地質系沈川洲教授團隊測量鐘乳石單一紋層研究榮登Nature-Scientific Reports以及Science 特別報導

臺大地質科學系沈川洲教授主持的研究團隊,經過六年努力,完成一個過去科學界不可能的研究!團隊對洞穴鐘乳石細微的單一紋層直接測量年紀 (定年),而且精準度高達 ±0.5年。結果發現這些微層形成機制相當複雜,並非都是一年一輪。這種與氣候環境無關的不規律偽輪與缺輪發現,震撼科學界!這項研究推翻了過去對洞穴鐘乳石微層年輪的認識,直接衝擊到長久以來科學界將鐘乳石微層視為年輪,應用於氣候環境變遷的無數成果。9月16日在著名的期刊《Nature-Scientific Reports》 發表,另外又於9月26日榮登頂尖期刊《Science》特別報導。

許多在自然界的物質,例如樹木、珊瑚骨骼、石灰華、冰雪、湖泊、和海洋的沉積,因春夏秋冬,四季轉換,形成一年一輪的紋層,稱之為「年輪」。在洞穴沉積的鐘乳石亦常具有細微紋層結構,厚度為微米micrometer到毫米millimeter不等。科學界及教科書裡,都將這些洞穴沉積的微層視為年輪,從輪的多寡便可得知鐘乳石年齡。而人類對於洞穴鐘乳石年輪的認識,其科學證據源自於半個世紀前。

對現代地球科學界進展有著最重要貢獻的美國哥倫比亞大學Wallace S. Broecker教授,在1960年於《自然》發表成果(1),首次應用碳-14(14C)定年法,檢測一株具有1400個紋層的美國洞穴鐘乳石,定年結果指出其形成年紀恰為1400 ± 200年,證實了洞穴沉積的微層是年輪。在1993年,一篇同樣刊登在《自然》 期刊的研究(2),英國布里斯托大學University of Bristol/Andy Baker博士等人,使用較精確的鈾釷定年法,最小誤差為 ±62年,分析一株採自蘇格蘭的洞穴生長約7000年石筍螢光紋層,實驗發現紋層數量與定年結果一致,再次證明鐘乳石的微層年輪。

這些洞穴鐘乳石紋層,還記錄了周遭環境過去的變化與氣候訊息。基於年輪研究基礎,過去幾十年來,地球科學家透過具有紋層的洞穴鐘乳石,重建全球各地的近代與古環境變遷歷史。例如,自最後一次冰期 (約兩萬年前) 以來,東亞夏季季風,由弱變強的轉換過程,是發生在一萬四千五百年前,為期180年。但鐘乳石微層真的是一年一輪嗎?這些衍生的重要氣候變遷研究都是正確的嗎?

重新檢視,會發現過去證明洞穴鐘乳石年輪的科學依據,其實是有問題的。首先,鐘乳石紋層非常細薄,定年實驗需要的樣本量,往往涵蓋幾個到數十個微層;再者,過去最好的鐘乳石定年精準度大約是幾年到幾十年的誤差。過去地球科學界,從來沒有仔細地直接針對單一微層進行高精度的定年;原因很簡單,因為這是一個不可能的任務。

沈川洲教授主持的高精度質譜與環境變遷實驗室(HISPEC),以過去專研的鈾釷定年法為基礎,精益求精突破原本已是世界頂尖的鈾釷定年技術(3),去年發表在地球化學類最重要的國際期刊《地球化學與宇宙化學》(Geochimica et Cosmochimica Acta)。此尖端分析方法僅需要0.02-0.04克的碳酸岩標本,定年精準度可以達到 ±6月。四年前團隊開始針對中國科學院譚明教授提供的一株石筍,進行單一微層的高精度定年研究。

2003年採自雲南仙人洞23公分的石筍,生長約300年,具有清楚的紋層,平均寬度約為1毫米。從31單一微層中鑽取68個小標本進行鈾釷定年分析。結果發現紋層並非總是每年沉積一輪,在不同的數十年區間,有時依年序生長,有時卻出現多輪或少輪情況。這種與氣候環境無關的不規律偽輪與缺輪,亦由多年的洞穴實際觀測數據所支持。

此研究結果,否定了地球科學界對洞穴鐘乳石微層年輪的基本假設—對於過去應用鐘乳石微層年輪所發現的無數氣候環境變遷成果,都必須重新小心驗證。

沈教授表示,主要的實驗工作、定年測量及數據分析,都是由第二作者,多年來的研究夥伴林可小姐完成,雖然她只是研究助理,大學主修動物科學,非本科專業,但其積極主動的研究態度與探索未知的渴望精神,超越一般研究人員,時常超時工作,完成任務。為了石筍微層定年研究,參與國際會議,論文發表,還受邀前往北京中科院演講。她說,這個研究,努力了那麼久,終於發表了,好有一種嫁女兒的感覺。

本研究是由國科會地化平臺、卓越領航計畫、地科學門個人計畫與臺大前瞻領航計畫的支助下完成。此詳細的科研成果請參閱2013年9月16日正式發表於自然出版集團著名期刊–《自然–科學報導》(Nature-Scientific Reports) 發表的全文 “Testing the annual nature of speleothem banding”, 2013, 3, 2633; DOI:10.1038/srep02633。

參考文獻:

(1) Broecker, W. S., Olson, E. A. & Orr, P. C. Radiocarbon measurements and annual rings in cave formations. Nature 185, 93-94 (1960).

(2) Baker, A., Smart, P. L., Edwards, R. L. & Richards, D. A. Annual growth banding in a cave stalagmite. Nature 364, 518-520 (1993).

(3) Shen, C.-C. et al. High-precision and high-resolution carbonate 230Th dating by MC-ICP-MS with SEM protocols. Geochim. Cosmochim. Acta 99, 71-86 (2012).

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