14C测年

一.14C测年方法的基本原理在自然界中碳有两种稳定同位素12C，13C和放射性同位素14C。14C是由宇宙射线和大气上层中的气体原子发生核反应而生成的，这些生成的14C不断地扩散到整个大气层、生物圈、沉积物和海洋等交换贮存库中。由于14C也在不断衰变，因此在各交换贮存库中的14C含量将会达到平衡。处于这种交换状态的含碳物质一旦脱离交换且一直处于封闭状态，则其中的14C不再得到补充，只会按衰变规律逐渐减少。假定长期以来宇宙射线的强度没有改变，即14C的产生率不变，则只要测出该含碳物质中14C减少的程度，就可以按照基本的衰变公式推算出考古事件或地质事件的年代。常规14C测年已有五十余年的历史，其原理已为大家所熟知，即通过测量样品的放射性活度来确定样品年代，如常用液体闪烁计数器等核物理仪器探测并计数样品中14C衰变发射出的β粒子。用加速器质谱方法（AMS）进行14C测年是七十年代末发展起来的一项核分析技术。这项技术将14C离子加速到百万电子伏特以上的能量，通过各种手段分离干扰粒子后，用重离子探测器直接对14C原子进行计数。和常规14C测年方法相比，AMS具有样品用量少和测量时间短的优点，特别适合珍贵样品的测量。常规14C衰变法测年所需样品含碳量一般为1-5g ，而AMS仅需1-5mg左右，在某些特殊情况下甚至可测量含碳0.1mg以下的样品。AMS测量现代炭样品达到1%的精度只需10-20分钟，常规衰变法需10个小时以上。当然，和常规14C测年方法相比，AMS也有设备耗资大，测量过程复杂的问题。以上无论常规法对放射性活度的测量和AMS对14C原子的计数都是相对测量，需要和两个基准样品进行比较。一是本底样，即应该不含任何14C的样品。由于各种因素如样品的沾污等，本底样的14C测量结果并不是绝对为零，在进行其他样品的测量时要减去这一本底，以确保反映样品中真实的14C水平。另一个是现代碳标准，其14C含量应相当于处于交换状态下含碳物质的14C水平。现代碳标准的选取是一个复杂的问题，这里不作讨论。北京大学14C实验室采用的是中国糖碳标准。二. 14C测年误差考古工作者，特别是当研究文明起源问题时，最关心的是14C测年的精确性有多高。这是一个十分重要的问题。14C测年的误差，除决定于实验室的技术因素，14C测年工作者的水平外，也强烈地决定于被测年样品本身的情况，甚至同样的样品还依赖于样品的年代。14C测年方法的基本假设前提的不完全成立也导致测年误差。可以毫不夸张地说，自四十年代该方法建立以来14C工作者和考古、地质学家共同努力的主要目标也正是在提高测年的精确度和扩大样品的适宜性。在夏商周断代工程中，无论是常规的，或加速器质谱14C课题组都做了大量艰苦的工作来降低实验误差。 14C测年结果一般代表被测样品的形成年龄，但样品形成年龄与样品所在考古单元形成的年代并非同一概念。举例来说发掘一房址，用其中残存的粮食、炭化果核测年可代表房子被废弃的年代，而奠基用的动物遗骸，墙泥中掺和的草茎等物的14C年龄则接近房子的建造年代。此外木头、人骨本身有相当长的寿命，精确测年时要考虑这个因素。 14C测年方法的基本假设前提是若干万年以来大气中二氧化碳的14C放射性比度，或者说其14C/12C同位素丰度比是恒定不变的。但这个假设只是近似成立。通过对约一万年来其生长年代确切已知的树轮样品的系统14C测年，阐明了大气中二氧化碳的14C放射性比度随时间变化的规律，并建立了14C测年的树轮校正曲线。校正量除最大幅度达800年的8000年长周期外，还需考虑振幅和周期均约为百年的短期涨落，短期涨落的幅度和周期是不很规则的。为了得到确切的年代，样品的14C测年结果要根据树轮校正曲线作校正。我们知道14C测年结果本身是必然有实验误差的，譬如说加减50年，这是指68% 的置信区间为100年。对于单个样品单个14C数据而言，树轮校正修正了因长期变化所导致的误差，提高了测年的准确度。但是由于短期涨落的存在，多数情况下并不能改进测年数据的精密度，误差表达式中的加减值反而会增加。 举例来说郑州大河村某样品的14C年龄为距今（5170 ± 80）年，其68% 的置信区间为距今5090--5250年，区间宽度160年。经树轮校正后，校正年龄（又称日历年龄）68% 的置信区间为距今5774--5989年，它更接近真实年龄，但校正年龄的68% 的置信区间的宽度变大了，达215年。这里我们看到准确度和精密度是两个不同的概念。当然人们希望同时有高准确度和高精密度，或简称高精确度。为此需要用所谓的系列样品。在“夏商周断代工程”中，我们正是采用系列样品测年以提高精确度的。最理想的系列样品是树木本身。如有一段树桩，其年轮可数达120年。现按序每10年取样测年，得到12个有序的，真实年龄相隔各10年的14C年龄组。把这组数据与树轮校正曲线去对比，如果实验本身的误差不大，那么这组数据必然会与树轮校正曲线上的某一段，而且也只能唯一地与这一段相吻合，从而该段树桩的生长年代也就能相当精确地测定，最理想情况下误差仅几年。考古所仇士华先生曾用这种与树轮校正曲线匹配的方法，通过测长白山地区一炭化木头的年龄来确定长白山火山喷发的年代。考古遗址按地层采集的样品，或者从一系列有明确叠压或打破关系的墓葬中采集的样品也可看作系列样品。当然从精确14C测年的角度看，这类系列样品远不如真正的树轮样品那样理想。因为前后样品间的确切年代间隔是不知道的，而且样品的年龄与其所在考古单元的年代不一定等同，此外在晚期的地层中有可能采集到前面各期的样品。系列考古样品测年所得的14C年龄系列也可以与树轮校正曲线匹配以得到树轮校正年龄，但鉴于上述的种种不确定因素，所得的校正年龄的误差也相应要大得多。考古工作者有理由问，考古系列样品14C年龄作树轮校正后的误差究竟有多大。但给予回答时是需要具体情况具体分析的，而且对误差的估计也难免有主观的成分。考古系列样品14C年龄与树轮校正曲线匹配时，是可以把考古工作者对这些样品已有的知识引进综合考虑的，如果这些知识是正确的，这有助于提高最终校正年代的精确度。譬如一个遗址被分成四期八段，每一段的年代跨度是否是均匀的，有那几段可能跨度更长些，甚至四期的绝对年代跨度有多少年，这些先验的知识在14C数据与树轮校正曲线匹配时是很有用的。夏商周断代工程中的14C测年课题组正是这样做的，在解决文明起源研究课题中的年代学问题时我们也准备这样做。这里也再次看到14C测年工作者与考古工作者紧密合作的重要性。三. 北京大学14C实验室北京大学考古系于1975年建成国内第一个液体闪烁方法的碳十四测年实验室。该方法后来在全国得到推广，目前国内所有常规碳十四实验室都用液体闪烁方法。1989年因与社科院考古所合作建立碳十四测年用的糖碳标准，获国家科技进步三等奖。20多年来，实验室已测定与发表考古碳十四年代数据约1500个，占国内考古碳十四年代数据的约三分之一。例如系统测定了浙江河姆渡，湖南彭头山等早期稻作农业遗址的年代，把我国最早的稻作农业的年代推到七千多年以前，把榫卯建筑结构的年代推到六千多年。最近又测定了河南贾湖遗址的年代，表明那里发现的七孔骨笛有七千多年之久，这些多为研究我国文明的起源提供了重要的年代学标尺。近三年来实验室集中力量完成夏商周断代工程中的碳十四测年项目，并为此作了实验室改造，测年的可靠性和精确度都有了进一步的提高。规定了标准化的制样和测量条件， 严格控制和长期监测主要测量仪器Paccard 液体闪烁计数器的工作稳定性，并采用了道比法来校正被测样品苯和标准样品苯之间可能存在的纯度差异导致的测年误差。目前测量的随机误差可控制在0.5%以下。技术物理系和重离子物理研究所于1993年建成了北京大学加速器质谱计（以下简称PKUAMS）。PKUAMS以EN串列静电加速器为主器，由离子源与注入系统、高能分析与传输系统、粒子探测系统和数据获取与分析系统构成。主要测量14C、10Be和26Al等宇宙成因核素，14C测量灵敏度达到6&acute 10-15，相当于测年上限为四万三千年，10Be和26Al的测量灵敏度也达到10-14以上。主要应用领域为地球科学、考古学、环境科学和生命科学。PKUAMS自1993年建成并投入运行以来，共测量样品近千个，在上述各领域中取得了一系列应用成果。获1995年原国家教委科技进步一等奖，1998年中国分析测试学会奖一等奖。 PKUAMS还广泛开展国际合作与交流，并为美国、法国、荷兰、香港及台湾等国家和地区的用户提供测样服务。 PKUAMS在考古学领域中完成了多项应用工作，如广西桂林庙岩遗址样品14C年代测定等。旧石器时代向新石器时代过渡是考古学中的重要问题。1988年广西桂林庙岩遗址的发现为深入研究这一问题提供了新的线索。但由于遗址中部分层位样品量很少，用常规方法很难得到样品的年代，致使距今9250年到19350之间的年代数据出现空缺。PKUAMS发挥了所需样品量小的优势，补足了这些数据，从而给出了完整的层位年代序列。通过仔细研究遗址相关层位的文物，可以认为距今2到1万年之间是我国南方旧石器文化向新石器文化转变的时期。 PKUAMS还测量了从不同地点出土的陶片的年代，其中广西庙岩和湖南玉蟾岩出土的陶片年代距今为一万五千年和一万四千年。这是迄今世界上发现并被测定的最古老的陶片，为研究世界制陶史提供了重要材料。经PKUAMS测定的甘肃东灰山出土的炭化小麦年龄为4200年，是我国发现的最早的小麦。为满足“夏商周断代工程”高精度14C测年要求，PKUAMS从1996年开始了大规模的改造工程。经过两年的艰苦努力，PKUAMS新的离子源、注入系统、加速器输电与分压系统、电源与电控系统、数据获取与测量控制系统等先后建成并进行了调试。1998年为确保系统稳定对实验室进行了改造，实现了温度、湿度调节与市电稳定等功能。经过半年多艰苦的全线调试和实验研究，测量精度达到了好于0. 5%的水平，并通过了标准样品测试检验，测量结果与标准值的一致性很好，偏差在测量误差之内。1998年12月开始测量首批“夏商周断代工程”样品。目前，已测“夏商周断代工程”样品近百个，测量方法的进一步改进研究也在继续进行之中。