防災科技學院新構造年代學實驗室於2012年在中國地震局及學院有關領導的支持下和中央級普通高校修購專項資金項目大力資助下開始籌備建設,新構造年代學實驗室目前已基本完成對下屬碳十四(14C)、釋光(OSL/TL)兩個實驗室大型儀器設備的採購及運行環境的建設。
防災科技學院碳十四測年實驗室是新構造年代學實驗室的重要單元,為防災科技學院“十二五”期間重點建設實驗室。光釋光實驗室占地面積150m,可為《地貌學與第四紀地質學》《地震地質學》等課程開始年代學測年實驗,並可服務於大學生科技創項目和教學科研項目。
放射性碳定年的領頭人
美國物理化學家 Willard Libby在後二戰時代領導一支科學家團隊開發了一種測量放射性碳活性的方法。他被認為是第一位說明生命物質中可能存在名為放射性碳或碳14的不穩定碳同位素的科學家。Libby先生和他的科學家團隊發表了一份檔案,對有機樣品中首次發現放射性碳的情況進行了概述。利比先生還是第一位測量放射性衰變率,並且把5568年± 30年作為半衰期的科學家。1960年,Libby先生被授予諾貝爾化學獎,以此承認他在開發放射性碳定年中做出的努力。
測年原理
放射性碳或碳14是碳元素的不穩定和弱放射性的同位素。穩定同位素是碳12和碳13。碳14由於受到宇宙射線中子對氮14原子的作用,不斷地形成於大氣上層。它在空氣中迅速氧化,形成二氧化碳並進入全球碳循環。動植物在它們的一生中都從二氧化碳中吸收碳14。當它們死亡後,就停止與生物圈的碳交換,其碳14含量開始減少,減少的速度由放射性衰變決定。放射性碳定年本質上是一種用來測量剩餘放射能的方法。通過了解樣品中殘留的碳14含量,就可以知道有機物死亡的年齡。但必須指出的是,放射性碳定年結果表明的是有機物死亡的時間,而不是源自該有機物的材料的使用時間。
測量放射性碳的主要方法
有三種主要技術用於測量任何給定樣品的碳14含量:氣體正比計數、液體閃爍計數和加速器質譜。
氣體正比計數是一種計算給定樣品發射的β粒子的傳統放射性定年技術。β粒子是放射性碳衰變的產物。在此方法中,碳樣品首先轉換成二氧化碳氣體,然後在氣體正比計數器上進行測量。
液體閃爍計數是另一种放射性碳定年技術,曾經在20世紀60年代流行。在此方法中,樣品為液體形式,並添加了閃爍體。當閃爍體與一個β粒子相互作用時會產生閃光。一個裝有樣品的小瓶在兩個光電倍增管之間通過。只有當兩個設備都記錄下閃光,才能產生一個計數。
加速器質譜(AMS)是一種現代化的放射性碳定年法,被認為是衡量樣品的放射性碳含量更為有效的方法。在此方法中,直接測量碳14與碳12和碳13的相對含量。該方法不計算β粒子,而是計算樣品中存在的碳原子數量以及同位素的比例。
防災科技學院新構造年代學實驗室碳十四測年採用的是加速器質譜定年法。
測年範圍
樣品C年代是測定樣品的C活動性與現代碳標準的C活動性的比值計算出來的,適用於測量距今300年至5萬年含碳物質年齡,測量精度為1~2%,誤差一般為50~200年。
測年對象:
原則上凡是距今約5萬年以來含有同生碳(即與沉積層同時生成的有機和無機碳)的物質都可以作為C測年的樣品,如木炭、泥炭、有機質淤泥、土壤、動物骨骼、貝殼、珊瑚礁、泉華、湖相碳酸鹽沉積物、等等。
多年的實踐表明,對於C測年:
1.最適宜的樣品:植物果實、種子;木頭、木炭;泥炭、淤泥、古土壤、骨頭、貝殼、珊瑚
2.可作測年樣品:鈣質結核、鈣板、蘇打和天然鹼等無機碳酸鹽沉積物;地下水、海水和空氣含有的C;
3.可作試驗性測年的樣品:孢粉;海洋、湖泊、三角洲等環境下形成的有機質;河流、沖洪積等環境下形成的有機質。
4.在實踐中應注意事項:
避免採集經過再搬運、再堆積的樣品;
避免採集受到現代植物根系“現代碳”和煤、變質頁岩、泥岩、石灰岩等“死碳”等明顯污染的樣品;
在採集鑽孔樣品時,由於鑽機轉動時,有可能擾動岩芯,把上部或下部地層帶到所採集樣品岩芯處,應利用一些簡單的工具如小刀在野外將沾附於樣品表面的污物清除掉。
採集好的樣品無需避光,用塑封袋、鋁箔等包裝即可,需要注意不要使用紙,布等材料包裝。
碳十四測年樣品採樣要求及樣品量
樣品採集量與樣品含碳量有關,下表中列出各類樣品的樣品量可供參考,野外樣品採集量應大於表中數值,在可能的條件下應儘可能多地採集。由於採集樣品量不夠要求的樣品的情況下,在實驗室中用“本底苯”補充合成的樣品苯,將降低年代測定的精度。