海洋碳庫效應

  • 碳14或放射性碳在大氣中不斷地形成。
  • 理論上,由於平衡的關係,大氣中的放射性碳濃度與海洋和生物圈中的放射性碳濃度是相同的。
  • 由於海洋碳庫效應,陸地生物的放射性碳含量和海洋生物的放射性碳含量是不一樣的。
  • 不同海洋的海洋碳庫效應校正因子已經在數據庫中建立並記錄。
  • 軟體動物貝殼是進行放射性碳定年最常見的物種。
Shells

放射性碳定年 基礎假設,由於平衡,大氣中的碳14含量是穩定的,並且所有生物中的碳14含量也是不變的。碳14是自然生成的碳元素同位素,因為它不穩定,具有弱放射性,因此被稱為放射性碳。

宇宙射線和氮原子作用產生中子,而中子之間互相反應產生碳14,因此碳14的另一個特點是,它不斷地在上層大氣中形成。然後,這些碳14原子立即與大氣中的氧氣形成二氧化碳。由碳14形成的二氧化碳,無法與其他碳同位素形成的二氧化碳區分開來,因此碳14進入海洋、植物和其他生物的途徑,與碳12和碳13是一樣的。

另外也假設,碳14的形成及其衰變之間也存在平衡,因此大氣中的碳14在任何特定的時間(從過去一直到現在)都维持穩定的水平。

但是,這個假設並不準確。有幾個因素需要加以考慮,因為它們影響全球碳14的濃度,從而影響任何進行放射性碳定年樣品的碳14含量。

全球放射性碳循環

大氣、海洋和生物圈是濃度不同的放射性碳庫。大氣中形成的放射性碳以二氧化碳的形式溶解於海洋中,並透過光合作用在同一時間被植物吸收,進入食物鏈。這也是陸地生物在自身的系統中吸收碳14的方法。

海洋生物和以它們為食的生物透過碳14的交換過程(以二氧化碳的形式),吸收大氣和海洋或任何水體中的碳14。然而,表面混合層的碳14含量和深海的碳14含量是不一樣的,因此,並不是所有的海洋生物都具有相同的放射性碳含量。

海洋碳庫效應

計算樣品的放射性碳含量時要考慮很多因素,其中之一是,植物或動物源還活著時的放射性碳含量以及當地的環境。

尤其是比較陸地生物樣品和從海洋環境吸收放射性碳的樣品時,更要考慮多種因素。即使生物的年齡一樣,它們的碳14含量樣也有可能不一樣,因此會有不同的放射性碳年齡。

海洋是巨大的碳14庫。海洋表面和其他水體有兩種放射性碳來源 – 大氣二氧化碳和深海。海洋的深層水透過與地表水混合獲得碳14,以及從放射性衰變中獲取碳14。研究顯示,地表水的二氧化碳(含碳14)獲得平衡大約是10年。深水的二氧化碳平衡程度仍然不明。

年齡等同的陸地和海洋生物的放射性碳年齡有約400年的差異。樹木等陸地生物主要從大氣二氧化碳中獲得碳14,但海洋生物卻不能。因此,來自海洋生物的樣品如貝殼、鲸鱼和海豹等要老得多。

另一個需要考慮的因素是,海洋碳庫的影響程度在所有地點都是不一樣的。向上的深層海水與地表水的混合被稱為湧升流現象,具有緯度依存性,主要發生在赤道地區。海岸線形狀、當地的氣候和風、信風以及海底地形也會影響湧升流。

根據1972年J. Mangerud公布的一項研究,由貝殼碳酸鹽顯示的海洋放射性碳庫效應全球變化,是由於來自深海的“古老”無機碳酸鹽的湧升流没有完全混合。在深海,1000多年的停留時間導致碳14活性在放射性衰變過程中枯竭,從而使碳14的表面年齡變得非常老。

如何確定海洋碳庫效應?

Sean Ulm於2006年12月公布的報告,列出了三種用於確定海洋碳庫效應的區域差異方法:

  • 對公元1955年前、已知歷史年齡且採集時仍為活體的海洋樣品進行放射性碳定年;
  • 對被為同時期、考古背景非常完整的殼類/木炭配對樣品進行放射性碳定年;
  • 對活珊瑚或長壽的活貝殼(具有明確的年生長帶)進行放射性碳定年和(或)成對放射性碳,以及鈾釷(釷230和鈾234)定年;

海洋碳庫效應校正

如果不考慮海洋碳庫效應,則無法對陸地和海洋樣品進行比較或連結。全球不同海洋的校正因子,可上線参見海洋碳庫校正數據庫,該數據庫獲愛琴海史前研究所的部分資助。由於海洋環流的複雜性,實際校正隨位置而變化。

該數據庫還用於諸如CALIB(Stuiver和Reimer,1993)或OxCal(Bronk Ramsey,1995年)等放射性碳校正計劃,其使用2013年海洋校準數據集。

當地碳庫校正 (Delta±R)

Delta±R值 僅適用海洋碳酸鹽類。

根據海洋碳酸鹽的年代,200-至500-年的校正 (即全球海洋碳庫校正)自動套用在所有海洋碳酸鹽。此自動校正意味著放射性碳年齡會更接近近代,這是因為現代大氣與海洋中的CO2要達到平衡需花費200-500年的時間。

Delta±R校正適用已經經過全球海洋碳庫校正的樣品。這個已經校正的年齡要減去或加上客户提供的值(取決於它是 Delta+R 值或 Delta–R 值)。請注意:負數的Delta-R 將使年齡變老(通常認為淡水會稀釋全球海洋碳庫的平均值)。

以下樣品報告把兩組數據進行對比,以區分不同之處:一組放射性碳年齡為1000 +/-30 BP,Delta R值為0+/-0(只進行海洋碳庫校正),另一組放射性碳年齡為1000 +/-30BP,Delta R值為222+/-35,同時進行海洋碳庫校正。

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硬水效應

當淡水流經石灰岩或與噴泉中的老水混合時,會導致碳酸鹽AMS定年結果出現年齡過大的偏差。由於石灰岩中的溶解無機碳(DIC)年齡較大,所以参與形成個體外殼或者形成碳酸鹽結核的溶解無機碳年齡比凝結成固體的年代還老。上述源於石灰岩的影響被稱為“硬水效應”。當水生生態系統混入老水,年齡較大的溶解無機碳混入水中,同樣也會發生硬水效應。這些現象都可被定義為“碳庫效應”。

取得碳庫偏差值的最佳方法是分析不受硬水效應影響且與外殼形成密切相關的有機物質。最常用的是與該碳酸鹽密切相關的木炭或種子,用其進行C14定年的結果來校正外殼的正確年齡。

如果您不知道或者不了解這種偏差,實驗室建議您查閱文獻資料來了解該處水資源的地質系統。

軟體動物貝殼的碳定年

在多年來進行放射性碳定年的所有 貝殼中,軟體動物貝殼一直是進行測試最多的材料。這些貝殼具有無機和有機成分。貝殼硬蛋白(有機成分)只占整個樣品的極小一部分。因此,放射性碳測量通常適用於無機成分碳酸鈣。

貝殼的碳酸鹽放射性碳定年存在許多問題。碳酸鹽具有可溶性,且與環境會發生化學反應,因此無法保證碳14定年結果的準確性。碳14定年結果還應該考慮海洋碳庫效應以及硬水效應等因素。