝壳的放射性碳定年结果进行年龄补偿评估。

海洋效应是海洋地表水和深层水缓慢混合的结果。大气层和生物圈之间通过二氧化碳的快速碳交换与大气和海洋之间的碳交换并不完全一样。

大气和地表水之间实现二氧化碳的平衡相对较快。然而,地表水与深水的碳交换速度却非常缓慢,以至于从地表水吸入的二氧化碳的碳14含量和从深水释放出的二氧化碳的碳14含量可能处于放射性碳衰变的不同阶段。研究表明,碳14在大气中的停留时间为6年到10年不等,而碳14在海洋的停留时间则可能长达几千年。

上升流是另外一种可以稀释地表水的放射性碳含量的现象。在世界某些地区,特别是赤道地区,深水向上移动。这种现象通常由信风导致,具有纬度依赖性。海岸线形状、当地的气候和风能,以及海洋底部的地形也是形成上升流的因素。深水的缓慢混合以及上涌意味着海洋的表层水的外观放射性碳年龄与大气相关。

淡水贝壳可能不会受到海洋效应的影响,但它们很容易受到硬水效应的影响,硬水效应是远古碳酸钙溶解产生的钙离子现象。虽然硬水效应的大小与钙离子的数量无直接关系,但是钙离子的存在与碳14的枯竭正好一致。硬水效应可以解释放射性碳定年结果有几百年差异的原因。

硬水效应也会影响沉积在像河口这样含有丰富碳酸盐的淡水区域的海洋贝壳。如果有机体一直生活在碳酸盐丰富的地区(例如白垩地),则蜗牛壳等陆地贝壳也会受到硬水效应的影响。

加速器质谱实验室的分析员必须了解可能影响任何特定贝壳类样品的碳库效应,这样他们就可以知道需要的年龄补偿。加速器质谱实验室通过假设放射性碳含量一直没有变化,以及通过测定在20世纪50年代和60年代的核武器试验之前从同一地点收集到的同一种类的已知年龄的贝壳来量化海洋和硬水库效应

如果不考虑海洋碳库效应,则无法对陆地和海洋样品进行比较或关联。全球不同海洋的校正因子,参见在线数据库海洋碳库校正数据库。该数据库获得爱琴海史前史研究所的部分资助。由于海洋环流的复杂性,实际校正随位置的改变而变化。

该数据库还用于诸如CALIB(Stuiver和Reimer,1993)或OxCal(Bronk Ramsey,1995年)等使用2004年海洋校准数据集的放射性碳校正计划。还需值得注意的是,来自深度大于75米的样品不包含在数据库中,因为校正数据集中的海洋模式年龄只对表面混合层有效。

木头样品

木头或木炭样品被掩埋时周围的含碳材料,以及在其收集和保存过程中使用的含碳材料,可能已经改变了其碳14含量。任何给样品增加碳含量的材料都被认为是污染物。

木头和木炭的自然污染物是指在沉积后的环境中产生的污染物,例如土壤里的腐殖酸和富里酸。它们是由植物和动物组织的微生物降解产生的酸性物质。根的侵入也给木头和木炭样品带来了近现代碳。此外,石灰石也是一种潜在的污染物,这要依发掘现场而定。

木头和木炭样品的人为污染物是人类采集和处理样品时因疏忽或意识淡薄而产生的污染物。人为污染物包括烟灰、头发和纤维、包装材料纸、油、油脂,甚至胶水。

污染对进行加速器质谱放射性碳定年的木头或木炭样品的影响取决于污染物的类型、污染程度,以及样品和污染物的相对年龄

如果在进行加速器质谱放射性碳定年之前尚未去除石灰岩,则得到的结果会比木头或木炭的实际年龄老得多,这是因为地质成因的石灰岩比任何史前样品的年龄都要大得多。

腐植酸黄腐酸可附加在木头和木炭的表面,并在称为吸附的过程中进行碳交换。它会让样品的放射性碳年龄变小或变老,而这取决于产生有机酸的生物体的年龄。木炭或木头样品上的根渗透也会导致近现代碳的产生。

一般情况下,远古污染物导致木炭或木头样品比其实际年龄老得多,而近现代碳则让任何样品都比其实际年龄小得多。

为了得到准确的结果,加速器质谱实验室在提交所有木头和木炭样品进行放射性碳定年之前都会对它们先执行预处理。

旧木问题

生物体的时间跨度是指其总生长时间以及与生物圈相互作用的时间。时间跨度会影响样品的放射性碳年龄转换为历年的方式。木头的时间跨度取决于进行放射性碳定年的树木年轮的数目。但是,木炭碎片的时间跨度可能不可以量化。

放射性碳定年的主要假设之一是,该生物体的死亡时间也是其停止与生物圈进行碳交换的时间。如果不是像木头的这种情况,则生物体的放射性碳年龄不从其死亡开始计算。

当对一块木头或木炭进行放射性碳定年时,测定的项目是树木年轮的生长时间。树木随着树轮的添加而生长,一旦被砍伐,这些树轮即停止与生物圈的碳交换。因此,一棵树边材的放射性碳年龄不会与最里面的心材的放射性碳年龄相同,因为最里面的心材比边材年龄要大得多(一般为树木的生活的年份)。

进行碳定年的任何木炭或木头样品会有一个表面年龄,这个年龄可能会导致多达数百年的错误,除非挑选的是短寿命的树种或树枝进行放射性碳定年。

样品的放射性碳年龄可以告诉我们生物体曾经存活的时间,而不是该生物体材料被使用的时间。在对史前古器物进行测量时,必须考虑“旧木”的问题,避免得出错误的结论。

推迟使用和重复使用也是导致“旧木”问题产生的另外两种可能。实际用于测量的木头或者木炭可能之前已经经历了很久的时间才用于燃烧或者使用。此外,质地坚硬的木材可能已保存多年并被重复使用。

这些沉积过程的影响可能不可以计量,但不应该忽视它们,因为碳14测年结果可能会比相应考古内容的真实年代更久远。  


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