海洋碳库效应

  • 碳14或放射性碳在大气中不断地形成。
  • 理论上讲,由于平衡的关系,大气中的放射性碳浓度与海洋和生物圈中的放射性碳浓度是相同的。
  • 由于海洋碳库效应,陆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样的。
  • 全球各大洋的海洋碳库效应校正因子已经在数据库中建立并记录。
  • 软体动物贝壳是进行放射性碳测年最常见的物种。
Shells

放射性碳测年的基本原则包含这样一个假设,即由于平衡,大气中的碳14含量是稳定的,并且所有生物中的碳14含量也是不变的。碳14是天然存在的碳元素同位素,因为它不稳定,具有弱放射性,因此被称为放射性碳。

碳14的另一个特点是,作为宇宙射线和氮原子产生的中子之间进行反应的产物,它不断地在上层大气中形成。然后,这些碳14原子立即与大气中存在的氧气进行反应形成二氧化碳。由碳14形成的二氧化碳无法从由其他碳同位素形成的二氧化碳区分开来,因此碳14进入海洋、植物和其他生物的途径与碳12和碳13是一样的。

另外据估计,碳14的形成及其衰变之间也存在平衡,因此大气中的碳14在任何特定的时间(从过去一直到现在)都维持稳定的水平。

但是,这个假设并不准确。有几个因素需要加以考虑,因为它们影响着全球碳14的浓度,从而影响任何进行放射性碳测年的特定样品的碳14含量。

全球放射性碳循环

大气、海洋和生物圈是浓度不同的放射性碳库。大气中形成的放射性碳以二氧化碳的形式溶解于海洋中,并通过光合作用在同一时间被植物吸收,进入食物链。这也是陆地生物在自身的系统中吸收碳14的方法。

海洋生物和以它们为食的生物通过碳14(以二氧化碳的形式)的交换过程吸收大气和海洋或任何水体中的碳14。然而,表面混合层的碳14含量和深海的碳14含量是不一样的,因此,并不是所有的海洋生物都具有相同的放射性碳含量。

海洋碳库效应

在计算一个特定样品的放射性碳含量时,要考虑很多因素,其中之一是植物或动物源还活着时的放射性碳含量以及当地的环境。

尤其是比较陆地生物样品和从海洋环境吸收放射性碳的样品时,更要考虑多种因素。即使生物的年龄一样,它们的碳14含量样也有可能不一样,因此会有不同的放射性碳年龄。

海洋是巨大的碳14库。海洋表面和其他水体有两种放射性碳来源 – 大气二氧化碳和深海。海洋的深层水通过与从海洋表层水以及已经有放射性碳衰变的中、深层水获得碳14。研究表明,海洋表层水的二氧化碳(含碳14)获得平衡大约是10年。深层水的获得平衡的年限尚不清楚。

年龄等同的陆地和海洋生物的放射性碳测年在放射性碳年龄上存在一个约400年的差异。树木等陆地生物主要从大气二氧化碳中获得碳14,但海洋生物却不是。因此,来自海洋生物的样品如贝壳、鲸鱼和海豹等要老得多。

另一个需要考虑的因素是,海洋碳库的影响程度在所有地点都是不一样的。向上的深层海水与表层水的混合被称为上升流现象,具有纬度依赖性,主要发生在赤道地区。海岸线形状、当地的气候和季风、信风以及海底地形也会影响上升流。

根据1972年J. Mangerud公布的一项研究,贝壳碳酸盐的全球海洋放射性碳库效应变化明显的原因是由于没有与来自上升流中深海的“古老的”无机碳酸盐完全混合。在深海中长达1000多年的驻留时间导致碳14活性在放射性衰变过程中有损耗,导致碳14的表观年龄变得非常老。

如何确定海洋碳库效应?

Sean Ulm于2006年12月公布的一份报告中列出了三种用于确定海洋碳库效应的区域差异的方法:

  • 对收集的公元1955年前存活的历史年龄已知的海洋样品直接进行放射性碳测年;
  • 对考古背景非常完整(被认为是同时期)的壳类/木炭配对样品进行放射性碳测年;
  • 对活珊瑚或长寿命的活贝壳(具有明确的年生长带)进行放射性碳测年和/或成对放射性碳和铀钍(钍230和铀234)定年;

海洋碳库效应校正

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。

当地碳库校正 (Delta±R)

Delta±R值仅用于海洋碳酸盐类。

根据海洋碳酸盐的年代,一个200 – 500年的校正(即全球海洋碳库校正)自动适用于所有海洋碳酸盐。此自动校正意味着放射性碳年龄会更接近现代,这是因为现代大气与海洋中的CO2要达到平衡需花费200-500年的时间。

Delta±R的校正适用于已经跟全球海洋碳库校正后的样品。由客户提供的值减去或加上这个已经校正的年龄(取决于它是 Delta+R 值或 Delta–R 值)。 请注意:一个负数的Delta-R 将使年龄变老(通常认为淡水会稀释全球海洋碳库的平均值)。

以下样品报告将把两组数据进行对比,以区分不同之处:一组放射性碳年龄为1000 +/-30 BP,Delta R值为0+/-0(只进行海洋碳库校正),另一组放射性碳年龄为1000 +/-30BP, Delta R值为222+/-35 同时进行海洋碳库校正。

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硬水效应

当淡水流经石灰石或与喷泉中的老水混合时,会导致碳酸盐AMS测年结果出现很大的偏差。由于石灰石中的溶解无机碳(DIC)年龄较大,所以参与形成个体外壳(如贝壳,螺壳)或者形成碳酸盐结核的溶解无机碳比本身形成时的年龄要老。上述源于石灰石的影响被称为“硬水效应”。当水生生态系统中混入老水,年龄较大的溶解无机碳混入水中,同样也会发生硬水效应。这些现象都可被定义为“碳库效应”。

取得碳库偏差值的最佳方法是分析不受硬水效应影响且与外壳形成密切相关的有机物质。最常用的是使用与该碳酸盐密切相关的炭屑(Charcoal)或种子,用其进行C14测年的结果来校正外壳的正确年龄。

如果您不知道或者不理解这种偏差,实验室建议您查阅相关文献资料来了解该处水资源的地质系统。

软体动物贝壳的碳测年

在多年来进行放射性碳测年的所有种类的贝壳中,软体动物贝壳一直是进行测试最多的品种。这些贝壳具有无机和有机成分。 有机成分贝壳硬朊只占整个样品的极小一部分。因此,通常用无机碳酸钙成分进行放射性碳测量。

贝壳的碳酸盐放射性碳测年存在许多问题。碳酸盐具有可溶性,且与环境会发生化学反应,因此碳14定年结果的准确性不能得到保证。碳14定年结果还应该考虑海洋碳库效应以及硬水效应等因素。