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Nuevos avances en la cronología de sedimentos jóvenes

Ye Yuguang

(Instituto de Geología Marina, Ministerio de Geología y Recursos Minerales)

La cronología de sedimentos jóvenes es uno de los contenidos de la investigación sobre geología de sedimentos jóvenes. Hasta el momento, existen casi 20 métodos de datación, cada uno con la muestra más adecuada y el mejor rango de datación. En los últimos años, la tecnología de las citas se ha desarrollado mucho debido a la aplicación de nuevas tecnologías. La aplicación de la tecnología del espectrómetro de masas con acelerador (AMS) casi ha eclipsado el método convencional del 14C. La repentina aparición del método de datación por vibración del espín del electrón (ESR) ha ampliado enormemente el campo de la investigación del Cuaternario. La espectrometría de masas de alta precisión es una gran revolución en la datación del uranio. En la actualidad, la dirección del desarrollo de la cronología de sedimentos jóvenes es la nueva tecnología, la alta precisión, las muestras pequeñas y la automatización.

Datación AMS Datación ESR; datación MS; datación por fotoluminiscencia de sedimentos jóvenes

1 Cronología de los sedimentos jóvenes y su importancia

Los humanos viven en la geología durante el período Cuaternario A lo largo de la historia, los sedimentos desde finales del Terciario pueden denominarse colectivamente sedimentos jóvenes. El estudio de los sedimentos jóvenes es de gran importancia para comprender y estudiar el entorno natural moderno y la supervivencia y el desarrollo humanos. Más importante aún, el estudio de sedimentos jóvenes puede predecir cambios futuros en el entorno de vida humano. La cronología de los sedimentos jóvenes es una parte importante del estudio geológico de los sedimentos jóvenes. Permite a las personas tener un concepto específico del tiempo para los eventos geológicos y pueden comparar varios eventos geológicos para revelar un significado geológico más profundo. El estudio cronológico de los sedimentos jóvenes no sólo tiene importancia teórica sino también práctica. Con el desarrollo de la sociedad y el avance de la ciencia y la tecnología, la geología urbana, la geología ambiental, la geología agrícola, la geología de desastres y la geología de ingeniería se han convertido en factores importantes que afectan la supervivencia y el desarrollo humanos. Sin duda, esto es muy beneficioso para comprender la progresión cronológica de los sedimentos jóvenes.

Existen casi 20 métodos de datación de sedimentos jóvenes, que se pueden dividir aproximadamente en dos categorías. Una clase de métodos derivados del mecanismo de desintegración de radioisótopos, como K-Ar, Rb-Sr y otros métodos clásicos, así como 14C, termoluminiscencia (TL), luminiscencia (OSL), seguimiento de fisión (FT), espín electrónico* * *Vibración (ESR), desequilibrio en serie del uranio, 10Be y otros métodos. El otro se basa en cambios relativos en los sedimentos a lo largo del tiempo, como la paleomagnética (PM) y la racemización de aminoácidos (AAR). Además, existen métodos como el esporopolen y el lodo de cereales; desde el punto de vista técnico, el espectrómetro de masas con acelerador (AMS) también puede pertenecer a una categoría propia.

Este artículo presenta principalmente algunos desarrollos destacados de los últimos años desde la perspectiva del mecanismo y los métodos de desintegración de isótopos radiactivos.

2 Tecnología AMS

AMS es la abreviatura de espectrómetro de masas acelerador en inglés. En realidad, este método combina un acelerador con un espectrómetro de masas de alta energía. Aunque el acelerador en tándem en sí no tiene capacidad de resolución de masas, puede utilizar un campo magnético externo para separar las masas antes y después de la aceleración, mejorando la sensibilidad del espectrómetro de masas original en al menos 5 órdenes de magnitud. Desde que la Universidad de Rochester en Estados Unidos y la Universidad McMaster en Canadá publicaron sucesivamente trabajos sobre el uso de la tecnología AMS para analizar 10Be y 14c en 1977, actualmente hay más de 30 dispositivos AMS en funcionamiento en todo el mundo. Los nucleidos más analizados son el 14C. 10Be y 36Cl, 26Al y 14C.

El principio básico del método de datación AMS es el mismo que el del método de datación convencional, y ambos siguen la ley de que el número atómico del nucleido en la muestra que se mide disminuye exponencialmente con el tiempo. Sin embargo, los objetos medidos directamente por los dos métodos son completamente diferentes. El método convencional consiste en medir el número de átomos de nucleidos que se desintegran durante un período de tiempo en la muestra, mientras que la tecnología AMS "cuenta" el número de átomos de nucleidos presentes en la muestra, es decir, determina la proporción de isótopos en la muestra. . Este artículo toma el 14C como ejemplo para analizar algunas debilidades graves de los métodos convencionales: ① Requiere una gran cantidad de muestra, generalmente varios gramos de carbono debido a la gran cantidad de átomos en la muestra y la larga vida media del 14C (. 5 730a), el método convencional Sólo se mide una pequeña fracción del número de átomos en descomposición. Por ejemplo, en una muestra de carbono de 1 g con una edad de 0,04 Ma, el número total de átomos de 14C es 4,7 × 108 y solo 6,3 átomos de 14C se desintegran por hora en promedio ② El tiempo de medición es largo;

Dado que el número de desintegración de los átomos de 14C es pequeño, debe medirse durante un tiempo prolongado, normalmente unas 17 horas, mientras que la medición del 10Be requiere pruebas continuas durante 1 a 1,5 meses. ③Es difícil superar la vida útil máxima de 40.000 a 50.000 años, porque el nivel de ruido de los instrumentos de medición actuales es difícil de reducir por debajo de 0,5 cpm. La tecnología AMS tiene muchas ventajas únicas en comparación con los métodos tradicionales. En primer lugar, puede reducir en gran medida el número de muestras a analizar, que generalmente requieren sólo de unos pocos miligramos a decenas de miligramos de muestras de carbono, lo que permite analizar muchas muestras preciosas, como foraminíferos arqueológicos y sedimentos lunares y de aguas profundas. Algunas muestras geológicas importantes solo pueden analizarse con el método AMS debido a su pequeña cantidad, como el CO2 en los núcleos de hielo, diferentes materias orgánicas seleccionadas por capas en el loess y una pequeña cantidad de materia orgánica en sedimentos carbonatados como el travertino. En segundo lugar, la eficiencia de la medición es alta. Generalmente, se pueden analizar 40 muestras en 24 horas. ④Debido a la sensibilidad muy mejorada, el período de medición de 14C puede extenderse a 70.000 a 80.000 años.

La tecnología AMS también tiene algunas desventajas en comparación con los métodos convencionales: ① La precisión de la medición no es lo suficientemente alta y la estabilidad no es lo suficientemente buena. En la actualidad, la precisión del 14C convencional puede llegar a menos de 1, el AMS puede alcanzar aproximadamente 1 para muestras de 0,01 Ma, mientras que la precisión de las muestras más antiguas solo puede llegar a 4 ~ 5. Actualmente, sólo unos pocos laboratorios han logrado un alto nivel de precisión en las mediciones y los métodos convencionales son generalmente estables. ②El equipo es muy caro y el costo del trabajo diario también es alto, por lo que no se puede utilizar tan ampliamente como los métodos convencionales. (3) Dado que la muestra requerida es una cantidad traza, los requisitos técnicos para procesar muestras traza son muy estrictos y el procesamiento general de muestras no es tan simple como los métodos convencionales.

Sin embargo, la tecnología de datación AMS sigue siendo una gran revolución en la cronología de sedimentos jóvenes. El análisis de nucleidos cosmogénicos de larga vida como 14C, 10Be, 36Cl, 26Al, 129I es extremadamente sensible y la muestra requerida es sólo una milésima parte de la de los métodos convencionales. El uso de estos nucleidos se ha convertido en un poderoso medio de datación o rastreo en manos de los científicos de la tierra, lo que hace que la investigación de las ciencias de la tierra sea más profunda. Por ejemplo, con la profundización de la investigación del Cuaternario, la gente necesita explorar registros de alta resolución del paleoclima y el paleoambiente. Para lograr este objetivo, primero se necesita una escala de tiempo de alta precisión. Se puede decir que sin la tecnología AMS para datar la edad 14C de los foraminíferos marinos, es imposible discutir el Nuevo Evento Hada desde la perspectiva del cambio global.

AMS10Be se ha utilizado para estudiar la deposición y las tasas de crecimiento de sedimentos de aguas profundas y nódulos de manganeso oceánicos, y para estudiar la edad de exposición y las tasas de erosión de zonas de basalto y andesita. AMS36Cl puede determinar la fuente y la edad de la deposición de sal por evaporación y determinó con éxito la edad de aterrizaje y la edad de exposición del meteorito Yamato en la Antártida. AMS129I también es de gran importancia en la investigación hidrológica.

La investigación de AMS en mi país se ha llevado a cabo durante varios años, y hay cuatro unidades que han instalado o están instalando dispositivos AMS (Instituto Chino de Energía Atómica, Universidad de Pekín, Instituto de Investigación Nuclear Atómica de Shanghai, Lanzhou Instituto de Física Moderna). El espectrómetro de masas con acelerador en tándem HI-13 del Instituto de Energía Atómica de China ha probado el 10Be para estudiar la tasa de crecimiento de los nódulos de manganeso y la tasa de sedimentación de los sedimentos en el Pacífico Central, y actualmente está probando el 36Cl y el 1291. La Universidad de Pekín está realizando el examen 14C. Con el rápido desarrollo de la economía nacional y el aumento de la inversión en investigación científica, las perspectivas de aplicación de AMS en nuestro país serán cada vez más amplias.

3 Datación ESR

ESR, la abreviatura de resonancia de espín electrónico en inglés, es una nueva tecnología de datación desarrollada en los últimos años. Se está desarrollando muy rápidamente. Un nuevo método de datación con gran éxito. potencial. En la actualidad, hay más de 50 laboratorios de datación ESR en el extranjero, aproximadamente la mitad de los cuales están en Japón, y hay más de diez laboratorios en China dedicados al trabajo de datación. El intercambio académico de datación ESR es muy activo, con más de 300 documentos publicados. Se han celebrado tres conferencias internacionales sobre datación ESR y dosimetría, y seis conferencias sobre datación TL y ESR en Europa. Desde 1987, mi país ha celebrado tres conferencias académicas sobre citas TL y ESR. En la situación nacional actual, es raro celebrar una conferencia académica nacional cada dos años, lo que también muestra el impulso de desarrollo de las citas ESR.

El principio de la datación ESR es que cuando un material es expuesto a radiaciones ionizantes producidas por la desintegración radiactiva de impurezas como uranio, torio y potasio en sí mismo o en materiales ambientales, se generan algunos defectos en el interior del Se forma material y algunos electrones libres al mismo tiempo. Cuando estos electrones libres son capturados por otras impurezas o defectos en la red cristalina, se forma un centro de captura o el átomo original pierde electrones y forma un centro hueco. Los centros de electrones atrapados o centros de huecos son magnéticos porque contienen electrones desapareados y la concentración de electrones desapareados en una sustancia aumenta proporcionalmente con el tiempo. La concentración de estos electrones desapareados puede detectarse mediante un espectrómetro ESR para lograr el propósito de datar.

Las principales características de la datación ESR son: en primer lugar, el rango de edad determinado es amplio, desde miles de años hasta varios millones de años; en segundo lugar, hay muchas muestras que se pueden analizar, como varios fósiles biológicos y marinos; ácido carbónico Sal, roca ígnea, roca metamórfica, falla, ceniza volcánica, sílice, yeso, feldespato, caolinita, etc. en sedimentos. , incluido el 14C, series de uranio, termoluminiscencia, seguimiento de fisión y otros métodos de datación. En tercer lugar, el consumo de muestra es pequeño (1 ~ 3 g) y las muestras preciosas solo requieren decenas de miligramos, que pueden medirse repetidamente. La muestra aún se puede utilizar para análisis físicos y químicos de muchos elementos sin sufrir daños. Cuarto, la preparación de muestras es simple y fácil para pruebas por lotes.

La datación ESR se utiliza ampliamente y se está expandiendo rápidamente. Se puede aplicar a paleoceanografía, geología del petróleo, geología de peligros (fallas, deslizamientos de tierra y flujos de escombros), geología ambiental, geología económica, geología de ingeniería y geología cuaternaria. Esta técnica no sólo puede determinar la edad, sino que también puede proporcionar mucha información útil, como el historial térmico de la muestra que se está analizando.

Las citas ESR se encuentran actualmente en etapa de desarrollo y hay más de una docena de factores que afectan las citas, algunos de los cuales tienen un gran impacto. Actualmente, parece que la mayor incertidumbre proviene de la determinación de la dosis acumulada. Dado que la datación ESR tiene una historia corta y no está lo suficientemente madura, los mecanismos de algunos factores que influyen aún no están claros y hay muchos problemas que deben considerarse y resolverse, lo que ha traído ciertas dificultades y grandes errores a la datación ESR, que es muy inferior a la actual datación del 14C es perfecta. El método ESR tiene sus ventajas únicas y se puede utilizar en algunos lugares donde no se pueden utilizar métodos de datación maduros. Probablemente por eso su vitalidad es tan fuerte.

No es demasiado tarde para que nuestro país comience a datar con ESR. Se ha trabajado mucho en los últimos cinco o seis años, como eventos estacionales en loess, arrecifes de coral en el Mar de China Meridional, conchas, mejillones y sedimentos de cuevas en sedimentos marinos en sílice y yeso en el Tíbet, fósiles de huesos y lodo de falla en Zhoukoudian y Jinniushan en Liaoning, depósitos de flujo de escombros en Dongchuan en Yunnan y arena eólica costera en sedimentos marinos en el Mar de China Meridional y el Mar de China Meridional. Mar Amarillo. Algunos de estos estudios alcanzaron el nivel de investigación de trabajos similares en el extranjero en ese momento. En general, la investigación nacional sobre la datación ESR se centra principalmente en la aplicación, y hay menos investigación sobre el mecanismo de la datación ESR. La tecnología de citas ESR es compleja e implica una amplia gama de conocimientos profesionales. Por lo tanto, es necesario que cronólogos, geólogos y físicos del estado sólido cooperen entre sí, aprendan de las fortalezas de los demás y realicen investigaciones conjuntas para llevar esta nueva tecnología a nuevas alturas.

El espectrómetro ESR es un producto de alta tecnología que actualmente no se puede producir en China. Cabe decir que no hay pocos espectrómetros ESR importados en China, pero la mayoría de ellos se concentran en los departamentos de física y química o departamentos de investigación biomédica de algunas universidades clave, y no existen laboratorios de datación ESR dedicados. En 1992, el Ministerio de Geología y Recursos Minerales introdujo un nuevo espectrómetro ESR de la empresa Brnker de Alemania Occidental en el Laboratorio Cronológico del Instituto de Geología Marina. Este fue el primer espectrómetro ESR del Ministerio de Geología y Recursos Minerales y el primer ESR. introducido desde el Laboratorio Cronológico de mi país. La introducción de este instrumento avanzado promoverá en gran medida el desarrollo de la datación ESR en China.

Datación por espectrometría de masas de alta precisión de series de uranio

La datación por espectrometría de masas de alta precisión de series de uranio (MS) fue propuesta por primera vez por los estadounidenses a finales de los años 1980. Después de que se informaron los resultados de la datación de este método, provocó una gran respuesta en la comunidad académica y recibió elogios unánimes. Se considera una gran revolución en la datación en series de uranio. Los métodos convencionales de datación del uranio determinan el contenido de este nucleido basándose en el número de desintegraciones por unidad de tiempo. Por lo tanto, los métodos convencionales de datación del uranio utilizan muchas muestras, consumen mucho tiempo y tienen poca precisión. El uso del sistema de medición de uranio MS puede reducir la muestra a 200 mg (coral) y el error se puede reducir a menos de 65438 ± 0.

Dado que los métodos convencionales para medir el uranio requieren más muestras, la gente intenta idear algunos modelos de datación cuando no se cumplen los requisitos previos de datación. El método MS puede medir directamente muestras más pequeñas, reduciendo algunos modelos artificiales y mejorando los resultados de las pruebas.

En el pasado, la gente pensaba que el 14C era el método de datación más preciso. Después de un estudio cuidadoso, se encontró que el océano es el mayor reservorio de intercambio de 14C. No sólo está en contacto directo con la atmósfera, sino que también tiene un volumen enorme. Por lo tanto, el océano también influye en los cambios en el CO2 atmosférico. La datación en serie con uranio y la datación con 14C son dos métodos de datación con mecanismos diferentes. Para las muestras de coral medidas con ambos métodos, la edad de la serie del uranio suele ser superior a 14C. Dado que la precisión de la datación convencional por series de uranio no es tan buena como la de la datación con 14C, esta diferencia de edad no ha atraído suficiente atención. Utilizando la tecnología de datación por espectrometría de masas de alta precisión 230Th/234U, la incertidumbre de la determinación de la edad del coral es inferior a 100a, por lo que la diferencia de edad entre la serie de uranio y el 14C se puede utilizar para calcular los cambios en la proporción atmosférica de 14C y corregir aún más la edad del 14C. . Este ejemplo es suficiente para ilustrar la importancia de la datación con uranio MS. Actualmente, la datación con uranio MS se limita a carbonatos y rocas volcánicas jóvenes, lo que tiene ciertas limitaciones. Con la profundización de la investigación, seguramente se ampliará el ámbito de aplicación de la datación del uranio por espectrometría de masas.

No hay informes de datación de series de uranio MS en China, pero hay espectrómetros de masas adecuados para la datación de series de uranio MS en China, y este trabajo debería llevarse a cabo activamente en China.

5 Datación por termoluminiscencia y fotoluminiscencia (OSL)

Desde finales de los años 1970 y principios de los 1980, se ha descubierto el fenómeno de fotodesvanecimiento de las señales minerales de termoluminiscencia y la sedimentación cuaternaria. Desde la datación por termoluminiscencia de objetos, muchos Se han realizado avances en la datación por termoluminiscencia de sedimentos jóvenes, el más notable de los cuales es su aplicación en el estudio del loess. Académicos chinos y extranjeros han realizado muchas mediciones de termoluminiscencia en loess de China, Europa, el centro de América del Norte y Alaska, especialmente loess. En general, el ámbito de aplicación de la TL es todavía relativamente limitado y la mayor parte del trabajo de TL se centra en la investigación de sedimentos desde finales del Pleistoceno.

La datación por luminiscencia óptica (OSL) es una nueva tecnología de datación de sedimentos cuaternarios desarrollada en los últimos años basada en la datación por termoluminiscencia. Es similar a la datación por termoluminiscencia, pero mejor que la datación por termoluminiscencia. La señal OSL es el resultado de la radiación ionizante acumulada en el cristal en forma de "electrones capturados fotosensibles", que pueden liberarse en forma de luz bajo excitación luminosa. Los minerales que actualmente se pueden utilizar para la datación OSL incluyen cromo, feldespato potásico, circón y apatita, y el rango de datación es generalmente de miles a cientos de miles de años. Los cuerpos geológicos adecuados para la datación OSL son varios sedimentos eólicos (incluidos varios depósitos de polvo eólico y arena eólica) y varios sedimentos suspendidos en flujo (como facies fluviales y lacustres, facies marinas y sedimentos clásticos deltaicos, etc.). En comparación con la datación por termoluminiscencia, La datación OSL tiene las siguientes ventajas: ① No considera la señal OSL residual y es más precisa ② La señal OSL de la muestra es más fácil, más simple y más precisa de medir que la señal de termoluminiscencia ③ Se pueden fechar algunas muestras pequeñas y raras; . La datación OSL solo se ha propuesto desde hace unos años y aún se encuentra en etapa de desarrollo. Todavía quedan muchas cuestiones que requieren más estudio, pero su potencial de datación ha atraído la atención de muchos geólogos.

Datación de 6210Pb

210Pb es una subserie de la serie de desintegración de 238U. El método de datación 210Pb es una herramienta eficaz para determinar las tasas de sedimentación modernas y estudiar los entornos. Los trabajos anteriores sobre el 210Pb se han limitado a medir las tasas de sedimentación en océanos y lagos. En los últimos años, los países extranjeros han recurrido a la investigación sobre cuestiones ambientales, el flujo atmosférico de 210Pb y la erosión de la tierra. Desde que China utilizó esta tecnología en un proyecto de investigación cooperativo chino-estadounidense a principios de la década de 1980, su trabajo principal se ha centrado en estudiar las tasas de sedimentación en los estuarios y sus plataformas continentales adyacentes. Los trabajos en el lago 210Pb han sido muy activos en los últimos años. El lago Poyang, el lago Dianchi, el lago Taihu, el lago Kunming, el lago Erhai, el lago Barkol, el lago Aibi y otros lagos famosos de mi país han sido sometidos a pruebas de detección de 210Pb para estudiar los cambios en el entorno sedimentario y la historia de la contaminación industrial de los lagos en el último siglo. Es una investigación importante sobre 210Pb en mi país.

En resumen, se puede ver que los nuevos avances en la cronología de sedimentos jóvenes se caracterizan por: se utilizan cada vez más nuevas tecnologías de prueba en la datación y la precisión de la datación es cada vez mayor. Hay menos muestras y. Los tiempos de medición se reducen significativamente.

Referencias (omitidas)

("Progress in Contemporary Geological Science and Technology", China University of Geosciences Press, págs. 1993, 129 ~ 135)