1）完善¹⁴C测年及数据处理新方法，形成完整测年方法序列，在考古应用研究中取得有重要影响的成果

¹⁴C年代学新方法探索中，针对黄土-古土壤¹⁴C测年普遍偏年轻的问题，建立了不同温度热解提取黄土沉积物中可靠的¹⁴C测年组分的实验方法(Cheng et al., 2013，Radiocarbon)；证实了在600℃～800℃热解挥发的组分(Py-V) 可作为黄土-古土壤序列¹⁴C 测年的可靠组分，为黄土-古土壤¹⁴C年代学研究开拓了新途径；改进/研制了¹⁴C测年样品获取和前处理装置，如采用负压过滤和UV/H₂O₂光催化氧化技术，实现了在一套实验装置上同时快速提取水样品中用以¹⁴C测年的溶解无机碳(DIC)和有机碳(DOC)组分用以¹⁴C测年(专利号：ZL201320270374.6），从而在我室形成了涵盖沉积物、水体、植物和考古样品等相对完整的¹⁴C测年方法序列。

图11. 采用分段拟合方式进行青海湖沉积¹⁴C年代“碳库”效应校正

(Zhou et al., 2014, Radiocarbon)

 

在¹⁴C年代数据处理新方法中，针对湖泊沉积物¹⁴C年代数据常受到“碳库”效应干扰的问题，选取青海湖(Zhou et al., 2014，Radiocarbon)和贫有机质的高台盐湖(Yu et al., 2014, Radiocarbon)为研究案例，系统进行¹⁴C年代学研究。提出了在多变量地学系统中线性回归的“平均值概念”，并根据岩性变化引起的沉积速率阶梯式变化采用了分段拟合回归的新方式，运用这一创新的数理分析方法成功且简便地解决了青海湖沉积物¹⁴C年代数据“碳库”效应校正难题(图11)，建立了最近3万年以来有可靠年代控制的季风和西风气候变化时间序列(Zhou et al., 2014, Radiocarbon)；对高台盐湖剖面的光释光与¹⁴C测年对比研究发现，该湖泊¹⁴C测年数据“碳库”效应甚至可达11,000 ± 2000 年，物理模型研究表明干旱区湖泊系统中因受外源输入有机质年龄影响，异常老的“碳库”效应似一种固有现象(Yu et al., 2014, Radiocarbon)，因此在缺少植物残体的情况下，应尽量避免直接用全样有机质进行¹⁴C测年，为缺少植物残体以及可精确定年纹泥层的湖泊沉积物¹⁴C年代学研究提供了新思路。

在开展¹⁴C测年新方法探索同时，将其应用于环境考古以及典型考古遗址的断代与示踪研究工作也取得了若干重要成果。通过对丹江地区东龙山遗址地层高精度¹⁴C测年研究，建立了相对完整的自仰韶、龙山、夏-商-周文化演化的年代学序列，揭示出温度、降水等气候要素值变化与古人类文明发展的联系(Zhu et al., 2010, Radiocarbon)；利用¹⁴C测年与同位素示踪方法，确定了商南过凤楼遗址发现的身高达1.93米的“史前小巨人”的时代(距今4200年)和食物类型(Yang and Zhu, 2010, Radiocarbon; Zhu et al., 2012, QI)(图2)；通过对蓝田遗址中的碳屑、鹿角等材料的¹⁴C测年，将中国烧制砖的历史追溯到距今5000-5300年前(Yang et al., 2014)(图3)。这些考古发现引起了CCTV等主流媒体高度关注，产生较大反响。

图2. 4200年前的小巨人遗骨照片及同位素测试结果

(Zhu et al., 2012, Quaternary International)

 

图3. 新街遗址烧制砖块及¹⁴C测年的统计分布(Yang et al., 2014, Archaeometry)

左图：烧制砖图片；右图：遗址中碳屑、鹿角等¹⁴C测年统计分布 

2）在我室建立¹⁰Be/²⁶Al暴露/埋藏年代学测试方法

¹⁰Be/²⁶Al核素暴露/埋藏测年在地球环境过程研究中具有广泛的应用潜力和前景，但目前国内在该领域的研究相对薄弱。仅有少数实验室可以完成测年样品化学前处理，但样品测试几乎全部在国外完成。我们建立了提取和纯化石英样品中Be和Al的实验装置和样品测试方法(张丽等, 2012a,2012b，岩矿测试)，利用所建立的方法对CRONUS-Earth Project国际比对样品进行了测试，¹⁰Be和²⁶Al浓度测试结果均处于比对平均值的误差范围内(图4)，证明所建立的实验方法可靠。

在建立测试方法基础上，对重庆喀斯特地区金佛洞内的胶结砾石样品进行²⁶Al/¹⁰Be埋藏测年，结果证实金佛洞至少从3.8Ma已开始发育，验证了金佛山喀斯特发育的古老性，为金佛山遗址作为“中国南方喀斯特二期”地点之一入选世界遗产名录提供了关键年代数据，相关申请单位专门来函对我室在年代学方面的贡献表示感谢(图5)。

图4. Sample A和Sample N的对比结果（Scott&Jull, 2008; Jull et al., 2013）

（纵坐标-核素浓度，XA-本实验室数据，Min-最小值，Mean-平均值，Max-最大值）

图5. 重庆市南川区人民政府对我室在金佛洞的测年研究中贡献的感谢信

 

3）探索了陆相沉积环境¹²⁹I测年新方法

国际上¹²⁹I测年主要利用海洋沉积物开展，陆相沉积物几乎很少涉及。为拓展该方向，首次建立无载体¹²⁹I的AgI-AgCl共沉淀制样方法(图6)，解决了低碘含量样品中超低水平¹²⁹I的分析难题(Hou et al., 2010，Analytical Chemistry)，Fehn et al.(2012)认为这一新方法“…will lower the required amount of AgI sufficiently to allow applications with even smaller sample masses(有效降低了AgI载体必需量，使得研究向更微量样品的方向发展)；改进和优化了土壤和沉积物中碘的逐级浸取形态分离流程，结合AgI-AgCl无载体共沉淀法，使低碘含量超低¹²⁹I水平的碘的化学形态分析成为可能(Luo et al., 2013)。期刊Journal of Environmental Radioactivity的评审人评价道：“作为中国黄土中碘元素分布研究的第一例，该工作对于环境中¹²⁹I的研究具有重要贡献。样品中碘形态的分析与AgI-AgCl共沉淀法对于¹²⁹I的AMS分析研究来说是极大的革新。”

应用所建立和优化的方法首次研究了我国黄土剖面中¹²⁹I/¹²⁷I值的深度分布及其不同化学形态¹²⁹I的迁移行为特征，发现¹²⁹I主要以有机态和水溶态存在于黄土中，表层人工成因的¹²⁹I在黄土地层中向下的迁移相对有限（Luo et al., 2013,Journal of Environmental Radioactivity），初步获得的黄土地层中核前时代层位中的¹²⁹I/¹²⁷I比值约为2.0×10^-11(图7)，这比海洋沉积物中的¹²⁹I/¹²⁷I初始值1.5×10^-12高一个量级(范煜坤，2013博士论文），造成核前自然成因¹²⁹I在海陆系统中的分布差异原因仍在进一步研究中，这些工作为确定¹²⁹I在陆相环境中的初始值及提取¹²⁹I定年的可靠组分积累了重要基础数据。

图6. 我室首次建立的无载体¹²⁹I的AgI-AgCl共沉淀制样方法(Hou et al., 2010, Analytical Chemistry)

图7. 西峰和洛川黄土剖面中¹²⁹I/¹²⁷I比值深度分布（范煜坤，博士论文，2013）

 

将上述的测年方法相结合，我室已逐步完善并建立涵盖数十年-百万年尺度相对完整的宇宙核素测年方法体系，为地球环境过程示踪及考古学研究提供了绝对测年途径。