强潮汐河口环境中石英OSL与放射性碳定年性能对比研究：以法国西部四个河口为例

《Quaternary Geochronology》：On the performance of radiocarbon and quartz OSL dating in macrotidal estuarine environments: four case studies from Western France

本研究针对强潮汐河口年轻沉积物定年难题，系统评估了石英单测片再生剂量(SAR)光释光(OSL)与加速器质谱(AMS) 14C两种定年方法在法国西部四个河口的适用性。通过对比地图数据独立年龄控制，发现OSL定年（14个样本中10个准确）显著优于14C定年（16个样本中12个高估达5000年），凸显OSL技术在厘清河口百年尺度演化过程中的可靠性，为高分辨率年代学建立提供关键方法学支撑。

　　

河口作为海陆交互作用的关键地带，不仅承载着重要的生态功能，还是记录过去环境变化的天然档案库。然而，要精确解读这些沉积档案所蕴含的信息，首要任务是建立可靠的年代框架。特别是在强潮汐作用的河口环境中，强烈的水动力条件、复杂的沉积物搬运过程以及多物源混合等特点，给沉积物的定年带来了巨大挑战。传统的放射性碳（¹⁴C）定年法在海洋和河口环境中长期被广泛应用，但其准确性常常受到“碳库效应”（reservoir effect）的困扰——即水体中可能含有来自古老碳源（如石灰岩溶解或古老有机质）的“死碳”，导致测出的年龄远老于沉积物真实沉积年龄。此外，河口环境中贝壳、有机质等测年材料极易被再搬运和改造，进一步增加了¹⁴C定年的不确定性。那么，有没有一种方法能够更可靠地测定河口，特别是近几个世纪以来形成的年轻沉积物的年龄呢？

由T. Lortie、J-P. Buylaert、M. Fruergaard、B. Tessier、M. Mojtahid、M. Durand、R. Bourillot、F. Eynaud、N. Taratunina和L. Dezileau组成的研究团队，在《Quaternary Geochronology》上发表了一项研究，旨在系统评估石英单测片再生剂量（Single-Aliquot Regenerative, SAR）光释光（Optically Stimulated Luminescence, OSL）定年技术与AMS ¹⁴C定年技术在法国西部四个强潮汐河口（索姆河、奥恩河、卢瓦尔河和吉伦特河口）中的应用性能。研究人员从四个河口的沉积岩芯中采集样本，分别进行了石英OSL和AMS ¹⁴C测年，并将结果与具有独立年代控制意义的历史海图与地形图数据进行了严格对比。

为开展此项研究，研究人员运用了几项关键技术方法。研究核心是石英SAR OSL定年技术，对采集自四个河口岩芯的沉积物样品进行了处理与测量，包括样品前处理（盐酸、过氧化氢、氢氟酸处理以去除碳酸盐、有机质和表面涂层）、等效剂量（D_e）测量、预热平台测试、剂量恢复测试等，以验证测量协议的可靠性。同时，对同一样品进行了AMS ¹⁴C定年，测年材料包括贝壳、植物碎屑、木材碎片和总有机碳（TOC）等。此外，研究还系统收集和分析了历史海图与地形图（如19世纪早期的航道图）以及现代激光雷达（LiDAR）数据，通过地理配准、数字化高程模型（DEM）生成等技术，为沉积层序提供了独立的年代控制点。为评估晒退程度，还对比分析了钾长石的IR₅₀和高温后红外激发光（pIRIR₁₅₀）信号与石英OSL信号的结果。

4. 结果

4.1. 沉积记录

研究人员对四个河口的岩芯进行了详细的沉积相分析。索姆河口岩芯显示为潮滩序列，包含卵石层和韵律层理，顶部为强烈生物扰动的盐沼相。奥恩河口岩芯呈现典型的向上变细序列，从砂质潮下带过渡到包含潮汐韵律层的泥质潮间带。卢瓦尔河口岩芯包含漫滩沉积、潮汐河道充填和河道废弃序列。吉伦特河口岩芯下部为流体泥相，上部为发育粘土披盖的潮汐沙丘沉积。这些沉积相反映了各自河口不同的水动力条件和演化历史。

4.2. 光释光结果

4.2.1. 石英OSL信号与SAR协议性能测试

石英OSL信号显示出强烈的快速组分，灵敏度测试和剂量恢复测试（平均测量剂量/给定剂量比为1.008 ± 0.003）表明所选SAR协议（预热温度160°C）适用于这些年轻样品，能有效校正灵敏度变化，热转移效应可忽略。

4.2.2. 石英OSL年龄与信号晒退

14个OSL样品获得的等效剂量（D_e）值很小（约0.1至0.8 Gy），计算出的OSL年龄（以取样年份为基准）范围从公元1670±18年至1951±7年，在层序上均无倒转。大部分样品（10/14）的OSL年龄与地图数据吻合。使用四分位距（IQR）标准剔除离群值后，多数样品的D_e分布相对集中。与钾长石IR₅₀和pIRIR₁₅₀年龄对比显示，在索姆河、奥恩河和卢瓦尔河口，IR₅₀年龄与OSL年龄接近或略年轻，pIRIR₁₅₀年龄略有高估；而在吉伦特河口，长石年龄显著高于石英OSL年龄，暗示可能存在部分晒退。

4.3. ¹⁴C测年与地图数据

¹⁴C测年结果（16个样品）显示出频繁的层序倒转。多数样品（至少12个）的¹⁴C年龄严重高估了沉积年龄，在某些情况下可达5000年，与地图数据严重不符。仅少数陆地植物碎屑样品给出了相对合理的年龄。

5. 讨论

5.1. 不同年代学数据的相互比较

分河口的详细对比表明，石英OSL年龄在绝大多数情况下与地图数据揭示的地层信息一致，建立了可靠的年代框架。而¹⁴C年龄的严重高估主要归因于测年材料的再搬运、河口特定的碳库效应（特别是对于贝壳和TOC样品）以及“死碳”输入的影响。

5.2. 所获年代学数据的可靠性与局限性

5.2.1. ¹⁴C定年的可靠性

研究表明，在强潮汐河口环境中，贝壳和沉积物全有机碳（TOC）的¹⁴C定年结果极不可靠，主要受再改造、海洋碳库效应变化和陆源古老碳输入影响。即使是相对可靠的陆地植物碎屑，也面临再搬运的风险。

5.2.2. 石英OSL定年的可靠性

本研究证实，石英SAR OSL定年法能够为法国西部强潮汐河口的年轻（数十年至数百年尺度）沉积物提供总体上准确可靠的年龄。在14个样品中，10个样品的OSL年龄与独立的地图年龄控制高度一致。尽管有4个样品存在20-100年的年龄高估，这可能是由于沉积物在埋藏前未能充分暴露于阳光（部分晒退）所致，也可能与生物扰动混合了不同时代的沉积物颗粒有关，但这种高估的幅度远小于¹⁴C定年出现的误差。研究还发现，石英OSL定年的可靠性似乎与沉积物的粒径没有必然的直接关联，无论是在细粒还是粗粒沉积物中均可能获得可靠结果，这可能与河口强烈的潮汐混合作用有助于沉积物充分晒退有关。石英材料本身的高灵敏度是获得可靠年轻年龄的关键。

结论

本研究通过系统对比证明，在强潮汐河口年轻沉积物的定年方面，标准多颗粒石英SAR OSL定年技术明显优于AMS ¹⁴C定年技术。OSL定年能提供更准确、更可靠的年代框架，其可能存在的年龄高估（主要源于部分晒退）通常仅为数十年量级，远小于¹⁴C定年可能出现的数千年误差。这种可靠性源于石英OSL信号对沉积物最后一次曝光事件的直接记录，受沉积物再搬运和碳库效应等复杂因素的影响较小。因此，石英OSL定年被认为是建立河口地区最近几个世纪高分辨率年代学的最可靠工具，为了解这些动态环境对气候变化和人类活动的响应提供了关键的时间标尺。这项研究不仅深化了对法国西部河口近期演化历史的认识，也为全球类似环境下年轻沉积物的精确年代学研究提供了重要的方法论借鉴和实践案例。