近年来,科学界和公众对全球环境变化的重视与日俱增。作为全球环境变化研究的一个重要分支,古气候研究也成为科学研究的热点之一。古气候研究在很大程度上有赖于建立高分辨率和具有精确年代标尺的环境和气候记录,以理解过去全球变化的历史、规律和机制;而其中非常关键的一环就是获取精准的年代尺标。在过去5万年这一理解全球变化的关键时间段,¹⁴C测年方法在测量动植物等样品的年龄方面具有无可替代的极其重要的地位。半个多世纪之前,美国芝加哥大学的 Willard Libby(1946)首先提出了¹⁴C测定年龄的方法,并获得1960年度诺贝尔化学奖。此后,¹⁴C测年方法和测量技术逐步发展并得到了广泛应用,特别是在全球变化(如数轮、冰芯、黄土、珊瑚、石笋、湖泊和海洋沉积物等的年代学)、考古和艺术品鉴定等领域发挥着十分重要的作用;此外,¹⁴C作为宇宙射线成因的核素还是一个重要的示踪指标,在揭示包括碳循环在内的海洋-大气循环、地球磁场和太阳活动等科学研究中也起着十分重要的作用。

从原理上讲,¹⁴C测年方法的年龄计算需要知道被测量样品形成时大气或海洋的¹⁴C浓度(∆¹⁴C：相对于1890年树木的¹⁴C)。最早,¹⁴C测年方法假设以往的大气圈、生物圈和水圈中¹⁴C的浓度是个常数值,并由此来计算样品的年代。不久之后,Hessel de Vries (1958)利用已知年代的树木样品的测量发现大气圈和生物圈中¹⁴C浓度并非是恒定的,而是随时间变化的,这一现象称之为“de Vries Effect”。这一结果很快得到了进一步的证实(Broecker and Olson, 1959)。此后,大量树轮样品的¹⁴C测年结果和树轮年代学工作不仅进一步证实了这一变化,而且开始了对∆¹⁴C的变化历史的初步量化工作,并以此为基础进行¹⁴C年代的校正。在自然界中,大气¹⁴C是由宇宙射线(中子)撞击大气中的¹⁴N形成,然后¹⁴C被大气中的氧氧化形成CO₂,并参与大气圈-海洋圈-生物圈的碳循环。因而,大气¹⁴C的自然产率受到宇宙射线强度的控制,而宇宙射线强度则主要受到太阳活动和地磁场强度的影响,即太阳活动和地磁场愈强,宇宙射线愈弱,大气中产生的¹⁴C愈少。另一方面,由于大气中的¹⁴C是以CO₂形式存在,也就不可避免地受到海洋环流等诸多与CO₂循环过程有关的因素的影响。

正是由于大气¹⁴C浓度受到上述因素的影响,其随时间有着较大幅度的变化。而被测量的样品¹⁴C年龄在未经过校正前尚不是样品形成的真实年龄。实际上,没有经过¹⁴C浓度随时间变化校正的表面年龄与其真实年龄的偏差可以高达20%。因此,对测量的¹⁴C年代进行必要的校正至关重要。而这一校正需要精准的大气¹⁴C浓度随时间变化的数据,这也正是国际上高度重视和不懈努力,并组成国际工作组(International Calibration (IntCal)1998、2004、2009和2013)来不断提高¹⁴C年代校正曲线的精度和准确度的原因。此外,∆¹⁴C随时间变化的记录本身对深入理解碳循环或海洋-大气循环、地球磁场和太阳活动以及气候变化等也具有重要的作用。而IntCal13(Reimer, et al., 2013)则作为代表¹⁴C随时间变化的最新的集成成果而被广泛引用。

目前,以树轮工作为主建立了约1.4万年以来的高精度和高分辨率的¹⁴C年代校正曲线(如,Reimer, et al., 2004; Schaub, 2008; Hua, 2009),其校正分辨率达到了10年至年的尺度。但对于更老时间段的¹⁴C年代校正则依赖于其他地质记录,如Suigetsu湖泊纹泥沉积物中保存的陆地植物的¹⁴C测定和纹层计年(Bronk Ramsey, et al., 2012)、珊瑚工作(Fairbanks, et al., 2005)、海洋沉积物(Hughen, et al., 2006;Bard, et al., 2013)和石笋工作(Hoffmann, et al., 2010;Southon, et al., 2012)。IntCal13正是在此基础上经过精细的集成,给出了反映当前研究水平的5万年以来大气¹⁴C的变化历史(Reimer, et al., 2013),并被广泛应用于¹⁴C测年、全球变化、碳循环、太阳活动和地磁场等研究领域。但是在大于2万年时段,IntCal13的不确定性依然十分显著。主要来自於珊瑚样品可能的后期成岩作用及其时间序列上的不连续性、海洋样品碳库效应、石笋较大的死碳(Dead Carbon Fraction, DCF)矫正和湖相沉积物的绝对年代误差等不利因素的影响。

目前,¹⁴C的校正工作依然在进行。国际工作组的新目标聚焦在进一步减小大于2万年时段的不确定性。而要做到这一点,关键在于进一步深入理解并有效地减小海洋样品碳库效应和石笋的死碳影响。海洋样品的碳库效应是由于海洋样品中的碳来自于海洋环境,一般比同时代的大气¹⁴C浓度要低,取决于样品形成的时间和环境。比如大西洋深海环境的¹⁴C浓度一般要比太平洋深海高,因为海洋循环前者比后者快,而较快的海洋循环则将与大气¹⁴C平衡的表层海水带入深海所需的时间就较短,在这一过程中所衰变的¹⁴C量也就相对较少。石笋碳酸钙中的碳不可避免地有一部分是来自于上覆碳酸盐地层中的死碳(即不含¹⁴C的古老碳酸盐地层),这是由石笋形成过程决定的。但死碳的比例(DCF)则变化很大,取决于洞穴石笋形成时的具体地质地球化学环境,这是利用石笋进行¹⁴C校正工作的最大困难所在。非常幸运的是在IntCal13阶段的工作中,我们发现中国南京葫芦洞的石笋样品(H82)具有很小的DCF(约为5%,相当于~450年的校正),而且比较稳定,因此较好地记录了样品形成时的大气¹⁴C浓度。这可以从1到1.4万年葫芦洞样品¹⁴C测量结果与树轮记录精确对比得以证实(Southon, et al., 2012)。

如上所述,葫芦洞石笋样品具有DCF很小且变化幅度不大的特点;中国新的工作还发现葫芦洞不同样品所获得的相同年代∆¹⁴C值具有很好的重复性。虽然葫芦洞样品的这些特点本身的生物-地球化学背景还属于一个迷,值得深入探讨(张伟, 等, 2012; Noronha, at al., 2015),但这一优势十分独特并具有重要意义。由于石笋²³⁰Th测年和¹⁴C测量工作的技术方法成熟且精度高,结合葫芦洞样品的上述特点,将能够提供具有绝对年代精度高和连续性好的¹⁴C校正数据,这对¹⁴C测年的进一步完善至关重要。正因为如此,中国新的葫芦洞样品在5万至2万年时段的相关工作在国际上备受关注;为此中国国家自然科学基金委员会也及时资助了这项研究。目前初步研究结果显示,新的葫芦洞石笋数据涵盖了过去5万至2万年时段,不仅在相同时段中与已有的H82数据相互吻合,不同样品之间也高度地相互重合。整体上,新葫芦洞数据连续、离散度很小、并位于IntCal13所采用的基本数据变化范围的中间值附近,具有很高的可信度。从∆¹⁴C随时间的变化来看,最近3万年以来的新葫芦数据与IntCal13基本一致;大于3万年的数据则与IntCal13趋势一致,在误差范围内也基本吻合;但总体上相对于IntCal13来看,在4万至3万年区间内葫芦洞∆¹⁴C数据似乎略微偏高,而在5万至4万年时段内则略微偏低。由于新数据具有高分辨率和连续性的特点,很好地揭示了冰期时∆¹⁴C的变化主要由地磁场控制,比如在此年代范围内的两次著名(弱)古地磁事件(Mono Lake Excursion和Laschamp Event)时∆¹⁴C值都异常高;而冰消期则主要由海洋循环导致的大气CO₂变化控制,即∆¹⁴C值伴随大气CO₂的升高而降低。总之,在不久的将来,新的葫芦洞数据将可能提供5万至2万年时段迄今为止最为重要的¹⁴C校正数据,这一工作受到国际IntCal工作组的高度关注和期待,并有可能在新的¹⁴C校正工作中予以重点采用。这无疑将进一步填补国内¹⁴C年代校正研究的空白,并将我国在此领域的研究提升到国际最前沿。

实际上早在15年前,葫芦洞在古气候研究领域就已经蜚声中外,这是由于其石笋氧同位素记录很好地刻画了上个冰期时段的亚洲季风变化规律,并令人信服地揭示了亚洲季风与格陵兰冰芯所指示的高纬度温度变化之间的相关关系(Wang, et al., 2001)。新的葫芦洞工作不仅提供了∆¹⁴C变化记录,也将大大提高其石笋氧同位素记录的分辨率和²³⁰Th年代的精准度,从而能够在更加可靠和更加准确的条件下进一步探讨大气∆¹⁴C变化规律及其与全球变化之间的关系。