Radiocarbon

Chương trình hiệu chỉnh niên đại, CALIB (Stuiver & Reimer 1986), được phát hành lần đầu vào năm 1986 và sau đó được chỉnh sửa vào năm 1987 (phiên bản 2.0 và 2.1), đã được cập nhật. Chương trình năm 1993 (phiên bản 3.0) bao gồm các cải tiến bổ sung và một bộ dữ liệu hiệu chỉnh mới bao phủ gần 22,000 năm cal (≈18,400 năm ¹⁴C). Dữ liệu mới này, cũng như các sửa đổi cho bộ dữ liệu đã sử dụng trước đây, được lấy từ nỗ lực hiệu chỉnh thang thời gian kéo dài 6 năm (1986–1992) của một số phòng thí nghiệm.

Nếu muốn sử dụng các phép đo carbon phóng xạ cho mục đích niên đại, chúng ta cần phải áp dụng các phương pháp thống kê để hiệu chỉnh. Phương pháp hiệu chỉnh được sử dụng phổ biến nhất có thể coi như một ứng dụng đơn giản của thống kê Bayesian, sử dụng cả thông tin từ phép đo mới và thông tin từ đường cong hiệu chỉnh ¹⁴C. Tuy nhiên, trong hầu hết các ứng dụng niên đại, chúng ta có nhiều phép đo ¹⁴C hơn và chúng ta muốn liên kết những phép đo đó với các sự kiện trong quá khứ. Thống kê Bayesian cung cấp một khung phân tích nhất quán để thực hiện các phân tích như vậy và đang trở thành một yếu tố cốt lõi trong nhiều dự án niên đại ¹⁴C. Bài báo này cung cấp cái nhìn tổng quan về các thành phần chính của mô hình được sử dụng trong phân tích niên đại, định dạng toán học của chúng, và các ví dụ về cách thực hiện các phân tích như vậy bằng cách sử dụng phiên bản mới nhất của phần mềm OxCal (v4). Nhiều mô hình như vậy có thể được lắp ráp theo cách mô-đun từ các yếu tố đơn giản, với các ràng buộc và nhóm được xác định. Trong những trường hợp khác, các mô hình "giai đoạn đồng nhất" thường được sử dụng có thể không thích hợp, và các phân bố ramped, exponential, hoặc phân bố chuẩn của các sự kiện có thể hữu ích hơn. Khi xem xét các phân tích loại này, rất hữu ích khi có thể chạy mô phỏng trên dữ liệu tổng hợp. Các phương pháp để thực hiện các bài kiểm tra như vậy được thảo luận ở đây cùng với các phương pháp khác để chẩn đoán các vấn đề có thể xảy ra với các mô hình thống kê như vậy.

Tỷ lệ đếm, đại diện cho tỷ lệ phân rã của ¹⁴C, là dữ liệu cơ bản thu được trong một phòng thí nghiệm ¹⁴C. Việc chuyển đổi thông tin này thành độ tuổi hoặc các tham số địa hóa có vẻ đơn giản ban đầu. Tuy nhiên, con đường từ việc đếm đến việc báo cáo dữ liệu ¹⁴C phù hợp (bảng 1) gây đau đầu cho nhiều người. Những sai lệch nhỏ trong con đường này, tùy thuộc vào những diễn giải cá nhân, có thể xảy ra và cho ra kết quả cuối cùng không phải lúc nào cũng hữu ích cho việc so sánh giữa các phòng thí nghiệm. Cuộc thảo luận này là một cố gắng để xác định một số vấn đề này và đề xuất một số quy trình để tránh những sự mơ hồ trong báo cáo.

Các đường cong chuẩn hóa carbon phóng xạ IntCal09 và Marine09 đã được điều chỉnh bằng cách sử dụng các tập dữ liệu mới có sẵn và được cập nhật từ các phép đo ¹⁴C trên vòng cây, tàn dư thực vật lớn, thạch nhũ, san hô và foraminifera. Các đường cong chuẩn hóa được xây dựng từ dữ liệu bằng cách sử dụng mô hình ngẫu nhiên đi bộ (RWM) mà đã được sử dụng để tạo ra IntCal09 và Marine09, đã được điều chỉnh để tính đến các bất định và cấu trúc lỗi bổ sung. Các đường cong mới này đã được phê chuẩn tại Hội nghị quốc tế về Carbon phóng xạ lần thứ 21 vào tháng 7 năm 2012 và có sẵn dưới dạng Tài liệu bổ sung tại www.radiocarbon.org. Cơ sở dữ liệu có thể được truy cập tại http://intcal.qub.ac.uk/intcal13/.

Tập trung của bài báo này là việc chuyển đổi độ tuổi phóng xạ carbon sang độ tuổi đã hiệu chỉnh (cal) cho khoảng thời gian 24.000–0 cal BP (Trước Hiện tại, 0 cal BP = năm 1950 CN), dựa trên một tập hợp mẫu gồm các vòng cây được xác định tuổi bằng phương pháp dendrochronology, san hô được xác định tuổi bằng phương pháp urani-thori, và trầm tích biển được xác định theo số lớp. Thông tin về tuổi ¹⁴C – tuổi cal, được sản xuất bởi nhiều phòng thí nghiệm, được chuyển đổi thành các hồ sơ Δ¹⁴C và các đường cong hiệu chỉnh, cho cả khí quyển cũng như các đại dương. Chúng tôi thảo luận về sự sai lệch trong các độ tuổi ^l4C đã đo và các lỗi liên quan, sự khác biệt về tuổi ¹⁴C theo vùng, so sánh tuổi ¹⁴C giữa cây và san hô, và tính phụ thuộc theo thời gian của các tuổi reservoir đại dương, cũng như đánh giá sự khác biệt giữa kết quả và năm đơn so với thập kỷ. Những thay đổi trong lưu lượng nước sâu của đại dương, đặc biệt cho khoảng thời gian 16.000–11.000 cal BP, được phản ánh trong các giá trị Δ¹⁴C của INTCAL98.

Các đường cong chuẩn hóa carbon phóng xạ IntCal04 và Marine04 đã được cập nhật từ 12 cal kBP (cal kBP được định nghĩa là hàng ngàn năm đã được chuẩn hóa trước năm 1950), và được mở rộng đến 50 cal kBP, sử dụng các tập dữ liệu mới có sẵn đáp ứng tiêu chuẩn của Nhóm Công tác IntCal cho san hô nguyên vẹn và các hợp chất carbonat khác cũng như cho việc định lượng độ không chắc chắn trong cả thang thời gian ¹⁴C và thời gian lịch được thiết lập vào năm 2002. Không có sự thay đổi nào được thực hiện đối với các đường cong từ 0–12 cal kBP. Các đường cong được xây dựng bằng cách sử dụng mô hình Markov chuỗi Monte Carlo (MCMC) cho mô hình đi bộ ngẫu nhiên được sử dụng cho IntCal04 và Marine04. Các đường cong mới đã được xác nhận tại Hội nghị Carbon Phóng xạ Quốc tế lần thứ 20 vào tháng 6 năm 2009 và có sẵn trong Tài liệu bổ sung tại www.radiocarbon.org.

Một đường cong hiệu chuẩn mới để chuyển đổi độ tuổi bức xạ cacbon sang độ tuổi hiệu chuẩn (cal) đã được xây dựng và công nhận quốc tế để thay thế IntCal98, kéo dài từ 0–24 cal kyr BP (Trước Hiện Tại, 0 cal BP = AD 1950). Bộ dữ liệu hiệu chuẩn mới cho các mẫu đất liền kéo dài từ 0–26 cal kyr BP, nhưng với độ phân giải cao hơn nhiều so với IntCal98 từ 11.4 cal kyr BP trở đi. Các mẫu vòng cây được xác định tuổi bằng phương pháp phát thải đồng vị có thời gian từ 0–12.4 cal kyr BP. Vượt qua thời điểm kết thúc vòng cây, dữ liệu từ các hồ sơ biển (san hô và foraminifera) được chuyển đổi sang tương đương khí quyển với sự điều chỉnh bể chứa biển theo vị trí cụ thể để cung cấp hiệu chuẩn đất liền từ 12.4–26.0 cal kyr BP. Một sự cải tiến đáng kể so với IntCal98 là việc giới thiệu một phương pháp thống kê nhất quán dựa trên mô hình random walk, điều này xem xét sự không chắc chắn của cả độ tuổi lịch và tuổi ¹⁴C để tính toán đường cong hiệu chuẩn cơ sở (Buck và Blackwell, số báo này). Các tập dữ liệu vòng cây, nguồn gốc của sự không chắc chắn và các khác biệt vùng được thảo luận ở đây. Các tập dữ liệu biển và đường cong hiệu chuẩn cho các mẫu biển từ lớp trộn bề mặt (Marine04) được thảo luận ngắn gọn, nhưng chi tiết được trình bày trong Hughen et al. (số báo này a). Chúng tôi không đưa ra một khuyến nghị cho hiệu chuẩn vượt quá 26 cal kyr BP vào thời điểm này; tuy nhiên, các bộ dữ liệu hiệu chuẩn tiềm năng được so sánh trong một bài báo khác (van der Plicht et al., số báo này).

Con người thường nghiên cứu các niên biểu của các địa điểm khảo cổ và các chuỗi địa chất bằng nhiều loại chứng cứ khác nhau, xem xét các ngày đã hiệu chỉnh bằng carbon phóng xạ, các phương pháp xác định niên đại khác và thông tin địa tầng. Nhiều nghiên cứu trường hợp riêng lẻ chứng minh giá trị của việc sử dụng các phương pháp thống kê để kết hợp các loại thông tin khác nhau này. Tôi đã phát triển một chương trình máy tính, OxCal, chạy trên Windows 3.1 (cho máy tính IBM), có khả năng thực hiện cả việc hiệu chỉnh ¹⁴C và tính toán thông tin bổ sung có thể thu được từ chứng cứ địa tầng. Chương trình có thể thực hiện việc khớp sóng tự động và tính toán phân phối xác suất cho các mẫu trong các chuỗi và pha. Chương trình được viết bằng C++ và sử dụng thống kê Bayes và lấy mẫu Gibbs cho các tính toán. Chương trình rất dễ sử dụng, cả cho việc hiệu chỉnh đơn giản và phân tích địa điểm phức tạp, và sẽ tạo ra đầu ra đồ họa từ hầu như mọi máy in.

Bài báo này nêu bật một số phát triển chính trong chương trình hiệu chỉnh bức xạ carbon, OxCal. Ngoài nhiều thay đổi mang tính hình thức, phiên bản mới nhất của OxCal sử dụng một số thuật toán khác nhau để xử lý các giai đoạn đa dạng. Khung lý thuyết đứng sau những thay đổi này được thảo luận và một số tính toán mô hình được trình bày. Những thay đổi đáng kể cũng đã được thực hiện đối với các thuật toán lấy mẫu, giúp cải thiện khả năng hội tụ của phân tích Bayes. Chính khả năng hội tụ cũng được báo cáo theo cách toàn diện hơn, để các vấn đề có thể được truy nguyên đến các phần cụ thể của mô hình. Việc sử dụng dữ liệu hội tụ và các kỹ thuật khác để thử nghiệm các hệ quả của các mô hình cụ thể cũng được mô tả.

Đường cong hiệu chỉnh carbon phóng xạ SHCal04 của Bán cầu Nam đã được cập nhật với việc bổ sung những dữ liệu mới kéo dài phép đo đến 2145 cal BP và bao gồm bộ dữ liệu cây thông Huon thuộc thời kỳ Younger Dryas do ANSTO cung cấp. Ngoài phạm vi của dữ liệu đo được, đường cong này dựa trên các bộ dữ liệu của Bán cầu Bắc như được trình bày trong IntCal13, với một chênh lệch liên bán cầu trung bình là 43 ± 23 năm được mô phỏng bằng một quy trình tự hồi quy nhằm đại diện cho những tương quan ngắn hạn trong chênh lệch này.