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

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1 鈾系不平衡定年法 The Uranium Series Disequilibrium Dating Method
導論 定年原理 鈾釷定年法（U-Th dating） 應用 洞穴碳酸鹽（Speleothem）

2 Introduction 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。

3 Introduction Uranium: U6+ → UO22+ Thorium: Th4+ →Th(OH)4
Uranium-series dating

4 Introduction Daughter-deficiency Daughter-excess 230Th/234U 234U/238U

5 鈾系定年理論基礎 何謂鈾系定年法？ 何謂〝鈾系〞 ？ 放射性定年法的一種
Theory 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

6 Theory 核種圖 234U 248 ky α 230Th 75 ky 232Th 14 By

7 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
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238U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

8 Sample Criteria Forms with appreciable U Forms with negligible Th
→initial 230Th Remains a closed system

9 Initial 230Th Th 4+ → low solubility, strong adsorbability
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

10 Age Equation y x a b y=ax+b λ230=9.1577x10-6 λ234=2.8263x10-6
簡化 (Cheng et al., 2000) y x a b λ230=9.1577x10-6 λ234=2.8263x10-6 y=ax+b

11 230Th-238U Isochron Diagram

12 鈾釷定年法之應用 洞穴岩(speleothem)
Application 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。

13 何謂洞穴岩？ 石灰岩洞穴中，次生碳酸岩沈積 鐘乳石 石筍 鐘乳石（stalactite） 石筍（stalagmite）
Application 何謂洞穴岩？ 鐘乳石 石筍 石灰岩洞穴中，次生碳酸岩沈積 鐘乳石（stalactite） 石筍（stalagmite） 流石（flowstone） 流石

14 Application 洞穴岩的形成機制 Ca2＋ ＋ 2HCO3-↔CaCO3 ＋ H2 O ＋ CO2

15 Application 氧同位素平衡 平衡方程式 CaC16O3 ＋ 3H218O ↔ CaC18O3 ＋ 3H216O O2(air)

16 Application 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 記錄長時間的環境變化

17 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
Distribution of karst in the world. 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

18 洞穴岩 優點 時間跨度長 cf. 14C定年：～五萬年 數十年至六十萬年 分佈廣 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 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 cf. 14C定年：～五萬年 數十年至六十萬年

19 Application 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

20 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。
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, 1986）。

21 Experimental Methods Sub-sampling: Milling
Application Experimental Methods Sub-sampling: Milling Chemical separation of uranium and thorium Spectra Gel Ion Exchange Measurement: Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP –MS) Isochron technique

22 實驗流程

23 Application 採樣

24 Isochron Technique ( Dorale et al., 1998) 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

25 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