放射性碳测年

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January 18, 2022

放射性碳测年(也称为碳测年或碳 14 测年)是一种利用放射性碳(碳的放射性同位素)的特性确定含有有机物质的物体年龄的方法。该方法是 1940 年代后期由 Willard Libby 在芝加哥大学开发的。它基于这样一个事实,即宇宙射线与大气中的氮相互作用,在地球大气层中不断产生放射性碳 (14C)。产生的 14C 与大气中的氧气结合形成放射性二氧化碳,通过光合作用进入植物;动物然后通过食用植物获得 14C。当动物或植物死亡时,它停止与环境交换碳,此后,随着 14C 经历放射性衰变,它所含的 14C 量开始减少。测量来自死亡植物或动物(例如一块木头或骨头碎片)的样本中 14C 的含量,可提供可用于计算动物或植物死亡时间的信息。样本越老,检测到的 14C 就越少,并且因为 14C 的半衰期(给定样本的一半将衰减的时间段)大约为 5,730 年,可以确定的最旧日期通过该过程可靠地测量可追溯到大约 50,000 年前,尽管特殊的制备方法有时可以对较旧的样品进行准确分析。利比因他的工作于 1960 年获得诺贝尔化学奖。自 1960 年代以来,研究一直在进行,以确定过去五万年来大气中 14C 的比例。所得数据以校准曲线的形式出现,现在用于将样品中给定的放射性碳测量值转换为样品日历年龄的估计值。必须进行其他更正以考虑 14C 在不同类型的生物体中的比例(分馏),以及整个生物圈中 14C 的不同水平(水库效应)。煤和石油等化石燃料的燃烧,以及 1950 年代和 1960 年代进行的地上核试验,都带来了额外的复杂情况。因为将生物材料转化为化石燃料所需的时间比其 14C 衰减到可检测水平以下所需的时间要长得多,化石燃料几乎不含 14C。因此,从 19 世纪后期开始,随着化石燃料燃烧产生的二氧化碳开始在大气中积累,14C 的比例显着下降。相反,核试验增加了大气中 14C 的含量,大约在 1965 年达到最大值,几乎是核试验前大气中含量的两倍。放射性碳的测量最初是通过 β 计数装置完成的,该装置计算样品中衰变 14C 原子发出的 β 辐射量。最近,加速器质谱法已成为首选方法。它计算样品中的所有 14C 原子,而不仅仅是在测量过程中发生衰变的少数原子;因此,它可以用于小得多的样本(小到单个植物种子),并且可以更快地给出结果。放射性碳测年的发展对考古学产生了深远的影响。除了允许比以前的方法更准确地在考古遗址内测年外,它还允许比较远距离事件的日期。考古学史经常将其影响称为“放射性碳革命”。放射性碳测年允许对史前时期的关键转变进行测年,例如上一个冰河时代的结束,以及不同地区新石器时代和青铜时代的开始。除了允许比以前的方法更准确地在考古遗址内测年外,它还允许比较远距离事件的日期。考古学史经常将其影响称为“放射性碳革命”。放射性碳测年允许对史前时期的关键转变进行测年,例如上一个冰河时代的结束,以及不同地区新石器时代和青铜时代的开始。除了允许比以前的方法更准确地在考古遗址内测年外,它还允许比较远距离事件的日期。考古学史经常将其影响称为“放射性碳革命”。放射性碳测年允许对史前时期的关键转变进行测年,例如上一个冰河时代的结束,以及不同地区新石器时代和青铜时代的开始。

背景

历史

1939 年,伯克利辐射实验室的 Martin Kamen 和 Samuel Ruben 开始进行实验,以确定有机物质中常见的任何元素是否具有半衰期足够长的同位素,以在生物医学研究中具有价值。他们使用实验室的回旋加速器合成了 14C,并很快发现该原子的半衰期比以前认为的要长得多。随后,当时在费城富兰克林研究所工作的 Serge A. Korff 预测,热中子与高层大气中的 14N 相互作用将产生 14C。之前人们认为 14C 更有可能由氘核与 13C 相互作用产生。二战期间的某个时候,当时在伯克利的威拉德·利比得知了科尔夫s 研究并构想了可能使用放射性碳测年的想法。1945 年,利比搬到芝加哥大学,在那里他开始了他的放射性碳测年工作。他在 1946 年发表了一篇论文,其中他提出生命物质中的碳可能包括 14C 以及非放射性碳。利比和几位合作者继续对从巴尔的摩污水处理厂收集的甲烷进行实验,在对样品进行同位素富集后,他们能够证明它们含有 14C。相比之下,从石油中产生的甲烷由于年代久远,没有显示出放射性碳活动。结果在 1947 年发表在《科学》杂志上的一篇论文中进行了总结,其中作者评论说,他们的结果意味着可以对含有有机来源碳的材料进行年代测定。利比和詹姆斯·阿诺德通过分析已知年龄的样本继续测试放射性碳测年理论。例如,从两个埃及国王 Zoser 和 Sneferu 的坟墓中取出的两个样本,分别可追溯到公元前 2625 年正负 75 年,通过放射性碳测量确定了平均公元前 2800 年正负 250 年的年代。这些结果于 1949 年 12 月发表在《科学》杂志上。在公布后的 11 年内,全世界已经建立了 20 多个放射性碳测年实验室。 1960 年,利比因这项工作获得诺贝尔化学奖。通过放射性碳测量确定了平均公元前 2800 年正负 250 年的年代。这些结果于 1949 年 12 月发表在《科学》杂志上。在公布后的 11 年内,全世界已经建立了 20 多个放射性碳测年实验室。 1960 年,利比因这项工作获得诺贝尔化学奖。通过放射性碳测量确定了平均公元前 2800 年正负 250 年的年代。这些结果于 1949 年 12 月发表在《科学》杂志上。在公布后的 11 年内,全世界已经建立了 20 多个放射性碳测年实验室。 1960 年,利比因这项工作获得诺贝尔化学奖。

物理和化学细节

在自然界中,碳以三种同位素形式存在,即两种稳定的非放射性同位素:碳 12 (12C) 和碳 13 (13C),以及放射性碳 14 (14C),也称为“放射性碳”。 14C 的半衰期(给定数量的 14C 的一半衰变所需的时间)约为 5,730 年,因此它在大气中的浓度可能会在数千年内下降,但 14C 在平流层下层和对流层上层,主要通过银河系宇宙射线,在较小程度上通过太阳宇宙射线。这些宇宙射线在穿过大气层时会产生中子,这些中子可以撞击氮 14 (14N) 原子并将它们变成 14C。以下核反应是产生 14C 的主要途径: n + 147N → 146C + p 其中 n 代表中子,p 代表质子。一旦产生,14C 迅速与大气中的氧气 (O) 结合,首先形成一氧化碳 (CO),最终形成二氧化碳 (CO2)。 14C + O2 → 14CO + O14CO + OH → 14CO2 + H 以这种方式产生的二氧化碳在大气中扩散,溶解在海洋中,并通过光合作用被植物吸收。动物吃植物,最终放射性碳分布在整个生物圈。 14C与12C的比例约为1.25份14C比1012份12C。此外,大约 1% 的碳原子属于稳定同位素 13C。 14C 的放射性衰变方程为: 146C → 147N + e− + νe 通过发射一个 β 粒子(一个电子,e−)和一个电子反中微子(ν),14C 原子核中的一个中子变为质子,14C 原子核恢复为稳定的(非放射性)同位素 14N。14C + O2 → 14CO + O14CO + OH → 14CO2 + H 以这种方式产生的二氧化碳在大气中扩散,溶解在海洋中,并通过光合作用被植物吸收。动物吃植物,最终放射性碳分布在整个生物圈。 14C与12C的比例约为1.25份14C比1012份12C。此外,大约 1% 的碳原子属于稳定同位素 13C。 14C 的放射性衰变方程为: 146C → 147N + e− + νe 通过发射一个 β 粒子(一个电子,e−)和一个电子反中微子(ν),14C 原子核中的一个中子变为质子,14C 原子核恢复为稳定的(非放射性)同位素 14N。14C + O2 → 14CO + O14CO + OH → 14CO2 + H 以这种方式产生的二氧化碳在大气中扩散,溶解在海洋中,并通过光合作用被植物吸收。动物吃植物,最终放射性碳分布在整个生物圈。 14C与12C的比例约为1.25份14C比1012份12C。此外,大约 1% 的碳原子属于稳定同位素 13C。 14C 的放射性衰变方程为: 146C → 147N + e− + νe 通过发射一个 β 粒子(一个电子,e−)和一个电子反中微子(ν),14C 原子核中的一个中子变为质子,14C 原子核恢复为稳定的(非放射性)同位素 14N。并通过光合作用被植物吸收。动物吃植物,最终放射性碳分布在整个生物圈。 14C与12C的比例约为1.25份14C比1012份12C。此外,大约 1% 的碳原子属于稳定同位素 13C。 14C 的放射性衰变方程为: 146C → 147N + e− + νe 通过发射一个 β 粒子(一个电子,e−)和一个电子反中微子(ν),14C 原子核中的一个中子变为质子,14C 原子核恢复为稳定的(非放射性)同位素 14N。并通过光合作用被植物吸收。动物吃植物,最终放射性碳分布在整个生物圈。 14C与12C的比例约为1.25份14C比1012份12C。此外,大约 1% 的碳原子属于稳定同位素 13C。 14C 的放射性衰变方程为: 146C → 147N + e− + νe 通过发射一个 β 粒子(一个电子,e−)和一个电子反中微子(ν),14C 原子核中的一个中子变为质子,14C 原子核恢复为稳定的(非放射性)同位素 14N。14C 的放射性衰变方程为: 146C → 147N + e− + νe 通过发射一个 β 粒子(一个电子,e−)和一个电子反中微子(νe),14C 原子核中的一个中子变成一个质子,并且14C 原子核恢复为稳定(非放射性)同位素 14N。14C 的放射性衰变方程为: 146C → 147N + e− + νe 通过发射一个 β 粒子(一个电子,e−)和一个电子反中微子(νe),14C 原子核中的一个中子变成一个质子,并且14C 原子核恢复为稳定(非放射性)同位素 14N。

原则

在其生命周期中,植物或动物通过与大气或饮食进行碳交换而与周围环境保持平衡。因此,它将具有与大气相同的 14C 比例,或者在海洋动物或植物的情况下,与海洋具有相同的比例。一旦它死了,它就不再获得14C,但它当时生物物质中的14C会继续衰变,所以它的残骸中14C与12C的比例会逐渐降低。因为 14C 以已知的速率衰变,所以放射性碳的比例可用于确定给定样品停止交换碳的时间——样品越老,剩下的 14C 就越少。控制放射性衰变的方程同位素是:NN 0 e − λ t {\displaystyle NN_{0}\,e^{-\lambda t}\,} 其中 N0 是原始样本中同位素的原子数(在时间 t 0,当生物体从样本死亡),N 是时间 t 后剩余的原子数。 λ 是一个常数,取决于特定的同位素;对于给定的同位素,它等于平均寿命的倒数——即给定原子在经历放射性衰变之前存活的平均或预期时间。用 τ 表示的 14C 的平均寿命是 8,267 年,因此上面的等式可以改写为:t ln ⁡ ( N 0 / N ) ⋅ 8267 years {\displaystyle t\ln(N_{0}/N)\cdot {\text{8267 years}}} 假设样本最初具有相同的 14C/12C ratio 作为大气中的比例,由于样品的大小是已知的,因此可以计算出样品中的原子总数,即原始样品中 14C 原子的数量 N0。样品中当前 14C 原子的数量 N 的测量允许使用上面的方程计算样品的年龄 t。放射性同位素的半衰期(通常用 t1/2 表示)是比平均生活更熟悉的概念,因此,尽管上面的等式是根据平均寿命来表示的,但引用 14C 的半衰期值而不是其平均寿命值更为常见。目前接受的 14C 半衰期值为 5,730 ± 40 年。这意味着 5,730 年后,最初的 14C 将只剩下一半; 11,460 年后将保留四分之一; 17,190 年后的第八个;等等。上述计算做出了几个假设,例如大气中 14C 的水平随着时间的推移保持不变。事实上,大气中 14C 的水平变化很大,因此,必须使用其他来源的数据来校正上述等式提供的值。这是通过校准曲线(下面讨论)完成的,它将样品中 14C 的测量值转换为估计的日历年龄。计算涉及几个步骤,包括一个称为“放射性碳年龄”的中间值,它是样品“放射性碳年”中的年龄:以放射性碳年为单位引用的年龄意味着没有使用校准曲线 - 放射性碳年的计算假设大气 14C/12C 的比率没有随时间变化。计算放射性碳年龄还需要 14C 的半衰期值。在 Libby 1949 年的论文中,根据 Engelkemeir 等人的研究,他使用了 5720 ± 47 年的值。这与现代值非常接近,但不久之后,公认的值被修改为 5568±30 年,并且这个值被使用了十多年。它在 1960 年代初再次修订为 5,730 ± 40 年,这意味着在此之前发表的论文中的许多计算日期是不正确的(半衰期误差约为 3%)。为了与这些早期论文保持一致,在 1962 年剑桥(英国)放射性碳会议上同意使用 5568 年的“利比半衰期”。放射性碳年龄仍然使用这个半衰期计算,被称为“常规放射性碳年龄”。由于校准曲线 (IntCal) 还使用此常规年龄报告过去的大气 14C 浓度,因此根据 IntCal 曲线校准的任何常规年龄都将产生正确的校准年龄。当引用日期时,读者应注意,如果它是未校准的日期(用于以放射性碳年给出的日期的术语),它可能与实际日历日期的最佳估计有很大差异,既是因为它使用了错误的 14C 半衰期值,也因为没有对大气中 14C 随时间的历史变化进行校正(校准)。

碳交换库

碳分布在整个大气层、生物圈和海洋中;这些统称为碳交换库,每个组件也单独称为碳交换库。碳交换库的不同元素在它们储存的碳量以及宇宙射线产生的 14C 与它们完全混合所需的时间方面有所不同。这会影响不同储层中 14C 与 12C 的比率,从而影响源自每个储层的样品的放射性碳年龄。大气是产生 14C 的地方,它包含水库中大约 1.9% 的碳总量,并且它所包含的 14C 在不到 7 年的时间里混合在一起。大气中 14C 与 12C 的比率作为其他水库的基线:如果另一个水库的 14C 与 12C 的比率较低,则表明碳更老,因此 14C 中的一些已经衰变,或者水库正在接收不在大气基线的碳。海洋表面就是一个例子:它包含交换水库中 2.4% 的碳,但如果该比例与大气中的比例相同,那么 14C 的含量仅为预期的 95%。大气中的碳与表层海洋混合所需的时间只有几年,但表层水也从深海接收水,而深海的水库中含有 90% 以上的碳。深海中的水大约需要 1,000 年才能通过地表水循环,因此地表水包含较旧的水(14C 耗尽)和最近出现在地表的水的组合,14C 与大气保持平衡。生活在海洋表面的生物与它们生活的水中的 14C 比率相同,由于 14C/12C 比率降低,海洋生物的放射性碳年龄通常约为 400 年。陆地上的生物与大气处于更接近的平衡状态,并且具有与大气相同的 14C/12C 比率。这些生物体含有约 1.3% 的储层碳;海洋生物的质量不到陆地生物的 1%,图中未显示。累积的植物和动物死有机物质超过生物圈质量的近 3 倍,由于这种物质不再与其环境进行碳交换,因此它的 14C/12C 比率低于生物圈.生活在海洋表面的生物与它们生活在水中的生物具有相同的 14C 比率,由于 14C/12C 比率降低,海洋生物的放射性碳年龄通常约为 400 年。陆地上的生物与大气处于更接近的平衡状态,并且具有与大气相同的 14C/12C 比率。这些生物体含有约 1.3% 的储层碳;海洋生物的质量不到陆地生物的 1%,图中未显示。累积的植物和动物死有机物质超过生物圈质量的近 3 倍,由于这种物质不再与其环境进行碳交换,因此它的 14C/12C 比率低于生物圈.生活在海洋表面的生物与它们生活在水中的生物具有相同的 14C 比率,由于 14C/12C 比率降低,海洋生物的放射性碳年龄通常约为 400 年。陆地上的生物与大气处于更接近的平衡状态,并且具有与大气相同的 14C/12C 比率。这些生物体含有约 1.3% 的储层碳;海洋生物的质量不到陆地生物的 1%,图中未显示。累积的植物和动物死有机物质超过生物圈质量的近 3 倍,由于这种物质不再与其环境进行碳交换,因此它的 14C/12C 比率低于生物圈.海洋生物的放射性碳年龄通常约为 400 年。陆地上的生物与大气处于更接近的平衡状态,并且具有与大气相同的 14C/12C 比率。这些生物体含有约 1.3% 的储层碳;海洋生物的质量不到陆地生物的 1%,图中未显示。累积的植物和动物死有机物质超过生物圈质量的近 3 倍,由于这种物质不再与其环境进行碳交换,因此它的 14C/12C 比率低于生物圈.海洋生物的放射性碳年龄通常约为 400 年。陆地上的生物与大气处于更接近的平衡状态,并且具有与大气相同的 14C/12C 比率。这些生物体含有约 1.3% 的储层碳;海洋生物的质量不到陆地生物的 1%,图中未显示。累积的植物和动物死有机物质超过生物圈质量的近 3 倍,由于这种物质不再与其环境进行碳交换,因此它的 14C/12C 比率低于生物圈.海洋生物的质量不到陆地生物的 1%,图中未显示。累积的植物和动物死有机物质超过生物圈质量的近 3 倍,由于这种物质不再与其环境进行碳交换,因此它的 14C/12C 比率低于生物圈.海洋生物的质量不到陆地生物的 1%,图中未显示。累积的植物和动物死有机物质超过生物圈质量的近 3 倍,由于这种物质不再与其环境进行碳交换,因此它的 14C/12C 比率低于生物圈.

约会注意事项

碳交换库不同部分的 14C/12C 比率的变化意味着根据样品所含 14C 的量直接计算样品的年龄通常会得到不正确的结果。还有几个其他可能的错误来源需要考虑。误差有四种一般类型:大气中 14C/12C 比率的变化,无论是地理上的还是时间上的;同位素分馏;储层不同部位 14C/12C 比率的变化;污染。

大气变化

在使用该技术的早期,人们了解到它取决于大气中 14C/12C 的比率在过去几千年中保持不变。为了验证该方法的准确性,测试了一些可以通过其他技术获得数据的人工制品;测试结果与物体的真实年龄相吻合。然而,随着时间的推移,埃及最古老王朝的已知年表与埃及人工制品的放射性碳年代之间开始出现差异。先前存在的埃及年表和新的放射性碳测年方法都不能被认为是准确的,但第三种可能性是 14C/12C 的比率随着时间的推移而发生了变化。这个问题通过对树木年轮的研究得到了解决:比较重叠系列的年轮可以构建跨越 8,000 年的连续年轮数据序列。 (从那时起,树木年轮数据系列已经扩展到 13,900 年。)在 1960 年代,汉斯·苏斯能够使用树木年轮序列来证明从放射性碳中得出的日期与埃及学家指定的日期一致。这是可能的,因为尽管一年生植物(例如玉米)的 14C/12C 比率反映了它们生长时的大气比率,但树木只会在任何给定年份向其最外层的年轮添加材料,而内层的年轮则不会不要让他们的 14C 得到补充,而是通过衰减开始失去 14C。因此,每个环都保留了它生长年份的大气 14C/12C 比率的记录。对树木年轮本身的木材进行碳测年提供了对大气 14C/12C 比率所需的检查:使用已知日期的样本,以及 N 值的测量值(样本中剩余的 14C 原子数),碳定年方程允许计算 N0——树木年轮形成时样品中 14C 的原子数——以及当时大气中的 14C/12C 比率。有了对树木年轮进行碳定年的结果,就可以构建校准曲线,以纠正由 14C/12C 比率随时间变化引起的误差。这些曲线在下面更详细地描述。煤炭和石油在 19 世纪开始大量燃烧。两者都足够老,以至于它们几乎不含或没有可检测到的 14C,因此,释放的 CO2 大大稀释了大气 14C/12C 的比率。因此,对 20 世纪初的物体进行测年会给出比真实日期更早的明显日期。出于同样的原因,大城市附近的 14C 浓度低于大气平均值。如果来自化石燃料的额外碳分布在整个碳交换库中,这种化石燃料效应(也称为 Suess 效应,以 Hans Suess 于 1955 年首次报道该效应之后)只会使 14C 活动减少 0.2%,但由于与深海混合的时间较长,实际效果是减少了3%。更大的效果来自地面核试验,它向大气中释放了大量中子,从而产生了14C .从大约 1950 年到 1963 年,当大气核试验被禁止时,估计产生了数吨 14C。如果所有这些额外的 14C 立即分布在整个碳交换库中,它会导致 14C/12C 比率仅增加几个百分点,但立即的效果是几乎使整个碳交换库中的 14C 数量增加了一倍。大气层,北半球的峰值出现在 1964 年,南半球的峰值出现在 1966 年。此后液位下降,因为这种炸弹脉冲或“炸弹碳”(有时被称为)渗透到水库的其余部分。它会导致 14C/12C 比率仅增加几个百分点,但直接影响是大气中的 14C 含量几乎翻了一番,峰值水平出现在 1964 年北半球,而1966 年为南半球。此后液位下降,因为这种炸弹脉冲或“炸弹碳”(有时被称为)渗透到水库的其余部分。它会导致 14C/12C 比率仅增加几个百分点,但直接影响是大气中的 14C 含量几乎翻了一番,峰值水平出现在 1964 年北半球,而1966 年为南半球。此后液位下降,因为这种炸弹脉冲或“炸弹碳”(有时被称为)渗透到水库的其余部分。

同位素分馏

光合作用是碳从大气进入生物体的主要过程。在光合作用途径中,12C 比 13C 更容易被吸收,而 13C 又比 14C 更容易被吸收。三种碳同位素的不同吸收导致植物中的 13C/12C 和 14C/12C 比率与大气中的比率不同。这种效应称为同位素分馏。为了确定给定植物中发生的分馏程度,测量 12C 和 13C 同位素的量,然后将所得 13C/12C 比率与称为 PDB 的标准比率进行比较.使用 13C/12C 比率代替 14C/12C,因为前者更容易测量,而后者可以很容易地推导出:13C 相对于 12C 的消耗量与两种同位素的原子质量差异成正比,因此 14C 的消耗量是 13C 消耗量的两倍。 13C 的分馏,称为 δ13C,计算如下:δ C 13 ( ( C 13 C 12) 样品 ( C 13 C 12) 标准 − 1 ) × 1000 {\displaystyle \delta {\ce {^{13}C}}\left({\frac {\left({\frac {{\ce {^{13}C}}} {\ce {^{12}C}}}}\right)_{\text{sample}}}{\left({\frac {{\ce {^{13}C}}}{{\ce { ^{12}C}}}}\right)_{\text{standard}}}}-1\right)\times 1000} ‰,‰ 符号表示千分之几。由于 PDB 标准中 13C 的比例异常高,因此大多数测量的 δ13C 值为负。对于海洋生物,光合作用反应的细节了解较少,海洋光合生物的 δ13C 值取决于温度。在较高温度下,CO2 在水中的溶解度较差,这意味着可用于光合反应的 CO2 较少。在这些条件下,分馏减少,在高于 14 °C 的温度下,δ13C 值相应更高,而在较低温度下,CO2 变得更易溶解,因此更容易被海洋生物利用。动物的 δ13C 值取决于它们的饮食。食用 δ13C 值高的食物的动物将比食用 δ13C 值低的食物的动物具有更高的 δ13C。动物自身的生化过程也会影响结果:例如,骨矿物质和骨胶原蛋白的 13C 浓度通常高于动物饮食中的 13C,尽管其生化原因不同。骨 13C 的富集也意味着排泄物在 13C 中相对于饮食耗尽。由于 13C 占样品中碳的约 1%,因此可以通过质谱法准确测量 13C/12C 比率。 δ13​​C 的典型值已通过许多植物以及动物不同部位(如骨胶原)的实验发现,但在确定给定样品的年代时,最好直接确定该样品的 δ13C 值,而不是依赖已发表的值。大气 CO2 和海洋表面碳酸盐之间的碳交换也受到分馏,大气中的 14C 比 12C 更可能溶解在海洋中。结果是海洋中的 14C/12C 比率相对于大气中的 14C/12C 比率总体增加了 1.5%。这种 14C 浓度的增加几乎完全抵消了由深海中的水(含有旧的,因此耗尽 14C 的碳)上涌引起的减少,因此 14C 辐射的直接测量与其余部分的测量相似。生物圈。校正同位素分馏,正如对所有放射性碳日期所做的那样,以便比较来自生物圈不同部分的结果,得出海洋表面水的表观年龄约为 400 年。正如对所有放射性碳日期所做的那样,以便比较来自生物圈不同部分的结果,海洋表面水的表观年龄约为 400 年。正如对所有放射性碳日期所做的那样,以便比较来自生物圈不同部分的结果,海洋表面水的表观年龄约为 400 年。

水库效应

Libby 最初的交换油藏假设假设交换油藏中的 14C/12C 比率在全世界都是恒定的,但后来发现有多种原因会导致整个油藏的比率发生变化。

海洋效应

大气中的二氧化碳通过溶解在地表水中的碳酸盐和碳酸氢根离子转移到海洋中;与此同时,水中的碳酸根离子以 CO2 的形式返回到空气中。这种交换过程将大气中的 14C 带入海洋表层水域,但由此引入的 14C 需要很长时间才能渗透到整个海洋中。海洋最深处与地表水混合非常缓慢,而且混合不均匀。将深水带到地表的主要机制是上升流,这在靠近赤道的地区更为常见。上升流还受到当地海底和海岸线地形、气候和风模式等因素的影响。总体,深水和地表水混合所需的时间远远长于大气二氧化碳与地表水的混合,因此一些深海区域的水的表观放射性碳年龄为数千年。上升流将这种“旧”水与地表水混合,使地表水的表观年龄约为数百年(在校正分馏后)。这种效应并不统一——平均效应约为 400 年,但地理上彼此接近的地区存在数百年的局部偏差。这些偏差可以在校准中考虑在内,并且 CALIB 等软件的用户可以将其样本位置的适当校正作为输入提供。这种效应也适用于贝壳等海洋生物,以及鲸鱼和海豹等海洋哺乳动物,它们的放射性碳年龄似乎有数百年的历史。

半球效应

北半球和南半球的大气环流系统彼此足够独立,两者之间的混合存在明显的时间滞后。南半球的大气 14C/12C 比率较低,与北方相比,南方放射性碳结果的表观年龄增加了约 40 年。这是因为南半球更大的海洋表面积意味着海洋和大气之间的碳交换比北半球多。由于海洋效应导致表层海洋中 14C 消耗殆尽,因此 14C 从南部大气中去除的速度比北部快。南极洲周围的强烈上升流加强了这种影响。

其他效果

如果淡水中的碳部分是从岩石等老化碳中获得的,那么结果将是水中 14C/12C 的比率降低。例如,流经石灰岩的河流,石灰岩主要由碳酸钙组成,将获得碳酸根离子。类似地,地下水可能含有来自它所经过的岩石的碳。这些岩石通常非常古老,不再含有任何可测量的 14C,因此这种碳会降低其进入的水的 14C/12C 比率,这可能导致受影响的水、植物和淡水的表观年龄为数千年生活在其中的生物。这被称为硬水效应,因为它通常与钙离子有关,钙离子是硬水的特征;其他碳源如腐殖质也能产生类似的结果,如果它们的起源比样本更近,也可以降低表观年龄。效果差异很大,没有通用的偏移量可以应用;通常需要额外的研究来确定偏移量的大小,例如通过比较沉积的淡水贝壳的放射性碳年龄与相关的有机材料。火山喷发将大量碳排放到空气中。碳是地质来源的,没有可检测到的 14C,因此火山附近的 14C/12C 比率相对于周围地区较低。休眠火山也会排放老化的碳。光合作用这种碳的植物也具有较低的 14C/12C 比率:例如,发现亚速尔群岛 Furnas 火山口附近的植物的表观年龄从 250 年到 3320 年不等。效果差异很大,没有通用的偏移量可以应用;通常需要额外的研究来确定偏移量的大小,例如通过比较沉积的淡水贝壳的放射性碳年龄与相关的有机材料。火山喷发将大量碳排放到空气中。碳是地质来源的,没有可检测到的 14C,因此火山附近的 14C/12C 比率相对于周围地区较低。休眠火山也会排放老化的碳。光合作用这种碳的植物也具有较低的 14C/12C 比率:例如,发现亚速尔群岛 Furnas 火山口附近的植物的表观年龄从 250 年到 3320 年不等。效果差异很大,没有通用的偏移量可以应用;通常需要额外的研究来确定偏移量的大小,例如通过比较沉积的淡水贝壳的放射性碳年龄与相关的有机材料。火山喷发将大量碳排放到空气中。碳是地质来源的,没有可检测到的 14C,因此火山附近的 14C/12C 比率相对于周围地区较低。休眠火山也会排放老化的碳。光合作用这种碳的植物也具有较低的 14C/12C 比率:例如,发现亚速尔群岛 Furnas 火山口附近的植物的表观年龄从 250 年到 3320 年不等。通常需要额外的研究来确定偏移量的大小,例如通过比较沉积的淡水贝壳的放射性碳年龄与相关的有机材料。火山喷发将大量碳排放到空气中。碳是地质来源的,没有可检测到的 14C,因此火山附近的 14C/12C 比率相对于周围地区较低。休眠火山也会排放老化的碳。光合作用这种碳的植物也具有较低的 14C/12C 比率:例如,发现亚速尔群岛 Furnas 火山口附近的植物的表观年龄从 250 年到 3320 年不等。通常需要额外的研究来确定偏移量的大小,例如通过比较沉积的淡水贝壳的放射性碳年龄与相关的有机材料。火山喷发将大量碳排放到空气中。碳是地质来源的,没有可检测到的 14C,因此火山附近的 14C/12C 比率相对于周围地区较低。休眠火山也会排放老化的碳。光合作用这种碳的植物也具有较低的 14C/12C 比率:例如,发现亚速尔群岛 Furnas 火山口附近的植物的表观年龄从 250 年到 3320 年不等。火山喷发将大量碳排放到空气中。碳是地质来源的,没有可检测到的 14C,因此火山附近的 14C/12C 比率相对于周围地区较低。休眠火山也会排放老化的碳。光合作用这种碳的植物也具有较低的 14C/12C 比率:例如,发现亚速尔群岛 Furnas 火山口附近的植物的表观年龄从 250 年到 3320 年不等。火山喷发将大量碳排放到空气中。碳是地质来源的,没有可检测到的 14C,因此火山附近的 14C/12C 比率相对于周围地区较低。休眠火山也会排放老化的碳。光合作用这种碳的植物也具有较低的 14C/12C 比率:例如,发现亚速尔群岛 Furnas 火山口附近的植物的表观年龄从 250 年到 3320 年不等。发现亚速尔群岛 Furnas 火山口附近的植物的表观年龄从 250 年到 3320 年不等。发现亚速尔群岛 Furnas 火山口附近的植物的表观年龄从 250 年到 3320 年不等。

污染

向不同年代的样品添加任何碳都会导致测量日期不准确。现代碳污染导致样品看起来比实际更年轻:旧样品的影响更大。如果一个 17,000 年前的样本被污染,以至于样本的 1% 是现代碳,那么它看起来会年轻 600 年;对于 34,000 年历史的样本,同样数量的污染将导致 4,000 年的误差。被旧碳污染,没有剩余 14C,会导致另一个方向的错误,与年龄无关——被 1% 旧碳污染的样品看起来比实际年龄大 80 岁,无论样品的日期如何。

样品

测年样品需要转换成适合测量14C含量的形式;这可能意味着转换为气体、液体或固体形式,具体取决于要使用的测量技术。在此之前,必须对样品进行处理以去除任何污染物和任何不需要的成分。这包括去除可见的污染物,例如自样品埋藏以来可能已经穿透样品的根部。碱洗和酸洗可用于去除腐殖酸和碳酸盐污染,但必须小心避免去除样品中含有待测碳的部分。

材料考虑

通常在测试前将木材样品减少到仅包含纤维素成分,但由于这可以将样品的体积减少到其原始尺寸的 20%,因此通常也会对整个木材进行测试。木炭通常经过测试,但可能需要进行处理以去除污染物。可以测试未烧焦的骨头;通常使用胶原蛋白对其进行约会,胶原蛋白是洗去骨骼结构材料后残留的蛋白质部分。羟脯氨酸是骨骼中的组成氨基酸之一,曾被认为是一个可靠的指标,因为除了骨骼之外,它不为人知,但后来在地下水中被检测到。对于烧焦的骨头,可测试性取决于骨头被烧毁的条件。如果骨头在还原条件下加热,它(和相关的有机物质)可能已经碳化。在这种情况下,样本通常是可用的。海洋和陆地生物的壳几乎完全由碳酸钙组成,可以是文石或方解石,也可以是两者的某种混合物。碳酸钙极易溶解和重结晶;重结晶的材料将包含来自样品环境的碳,这可能是地质来源。如果测试重结晶壳是不可避免的,有时可以从一系列测试中识别原始壳材料。也可以测试贝壳蛋白,一种在壳中发现的有机蛋白质,但它仅占壳材料的 1-2%。泥炭的三个主要成分是腐殖酸、腐殖质和富里酸。这些,腐殖质给出了最可靠的日期,因为它们不溶于碱并且不太可能包含来自样品环境的污染物。干泥炭的一个特别困难是去除小根,这可能很难与样品材料区分开来。土壤中含有有机物质,但由于可能受到较新来源的腐植酸污染,因此很难获得令人满意的放射性碳日期。最好对土壤中的有机碎片进行筛分,并用能够容忍小样本量的方法对碎片进行年代测定。其他已成功测年的材料包括象牙、纸张、纺织品、单个种子和谷物、泥砖中的稻草以及陶器中发现的烧焦的食物残骸。干泥炭的一个特别困难是去除小根,这可能很难与样品材料区分开来。土壤中含有有机物质,但由于可能受到较新来源的腐植酸污染,因此很难获得令人满意的放射性碳日期。最好对土壤中的有机碎片进行筛分,并用能够容忍小样本量的方法对碎片进行年代测定。其他已成功测年的材料包括象牙、纸张、纺织品、单个种子和谷物、泥砖中的稻草以及陶器中发现的烧焦的食物残骸。干泥炭的一个特别困难是去除小根,这可能很难与样品材料区分开来。土壤中含有有机物质,但由于可能受到较新来源的腐植酸污染,因此很难获得令人满意的放射性碳日期。最好对土壤中的有机碎片进行筛分,并用能够容忍小样本量的方法对碎片进行年代测定。其他已成功测年的材料包括象牙、纸张、纺织品、单个种子和谷物、泥砖中的稻草以及陶器中发现的烧焦的食物残骸。很难获得令人满意的放射性碳日期。最好对土壤中的有机碎片进行筛分,并用能够容忍小样本量的方法对碎片进行年代测定。其他已成功测年的材料包括象牙、纸张、纺织品、单个种子和谷物、泥砖中的稻草以及陶器中发现的烧焦的食物残骸。很难获得令人满意的放射性碳日期。最好对土壤中的有机碎片进行筛分,并用能够容忍小样本量的方法对碎片进行年代测定。其他已成功测年的材料包括象牙、纸张、纺织品、单个种子和谷物、泥砖中的稻草以及陶器中发现的烧焦的食物残骸。

准备和大小

特别是对于较旧的样品,在测试前富集样品中 14C 的含量可能很有用。这可以通过热扩散柱来完成。该过程需要大约一个月的时间,并且需要的样本量大约是其他情况下所需的 10 倍,但它可以更精确地测量旧材料中的 14C/12C 比率,并延长可以可靠报告的最大年龄。一旦污染发生被移除,样品必须转换成适合所用测量技术的形式。在需要气体的地方,CO2 被广泛使用。对于用于液体闪烁计数器的样品,碳必须是液体形式;样品通常会转化为苯。对于加速器质谱,固体石墨靶是最常见的,但也可以使用气态 CO2。测试所需的材料数量取决于样本类型和所使用的技术。有两种类型的测试技术:记录放射性的探测器,称为β计数器,以及加速器质谱仪。对于 Beta 计数器,通常需要至少 10 克(0.35 盎司)的样品。加速器质谱法灵敏度更高,可以使用低至 0.5 毫克碳的样品。可以使用5毫克碳。可以使用5毫克碳。

测量和结果

在利比进行第一次放射性碳测年实验后的几十年里,测量样品中 14C 的唯一方法是检测单个碳原子的放射性衰变。在这种方法中,测量的是样品的活性,以每单位质量每时间段的衰变事件数表示。这种方法也被称为“β计数”,因为检测的是衰变的14C原子发出的β粒子。在 1970 年代后期,出现了一种替代方法:通过加速器质谱法(通常称为 AMS)直接计算给定样品中 14C 和 12C 原子的数量。 AMS 直接计算 14C/12C 比值,而不是样品的活度,但活度的测量值和 14C/12C 比值可以准确地相互转换。有一段时间,Beta 计数方法比 AMS 更准确,但 AMS 现在更准确并已成为放射性碳测量的首选方法。除了提高准确度之外,AMS 与 Beta 计数相比还有两个显着优势:它可以对太小而无法进行 Beta 计数的样本进行准确测试,而且速度更快——使用 AMS 可以在几分钟内达到 1% 的准确度,从而比使用旧技术可实现的速度要快得多。这比使用旧技术实现的要快得多。这比使用旧技术实现的要快得多。

贝塔计数

利比的第一个探测器是他自己设计的盖革计数器。他将样品中的碳转化为灯黑(煤烟)并用它涂在圆柱体的内表面。将该圆柱体插入计数器中,使计数线位于样品圆柱体内部,以便样品和线之间不存在材料。任何中间材料都会干扰放射性的检测,因为衰变 14C 发出的 β 粒子非常微弱,一半会被 0.01 毫米厚的铝阻挡。Libby 的方法很快被气体正比计数器取代,后者受到的影响较小炸弹碳(核武器试验产生的额外 14C)。这些计数器记录了由衰变的 14C 原子发出的 β 粒子引起的电离爆发;爆发与粒子的能量成正比,因此可以识别并忽略其他电离源,例如背景辐射。计数器被铅或钢屏蔽包围,以消除背景辐射并减少宇宙射线的发生。此外,还使用了反符合检测器;这些在计数器外记录的事件以及在计数器内外同时记录的任何事件都被视为无关事件而被忽略。用于测量 14C 活性的另一种常用技术是液体闪烁计数,它于 1950 年发明,但必须等到 1960 年代初期,开发出有效的苯合成方法时,才能与气体计数竞争;1970 年后,液体计数器成为新建测年实验室更常见的技术选择。计数器的工作原理是检测由 14C 发射的 β 粒子在与添加到苯中的荧光剂相互作用时引起的闪光。与气体计数器一样,液体闪烁计数器需要屏蔽和反重合计数器。对于气体正比计数器和液体闪烁计数器,测量的是在给定时间段内检测到的 β 粒子数。由于样品的质量是已知的,因此可以将其转换为以每分钟每克碳的计数 (cpm/g C) 或每千克贝克勒尔 (Bq/kg C,SI 单位) 为单位的标准活动量度)。每个测量设备还用于测量空白样品的活性 - 由足够老的没有活性的碳制备的样品。这为背景辐射提供了一个值,必须从测得的样品的测得活性中减去该值才能得到仅归因于该样品的 14C 的活性。此外,测量具有标准活性的样品,以提供用于比较的基线。

加速器质谱

AMS 计算给定样品中 14C 和 12C 的原子数,直接确定 14C/12C 的比率。样品通常以石墨的形式出现,发射出 C- 离子(带单个负电荷的碳原子),然后注入加速器。离子被加速并通过剥离器,剥离器去除几个电子,使离子带正电荷出现。根据加速器设计,这些离子可能带有 1 到 4 个正电荷(C+ 到 C4+),然后通过一个弯曲路径的磁铁;较重的离子比较轻的离子弯曲得更小,因此不同的同位素作为单独的离子流出现。然后粒子检测器记录在 14C 流中检测到的离子数量,但由于 12C(和校准所需的 13C)的体积对于单个离子检测来说太大了,计数是通过测量法拉第杯中产生的电流来确定的。剥离剂引起的大正电荷迫使分子(例如 13CH 的重量足够接近 14C 以干扰测量)解离,因此它们未被检测到。大多数 AMS 机器还测量样品的 δ13C,用于计算样品的放射性碳年龄。与简单形式的质谱法相反,使用 AMS 是必要的,因为需要将碳同位素与质量非常接近的其他原子或分子(例如 14N 和 13CH)区分开来。与β计数一样,空白样品和标准样品都被使用。可以测量两种不同的空白:未经化学处理的死碳样品,用于检测任何机器背景,和称为工艺空白的样品,由死碳制成,以与正在测年的样品完全相同的方式加工成目标材料。来自机器背景空白的任何 14C 信号可能是由未遵循检测器内预期路径的离子束或由碳氢化物(例如 12CH2 或 13CH)引起的。来自过程空白的 14C 信号测量样品制备过程中引入的污染物量。这些测量值用于随后计算样品的年龄。来自机器背景空白的任何 14C 信号可能是由未遵循检测器内预期路径的离子束或由碳氢化物(例如 12CH2 或 13CH)引起的。来自过程空白的 14C 信号测量样品制备过程中引入的污染物量。这些测量值用于随后计算样品的年龄。来自机器背景空白的任何 14C 信号可能是由未遵循检测器内预期路径的离子束或由碳氢化物(例如 12CH2 或 13CH)引起的。来自过程空白的 14C 信号测量样品制备过程中引入的污染物量。这些测量值用于随后计算样品的年龄。

计算

对测量结果进行的计算取决于所使用的技术,因为 β 计数器测量样品的放射性,而 AMS 确定样品中三种不同碳同位素的比率。 β计数,必须找到其活性与标准活性的比率。为了确定这一点,测量空白样品(旧的或死的碳),并测量已知活性的样品。额外的样本允许检测和纠正实验室设置中的错误,例如背景辐射和系统错误。最常见的标准样品材料是草酸,如 HOxII 标准,1,其中 000 lb 由美国国家标准与技术研究院 (NIST) 于 1977 年从法国甜菜收获中制备。 AMS 测试的结果以 12C、13C 和 14C 的比率形式表示,用于计算 Fm, “现代分数”。这被定义为样品中的 14C/12C 比率与现代碳中的 14C/12C 比率之间的比率,后者又被定义为 14C/12C 比率,如果没有化石燃料影响,该比率将在 1950 年测量.Beta 计数和 AMS 结果都必须针对分馏进行校正。这是必要的,因为相同年龄的不同材料,由于分馏而具有自然不同的 14C/12C 比率,由于以 14C/12C 比率作为年龄指标,因此会显得具有不同的年龄。为了避免这种情况,所有放射性碳测量值都转换为样品由木材制成的测量值,其已知 δ13C 值为 -25‰。一旦知道校正的 14C/12C 比值,“放射性碳年龄”计算如下: : Age − ln ⁡ ( Fm ) ⋅ 8033 years {\displaystyle {\text{Age}}-\ln({\text{Fm}})\cdot 8033{\text{ years}}} 计算使用8,033年,平均寿命来自利比的半衰期 5,568 年,而不是 8,267 年,平均寿命来自更准确的现代值 5,730 年。 Libby 的半衰期值用于保持与早期放射性碳测试结果的一致性;校准曲线包括对此的修正,因此可以确保最终报告的日历年龄的准确性。

错误和可靠性

延长测试时间可以提高结果的可靠性。例如,如果计算 250 分钟的 β 衰变足以给出 ± 80 年的误差,并且有 68% 的置信度,那么将计数时间加倍到 500 分钟将允许使用相同的 14C 测量只有一半的样品。 80 年的误差期限。放射性碳测年通常仅限于对不超过 50,000 年的样本进行测年,因为比这更旧的样本 14C 不足以进行测量。较早的数据是通过使用特殊的样品制备技术、大样品和非常长的测量时间获得的。这些技术可以测量距今 60,000 年甚至更早 75,000 年的日期。放射性碳日期通常以平均值两侧的一个标准偏差范围(通常用希腊字母 sigma 表示为 1σ)表示。然而,1σ 的日期范围仅代表 68% 的置信水平,因此被测量对象的真实年龄可能位于引用的日期范围之外。 1970 年,大英博物馆放射性碳实验室进行的一项实验证明了这一点,其中每周对同一样品进行六个月的测量。结果差异很大(尽管与测量误差的正态分布一致),并且包括多个彼此不重叠的日期范围(1σ 置信度)。测量包括一个范围从大约 4250 到大约 4390 年前的测量结果,另一个测量范围从大约 4520 到大约 4690 年前。程序中的错误也可能导致结果中的错误。如果现代参考样品中 1% 的苯意外蒸发,闪烁计数将得出放射性碳年龄约 80 岁。

校准

上面给出的计算产生了放射性碳年的日期:即,如果 14C/12C 比率在历史上是恒定的,则代表样本年龄的日期。尽管利比早在 1955 年就指出这一假设可能不正确,但直到测量的年龄和已知的人工制品历史日期之间的差异开始累积时,才清楚地表明需要对放射性碳年龄进行更正以获取日历日期。要生成可用于将日历年与放射性碳年相关联的曲线,需要一系列安全日期的样本,可以对其进行测试以确定其放射性碳年龄。对树木年轮的研究导致了第一个这样的序列:由于特定年份的降雨量等环境因素,单个木块显示出不同厚度的环的特征序列。这些因素会影响一个地区的所有树木,因此检查旧木材的年轮序列可以识别重叠序列。通过这种方式,一个不间断的年轮序列可以延伸到很远的过去。第一个这样发表的序列,基于狐尾松树年轮,是由韦斯利弗格森创建的。 Hans Suess 于 1967 年使用这些数据发表了第一条放射性碳测年校准曲线。该曲线显示了直线的两种变化类型:周期约为 9,000 年的长期波动和短期变化,通常被称为以“摆动”为周期,以几十年为周期。苏斯说,他画了一条线,显示了“宇宙 schwung”的摆动,他的意思是这些变化是由外星力量引起的。有一段时间不清楚这些摆动是否真实,但现在它们已经确立。在 Hessel de Vries 之后,校准曲线的这些短期波动现在被称为 de Vries 效应。校准曲线的使用是通过获取实验室报告的放射性碳日期并在图表的垂直轴上读取该日期。这条水平线与曲线相交的点将在水平轴上给出样本的日历年龄。这与构建曲线的方式相反:图上的点来自已知年龄的样本,例如年轮;当它被测试时,由此产生的放射性碳年龄为图表提供了一个数据点。在接下来的三十年中,使用各种方法和统计方法发表了许多校准曲线。这些被 IntCal 系列曲线取代,从 1998 年发布的 IntCal98 开始,并在 2004、2009、2013 和 2020 年更新。对这些曲线的改进基于从树木年轮、斑纹、珊瑚、植物收集的新数据大型化石、洞穴动物和有孔虫。 IntCal20 数据包括北半球和南半球的单独曲线,因为由于半球效应,它们系统地不同。南部曲线 (SHCAL20) 在可能的情况下基于独立数据,并通过添加没有直接数据的南半球的平均偏移量从北部曲线得出。还有一个单独的海洋校准曲线,MARINE20。对于形成具有已知时间间隔的序列的一组样品,这些样品形成校准曲线的子集。可以将序列与校准曲线进行比较,并与建立的序列进行最佳匹配。这种“摆动匹配”技术可以实现比单个放射性碳测年更精确的测年。摆动匹配可用于校准曲线上存在平台的地方,因此可以提供比截距或概率方法能够产生的准确得多的日期。该技术不仅限于年轮;例如,新西兰的分层 tephra 序列,据信早于人类在这些岛屿上的殖民,通过摆动匹配可以追溯到公元 1314 年 ± 12 年。摆动还意味着从校准曲线中读取日期可以给出多个答案:当曲线上下摆动足以使放射性碳年龄在多个位置截获曲线时会发生这种情况,这可能导致放射性碳结果为报告为两个独立的年龄范围,对应于放射性碳年龄截取的曲线的两个部分。当有几个放射性碳日期要校准时,可以应用贝叶斯统计技术。例如,如果从地层序列中的不同级别获取一系列放射性碳日期,则可以使用贝叶斯分析来评估异常值日期,并可以根据序列应及时排序的先验信息来计算改进的概率分布.当贝叶斯分析被引入时,它的使用受到需要使用大型计算机来执行计算的限制,但此技术已在个人计算机可用的程序上实现,例如 OxCal。

报告日期

自从第一个样本确定日期以来,已经使用了几种引用放射性碳结果的格式。截至2019年,Radiocarbon杂志要求的标准格式如下。 未校准日期应报告为“实验室:14C年份±范围BP”,其中:实验室标识测试样品的实验室,样品ID 14C年份为实验室对样品年龄的测定,在放射性碳年范围内是实验室对年龄误差的估计,置信度为 1σ。 'BP'代表“before present”,指的是1950年的参考日期,所以“500 BP”表示公元1450年。例如,未校准的日期“UtC-2020: 3510 ± 60 BP”表示样品由乌得勒支范德格拉夫实验室(“UtC”)测试,其中样本编号为“2020”,未校准年龄为现在之前的 3510 年,±60 年。有时会使用相关的形式:例如,“10 ka BP”表示现在之前的 10,000 个放射性碳年(即公元前 8,050 年),“14C yr BP”可用于区分未校准的日期和从另一种测年方法得出的日期,例如热释光。校准的 14C 日期经常被报告为“cal BP”、“cal BC”或“cal AD”,同样“BP”指的是 1950 年作为零日期。放射性碳为报告校准日期提供了两种选择。一种常见的格式是“cal date-range confidence”,其中: date-range 是给定置信度对应的日期范围 置信度表示给定日期范围的置信度。例如,“cal 1220–1281 AD (1σ)”表示真实日期介于公元 1220 年和公元 1281 年之间的校准日期,置信水平为“1 西格玛”,即大约 68%。校准日期也可以表示为“BP”,而不是使用“BC”和“AD”。用于校准结果的曲线应该是最新可用的 IntCal 曲线。校准日期还应标识用于执行校准的任何程序,例如 OxCal。此外,2014 年 Radiocarbon 中关于放射性碳日期报告约定的一篇文章建议应提供有关样品处理的信息,包括样品材料、预处理方法和质量控制测量;对用于校准的软件的引用应指定版本号和使用的任何选项或模型;并且校准日期应该与每个范围的相关概率一起给出。

在考古学中的应用

解释

解释放射性碳日期的一个关键概念是考古关联:考古遗址中两个或多个物体之间的真正关系是什么?经常发生放射性碳测年的样本可以直接从感兴趣的对象中获取,但也有很多情况是不可能的。例如,金属坟墓物品不能进行放射性碳测年,但它们可能会在棺材、木炭或其他可以假定已同时存放的材料的坟墓中找到。在这些情况下,棺材或木炭的日期表示坟墓物品的存放日期,因为两者之间存在直接的功能关系。也有没有函数关系但关联相当强的情况:例如,垃圾坑中的一层木炭提供了与垃圾坑相关的日期。在对从考古发掘中获得的非常古老的材料进行年代测定时,污染尤其令人担忧,并且在标本选择和制备中需要非常小心。 2014 年,托马斯·海厄姆 (Thomas Higham) 及其同事提出,由于受到“年轻碳”的污染,许多尼安德特人文物的发布日期都太近了。随着树木的生长,只有最外层的年轮与环境交换碳,因此年龄木材样品的测量取决于样品的来源。这意味着木材样品上的放射性碳日期可能比树木被砍伐的日期更早。此外,如果一块木头有多种用途,从砍伐树木到在其发现地的环境中最终使用之间可能存在显着延迟。这通常被称为“旧木材”问题。一个例子是英格兰 Withy Bed Copse 的青铜时代轨道;轨道是用木材建造的,这些木材在重新用于轨道之前显然已经用于其他目的。另一个例子是浮木,它可以用作建筑材料。并非总是可以识别重复使用。其他材料可能会出现同样的问题:例如,已知一些新石器时代社区使用沥青来防水篮子;无论环境的实际年龄如何,沥青的放射性碳年龄都将大于实验室可测量的年龄,因此如果不小心,测试篮子材料会产生误导性的年龄。另一个与重复使用相关的问题是长时间使用或延迟沉积。例如,长时间使用的木制物品的表观年龄将大于其存放环境的实际年龄。

Use outside archaeology

考古学并不是唯一使用放射性碳测年的领域。例如,放射性碳测年还可用于地质学、沉积学和湖泊研究。使用 AMS 对微小样本进行测年的能力意味着古植物学家和古气候学家可以直接对从沉积物序列中纯化的花粉或少量植物材料或木炭使用放射性碳测年。从感兴趣的地层中回收的有机材料的日期可用于将不同位置的地层关联起来,这些地层在地质基础上似乎相似。一个地点的测年材料提供了另一地点的日期信息,日期也用于在整体地质时间线中放置地层。 放射性碳还用于确定生态系统释放的碳的年代,特别是监测先前因人为干扰或气候变化而储存在土壤中的旧碳的释放。现场收集技术的最新进展还允许对重要的温室气体甲烷和二氧化碳进行放射性碳测年。

Notable applications

Pleistocene/Holocene boundary in Two Creeks Fossil Forest

更新世是一个地质时代,开始于大约 260 万年前。全新世,当前的地质时代,开始于大约 11,700 年前更新世结束时。在 20 世纪的大部分时间里,尽可能准确地确定这一边界的日期——这是由气候急剧变暖所定义的——一直是地质学家的目标。在威斯康星州的两溪,发现了一片化石森林(两溪掩埋森林州立自然区),随后的研究确定森林的破坏是由瓦尔德斯冰层回退造成的,这是冰的最后一次南移结束前的最后一次南移。该地区的更新世。在放射性碳测年出现之前,已通过将两溪每年沉积的沉积层序列与斯堪的纳维亚的序列相关联来确定树木化石的年代。这导致人们估计这些树木的年龄在 24,000 到 19,000 年之间,因此这被认为是威斯康星冰川在其最终退缩标志着北美更新世结束之前最后一次推进的日期。 1952 年,Libby 公布了来自两个小溪站点和附近两个类似站点的几个样本的放射性碳日期;日期平均为 11,404 BP,标准误差为 350 年。由于尚未了解校准放射性碳年龄的必要性,因此该结果未经校准。未来十年的进一步结果支持平均日期为 11,350 BP,结果被认为是最准确的平均 11,600 BP。曾从事斯堪的纳维亚 varve 系列研究的古植物学家恩斯特·安特夫斯 (Ernst Antevs) 最初对这些结果表示反对,但他的反对意见最终被其他地质学家驳回。在 1990 年代用 AMS 测试样品,产生(未校准)日期范围从 11,640 BP 到 11,800 BP,两者的标准误差均为 160 年。随后,来自化石森林的样本用于实验室间测试,结果由 70 多个实验室提供。这些测试产生的中位年龄为 11,788 ± 8 BP(2σ 置信度),校准后给出的日期范围为 13,730 至 13,550 cal BP。两溪放射性碳年代现在被认为是发展现代对更新世末期北美冰川作用的理解的关键结果。来自化石森林的样本用于实验室间测试,结果由 70 多个实验室提供。这些测试产生的中位年龄为 11,788 ± 8 BP(2σ 置信度),校准后给出的日期范围为 13,730 至 13,550 cal BP。两溪放射性碳年代现在被认为是发展现代对更新世末期北美冰川作用的理解的关键结果。来自化石森林的样本用于实验室间测试,结果由 70 多个实验室提供。这些测试产生的中位年龄为 11,788 ± 8 BP(2σ 置信度),校准后给出的日期范围为 13,730 至 13,550 cal BP。两溪放射性碳年代现在被认为是发展现代对更新世末期北美冰川作用的理解的关键结果。

Dead Sea Scrolls

1947 年,在死海附近的洞穴中发现了卷轴,这些卷轴被证明包含希伯来语和亚拉姆语的文字,其中大部分被认为是由一个小型犹太教派艾赛尼派制作的。这些卷轴对研究圣经文本具有重要意义,因为其中许多卷轴包含已知最早版本的希伯来圣经书卷。利比在 1955 年进行的一项分析中包括了这些卷轴之一的以赛亚大卷轴的亚麻包裹样本,估计年龄为 1,917 ± 200 年。根据对书写风格的分析,古文献估计了这些卷轴的年代为 21 年,其中大部分样本以及其他没有古文年代的卷轴在 1990 年代由两个 AMS 实验室进行了测试。结果的年代范围从公元前 4 世纪早期到公元 4 世纪中叶。除了两个案例外,所有这些卷轴都被确定是在古地理确定的年龄的 100 年之内。以赛亚书卷包含在测试中,并且发现在 2σ 置信水平下有两个可能的日期范围,因为那时校准曲线的形状:它的日期为公元前 355 年到 295 年的可能性为 15%,并且有 84% 的机会可以追溯到公元前 210 年到公元前 45 年。随后,这些日期受到批评,理由是在测试卷轴之前,它们已经用现代蓖麻油处理过,以使文字更容易阅读;有人争辩说,未能充分去除蓖麻油会导致枣太年轻。已经发表了多篇支持和反对批评的论文。

Impact

利比 1949 年在《科学》杂志上发表论文后不久,世界各地的大学就开始建立放射性碳测年实验室,到 1950 年代末,已有 20 多个活跃的 14C 研究实验室。尽管存在某些差异,但其原因仍然未知,放射性碳测年的原理很快就变得明显起来。放射性碳测年的发展对考古学产生了深远的影响——通常被描述为“放射性碳革命”。用人类学家 RE Taylor 的话来说,“14C 数据通过提供超越当地、区域和大陆边界的时间尺度,使世界史前史成为可能”。与以前的方法相比,它提供了更准确的站点内年代测定,以前的方法通常来自地层学或类型学(例如石器或陶器);它还允许远距离比较和同步事件。放射性碳测年的出现甚至可能导致考古学中更好的现场方法,因为更好的数据记录可以使物体与待测样品的关联更加牢固。这些改进的现场方法有时是为了证明 14C 日期是不正确的。泰勒还表示,确定日期信息的可用性使考古学家无需将大量精力集中在确定他们发现的日期上,并扩大了考古学家愿意研究的问题。例如,从 1970 年代开始,考古学中更常见到关于人类行为进化的问题。放射性碳提供的测年框架改变了对创新如何在史前欧洲传播的普遍看法。研究人员此前曾认为,许多思想是通过在整个大陆传播,或通过带来新文化思想的民族入侵而传播的。随着放射性碳测年开始在许多情况下证明这些想法是错误的,很明显这些创新有时一定是在当地出现的。这被描述为“第二次放射性碳革命”,关于英国史前史,考古学家理查德·阿特金森将放射性碳测年的影响描述为“激进……疗法”,用于“入侵主义的进行性疾病”。更广泛地,放射性碳测年的成功激发了人们对考古数据分析和统计方法的兴趣。泰勒还描述了 AMS 的影响,以及从非常小的样本中获得准确测量结果的能力,因为它迎来了第三次放射性碳革命。有时,放射性碳测年技术可以确定一个广受欢迎的对象,例如都灵裹尸布,一块亚麻布被一些人认为是耶稣基督被钉十字架后的形象。 1988 年,三个独立的实验室对裹尸布的亚麻样品进行了年代测定;结果表明这件裹尸布起源于 14 世纪,这引发了人们对裹尸布作为所谓的 1 世纪遗物的真实性的怀疑。研究人员研究了宇宙射线产生的其他放射性同位素,以确定它们是否也可用于协助确定具有考古意义的物体的年代;此类同位素包括 3He、10Be、21Ne、26Al 和 36Cl。随着 1980 年代 AMS 的发展,可以足够精确地测量这些同位素,使它们成为有用的测年技术的基础,这些技术主要应用于岩石测年。天然存在的放射性同位素也可以构成测年方法的基础,如钾-氩测年、氩-氩测年和铀系列测年。考古学家感兴趣的其他测年技术包括热释光、光受激发光、电子自旋共振和裂变径迹测年,以及依赖于年带或层的技术,如树木年代学、tephrochronology 和 varve chronology。

也可以看看

天文年代学 地球年龄 宇宙年代 年代学、考古年代学 绝对年代学 相对年代学 相(考古学) 考古协会 地质年代学 地质时间尺度 地球地质史

笔记

参考

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来源

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外部链接

RADON – 欧洲 14C 日期数据库