鈾系不平衡定年法 The Uranium Series DisequilibriThe Uranium Series Disequilibrium Dating Methodum Dating Method

• 導論• 定年原理–鈾釷定年法（ U-Th dating ）

• 應用–洞穴碳酸鹽（ Speleothe

m ）

導 論•定年的重要性

– 全球各地的氣候異常，使〝氣候變遷〞成為 20世紀末、 21世紀初重要的議題。因此科學家們便藉由各種紀錄環境變化的物質（如：湖泊及海洋沈積物、珊瑚、洞穴岩…等）來觀察地球環境長期變化是否有一定的趨勢或循環，以求瞭解未來氣候變化的可能趨勢。而想精確解析古環境的變化，必先確定環境事件發生的年代為何，有了準確的時間資訊後，方能將全球各地不同的紀錄作對比與校正。因此，〝定年〞工作可說是研究古環境變遷中的一個重要環節。

Introduction

Introduction

• Uranium: U6+ → UO22+

• Thorium: Th4+ →Th(OH)4

• Uranium-series dating

Introduction

Introduction

• Daughter-deficiency– 230Th/234U

• Daughter-excess– 234U/238U

Introduction

鈾系定年理論基礎• 何謂鈾系定年法？

– 放射性定年法的一種– 利用放射性元素的含量和其蛻變產物的含量的比例，決定礦物或岩石絕對年齡的方法

• 何謂〝鈾系〞 ？– 以 238U 、 235U 、 232Th 為首的天然放射性系列最後變為鉛的穩定同位素

Theory

核種圖

232Th14 By

234U248 ky

230Th75 ky

α

Theory

分析技術• Bateman (1910) ：鈾系不連續系列可用於定年• Khlapin (1926) ：應用在含鈾礦物的定年

– 基本假設〝鈾礦在剛形成時不含釷同位素，且 234U 與 2

38U 則成放射平衡〞• Barnes (1956) ：

– α 計數法（ alpha-counting method ）– 將 U-Th 測量法應用在珊瑚上

• Chen (1986) ：用 TIMS 分析 234U • Edward (1987) ： 230Th• Luo (1997) ：應用 ICP-MS 測量 U 、 Th

Theory

Sample Criteria

• Forms with appreciable U

• Forms with negligible Th →initial 230Th

• Remains a closed system

Initial 230Th• Th 4+ → low solubility, strong adsorbabilit

y• Source of 230Th

– Authigenic (from U)– Detrital

➥colloidal phases➥attach to organic molecules➥in carbonate complexes

• 232Th and 230Th are chemically equivalent• The 230Th/232Th ratio → isochron technique

Age Equation

PbThUU 206y107.569

230y102.453

234y104.468

238459

TT eUUe

UU

UTh

230234230 111234230

230234

238

234

238

238

230

簡化 (Cheng et al., 2000)0

232

230

234238

234

232

238

232

230

ThTht

UU

ThU

ThTh

mmm

yλ230=9.1577x10-6

λ234=2.8263x10-6y=ax+b

x a b

230Th-238U Isochron Diagram

鈾釷定年法之應用• 洞穴岩 (speleothem)

– 將鈾釷不平衡定年法運用到洞穴碳酸鹽沈積物（洞穴岩）中，為探索第四紀環境變化的工作提供了一個重要的技術。洞穴岩的生長（即碳酸鈣的沈積）相似於樹木的年輪或湖泊沈積物，具有明顯的微層構造發育（ Gilson and Macartheny, 1954 ），且其生長紋層與氣候相對變暖、變冷及潮溼、乾燥的事件相關。

– 洞穴岩是陸相沉積物，解析度高，可以與深洋岩心和冰心紀錄對比。

Application

何謂洞穴岩？• 石灰岩洞穴中，次生碳酸岩沈積

– 鐘乳石（ stalactite ）– 石筍（ stalagmite ）– 流石（ flowstone ）

Application

鐘乳石 石筍

流石

洞穴岩的形成機制

Ca2 ＋ ＋ 2HCO3-↔CaCO3 ＋ H2 O ＋ CO2

Application

氧同位素平衡• 平衡方程式CaC16O3 ＋ 3H2

18O ↔ CaC18O3 ＋ 3H216O

Application

O2(air)

碳同位素平衡• 影響碳同位素的主要因素–洞穴上方植被的變化➥如： C3 、 C4 植物族群相對比例的改變

Application

記錄長時間的環境變化

• 優點–分佈廣– 時間跨度長– 生長機制對環境敏感且保存信息完整– 適合鈾系不平衡定年

洞穴岩Application

Distribution of karst in the world.

洞穴岩• 優點

– 分佈廣–時間跨度長– 生長機制對環境敏感且保存信息完整– 適合鈾系不平衡定年

Application

數十年至六十萬年cf. 14C 定年：～五萬年

洞穴岩• 優點

– 分佈廣– 時間跨度長–生長機制對環境敏感且保存信息完整–適合鈾系不平衡定年

Application

洞穴岩• 缺點

– 洞穴碳酸鹽生長時，因含釷的碎屑物質（如黏土礦物、有機物等）會隨著地下水進入晶格中沈積，造成定年上的偏差。– 定年標本不經歷再結晶作用，因為在結晶作用會影響鈾的含量（ Geyh and Henning, 198

6 ）。

Application

Experimental Methods

• Sub-sampling: Milling• Chemical separation of uranium and th

orium– Spectra Gel Ion Exchange

• Measurement: – Inductively Coupled Plasma Mass Spectro

metry (ICP –MS)• Isochron technique

Application

實驗流程

採樣 Application

Isochron Sub-sample

Sample Weight (mg)

238U conc. (ppm)

232Th conc. (ppb)

Uncorrected Age

Corrected Agea

Middle 40.5 2.55 5.4 1,383 ± 34 1,344 ± 34

Left 42.8 2.54 22.8 1,519 ± 46 1,349 ± 44

Right 37.7 2.25 291.6 3,797 ± 55 1,348 ± 51

( Dorale et al., 1998)

Isochron Technique

台灣洞穴岩及鈾系不平衡定年法的相關研究• 台灣洞穴岩的研究至今還處於開發的階段，由於台灣的洞穴岩普遍經過再結晶作用，加上構造活動頻繁可能造成地下水路徑的改變，不利於洞穴碳酸鹽之研究。再者，對於未受再結晶作用影響的洞穴岩卻有採樣上的困難，如高雄壽山和墾丁，前者受軍事管制、後者則屬國家公園，均難以申請開採的工作，使國內對洞穴岩研究的發展受到阻礙。• 台灣對鈾系定年的研究並不深入，已發展的工作主要是珊瑚礁定年• 何偉剛 , 2000；陳俊廷 , 2000 ；鍾廣吉 , 1989• 扈治安 , 1997