Radiocarbon

This paper provides a summary overview of the current state-of-art in the radiocarbon dating of groundwater. While the use of natural ¹⁴C measurements in applied hydrogeology still presents a difficult challenge, meaningful dates can be achieved if they are determined and interpreted in conjunction with the analyses of other isotopic species that occur in the natural environment. Although ¹⁴C dating of groundwater can be, and often is, carried out as a matter of routine, any specific case study requires its own scientific design and effort. As is widely recognized, and discussed in considerable detail throughout the scientific literature, there are many hydrogeochemical reactions and/or physical processes that can alter the natural ¹⁴C enrichment measured in environmental materials. Fortunately, for fresh groundwater resources such effects are in general well defined and therefore of limited significance. The primary challenge in applied groundwater dating is with the development of the appropriate theoretical background against which ¹⁴C dates can be used to calibrate numerical analogues of the groundwater system. The hydraulic properties of each of the widely used finite-element models can be well estimated from numerous piezometric data and extrapolations. In contrast, only a few groundwater ages can be provided for the calibration of those models that are complex functions of aging mixture and sometimes also hydrochemical reactions.

Quá trình chuyển tiếp Đồ Đá Mới là một lĩnh vực nghiên cứu đặc biệt có lợi cho việc tìm hiểu sự xuất hiện và phát triển của các nền văn hóa và các hiện tượng văn hóa. Trong bối cảnh này, các chuỗi thời gian có độ chính xác cao là cần thiết để giải mã nhịp điệu của sự xuất hiện các đặc điểm kinh tế-kỹ thuật mới. Như một phần của dự án khám phá các điều kiện cơ bản dẫn đến sự xuất hiện và động lực phát triển của các xã hội chăn nuôi-nông nghiệp đầu tiên ở Địa Trung Hải phía Tây, bài báo này đề xuất một mô hình chặt chẽ thời gian mới. Dựa trên 45 ngày đo carbon phóng xạ ( ¹⁴C) mới và trong một khung thống kê Bayes, công trình này xem xét nhịp điệu và con đường phân tán của nền kinh tế Đồ Đá Mới cả ở khu vực ven biển và trên đất liền. Những dữ liệu mới này làm nổi bật một quy trình lan tỏa phức tạp và ít đơn chiều hơn nhiều so với những gì đã được tưởng tượng cho đến nay.

Giống như nhiều khu vực khác, việc phân chia thời kỳ Đồ đá mới ở Đông Bắc Bán đảo Iberia được dựa trên niên đại tương đối thu được thông qua các kiểu gốm. Hơn nữa, thời kỳ tiền sử này được cấu trúc bằng cách sử dụng hệ thống đặt tên vay mượn từ quá trình hóa đá ở miền nam Pháp. Gần đây, tổng cộng 37 niên đại carbon phóng xạ mới cho Đông Bắc Iberia đã được thu thập với tiêu chí lấy mẫu thích hợp. Những kết quả này đã được sử dụng kết hợp với các niên đại ¹⁴C đáng tin cậy khác để đánh giá tính hợp lệ của các phân loại truyền thống được thiết lập thông qua việc nghiên cứu các kiểu gốm. Sự cải thiện dần dần trong chất lượng lựa chọn mẫu và các hồ sơ khảo cổ có sẵn đã cho phép lựa chọn 187 niên đại chủ yếu được lấy từ các taxon có tuổi thọ ngắn. Điều này đã cho phép điều chỉnh các ranh giới niên đại một cách chính xác nhất có thể.

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.

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.

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.

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).

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.

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 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/.