鈾釷定年結果

第六章海階階面調查結果

第三節鈾釷定年結果

2.3.1 鈾釷定年原理

鈾釷定年(uranium-thorium dating) 屬於鈾系定年法 (uranium-series dating method)中的一種，亦稱²³⁸U-²³⁴U-²³⁰Th 定年，或²³⁰Th 定年，是利用²³⁸U 與其衰變產物²³⁴U 與²³⁰Th 定年(Barnes et al., 1956; Kaufman & Broecker, 1965; Edwards et al., 1987)。²³⁸U 具有放射性，會依序衰變為²³⁴Th、²³⁴Pa、²³⁴U 與²³⁰Th，其中，

由於²³⁴Th 與²³⁴Pa 半衰期相對²³⁸U 很短，在形成封閉系統(closed system)後母子元素會很快達成活度比相同的永世平衡狀態(secular equilibrium, Schlanger et al., 1963)，因此衰變序列可以簡化為：

核種 ²³⁸U ---> ²³⁴U ---> ²³⁰Th - - - > ²⁰⁶Pb 半衰期 4.47×10⁹ yr 2.46×10⁵ yr 7.54×10⁴ yr

（式2.1）

而半衰期較長的²³⁴U 與²³⁰Th，則需要比較長的時間讓活度比達成平衡，鈾釷定年即是活度比不平衡與時間關係的一種應用(Schlanger et al., 1963)。

2.3.2 珊瑚的鈾釷定年

在珊瑚骨骼中含有數ppm(parts per million)的鈾(Barnes et al., 1956; Kaufman

& Broecker, 1965)，與珊瑚碳酸鈣骨骼的霰石(aragonite)結晶及海水中的鈾濃度有關。碳酸鈣在自然界中有霰石與方解石兩種主要的結晶方式，其中霰石傾向與比用鈾釷定年的重要條件(Schlanger et al., 1963)。

釷在海中傾向附著在沉積物上(Schlanger et al., 1963; Moore, 1981)，因此

230Th 在海水中的濃度，比海水中²³⁸U 平衡後應有的濃度低(Pettersson, 1937)。海水中低濃度的釷，使珊瑚骨骼形成時僅含有少量的²³⁰Th，稱為²³⁰Th 初始值，此

230Th 與 ²³²Th 的比值估算(Tatsumoto & Goldberg, 1959;

為次生霰石或方解石(secondary aragonite/calcite)，會破壞系統的封閉性使鈾釷能夠進出，而無法正確的估算年代，因此需要挑選未再結晶的珊瑚樣本進行定年 (Schlanger et al., 1963; Thurber et al., 1965)。

2.3.3 鈾釷年代計算

鈾釷定年的年代，可以由下式表示(Bateman, 1910; Broecker & Thurber, 1965;

Cheng et al., 2000)：

（式2.2）

其中，同位素比值皆為活度比，λ為同位素的衰變常數， λ230為9.1705×10^-6 / yr，

λ234為2.8221×10^-6 / yr(Cheng et al., 2013)，(²³⁰Th/²³²Th)i為樣本中²³⁰Th與²³²Th的初始比值，t為²³⁰Th年代。δ²³⁴U_m= {[(²³⁴U/²³⁸U)_m/(²³⁴U/²³⁸U)_eq] -1}×10³，(²³⁴U/²³⁸U)_m 為測量值，(²³⁴U/²³⁸U)eq為永世平衡下的比值。

第四節氧同位素

氧元素在自然界中有三種不具放射性的穩定同位素，分別是¹⁶O、¹⁷O 與¹⁸O。

其中，¹⁶O 與¹⁸O 在樣品中的同位素比例相對於選定的標準品，可以利用δ¹⁸O 表示，其關係式為：

（式2.3）

海水的δ¹⁸O 主要受到表層海水溫度(sea surface temperature, SST)與表層海水鹽度(sea surface salinity, SSS)影響，並可以被珊瑚所記錄下來。

表層海水的溫度變化會改變海水中碳酸根離子(HCO3-

)與海水的氧同位素平

衡(McCrea, 1950)，而珊瑚在進行鈣化作用形成骨骼時，會取用海水中碳酸根離子為材料(Pearse, 1970)，因此珊瑚所記錄的δ¹⁸O，可以反應表層海水溫度的變化 (Weber & Woodhead, 1972)。另一方面，由於降雨量變化會影響從陸地注入海洋的淡水流量，而淡水的δ¹⁸O 又較海水小，因此淡水的注入會同時降低海水的 δ¹⁸O(McCulloch et al., 1994)與表層海水的鹽度(Le Bec et al., 2000)。表層海水鹽度與珊瑚的δ¹⁸O 之間的相關性，使珊瑚的δ¹⁸O 也可以指示降雨量與海水鹽度的變化(McCulloch et al., 1994; Le Bec et al., 2000)。

第三章野外工作與樣本分析

約比現地平均大潮較低低潮面(mean lower water spring, MLWS)高約 0.7 公尺，指示西元1848 年發生在蘭裏島北部城鎮皎漂(Kyauk-pyu)一次區域性地震的同震抬升(Oldham, 1883)；次高的一層數量較少，比第一層珊瑚高約 1.3 公尺，指示西

圖

3-1 蘭裏島北部地區衛星影像。本研究於蘭裏島西北部海岸的漁村雷卡蒙

(Leik-Ka-Maw, LKM)進行測量與採樣。

圖

3-2 LKM 地區衛星影像。在 LKM 海岸邊有被抬升的化石珊瑚微型環礁群與至少四階發育良好的海階分布。

圖

3-3 LKM 地區西海岸地形剖面。被抬升的化石珊瑚微型環礁群依照高度可分為三層，由低到高分別指示西元 1848 年、西元 1762 年

與西元9 到 10 世紀間地震事件所伴隨的同震抬升(Modified from Shyu et al., in preparation)。

行多次測量（圖3-4）。考量測量目標的高程差距僅在數公分之內，需要較小誤差的測量方式才能夠分辨，再者由於珊瑚微型環礁距離相近，彼此之間沒有障礙物阻擋，本研究適合用全站儀進行高精度測量。

另一方面，為了估計此地的長期抬升速率，本研究亦針對前人研究指出的海階階面進行較準確的高程測量。因為海階面分布範圍較廣，且階面之間植被茂密通視不良，所以此部分選用RTK-GPS 進行測量（圖 3-5、圖 3-6）。

第三節樣本採集與分析處理

本研究透過採集西元1848 年地震同震抬升而死亡的珊瑚微型環礁群，預期能了解此地在西元1762 年阿拉干大地震到西元 1848 年之間的震間沉降特性與海水特徵。

3.3.1 樣本前置處理

本研究使用手持雙人鋸穿過珊瑚微型環礁的中心，垂直切下約20 公分厚的

板狀樣本（圖 3-7），並於採集當下在樣本切面上繪製水平參考線（圖 3-8）。透過船運運送樣本回臺灣後，將樣本用漂白水浸泡，洗去表層的藻類與黴斑，在新北市五股區正泰石材廠的協助下，將板狀樣本切割為1 至 2 公分厚的片狀樣本，

再前往國立臺灣大學生農學院附設動物醫院，得該院的協助拍攝片狀樣本的局部 X 光影像。最後以繪圖軟體拼合 X 光影像，並利用水平參考線校正水平，進行年生長紋與Diedown 的描繪量測工作，以及重建相對海水面變化。

圖

3-4 利用全站儀測量珊瑚微型環礁環狀邊緣高度。本研究使

用全站儀測量選定之珊瑚微型環礁的不同高度環狀邊緣，以了解研究區域內珊瑚微型環礁在記錄最高生存面時的精確度。

圖

3-5 架設於海階面上的 RTK-GPS 基站。

圖

3-6 利用 RTK-GPS 移動站對地形面進行測量。

圖

3-7 使用手持雙人鋸採集珊瑚板狀樣本。

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3-8 於珊瑚樣本切面上繪製水平參考線以供影像校正。

3.3.2 鈾釷定年分析

本研究選擇片狀樣本中肉眼觀察下生長紋明顯且沙土等雜質較少的部分，利用手術刀採取20 至 100 毫克的塊狀樣本，於國立臺灣大學地質科學系高精度質譜儀與環境變遷實驗室(HISPEC)進行鈾釷定年分析。在 Class-10000 等級的無塵室內，將樣本置於純水中使用超音波震盪清洗，以不超過70°C 的溫度烤乾，後將標本倒入鐵氟龍(Teflon)材質的容器中，以硝酸溶解之並加入含²²⁹Th-²³³U-²³⁶U 同位素之示蹤劑(spike) ，利用共沉澱法 (iron co-precipitation) 與離子交換法 (anion-exchange)，純化與分離出鈾及釷。最後將其分別溶於 1%硝酸加 0.002N 的 HF 中 (Shen et al,. 2002) ，使用多接收感應耦合電漿質譜儀 (Multicollector-Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer, MC-ICP-MS, Thermo-Fisher, Neptune)測量(Shen et al., 2012)。

3.3.3 氧同位素分析 device, Kiel IV)將樣本與磷酸反應成為二氧化碳氣體，再使用同位素比值質譜儀 (Isotope Ratio Mass Spectrometer, Thermo-Finnigan, MAT253)測量，並以 NBS19 為標準品校正儀器測量結果(Wang et al., 2010)。

圖

3-9 利用中型鑽石複線切割機沿垂直珊瑚生長紋方向切下薄片。由於受切割機切割長度之限制，必須將珊瑚分為兩段取樣，為了組

合兩段薄片的分析結果，切割時選定同一層年生長紋（標示為綠色的層位）在兩段中重複出現以利對比。A 段為珊瑚下部，長約 19 公分，B 段為珊瑚上部，長約 26 公分。

第四章重建相對海水面歷史

第一節最高生存面記錄精度

本研究在野外針對樣本編號 LKM302 的珊瑚微型環礁進行測量，用以估計 LKM 海岸單一珊瑚微型環礁在記錄 HLS 時的精度。此珊瑚微型環礁可見三層不同高度的圓環狀 Diedown 外觀（圖 4-1），由於同一環狀上各處生長的時間應相同，若生長時受到HLS 的限制，同一環上各處的高度應會指示同一 HLS。因此可以透過檢查同一圓環上的高程測量結果是否一致，判斷圓環狀外觀是否確實與 HLS 達成平衡，再進一步估算珊瑚微型環礁記錄 HLS 的誤差。

全站儀測量結果（附錄一）摘要如圖4-2 所示，最外圍圓環相對於平均海水面高13.7 ± 1.1 (2𝜎)公分，第二層圓環的高度為 8.9 ± 1.8 (2𝜎)公分，最內側圓形平面的高度為1.4 ± 2.6 (2𝜎)公分，顯示在每個圓環狀外觀形成時，珊瑚微型環礁確實與HLS 達成平衡。

LKM302 最低的內側圓環測量結果範圍較大，其原因可能為該圓環四周圍被較高的第二層圓環所圍繞，形成一個易積水與沉積沙石的形貌，使得測量高程時

較難辨識平面的真實高度。考慮此誤差並非珊瑚微型環礁記錄 HLS 時所產生，

並可以在觀察珊瑚微型環礁切片的 X 光影像時排除，本研究參考最外層與第二

層的測量結果，估計此地單顆珊瑚微型環礁記錄HLS 時之精度應落在 1 到 2 公分之間。

圖

4-1 樣本 LKM302 在形貌可見三層不同高度的圓環狀 Diedown 外觀。

圖

4-2 樣本 LKM302 三層圓環狀 Diedown 外觀之全站儀測量結果。pt.1 到 pt.14

為最外圍圓環，平均高度相對於平均海水面高 13.7 公分，誤差 1.1 公分；pt.15 到pt.26 為第二層圓環，平均高度相對於平均海水面高 8.9 公分，誤差 1.8 公分；

pt.26 到 pt.34 為最內側圓形平面，平均高度相對於平均海水面高 1.4 公分，誤差 2.6 公分。

-10 0 10 20

0 5 10 15 20 25 30 35

Elevation (cm)

measurement point number 1^string: 13.7±1.1 cm

2^ndring: 8.9±1.8 cm

3^rdring: 1.4±2.6 cm

第二節描繪 LKM302 生長形態

樣本 LKM302 為單一顆珊瑚微型環礁切片（圖 4-3），本研究針對此樣本所拍攝的X 光影像如圖 4-4 所示。藉由辨識 X 光影像並輔以肉眼觀察樣本表面後，

所描繪的珊瑚生長形態如圖4-5 所示。圖 4-5 中標示為細黑色線段處為珊瑚的年

生長紋，依據 X 光影像中淺色轉為深色的邊緣繪製，每間隔一對深淺條帶繪製

一條。其中考量部分線段兩端延伸性不佳，或部分區域X 光影像模糊不易判斷，

改以細黑色虛線標示可能存在但無法肯定的年生長紋。粗紅色線段標示Diedown

表面，依據 X 光影像中珊瑚生長不連續處，並輔以肉眼觀察樣本侵蝕面位置繪

製，其中無法確認延伸關係者，亦以紅色虛線標示。

綜觀 LKM302 的年生長紋形貌可知，該珊瑚由中心向上並向外生長，過程

中生長高度呈現逐年上升的趨勢，之間包含了4 次珊瑚頂部露出水面部分死亡且

受到侵蝕，而後從較低處繼續生長的 Diedown 特徵。為了進一步了解 LKM302 所記錄的相對海水面資訊，本研究以該珊瑚最外層的年生長紋作為高程基準，向內測量每層年生長紋的高度，重建珊瑚死亡前的每年相對海水面時間序列。

第三節鈾釷定年結果與年代模式

為了建立LKM302 所記錄的 HLS 與絕對年代的對應關係，本研究選定不同

圖

4-3 珊瑚微型環礁樣本 LKM302。

圖

4-5 樣本 LKM302 描繪結果、年生長紋相對年代與鈾釷定年結果。

表

4-1 Uranium and thorium isotopic compositions and

²³⁰

Th ages for coral samples by MC-ICPMS at HISPEC, NTU.

Analytical errors are 2s of the mean.

a[²³⁸U] = [²³⁵U] x 137.77 (±0.11‰) (Hiess et al., 2012);d²³⁴U = ([²³⁴U/²³⁸U]activity - 1) x 1000.

bd²³⁴Uinitial corrected was calculated based on ²³⁰Th age (T), i.e., d²³⁴Uinitial = d²³⁴Umeasured X e^l234*T, and T is corrected age.

c[²³⁰Th/²³⁸U]activity = 1 - e^-l230T + (d²³⁴Umeasured/1000)[l230/(l230 - l234)](1 - e-(l230 - l234) T), where T is the age.

Decay constants are 9.1705 x 10^-6 yr^-1 for²³⁰Th, 2.8221 x 10^-6 yr^-1 for ²³⁴U (Cheng et al., 2013), and 1.55125 x 10^-10 yr^-1 for ²³⁸U (Jaffey et al., 1971) .

dAge corrections, relative to chemistry date between October 2015 and March 2016, were calculated using an estimated atomic ²³⁰Th/²³²Th ratio of 4 (± 2) x 10^-6 (Shen et al., 2008).

Sample Weight

Age d²³⁴Uinitial

ng/g^a pg/g measured^a activity (x 10^-6)^c atomic (x 10^-6) uncorrected corrected ^c,d corrected^b

238U ²³²Th d²³⁴U [²³⁰Th/²³⁸U]

年代，應與鈾釷年代相符。

在圖4-5 中，以墨綠色數字分別標示由珊瑚左右兩側向內計算生長紋所推算出之年代，兩側計算結果一致顯示樣本 LKM302 生長時具有良好的對稱性。以藍色點標示採樣點位置，並以藍色數字標示鈾釷年代與定年誤差。將鈾釷年代與年生長紋相對年代比較後可見，樣本 LKM302-1、LKM302-2、LKM302-5 與 LKM302-6 的鈾釷年代與年生長紋相對年代相符，支持珊瑚樣本 LKM302 死於西元1848 年地震同震抬升的假設。結合年生長紋之層數計算與鈾釷定年的結果，色與綠色短直線區分Diedown 在珊瑚左右兩側所影響的高度。Diedown 事件過後兩側珊瑚Diedown 之下活著的部分繼續生長，由於兩側高度並不完全相同，分

圖

4-6 利用 LKM302 記錄所重建的相對海水面歷史。

別以橘色與綠色菱形表示Diedown 過後左右兩側的 HLG。直到西元 1815 年發生的另一次 Diedown 事件，同樣造成珊瑚頂面局部死亡，分別以橘色與綠色正方形標示Diedown 發生前左右兩側的 HLG，並以橘色與綠色短直線區分 Diedown

在文檔中利用珊瑚微型環礁探討緬甸西部蘭裏島之震間變形與地震週期 (頁 31-72)

第六章 海階階面調查結果

第三節 鈾釷定年結果