第25卷 第2期2005年3月
第 四 纪 研 究QUATERNARY SC I ENCES
Vol .25,No .2March,2005
第一作者简介：储国强 男 40岁 副研究员 第四纪地质学专业 E 2mail:chuguoqiang@mail .igcas .ac 3中国科学院知识创新“中国玛珥湖高分辨率古气候环境记录研究”项目(批准号:KZCX3-S W -145)和国家自然科学基金项目(批准号:
40171098和40302023)资助
2004-11-29收稿,2004-12-18收修改稿
文章编号 1001-7410(2005)02-202-06
计年与137C s 、210Pb 测年
3
储国强①
顾兆炎①
许 冰①
刘 强
①
孙 青② 汉景泰① 刘嘉麒
①
(①中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029;②国家地质实验测试中心，北京 100037)
摘要 对东北四海龙湾玛珥湖SHL 2F6孔纹层沉积物的137Cs 放射性测量表明:137Cs 比活度的最大值出现在515c m 处，对应于1963年世界试爆高峰期。纹层计年表明0～6c m 共有35个纹层层偶。从715c m 到615cm,137Cs
比活度从2156±0109dpm /g 急剧增加到18168±0117dpm /g，可能615c m 对应于1954年。通过测量226
Ra 子核214Pb
和214B i (能量为295ke V,352ke V 和609ke V )放射的光子数获得226Ra 比活度数据，然后求得过剩210Pb 比活度
(210Pb uns )。210Pb uns 比活度随深度增加而呈指数衰减，其异常波动可能与人类活动以及沉积速率变化有关，例如515c m 处
210
Pb 比活度较高，与
137
Cs 的峰值对应，这可能与1963年前后人工核实验的高峰有关，因为核试验不仅产
生137Cs，而且可以产生208Pb 和210Pb;415c m 处210Pb 比活度较低，而226Ra 较高，可能与人类
活动加剧，导致沉积速率增加有关。根据210Pb uns CRS 模式,SHL 2F6孔0～19c m 的平均沉积速率为20mg/c m 2・a，或约为0111cm /a 。210Pb 测年数据与137Cs 时标及纹层计年均有很好的一致性。四海龙湾玛珥湖发育的纹层为年纹层，可以建立高分辨率时间序列。
主题词 四海龙湾玛珥湖 年纹层 137Cs 、210Pb 测年
中图分类号 P531,P597 文献标识码 A
预测未来几十年到百年尺度的全球气候、环境变化，需要理解10～100年尺度气候规律、极端气候事件的机制，研究近2000年来高分辨率(时间分辨率至少要到10年)古气候、古环境变化是解决问题的重要途径之一
[1]
。近10年来，欧美开展的一些玛
珥湖研究项目及纹层研究表明，纹层沉积物是高分辨率古气候研究的重要对象之一
[2～9]
。
纹层是一种特殊的沉积构造，但并不是所有的纹层都是年纹层。因此，必须用独立的方法验证
“纹层”是否为“年纹层”。主要方法有:1)年纹层内硅藻的演替
[10];2)沉积物的捕获实验
[11];3)137
Cs,
210
Pb 和14
C 数据等
[12]高纯三氧化钼
。其中,
137
Cs 和210
Pb 测
年是近代沉积物定年的主要方法，已经得到了广泛的运用
[13～20]
。
东北龙岗山脉中部发育的玛珥湖是难得的高分辨率古环境记录研究对象。自1998年以来，笔者
与德国地球科学中心合作对这些玛珥湖进行了前期调查、钻探工作以及初步的研究
[7,9,21～23]
。对纹层
发育较好的四海龙湾玛珥湖，运用冷冻钻探技术，获
得四海龙湾玛珥湖无扰动岩芯(SHL 2F6)。岩芯分割后，冷冻干燥、渗胶，磨制薄片。镜下观察发现，
四海龙湾玛珥湖纹层层偶由暗层和浅层组成。暗层以硅藻和有机质为主要组分，层厚变化不大；浅层主要由碎屑物、有机质组成，层厚变化较大。其中，暗硅藻微层是区分年层偶的重要标志。本文利用
137
Cs 和
210
Pb 测年方法对东北四海龙湾玛珥湖
沉积物纹层计年结果进行了验证。
1 样品与方法
东北吉林省靖宇、辉南县境内(龙岗山脉中部)
发育了9个玛珥湖(图1)。1998～2001年，中国科学院地质与地球物理研究所与德国地球科学中心合
2期储国强等：东北四海龙湾玛珥湖沉积物纹层计年与137Cs 、210
Pb 测年
203
作，先后3次对这些玛珥湖进行了钻探。由于常规的钻探方法可能对表层沉积物产生扰动,1999年9
月，我们用冷冻钻探设备(N iederreiter UW I TEC,
Austria )[21]
对四海龙湾玛珥湖(水深50m 处)近代沉积物进行了钻探取样，获得了长度为9015c m 岩芯(SHL 2F6)
。
图1 东北龙岗地区玛珥湖分布示意图
1.南龙湾玛珥湖
2.东龙湾玛珥湖
3.龙泉龙湾玛珥湖
4.旱
龙湾干玛珥湖 5.三角龙湾玛珥湖 6.大龙湾玛珥湖 7.小龙 湾玛珥湖 8.二龙湾玛珥湖 9.四海龙湾玛珥湖
Fig .1 Locati on of maars in Northeast China
1.1 放射性测年
四海龙湾玛珥湖样品137Cs 和210
Pb 以及相关的放
射性同位素的测量，在中国科学院地质与地球物理研究所低放射(γ和β射线)强度测量实验室进行，设备为法国堪培拉欧洲系统测量公司(EUR I SYS MES URES )生产的EGPC100P15R 低背景多道能谱分析系统。测试中，用中国原子能科学院提供的标
准源标定标准样品。137Cs 和210
Pb 的最低检测值分别为01002dpm /g 和0101dpm /g 。首先，用钢锯将岩芯按1c m 间隔分割，冷冻干燥后称重获得其干密度；然后将2～3g 样品装入直径为1c m 透明塑料试管
中，密封20天以上，以求226Ra -222
Rn 达到长期的放
射性准平衡状态[24,25]
；然后，样品放入低背景多道γ能谱分析系统的高纯锗(HPGe )井型探头中进行γ2射线能谱测量，测量时间约为2昼夜。112 纹层薄片
岩芯钻取后，储存于冰柜中，用钢锯将岩芯分割成160×40×10mm 的岩芯条，再从中分割出(60×20×10mm )小岩芯条。冷冻干燥后渗胶，凝固后磨制薄片
[7]
，在显微镜下对纹层进行研究。
2 结果与讨论
211
137
C s 、210
P b 测年
137
Cs 为人造放射性核弹核素,1945年世界上首枚爆炸开始产生。由于世界上频繁试爆核
弹,1954年北半球137
Cs 明显增加，在1960年有1个低值,1963年达到最大值[14]
。
沉积物中1954年的137
Cs 比活度较低，经过40多年的衰变较难辨认。
1986年切尔诺贝利核电站泄露的137
Cs 通过大气传送在全球范围散落，有可能在湖泊沉积物中蓄积，因
此该次级蓄积峰也被用来计年[15]
，但一般用1963年作为时标。
图2a 为SHL 2F6孔岩芯137
Cs 比活度的变化。大
约在岩芯深度1415c m 处137
Cs 开始出现。从715c m
到615c m ,137
Cs 比活度从2156±0109dpm /g 急剧增加到18168±0117dpm /g 。可能615c m 对应于1954年，反映了北半球137
Cs 蓄积量在1954年明显增加。按照这一时标，则0～7c m 的沉积速率0116c m /a 。
在岩芯深度515c m 处137
Cs 比活度达到最大值(41158±0128dpm /g )，该最大蓄积峰可能为1963
年全球137
Cs 散落的高峰期。但1986年切尔诺贝利核电站泄露造成的137Cs 次级蓄积峰在岩芯中未发现。如果以1963年为时标，则0～6c m 的沉积速率
为18mg/c m 2
・a (以累积干密度计算获得)，或约为0117c m /a 。
137Cs 计年的可靠性是以137
Cs 在沉积物中赋存状态的稳定性为基础[17]
。虽然137
Cs 在湖泊沉积物中
存在一定的扩散能力，但其分子扩散不足以改变蓄
积峰的位置[26]
。对质地均一的沉积物而言，生物扰
动作用和混合作用不足以影响用137
Cs 指标来计算沉
积速率[27]
。四海龙湾玛珥湖水体深度为50m ，沉积物/水界面为厌氧环境，纹层保存较好，可以基本排除生物扰动和混合作用。SHL 2F6孔515c m 对应于137
Cs 比活度的最大值，可以作为一个可靠的时标。210Pb 与137
Cs 不同，是一种天然放射性核素，半
衰期为2213a 。湖泊沉积物中210
Pb 主要有两个方面
的来源：一是从大气中222Rn 放射衰变成因的210
Pb，通过降水直接沉积到湖泊中，这一部分210
Pb 一般称为210Pb uns ；二是湖泊沉积物中226
Ra 放射衰变成因的210
Pb，一般称为210
Pb s 。湖泊沉积物
210
Pb s 比活度
204
第 四 纪 研 究2005
年
图2 四海龙湾玛珥湖沉积物SHL2F6岩芯放射性测年(a)137Cs比活度 (b)226Ra和210Pb比活度 (c)过剩210Pb uns比活度
Fig.2 Radi ometric dating result fr om the core SHL2F6
可以通过测量226Ra比活度获得。在能谱仪上,226Ra
比活度可以通过测量其子核214Pb和214B i放射的(能量为295ke V,352ke V和609ke V)光子数实现。210Pb
uns
年龄的计算方法主要有两种：常量初始浓度模式(constant initial concentrati on，简称C I C模式)；恒定放射性通量模式(constant rate of supp ly，简称CRS模式)[28]。实际上这两种方法都有共同的前提：即沉积物/水界面处210Pb的沉积通量保持不变；沉积体系内没有发生过210Pb的迁移。
图2b和图2c为SHL2F6孔226Ra和210Pb及过
剩210Pb
uns
比活度。总体上看,210Pb比活度随深度增加而呈指数衰减。其异常波动可能与人类活动以及沉积速率变化有关，如515c m处210Pb比活度较高，与137Cs的峰值对应，这可能与1963年前后人工核实验的高峰有关，因为在核试验不仅产生137Cs，而且可以产生208Pb和210Pb;415c m处210Pb比活度较低，而226Ra较高，可能与人类活动加剧，导致沉积速率增加有关。根据CRS模式,SHL2F6孔0～19c m的平均沉积速率为20mg/c m2・a，或约为0111c m/a。这一数值与贺怀宇等用α谱测得三角龙湾玛珥湖沉积速率约01115c m/a[29]，以及夏威岚和薛滨根据210Pb和137Cs分析结果，得出小龙湾玛珥湖沉积速率约0110～0114c m/a[30]大致相近。四海龙湾、三角龙湾和小龙湾玛珥湖这3个玛珥湖位于同一地区，具有相似的地质、水文及植被背景。这3个玛珥湖汇水盆地与湖泊面积的比值也相近，其比值分别为118(四海龙湾),113(三角龙湾)和210(小龙湾)。因此，这3个玛珥湖近代沉积物沉积速率大致相近。
212 硅藻年纹层计年
四海龙湾玛珥湖沉积物发育了很好的纹层(图3)。纹层厚度自014mm至416mm不等(冷冻钻岩芯0～30c m)。纹层由暗层和浅层组成，暗层以硅藻及有机质为主要组分，层厚变化不大，厚约20～120m；浅层主要由碎屑物、有机质组成，层厚变化较大，厚约011～410mm。暗硅藻微层是区分年层偶的重要标志。四海龙湾沉积物捕获装置的分析结果表明[30]：春季为金藻的繁盛期；秋季为硅藻的主要繁盛期，硅藻以小环藻属(Cyclotella co m ta)占绝对优势(90%以上)。东北龙岗地区玛珥湖为
双循环湖，春季随着气温的上升和底层暖水上升，冰层开始融化，当湖表水温度接近4℃时，湖水开始对流，在长达5个月的冰封期，湖泊沉积物/水界面积累了大量的腐植酸及其他营养物，有利于金藻和硅藻的生长。但春季金藻和硅藻的繁盛在沉积物中未形成可以识别的微层，这是因为同期碎屑物(冬季累积于冰面及汇水盆地的尘土随冰雪融化而沉人湖泊中)的沉积通量亦高。而秋季为全年硅藻的主要繁盛期，加之此期湖水存在温度分层[31]，硅藻能够在沉积物中形成微层(D iat omaceous lay2 er)。大致在11月底，湖水开始结冰。同样结冰前,
图3 四海龙湾玛珥湖纹层显微照片及主要硅藻和金藻孢子
磁性材料液压机(a )Cyclotella co m ta (Ehr .)Kuet . (b )St omat ocyst 202 (c )D iploneis elliptica (Kuet )Cl . (d )St omat ocyst 266
Fig .3 Phot om icr ography of varves in Sihail ong wan maar,and diat om s and st omat ocystsefactor
2期储国强等：东北四海龙湾玛珥湖沉积物纹层计年与137Cs 、210
Pb 测年
205
当湖水冷至4℃时，湖泊存在一个短暂的对流期。
因此，四海龙湾玛珥湖年纹层的季节信号为：暗的硅藻微层形成于秋季，浅微层(由碎屑物和有机质组成)主要形成于春季
。
图4 四海龙湾玛珥湖沉积物SHL 2F6孔岩芯210Pb uns CRS
模式年龄及137Cs 年龄与纹层计年对比
Fig .4 Comparative diagram of
210
Pb uns (CRS )and
137
Cs dating,and varve 2chr onol ogy in the core SHL 2F6
in the Sihail ong wan maar
从图4中可以看出,SHL 2F6孔纹层计年结果
与1963年137
Cs 蓄积峰有很好的对应性。0～6c m 共
计有35个纹层层偶，对应于1962年，与
137
Cs 活度最
大峰值年代几乎相同。纹层计年结果与
210
Pb uns 的
CRS 模式年龄也能够很好的对应(图4)。
3 结论
通过对东北四海龙湾玛珥湖沉积物冷冻钻岩芯(SHL 2F6)纹层薄片的研究，了解到该湖纹层由暗
层和浅层组成，暗层以硅藻及有机质为主要组分，层厚变化不大；浅层主要由碎屑物、有机质
组成，层厚变化较大，其中暗硅藻微层是区分年层偶的重要标志。对该湖冷冻钻岩芯的放射性年代学分析表明:
137
Cs 比活度的最大值出现在515c m 处,
对应于1963年;615c m 处
137
Cs 比活度开始明显增加
可能对应于1954年。210
Pb 测年数据亦与
137
Cs 时标
和纹层计年有很好的对应性。根据独立的137
Cs,
210
Pb 测年数据及纹层计年结果表明四海龙湾玛珥湖
发育的纹层为年纹层，是可靠的自然时钟。通过对纹层年代学的研究，可以建立高分别率时间序列。
致谢 笔者感谢刘东生先生对玛珥湖研究工作的关注，感谢我们的合作伙伴J.F .W.Negendank 教授、J.M ingra m 博士、G .Schettler 博士，并对参加玛珥湖湖泊钻探工作的中外学者表示谢意。
206
第 四 纪 研 究2005年
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