综述：建立整合的210Pb和14C年龄模型的指南

《Earth-Science Reviews》：Guidelines for producing integrated 210Pb and 14C age-models

　　这篇综述由国际Paleostats工作组撰写，系统阐述了整合210Pb（约100年）和14C（约5万年）定年技术建立高精度沉积物年代学模型的标准化流程。文章重点介绍了贝叶斯统计模型（如Plum和Bacon）在解决两种方法时间窗口重叠区的技术难题中的应用，强调了采样策略、质量控制、数据整合方法以及（137Cs）等验证标志物的使用，为古环境重建研究提供了重要方法论支撑。

　　

1. 为什么这很重要？

准确重建过去环境变化（古环境研究） critically depends on producing reliable chronologies of sediment deposits。随着对近一个世纪以来土地利用变化、富营养化、污染以及气候变化影响的深入研究，²¹⁰Pb定年的水生沉积物记录变得至关重要。高分辨率年代学使科学家能够评估事件发生的时间和同步性，讨论可能的原因并解释趋势。衍生的堆积速率（Sediment Accumulation Rate, SAR）使得计算随时间变化的污染物和有机碳等指标的通量成为可能，这为科学理解和决策者评估保护和恢复优先级提供了信息。

环境档案，如湖泊和海洋沉积物、泥炭、洞穴沉积物和珊瑚，可能包含不同的时间尺度，可以用不同的放射性核素计时器进行定年，例如¹⁴C（约5万年）和²¹⁰Pb（约100年）。如果对整个记录感兴趣，使用多种放射性核素可以通过覆盖整个时间长度来增加研究的价值。例如，合并近期和较古老的时间记录可以为了解从自然条件到近期人为对生态系统的强迫作用的转变提供见解。

然而，当前整合放射性核素年龄模型的方法尚未标准化，其基本步骤因几个原因而具有挑战性。²¹⁰Pb和¹⁴C数据在所测定的基质上存在显著差异：²¹⁰Pb主要与细颗粒沉积物（特别是粘土）和有机质相关，而¹⁴C通常在生物遗骸或有机碳中进行分析。不同的测量技术、时间窗口以及潜在的模型和假设使得整合年龄模型变得困难。

2. 采样与分析

2.1. 点位选择

所选研究区域将在很大程度上影响采样策略，并由项目目标定义或约束。例如，偏远湖泊长岩芯取样的可及性可能是一个限制因素，而古海洋学研究通常需要配备适当的海洋调查船。

沉积物岩心中的²¹⁰Pb和¹³⁷Cs活性可能受到粒度分布的影响，因为它们会选择性吸附在沉积物的特定组分上。由于²¹⁰Pb通常与细颗粒沉积物相关，因此可以通过对 dredge 获取的样本进行视觉检查来初步评估其是否适合进行²¹⁰Pb定年。

对于²¹⁰Pb活度的测量，大型植物化石或有机碎屑的存在会干扰切片质量/密度的测量准确性，这是²¹⁰Pb定年中使用的变量之一。然而，这些材料通常需要用来产生可靠的¹⁴C年龄模型，因为对 bulk sediments（整体沉积物）进行定年会引入更大的不确定性，并可能导致¹⁴C年龄出现偏差。

尽管沉积物混合可能对两种放射性核素都相关，但过剩的²¹⁰Pb（²¹⁰Pb_ex）通常只存在于最顶部的分米范围内，并且更受表层混合过程的影响，这可能会改变沉积记录。

²¹⁰Pb向沉积物的通量和沉积物堆积在很大程度上取决于沉积环境，这在沿海地区可能非常复杂。优先沉积区域可以通过水动力数据或模型（低能环境）或遥感图像来确定。根据先前研究、技术报告或测深图确定的沉积速率估计有助于规划。

2.2. 岩心获取、运输和保存

拥有足够的样品质量来进行所有计划的分析是很重要的，这通常需要使用相对较大直径（约10厘米）的取芯设备或以较低的垂直分辨率（例如2厘米，通常不推荐）进行切片。这对于干密度较低的沉积物尤其重要。同样，对于²¹⁰Pb定年，岩心应足够长以达到平衡深度（即²¹⁰Pb_ex ~ 0）。然而，单个岩心并不总能代表整个点位。例如，湖泊中心与其边缘的沉积物堆积速率可能不同，因此当研究目标需要对该地点进行广泛表征时，优选分析来自该地点不同区域的多个岩心。

在取芯过程中尽量减少干扰可以提高沉积物记录的质量。由于取芯器不可避免地会扰动沉积物，使用其他方法（例如作为单向阀的气密顶部封闭）可能有助于获取更完整的沉积物岩心。在进行分析等分之前对岩心进行视觉检查有助于识别可能影响后续测量的扰动或异常。

微型和大型化石以及其他材料可能在收集、分割或挤压过程中沿着岩心边缘被拖带。在这些情况下，消除沉积物层的外边缘可能有助于避免因与衬管接触和取芯或挤压时沉积物涂抹造成的污染风险。

在取芯后立即标记岩心表面相对于取芯管的位置，可以在取芯后发生压实或膨胀的情况下提供有用信息。松散沉积物和泥炭岩心很容易被压缩，并且由于温度和压力变化，取芯后岩心材料可能会膨胀。对于需要准确垂直沉积物堆积速率（mm yr^?1）的研究，在现场至少切片到沉积物变得足够致密以便以最小扰动运输的深度有助于提高数据质量。

岩心最上部材料的获取和保存对于²¹⁰Pb年龄建模至关重要。分析岩心顶部很重要，因为它通常包含岩心²¹⁰Pb_ex库存的很大一部分。保留沉积物-水界面并对泥炭沼泽中最上部的植被进行采样可以为环境和年代解释提供有价值的信息。

2.3. 采样与分析

¹⁴C用户通常分割（通常较长的）岩心，并每隔几厘米到分米取小样本进行¹⁴C定年。²¹⁰Pb用户倾向于垂直挤压（通常较短的）岩心并进行切片。这使研究人员能够：i）在分析前均化整个切片，从而使等分试样更能代表每个切片；ii）获得整个切片的干质量，其不确定性要小得多，并且比根据干体积密度估算更准确。

2.3.1. ¹⁴C采样

为用于¹⁴C年龄控制的更深部岩心段获取足够的重叠可能有助于解释现场采样时深度估算的潜在误差。这可以通过重叠单个系列岩心段或获取两个重叠的岩心段序列来完成。使用连续数据集（如烧失量（LOI）或岩心扫描仪测量，包括体积密度和磁化率）可以加强岩心段之间的相关性。如果存在纹层或已知层位，这些也为深度校正和岩心段相关性提供了有用信息。

对¹⁴C采样采用迭代方法，从稀疏的沿岩心分布开始，然后在获得年龄后在较早样本之间重新采样，有助于优化年龄-深度模型的分辨率。根据所需的时间精度，一个经验法则是每1000年有两个¹⁴C估计值。如果需要更高的精度，则可能需要进行连续采样。

使用可能同时代的宏观有机物进行¹⁴C定年——最好是短寿命、可识别的陆生材料，如针叶、叶片碎片、种子、球果、芽鳞或树皮——有助于提高年龄测定的准确性。木材、木炭、藻类、水生植物或不可识别的有机材料可能经过再搬运，或者由于沉积前老化或储库效应而比周围沉积物更老，这可能使年龄解释复杂化。

如果大型植物化石不可用或难以找到，即使经过确定的筛分，考虑替代方案如花粉定年、整体沉积物定年或腐殖酸定年可能是谨慎的做法。组合方法（即配对大型植物化石和花粉定年，或其他可靠性测试）可以更自信地使用替代定年方法。

对于¹⁴C年龄建模，可以从多个岩心段取样，尽管相邻岩心之间存在细微的地层变化。相比之下，从单个岩心推导出过剩²¹⁰Pb剖面对于确保年龄-深度关系的内部一致性是必要的。

2.3.2. ²¹⁰Pb采样

可靠的²¹⁰Pb日期需要尽可能多的样品 above the equilibrium depth（在分析前是未知的），但成本和可用质量都可以优化。如果通过伽马能谱法进行²¹⁰Pb、²²⁶Ra和¹³⁷Cs分析，这种非破坏性分析所需的最小质量范围从使用井型探测器时的几克（干重）到使用同轴探测器时的几十克。在阿尔法能谱法（破坏性分析）的情况下，所需质量通常<0.5克。其他分析所需的质量也需要仔细考虑。

足够的沉积速率可能是获得足够样品进行可靠²¹⁰Pb定年的必要条件。如果可以分析的数量是有限的，切割更宽的切片可能看起来实用；然而，由于较老的沉积物通常表现出较低的沉积物堆积速率（SAR），并且由于压实作用密度随深度增加，这种方法会降低年代分辨率。

²¹⁰Pb实验室通常首先分析散布在整个岩心的一些样品，以了解²¹⁰Pb剖面并确定平衡深度在哪里，然后填补空白，重点关注感兴趣的区域（例如靠近平衡深度、预期出现¹³⁷Cs最大值的区域或²¹⁰Pb剖面偏离理论指数衰减趋势的区域）。在此阶段，恒定通量恒定沉积（CFCS）模型可用于估算平均SAR。并行分析LOI、干密度、磁化率和粒度分布可以快速评估岩心剖面、表征切片或检测任何扰动。

2.4. 放射性分析

虽然¹⁴C活性传统上是通过计数衰变事件来测量的，但现在大多数¹⁴C定年实验室使用加速器质谱（AMS）直接测量¹⁴C/¹²C比率。在取芯和¹⁴C测量之间将样品保持黑暗和凉爽减少了微生物污染的可能性。预处理样品以去除污染碳源，例如可移动的可溶性碳或来自生长根系的碳，有助于提高¹⁴C年龄测定的准确性。这通常通过各种方案完成，例如仅酸或酸-碱-酸清洗。选择适当的预处理方法需要仔细考虑，因为它会显著影响最终年龄估计的可靠性。

²¹⁰Pb分析，无论是通过阿尔法粒子能谱法还是伽马射线能谱法进行，都受益于使用经过良好校准的设备（在能量和效率方面）以及适当的校准标准，以确保准确的测量。获得对每种感兴趣放射性核素本底活性的可靠理解，并通过既定的质量评估协议定期评估实验室性能，能够获得可靠的结果。这包括分析有证标准物质以评估测量准确性，以及通过重复样品分析和计算相对标准偏差（也称为变异系数）来评估精密度。建立最小可探测活度（MDA）进一步增强了对程序分析探测能力的理解。

如果支持，²¹⁰Pb是通过伽马能谱法从²²⁶Ra活度确定的。将沉积物样品密封包装并储存至少21天后再进行分析，有助于确保²²⁶Ra与其氡子体之间达到长期平衡。如果仅使用阿尔法粒子能谱法，则可以如下估算渐近基底²¹⁰Pb值。

3. 放射性碳年龄模型

放射性碳是一种放射性同位素，半衰期约为5730±30年。它是通过宇宙辐射与大气中的氮相互作用自然产生的，并以痕量形式存在于大气和海洋中。虽然生物在其一生中作为新陈代谢的一部分吸收¹⁴C，但这种吸收 upon death 停止。结果，化石中的¹⁴C含量随着时间的推移而减少，使得能够估算它们的年龄。放射性碳可以测量到大约5.5万 cal BP（1950年之前的日历年）的年龄。

已知年龄有机材料的放射性碳测量表明，大气¹⁴C浓度随时间波动， due to both natural and anthropogenic causes。因此，¹⁴C年龄需要被校准到日历尺度上。校准后，概率分布通常是不对称和多峰的，这可能对后续解释有问题。

古生态学研究界已经开发了一系列方法来模拟具有¹⁴C定年深度的沉积岩心的年龄。最初，这些方法难以处理不对称、多峰的校准¹⁴C日期；然而，更近的模型利用迭代重采样来处理它们。直到大约十年前，年龄-深度建模最流行的方法是线性插值，它在校准的定年深度（的中点或众数）之间绘制线性段。然而，对于大多数类型的沉积物来说，假设它们在很长一段时间内线性积累，并且堆积速率的任何变化恰好发生在定年深度是