树木年轮的测年校正

  • 树木年轮用于校准放射性碳测量结果。
  • 碳测年结果的校正对解释全球放射性碳含量随时间而变化的原因是必须的。
  • 放射性碳测量结果通常以BP年报告,其中BP起始年规定为公元1950年。
  • 校正结果以年龄范围的形式报告。年龄范围采用截断方法或概率方法计算,而这两种方法都使用校正曲线。
  • 国际商定的早至公元前2500年的校正曲线由Gordon Pearson和Minze Stuiver制定。
  • 校正曲线上的X轴为树轮时间表,Y轴为放射性碳年龄。

和任何使用仪器的方法一样,进行校正的目的是为了确保收集的数据准确可靠。校正是仪器和测量单位建立关系的过程,以消除对收集数据的准确性和可靠性的怀疑。校正是通过比较数据的分析结果来进行的,而数据又是通过对标准(例如认证的参考材料)进行分析获取的。

进行放射性碳测年时,不仅分析之前要进行校正,而且对分析结果也要进行校正。放射性碳测年是确定材料年龄的一种分析方法。它通过测定材料的碳14含量和根据放射性衰变追踪其年龄。进行测定的材料必须曾经是生物圈的一部分。

碳14是碳元素的天然同位素。由于相对碳12和碳13,它不稳定且具有放射性,因此也被称为“放射性碳”。碳由99%的碳12、1%的碳13和只有约百万分之一的碳14组成。

碳14测年结果以放射性碳年龄的形式报告,并且需要进行校准,将放射性碳年龄转化为历年。

Beta AMS

计量单位、半衰期和校正的必要性

未经校准的放射性碳测量结果通常以BP年的形式报告,其中BP起始年规定为公元1950年。 BP代表“迄今”。应当指出,BP标记还应用于其他测年技术,但定义不同,例如,热释光判断年代法中BP定义为公元1980年。

还有值得一提的是碳测年计算使用的半衰期是化学家Willard Libby 计算出的5568年,而不是剑桥半衰期5370年这个更精确的值。虽然利比半衰期5568年没有那么准确,但是碳测年计算还是采用它,以避免在比较剑桥半衰期衍生之前和之后产生的碳14测试结果时出现不一致或错误。

放射性碳测量结果以大气中碳14含量自1950年保持不变,以及碳14的半衰期是5568年这两个假设作为基础。需要对放射性碳测年结果进行校正,以解释大气中碳14含量随时间变化的原因。这些变化由几个因素所带来,包括但不限于地球的地磁时刻的波动、化石燃料燃烧和核试验。

用于校准的最流行和常用的方法是树木年轮测定法。

树木年轮学和碳测年

树木年轮学是基于树木成长时树木的年轮也在增加这一现象,故名树木年轮测定。 树木年轮学家通过分析和比较树木和年老木头的年轮样式测定过去的环境中的事件和变化。他们可以判断各树木年轮形成的准确历年。

树木年轮测定结果在放射性碳测年的初期起到了重要作用。树木年轮提供了检查碳14测年方法的准确性所需要的年龄已知材料。在20世纪50年代后期,几位科学家(特别是荷兰人Hessel de Vries)能够根据树轮的碳测年收集的结果确认放射性碳年龄和日历年龄之间的差异。树轮根据树木年轮学测定。

目前,树轮仍用于校正放射性碳测年结果。不同日历年龄的树木年轮库现在可以提供持续至过去1.1万年的记录。通常被用作参考的树有美国的狐尾松(松属细叶)以及爱尔兰和德国的涝栎(栎属)。放射性碳测年实验室一直使用其他树木物种的数据。

树轮的放射性碳校正

原则上,通过比较某含碳样品的放射性碳含量和一个已知日历年龄的年轮放射性碳含量,就可以很容易确定样品的年龄。如果样品的放射性碳含量和树轮的一样,则可以有把握地得出它们的年龄相同的结论。

在实践中,由于许多因素,树轮校正并没有那么简单。其中最重要的是,对树木年轮和样品进行测量结果的精准度有限,因此得到的是一个估计的历年范围。

事实上,校正结果往往给出的是年龄范围,而不是一个绝对值。年龄范围采用截断方法或概率方法计算,两种方法都需要校正曲线。

校正曲线

放射性碳测年的第一个校正曲线建立在一个连续树木年轮序列的基础上,该序列可追溯到8000年前。Wesley Ferguson于20世纪60年代制定它,并在Hans Suess的资助下,公布首个有用的校正曲线。Suess的曲线以狐尾松的数据为基础,采用年轮作为其日历轴。

自Suess的曲线公布后,有很多校正曲线相继诞生,但它们带来的问题比解决的问题更多。在以后的几年,加速器质谱仪的使用和高精度碳测年的引进也催生了校正曲线。北爱尔兰贝尔法斯特的一家实验室发表的高精度放射性碳校正曲线采用以爱尔兰橡树为基准的年轮数据。

如今,国际商定的可回溯至公元前48000年的日历校正曲线由PJ Reimer等人(Reimer et. al., INTCAL13 and Marine13 radiocarbon age calibration curves 0 – 50000 yrs cal BP, Radiocarbon 55(4), 2013)制定。1950年之后,大量的大气中的放射性碳浓度数据可以被获取。后现代的浓度数据在某些情况下对于非常年轻的材料的日历年龄解释十分有用(Hua, et. al. Atmospheric Radiocarbon for the period 1950-2010, Radiocarbon, 55(4), 2013)。

标准的碳14校正曲线的X轴(历年)为日历或树轮时间表,y轴为放射性碳年龄。

校正约定

引用经树木年轮校正的放射性碳测年结果时推荐使用公元前(BC)校正、公元(AD)校正或甚至迄今(BP)校正。碳测年结果必须明确,因此不能仅仅报告为BC、AD或BP。BC校正和AD校正正好对应标准的历史年BC和AD,而校正BP则是指1950年之前的年份。

放射性碳测年结果

碳测年结果必须包括未经校正的结果,使用的校正曲线,采用的校正方法,以及校正之前对原始结果做的任何改动。还必须包括和校正范围对应的可信水平。

于2016.05.05更新