综述：基于210Pb的近代沉积物定年模型研究进展

这篇综述系统梳理了210Pb（铅-210）定年技术在过去50年的发展历程，重点解析了30余种模型的物理基础、适用条件及最新进展。文章创新性地提出χ映射（chi-mapping）技术框架，通过质量深度（mass depth）标度统一处理早期压实效应，并引入非理想沉积（NID）、多相介质反应输运等新概念，为复杂沉积环境（如植被覆盖沉积物）提供解决方案。作者强调模型误差（model errors）对沉积速率（SAR）重建的干扰，指出初始活度浓度（A0）才是更可靠的环境变化指标。

　　

²¹⁰Pb定年技术的基本原理

铅-210（²¹⁰Pb）作为铀-238衰变链的中间产物，其22.3年的半衰期使其成为研究百年尺度沉积过程的理想计时器。自然界中，²¹⁰Pb通过²²²Rn（氡-222）的衰变产生，并随大气沉降进入水体。沉积物中过量²¹⁰Pb（²¹⁰Pb_exc）的衰变规律构成了定年基础，但实际应用中需区分支持性²¹⁰Pb（来自沉积物中²²⁶Ra的持续衰变）与过量部分。

沉积系统的物理本质

沉积物作为多孔介质，其早期压实过程遵循独特的动力学规律。质量深度标度（m=∫ρ_bdz）的引入解决了传统深度测量的压缩变形问题。理论研究表明，体积密度（ρ_b）随深度呈指数衰减（ρ_b=ρ_b∞-Δρe^-γz），这为沉积速率（SAR）的准确计算提供了物理基础。值得注意的是，盐沼等植被沉积物中存在根系形成的特殊孔隙结构，需采用多相介质模型处理。

经典定年模型谱系

1. 恒定通量模型（CF/CRS）：假设²¹⁰Pb_exc通量（F）恒定，通过累积活度（Σ_m）反演年代（T(m)=λ^-1Ln(Σ₀/Σ_m)）。该模型对SAR历史重建误差敏感。
2. 恒定初始浓度模型（CIC）：要求A₀恒定，适合陆源物质主导的沉积环境。
3. 恒定通量-恒定沉积模型（CFCS）：双重恒定假设下，活度剖面呈指数衰减（A(m)=A₀e^-λm/w）。

创新性χ映射技术

通过构建三维参数空间（A₀, s_A, w），采用蒙特卡洛方法搜索最优解。TERESA模型在此基础上引入随机输入概念，成功处理了通量与SAR的协同变化。验证研究表明，χ-CF模型在纹泥定年中的平均误差<3年。

复杂场景解决方案

• 混合层效应：完全混合区（CMZ）模型解析生物扰动导致的活度均一化现象
• 非理想沉积（NID）：用分布式源项s(m)描述胶体相的快速渗透，解释次表层活度峰
• 植被沉积物：通过有机质校正（CR值）提取矿物相年代信息，如盐沼研究中80%²¹⁰Pb_exc赋存于矿物相

人工核素时标应用

¹³⁷Cs（铯-137）等人工核素的剖面常偏离原始沉降历史。系统时间平均（STA）模型通过传递函数（k_r）量化流域滞留效应，而水柱模型则考虑水平交换（k_h）的影响。最新动力学反应输运模型成功再现了切尔诺贝利¹³⁴Cs在沉积物中的穿透曲线。

前沿挑战与展望

当前研究正从经验模型向机理模型转型，重点关注：

1. 胶体载体对²¹⁰Pb输运的影响
2. 根系孔隙中的两相反应动力学
3. 早期压实过程的随机微分方程描述
   未来需开发融合机器学习的高维参数反演算法，以应对气候变化下的沉积异质性挑战。