海岸带地区近百年来的现代地质过程（沉积物供给、污染历史、现代海面变化等）的重建，必须以精确的年代学研究为基础，¹³⁷Cs 时标法和²¹⁰Pb_exc测年法是目前广泛应用的方法。¹³⁷Cs 是一种人工核素，半衰期为30.2a，因核试验被释放到自然界中，具有最大检出深度对应1954 年^[1-4]、最大峰值检出深度对应1963 年、最后一个峰值检出深度对应1986 年^[5]等的时标特点，有些地方还具有1973 年的峰值特征^[6-7]。²¹⁰Pb 是一种天然放射性核素，半衰期为22.3a，是天然放射性核素238U 衰变系列的一种自然产物。沉积物中的²¹⁰Pb 有2 种来源：一部分来源于土壤中²²⁶Ra 的衰变，这部分²¹⁰Pb 与沉积物中的²²⁶Ra 相平衡，被称为补偿的²¹⁰Pb；另一部分由从地表释放到大气中的222Rn 衰变成²¹⁰Pb，再随降水等过程散落到地表，被称作过剩的²¹⁰Pb，通常被记为²¹⁰Pb_exc。由于²¹⁰Pb 具有亲颗粒性的特点，易吸附于细颗粒沉积物表面，且不易在地层中迁移，因此，被广泛应用于现代沉积物测年。

海岸带沉积物中的²¹⁰Pb_exc和¹³⁷Cs 主要来自大气沉降和水平搬运。水平搬运的²¹⁰Pb_exc和¹³⁷Cs 完全受控于当地的沉积物供给，尤其是海岸带受河流沉积物供给变化、当地潮位情况、极端天气事件（如洪水、风暴潮等）等的影响，可能导致²¹⁰Pb_exc和¹³⁷Cs 实测剖面的形态具有一定的不确定性。长期以来，这种不确定性使²¹⁰Pb_exc和¹³⁷Cs 测年应用于海岸带地区的成功率偏低，也使这项研究在海岸带地区极具挑战性和重要意义^[8-13]。

1.   海岸带¹³⁷Cs 区域参考剖面研究意义

1963 年，Goldberg 等^[14]最早认识到天然核素²¹⁰Pb 可用于年代学的研究。20 世纪70 年代初期，Koide 等^[15]首次利用²¹⁰Pb 年代学法测定了海洋沉积速率。70 年代末期，Delaune 等^[2]首次利用¹³⁷Cs 年代学方法测定了海岸盐沼沉积速率。自此，国内也随之展开了相关研究^[16-20]。这些研究涉及基本原理、采样、制样、测定、测试误差、压实效应、深度校正、盐度效应、混合作用、再悬浮、数据处理、²¹⁰Pb 剖面的粒度标准化、²¹⁰Pb 与¹³⁷Cs 计年的对比等。

对于¹³⁷Cs 而言，已经开展了大量的相当于参考剖面的研究，研究区涉及北纬60°以北地区^[21]、芬兰和俄国、新西兰、美国加利福尼亚的San Francisco湾、地中海西北部的Rhône 三角洲、欧洲北海潮间带地区等。北半球逐年大气总沉降量变化曲线、南北半球¹³⁷Cs 逐年沉降量变化曲线、日本东京地区¹³⁷Cs 逐年大气总沉降量变化曲线、美国南部¹³⁷Cs 大气沉降量变化曲线等^[22]在1963—1964 年均有明显峰值，可为¹³⁷Cs 时标定年提供重要的参考。然而，这些大区域大气沉降曲线是否能够直接与某一个具体地区的实测¹³⁷Cs 比活度-深度曲线进行对比，仍需要深入探索。

夏威岚等^[23]在吉林小龙湾的研究显示，¹³⁷Cs最大峰值对应的年龄不是1963 年，而是1986 年（图 1）。Teasdales 等^[12]在苏格兰西部潮间带获得的4 个柱样中，有2 个柱样的¹³⁷Cs 最大峰值对应的年龄也是1986 年。这些实例说明，单独从¹³⁷Cs最大峰值判断年龄有一定风险。然而，国内的海岸带地区尚无专门的¹³⁷Cs 逐年沉降量变化曲线报道，使得¹³⁷Cs 时标定年法在中国海岸带地区的应用受到了很大的限制，因此，建立区域性的参考剖面十分必要。对于天然核素²¹⁰Pb_exc，其大气沉降稳定，因此，以往海岸带地区的研究除了从理论上讨论²¹⁰Pb_exc 比活度-深度剖面外，未见通过地层记录，探讨接近大气沉降的（理想）参考剖面的报道。

如果能够建立区域性的¹³⁷Cs 比活度-深度参考剖面，必将对实测曲线类型的解释起到指导作用，且参考剖面的蓄积量值与附近地区实测值之间的对比，还有助于从总体上判断研究区（尤其是开潮坪和浅海区）沉积和/或侵蚀作用的强弱。另外，根据参考剖面还可以计算逐年的沉积速率等。总之，剔除背景值后的¹³⁷Cs 实测剖面能够提供更直接的反映区域沉积历史或事件沉积过程的数据。

图  1  渤海湾西岸取样位置及研究区概况

Figure  1.  Sampling sites and sketch map of the study area in the west coast of Bohai Bay

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2.   研究方法

本文选取沉积环境相对稳定、水平搬运作用影响较小的北大港水库（2 个站位）为研究区，通过人工探坑和Eijkelkamp 槽型取样器获取2 个柱状岩心备用（S4 和S5）^[24]，并进行探坑侧壁高分辨率取样，取样时确保样品无扰动。同时，搜集了该区已经发表的柱样3 个，分别位于歧口附近的开放潮间带上部的C0703 孔^[25]和上古林附近盐沼的S1 和S2 孔^[26]（图 1）。

在实验室，获得样品的湿重、体积等参数，待样品干燥后，称干重、研磨、装盒密封（21d 以上）待测。通过γ能谱仪对²¹⁰Pb、²²⁶Ra、¹³⁷Cs 和²⁴¹Am 进行比活度测试，测试过程中，以能谱中46.5kev、295+352kev、662kev 和59.5kev 处的γ射线谱峰面积分别计算²¹⁰Pb、²²⁶Ra、¹³⁷Cs 和²⁴¹Am 的比活度，²¹⁰Pb_exc比活度由²¹⁰Pb 减去²²⁶Ra 比活度计算获得。

3.   渤海湾地区初步研究结果

3.1   海岸带地区常见²¹⁰Pb_exc和¹³⁷Cs 曲线类型

根据渤海湾地区和世界其他海岸带地区近200个现代沉积物测年样柱的²¹⁰Pb_exc和¹³⁷Cs 比活度-深度曲线，总结出3 种²¹⁰Pb 比活度-深度曲线和6 种¹³⁷Cs 比活度-深度曲线，并初步讨论了各类型曲线对应沉积环境的主要特征^[27-28]。结果显示，²¹⁰Pb 比活度-深度曲线主要表现为3 种类型：理想衰变型、近等幅摆动型和事件影响型^[28]。研究区的¹³⁷Cs 比活度-深度曲线也主要表现为3 种类型：不连续的¹³⁷Cs曲线、无峰的连续¹³⁷Cs 曲线及至少有一个峰的连续¹³⁷Cs 曲线。因此，研究区理论上至少存在9 种²¹⁰Pb_exc与¹³⁷Cs 曲线组合类型。但是，实际只发现了6 种,即1B、2B、2C、3A、3B 和3C 组合类型（图 3）。这些组合类型，分别反映了沉积过程和沉积环境的细微差别。其中，3B、3C 类型在开放潮间带地区最常见，即事件影响型的²¹⁰Pb 比活度-深度曲线与连续无峰¹³⁷Cs 比活度-深度曲线的组合。2C 在渤海湾浅海区较常见，反映了混合作用和侵蚀作用的共同影响^[29]。

图  2  取自吉林小龙湾湖心的柱样¹³⁷Cs 比活度-深度剖面^[23]

Figure  2.  Activity-depth profiles taken from Xiaolongwan in Jilin Province

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图  3  不同类型的²¹⁰Pb_exc和¹³⁷Cs 曲线组合^[28]

Figure  3.  Different types of ²¹⁰Pb_exc and ¹³⁷Cs activity-depth profiles

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3.2   参考剖面研究

1B 类型主要分布于沉积环境相对稳定的盐沼地区，以S1 和S2^[26]为代表，证明本区存在沉积环境相对稳定、沉积速率较低的区域，为本次研究站位的选择提供了重要参考。正常情况下，在没有水平搬运沉积作用下，具体地点浅表地层中的¹³⁷Cs 含量应与所在区域的大气¹³⁷Cs 散落量变化一致。而且，在以往的工作中曾经讨论过将实测曲线S1 和S2 的蓄积量作为背景参考值^[27]，但是这2 个孔的¹³⁷Cs 保存不好，不典型，未见到明显的峰值特征（图 4）。最大峰值都出现在表层，说明表层可能已经发生了侵蚀或沉积速率太低，取样密度不够。

S4 和S5 取自独流减河人工心滩，该心滩为20世纪50 年代兴修水利时形成的，百年来基本未受人类活动改造，偶尔有大洪水时上游来水带来的沉积物在此沉积，其余时间沉积环境基本稳定。²¹⁰Pb_exc、¹³⁷Cs 测试结果显示（图 5），¹³⁷Cs 峰值保存较好，2 个站位均记录了2 个峰值，且最大峰值均出现在下部。通过²¹⁰Pb_exc的CRS 和CIC 模式计算获得的¹³⁷Cs最大峰值对应的年龄为1963±5（1959—1968）年，进一步证实1963 年全球性¹³⁷Cs 峰值在渤海湾地区是有记录的，该峰值可作为区域性重要定年时标。但最大峰值上部的次峰对应的年龄为1996—1999 年，为当时的洪水事件沉积，说明在渤海湾地区最大峰值上部的次峰不能直接与1986 年切尔诺贝利核电站泄漏事故对应，需要结合²¹⁰Pb_exc定年、沉积物供给等因素综合考虑。

图  4  S1、S2 孔现代沉积物测年比活度-剖面^[26]

Figure  4.  Activity-depth profiles of Cores S1 and S2

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图  5  S4、S5 比活度-深度剖面^[24]

Figure  5.  Activity-depth profiles of Cores S4 and S5

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以歧口开放潮坪的C0703 孔为例，¹³⁷Cs 曲线为单峰连续，47.5cm 为最大峰位（图 6-a），蓄积量为0.39Bq/cm2。²¹⁰Pb_exc曲线上部（0~50cm）呈指数衰减趋势，下部在近等幅摆动中略有衰减（图 6-b），蓄积量为7.54Bq/cm2。通过²¹⁰Pb_exc曲线CIC 模式计算获得，¹³⁷Cs 曲线最大峰值和次峰对应的年龄分别为1963 年和1986 年，分别与全球性峰值和切尔诺贝利核泄漏事件对应。但是上部的次峰并不明显。该孔的¹³⁷Cs 曲线类型在开放潮坪和浅海区较常见，可作为该区的参考剖面。

图  6  C0703 孔比活度-深度综合剖面^[30]

Figure  6.  Age profiles of Core C0703 given by activity-depth profile

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取自渤海湾海岸带盐沼地区和开放潮坪地区的典型钻孔均记录到¹³⁷Cs 的1963 年全球性峰值，说明最大峰值对应的1963 年时标可作为该区重要的定年时标。但是部分钻孔中记录的次峰不宜直接定为1986 年，因其主要受到区域性沉积物供给的控制。

根据渤海湾海岸带盐沼地区已经发表的11 个站位的²¹⁰Pb 和¹³⁷Cs 数据（表 1），总结了盐沼区的蓄积量值。结果显示，Q1 站位沉积速率最高，¹³⁷Cs 蓄积量最大，但²¹⁰Pb 的蓄积量并不是最高。结合老狼坨子盐沼的L1~L6 站位，建议盐沼地区的¹³⁷Cs 蓄积量参考值为0.042~0.175Bq/cm2、²¹⁰Pb 蓄积量参考值为0.026~4.04Bq/cm2，S4 和S5 站位的蓄积量在该范围内。

表  1  渤海湾西岸典型盐沼沉积速率和蓄积量

Table  1.  Sedimentation rates and inventory of salt marsh on the west coast of Bohai Bay

地点	编号	沉积速率/(cm· a-1)	137Cs蓄积量/(Bq· cm-2)	210Pbexc蓄积量/(Bq· cm-2)	参考文献
歧口附近盐沼	S4	0.28	0.042	4.040	[24]
	S5	0.28	0.082	3.470
	S1	0.1	0.042	0.310
	S2	0.1	0.142	0.380	[26]
	Q1	1.94	0.167	3.865
老狼坨子盐沼	L1~L6	0.35	0.095~0.175	0.26~0.53	[31]

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4.   结语

海岸带地区的现代沉积物测年，一直是高分辨率测年研究的瓶颈，是急需解决的技术难点。

本文通过地层中记录的²¹⁰Pb 和¹³⁷Cs 比活度-深度剖面，初步确立了渤海湾海岸带地区¹³⁷Cs 最大峰值的年龄对应1963 年，可以作为区域性重要时标，并与全球性峰值吻合。但是最大峰值上部的次峰对应的并非都是1986 年，该峰值不能直接作为1986 年时标。