鈾系質譜定年實驗步驟

三根石筍的定年工作分次於 2009 年、2011 年、2012 年、2013 年，皆在台 灣大學地質系沈川洲老師的實驗室 (HISPEC) 完成。首先在欲定年的層位鑽取 石筍粉未，一般為 0.1 到 0.2 克。

石筍 HY05-2 鑽取定年位置在距離頂部 8 mm、25.5 mm、36.5 mm、58 mm、

69 mm、77 mm、 85 mm、92 mm、114 mm、127 mm 和 138 mm，共 11 個定年 點。石筍 HY05-3 鑽取定年位置於距離頂部 12.6 mm、18 mm、30 mm、50 mm、

65.6 mm、90 mm、112 mm、126 mm、136 mm、150 mm、160.6 mm、188.6 mm、

209 mm 和 219 mm，共 14 個定年點。石筍 HY05-4 鑽取定年位置在距離頂部 5 mm、

8 mm、25 mm、47 mm、67 mm、83.5 mm、95 mm、117 mm、128.5 mm、156 mm、

166 mm、183 mm，共 12 個定年點。

鑽好粉末後依照以下標準實驗流程進行前處理：

(1) 將石筍樣品粉末秤重約 0.1g 置入鐵氟龍 beaker 中秤重，並加入適量的純水 及 14N HNO3至 CaCO3粉末完全溶解。

(2) 加入 SPIKE－人造核種標準液(²²⁹Th，²³³U，²³⁶U)並紀錄重量。

(3) 加入十滴 HClO4 (去除有機物) 及一滴鐵(FeCl3溶液) 後封閉容器 ，並在加 熱板以 180℃加熱八到九小時 (關蓋反應)。

(4) 開蓋蒸乾 (以 230℃加熱樣本液至完全脫水呈塊狀)後，加入適量 2N HCl 將 殘留內容物洗入底部後加入純水，至樣本完全溶解。

(5) 等樣品冷卻後盛入離心管，先加入五滴氨水(NH4OH)使溶液發生 U、Th 與 Fe(OH)₃的共沉澱(pH >7)，並觀察反應情形逐滴加入且視情況添加鐵溶液。

(6) 將進行共沉澱過程後的樣本離心 (離心完成後捨棄水分，再加入適量純水離 心，重覆三次)。

(7) 完成離心後，殘餘之沉澱物加入十滴 14N HNO3溶樣，盛入原來的鐵氟龍 beaker 中再加入兩滴 HClO₄，以 230℃進行加熱，使樣本液脫水呈塊狀。

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(8) 完成後加入一滴 14N HNO3，以 230℃進行加熱脫水，並重複此步驟三次。

(9) 完成上述程序後，加入十滴 7N HNO3溶樣，準備 column (離子交換樹脂管) 後置入。

(10) 在 column 中加入適量 7N HNO3待其完全通過，並拋棄所產生液體。

(11) 在 column 下方放置 beaker，於 column 中加入適量 6N HCl，收集 Th。

(12) 在 column 下方放置 beaker，於 column 中加入適量純水，收集 U。

(13) 加入兩滴 HClO₄至樣本液，以 230℃進行加熱脫水後，加入一滴 HClO₄ 並以原溫度蒸乾。

(14) 脫水後加入一滴 14N HNO₃以原溫度繼續加熱至脫水 ，且重複此步驟三 次。

(15) 加入適量百分之一 14N HNO₃ 及 HF 混合液至樣本完全溶化，封閉容器，

準備上機。

2.4 ²¹⁰Pb 定年

210Pb 為鈾系衰變序列核素之一，其半衰期只有約 22.3 年，定年範圍最多至 5~6 個半衰期，約一百多年，適用於較年輕的近代樣品。由於近百年的環境或氣候變 遷與我們息息相關且受到的重視，²¹⁰Pb 定年技術廣泛應用於近代的研究。

2.4.1 ²¹⁰Pb 定年原理

土壤、岩石中含有微量的²³⁸U，當衰變至生成²²²Rn，由於²²²Rn 是氣體，

放射性核素²²²Rn 會逸散到大氣中，²²²Rn 在大氣快速地衰變形成²¹⁰Pb 隨著落塵 或降與沉降到陸地，此部分的²¹⁰Pb 稱為 excess ²¹⁰Pb (過剩鉛)，而過剩²¹⁰Pb 經 過約五個半衰期後，因儀器偵測極限，得到的讀數會趨近於零。此外沉積環境 中有微量的²¹⁰Pb 稱為 supported ²¹⁰Pb (支持鉛)，來自於本身所含有的²³⁸U 衰變 序列 (圖 2-9)。因此當樣品大於 100 年以上時將會只剩下支持²¹⁰Pb (圖 2-10)。

210Pb 定年主要用到的是 excess ²¹⁰Pb，與一般放射性同位素定年相同，過剩²¹⁰Pb 的衰變遵循以下公式：

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N = N₀e^−λt

上式 N 為現在 excess ²¹⁰Pb 活度；N0為沉積物初時 excess ²¹⁰Pb 活度；λ為²¹⁰Pb 的衰變常數 (0.0311 year ^-1)；t 為樣品的年齡。當中主要的衰變序列如下式：

238 U 4.468 × 10⁹ years → ⋯ ⋯ →²²²

Rn 3.8235 days

→ ²¹⁸Po 3.1 minutes → ²¹⁴Pb 26.8 minutes

→²¹⁴Bi 19.9 minutes → ²¹⁴Po 164.3 μseconds

→²¹⁰

Pb 22.3 years

→ ²¹⁰Po 138.376 days → ²⁰⁶Pb (stable)

210Pb (22.3 y)經由β以及γ衰變形成 210Bi (5.013 d)，而²¹⁰Bi 透過β衰變形成

210Po(138.376 d)，最後²¹⁰Po 透過α衰變形成穩定元素²⁰⁶Pb。由於²¹⁰Pb 的半衰 期遠遠長於²¹⁰Bi 及²¹⁰Po，當子元素經過 5 至 6 個半衰期便會與母元素達成平衡，

因此可以透過α能譜測量²¹⁰Po 活度進行²¹⁰Pb 定年。

圖 2-9、沉積環境²¹⁰Pb 來源途徑示意圖 (Oldfield and Appleby, 1984)。

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圖 2-10、過剩²¹⁰Pb 及支持²¹⁰Pb 示意圖。

2.4.2 ²¹⁰Pb 定年實驗步驟

²¹⁰Pb 定年實驗是以²⁰⁹Po 作示蹤，利用α能譜儀測定²¹⁰Po 強度，進而得到 樣品的²¹⁰Pb 放射性強度。石筍 HY05-3 在台灣大學進行²¹⁰Pb 定年，首先取樣 於頂部 3 公分內以 2 ~ 5 mm 不等的間隔取樣 (分別距頂部 1、3、5、8、12、15、

18.5、23.5、27.5 mm)，共取了 9 個樣品。取樣時需注意確保鑽取的粉末在相同 的層位。其中兩個樣品鑽取約 0.45 g，其餘樣品皆為近 0.2 g。鑽好的粉末依照 以下實驗流程進行前處理：

(1) 紀錄石筍粉末重量並置入鐵氟龍 beaker。

(2) 加入 spike 並紀錄重量，再加入 14N HNO₃將 beaker 內的樣品全溶。

(3) 將 beaker 放到加熱台開蓋加熱蒸乾。

(4) 加入 5ml 不等的 1N HCl 到 beaker 中溶解樣品並倒入離心管中 (重複兩次)。

(5) 加入適量的抗壞血酸至離心管中，並使其全溶。

(6) 將刻好標記的待鍍銀片放入離心管中 (鍍面朝上，刻字朝下)。

(7) 將離心管蓋上，置於 70 ~ 80℃的熱水浴中，隔水加熱至少 4 小時以上。

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(8) 完成後取出銀片，以去離子水沖洗乾淨，並用拭鏡紙吸乾銀片上的水分。

(9) 準備上機，以α能譜儀進行測量 activity。