珊瑚礁的ESR测年 伊洛纳怎么丢弃宠物

业渝光　和杰　刁少波　高钧成　杜亚经

（地质矿产部海洋地质研究所）　（中国计量科学研究院）

提要　本文报道了南海珊瑚礁各类样品的ESR测年及在第四纪礁相地质学上的应用，方解石化珊瑚礁灰岩的ESR年龄可高达 126万a；此外，还对各类样品的测年信号的选取及有关问题做了较详细的讨论。

珊瑚礁的放射性同位素测年对古气候学、古海洋学和海平而变化等研究有着重要意义，通常使用¹⁴C和铀系方法测定珊瑚礁的年龄。这两种测年方法有一定的局限性。首先，测定的年限较短，¹⁴C法一般在4万a内，²³⁰Th/²³⁰U方法也不过40万a左右；远不能满足生物礁地质学研究的需要；其次，对样品保持化学封闭体系要求较为苛刻，否则得出的年龄不是偏年轻就是偏老。自Ikeya 1983年首次应用ESR方法测定了日本琉球群岛海成阶地珊瑚的年龄以来，越来越多的珊瑚礁ESR年龄见诸于报道，现已成为测定珊瑚礁年龄的主要手段之一。

所谓珊瑚礁，就是在海底以珊瑚骨骼为主骨架，辅以其他造礁及喜礁物的骨骼和壳体所构成的一个能抵御风浪袭击的生物堆积体。西沙珊瑚礁远离大陆，受陆源物质干扰较少，海水中铀含量比较稳定，铁、锰、钾等元素含量较低，是使用ESR方法测年比较理想的地区。目前，珊瑚礁ESR测年的对象大都是文石质珊瑚，为此我们在测定这个地区文石质珊瑚的ESR年龄的同时，还对珊瑚礁的其他成分的ESR测年进行r一些探索。

1　ESR测年的基本原理和实验

构成物质的分子是由原子组成的，而原子则是带正电荷的原子核及绕核旋转的电子组成。电子是一个带负电荷的球体，它在绕核旋转的同时也做自旋运动，这就是所谓的电子自旋现象。电子自旋在电子四周产生一个环形电流，从而形成了一个弱磁场，它相当于一个很小的磁铁。在通常情况下，轨道上成对的电子由于彼此自旋方向相反，磁矩相互抵消，所以不显示出磁性。然而当物质由于到本身或周围物质中铀、钍、钾等杂质放射性衰变所造成的电离辐射时，物质内部能产生一些缺陷，同时形成一些游离电子。当这些游离电子被其他杂质或晶格中的缺陷捕获时就形成捕获电子心，或原来的原子由于失去电子而形成空穴电子心。这些捕获电子或空穴电子心由于含有未偶电子而带有磁性，物质中这些未偶电子的浓度与时间成正比增加。在外加的高磁场作用下可以观测到电子自旋共振的微波信号，以确定顺磁电子的数目，从而达到测年的目的。

用ESR谱仪测定样品的ESR波谱。我们使用的是日本JEOL公司的JES-FEIXG ESR波谱仪。测定的条件是，室温，X波段，微波功率2mW，磁场调制0.05mTpp。磁场扫描范围336±5mT，扫描速率一般为0.625mT/min。每个样品在相同条件下连续测定记录3次ESR波谱，然后取其记录的平均值作为ESR信号强度。

求ESR年龄的公式十分简单，即：

地质年代学理论与实践

式中，天然辐射总剂量TD的测定一般采用附加剂量法，即把预处理后的样品分成几等份，相继用不同的γ剂量人工辐照，经ESR谱仪测定得到一组 ESR信号强度和剂量响应的数据点，在计算机上用下式进行曲线拟合。

地质年代学理论与实践

式中，I为人工辐照后的ESR信号强度（任意单位）；I_max是样品在饱和剂量时的ESR信号强度（任意单位）；Q为人工辐照剂量（Gy）,k为系数。当I为零时即可求出天然辐射总剂量TD。

用中子活化法或a谱法测定元素中的U、Th含量，用原子吸收分光光度法测定K的含量。根据样品中的U、Th、K的含量，考虑到铀系不平衡的影响，就可以得到平均年辐射剂量率d，用（1）求出样品的ESR年龄。

2　样品的ESR波谱图和辐照响应灵敏度

文石质珊瑚、风成灰岩、灰质壳、珊瑚藻和方解石化的珊瑚的典型的ESR波谱图如图1所示。

图1　珊瑚礁的ESR波谱图

（a）珊瑚；（b）风成灰岩；（c）灰质岩；（d）珊瑚藻；（e）方解石化的珊瑚

文石质珊瑚和风成灰岩的ESR波谱图和前人做的完全一样，灰质壳、珊瑚藻和方解石化珊瑚礁灰岩的ESR波谱图未见文献报道过，由图1可见不同种类样品的ESR波谱图不一样；同是珊瑚，文石质的珊瑚和几乎完全方解石化的珊瑚谱图亦不一样。据我们观察，即使珊瑚中60%左右的文石转变为方解石，其谱图还是和文石质珊瑚谱图一样。风成灰岩的谱图要比珊瑚的谱图复杂得多，灰质壳的特征在于g=2.0042的宽峰。

样品的ESR信号强度随着人工辐照剂量的增大而增长，但不同的样品增长曲线的斜率不同，也就是辐照响应灵敏度不同（图2）。在g值和信号放大倍数相同的情况下，珊瑚的辐照响应灵敏度最大，而风成灰岩最小。

图2　样品的ESR信号增长曲线

°—现代珊瑚；△—现代海螺；×—风成灰岩

即使是同一个样品，不同g值的峰对辐照响应灵敏度也不一样，如图3所示。在近代珊瑚中C峰对γ辐照的响应灵敏度最大，B峰次之，最小的是A峰。

图3　同一珊瑚样品不同ESR信号增长曲线

A—g=2.0058;B—g=2.0032;C—g=2.0007

3　测年信号的选取

要想得到一个可信的ESR年龄，首先要对样品的ESR谱图做出贴切的分析，选取可靠的吸收峰作为测年的信号。

文石质珊瑚 文石质珊瑚的ESR波谱图在中心磁场附近出现明显的A、B、C、D 4个微分吸收峰。据文献介绍，C和D峰都和CaCO₃中的

3型缺陷有关，是总剂量的特征，但据我们观察 D峰随辐照剂量的增加变化不大，难以辨认，故首先不予以考虑。在较老的珊瑚中A峰较大，基本不随人工辐照剂量的增加而增长，有时还减小；在较年轻的珊瑚中A峰随人工辐照剂量的增加而增长，但其得出的TD值远大于 B和C峰，与年代不相关，在现代珊瑚中A峰最小。由此看来，A峰不适于作测年信号，但从A峰的高低，我们可初步看出样品的年代和三价杂质的多少，年代较老杂质较多的珊瑚，A峰较大。

B峰和C峰都随人工辐照剂量的增加而增长，求得的总剂量值彼此差不多，B峰稍大些，但B峰的辐照响应灵敏度不如C峰。从热稳定性试验来看，B峰的平均寿命大约为100ka，而C峰的平均寿命却为500ka。

根据上面的讨论，我们认为在文石质珊瑚中选取C峰做测年信号是有理论和实践基础的，是最可靠的测年信号。

风成灰岩　风成灰岩的波谱比珊瑚的要复杂得多，这是因为样品中有较高的杂质和重结晶的缘故，而且这种样品是由多种生物骨屑所组成的，不似珊瑚那样“十净”，但其主要4个特征微分吸收峰还是和珊瑚一样。因此，我们还是选C峰作为测年信号。

灰质壳　灰质壳的波谱图和珊瑚及风成灰岩的波谱图完全不一样。所谓灰质壳，顾名思义是一种钙质硬壳，大都出现在古土壤层中，是经淡水强烈改造多次淋溶，淀积形成的，在西沙石岛灰质壳顶层常可隐约见到似植物根茎的痕迹。它的主要特征表现在g=2.0045的宽峰上，峰宽0.4mT，这说明样品中含有腐殖酸。Hennig等（1983）认为g-2.0042的峰归因于腐殖酸，曲线宽度为0.4～0.6mT，这个信号不能进行ESR测年，即使是非常年轻的样品也出现宽大的信号，而且受辐照后产生的总剂量为100～400Gy。我们用这个信号计算的总剂量为184Gy，和Hennig等观测的一样。这个样品取自西沙石岛的化石土壤层，在成壤期间伴有植物的石化作用和淀积泥晶作用，极有可能含有较多的腐殖酸。所以我们选用g=2.0007作为测年信号，这个峰很小，可能是这个样品经受了淡水淋滤溶解了原来晶体中的缺陷，重新生成的晶体受到本身和周围物质的天然辐射作用，产生了新的ESR信号。

完全方解石化的珊瑚　样品取自西沙琛航岛西琛一井较深部分（孔深28～143m），这些样品经X光衍射分析几乎是100%的方解石，文石含量极低。它的谱图不同于文石质珊瑚，只有两个峰随辐照剂量的增加而增长，g=2.0000和g=2.0031峰。g=2.0000峰寿命较短，而g=2.0031峰是第三纪古老贝壳中的主要信号，故选g=2.0031峰作为测年信号。

珊瑚藻　样品取自西沙永兴岛西永一井52～58m，它的谱图也比较复杂，找不到g=2.0007的峰。g=2.0024和g=1.9999的峰随辐照剂量的增加而增大，其中g=2.0024

峰求得的ESR年龄和铀系年龄基本一致，选用它作为测年的信号。

4　ESR年龄在礁相地质中的应用

4.1　讨论了西沙石岛风成灰岩的基底年代问题

西沙石岛风成灰岩基底明确，侵蚀面清楚，但其形成年代却颇有争议。经氧同位素地层学推断其基底年代为7万a，铀系测定为13.1万a。我们用ESR方法测定了风成灰岩基底年代为13.8万a，和铀系年龄完全一致，这和Kaufman(1986）统计的世界上100余个末次间冰期高海平面期珊瑚礁的铀系年龄也完全一致。由此可见，西沙石岛风成灰岩的基底原生礁形成于末次间冰期的高海平面期。

4.2　南海存在全新世珊瑚礁

我们测定了14个南海珊瑚礁浅钻中样品的ESR和铀系及¹⁴C年龄，这几种独立的年代学方法测定的结果一致，表明这些珊瑚礁形成于全新世早期，和前人研究的成果完全一致。对比了澳大利亚和马绍尔群岛3个钻孔水下礁的年代，南海珊瑚礁的形成年代也是一致的。这说明全球气候变化影响着海平面的变化和珊瑚礁的生长，尽管世界各地的海平面变化幅度不一，各珊瑚礁的地质构造不同，但总的变化趋势是一致的，在全新世早—中期全球海平面较高，上升速率较快，珊瑚礁亦较发育。

4.3　西沙石岛风成灰岩是末次冰期的产物

测定了近20个西沙石岛风成灰岩地表和钻孔内的样品的ESR年龄，表明这些生物砂屑灰岩确实是末次冰期的产物。这说明干冷多风的气候确实是形成风成灰岩的主要条件。

4.4　为西琛一井的地层划分提供了同位素地质年龄的证据

测定结果表明，西琛一井孔深38.6、123和143m的珊瑚礁 ESR年龄分别为38.8、85.8和125.8万a。目前，还没有任何测年方法可以验证这些ESR年代是否可靠，只能用有孔虫生物地层学和岩石地层学来检验。G.truncatulinoides是第四纪标准带化石，在热带地区以该种的首次出现作为第三系和第四系的界限；在西琛一井中这个界限位于孔深210m处，即大约200万a左右。在孔深98.36m处是核型石灰岩与顶部有滞留砾石沉积的粒泥灰岩分界面，此处是中更新统的底界，年龄为70万a。根据孔深、岩石物征和几个年代界限插入带进38.6、123和143m所求得的年代和ESR年龄一致，这说明这些ESR年龄是可靠的。孔深143m处的126万a是迄今报道的最老的珊瑚礁ESR年龄。

5　结束语

生物礁碳酸盐的同位素测年多年来基本上没有突破40万a的界限。ESR方法是一种新的测年技术，通过其和¹⁴C与铀系方法测年结果的对比，证明珊瑚礁的ESR年龄在35万a是可靠的。我们用完全方解石化的珊瑚礁灰岩测定的ESR年龄，经有孔虫生物地层学和岩石地层学的检验同样是可靠的，取得了突破性的进展。这说明ESR方法是测定珊瑚礁的有效手段，它的测年范围可以从几千年直到126万a，甚至更老些，是一种十分有潜力的测年工具，加强对它的研究定会对第四纪地质学产生深远的影响。

参考文献

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[5]业渝光等，1989．应用ESR和铀系年龄讨论西沙石岛风成灰岩基底的年代问题，科学通报，34.21,1642～1644

[6]业渝光等，1989．有关电子自旋共振测年中年龄计算的几个问题，地质实验室，5.5,312～318

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[11]张明书等，1989．西沙生物礁碳酸盐沉积地质学研究，北京：科学出版社，47

（海洋通报，1991,Vol.10.No.3,77～82页）

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