文章專區

Take Home Message
．雖然鈾釷定年法理論上可追溯至數十萬年前，但在中更新世轉型期的年代區間，因放射性比值變化極小，導致微小的測量誤差會被放大為巨大的定年誤差。問題在於天然鈾-234與鈾-238比值難以高精度量測，是科學界長久來以來難以突破的瓶頸。
．透過同位素鏡像模擬校正法，以釷-232的離子拖尾行為精準模擬並扣除鈾-238對鈾-234的背景干擾，並導入10¹³Ω高阻抗放大器，提升微弱離子訊號的訊雜比。這些改進使測量精準度提升至正負萬分之一，成功將可定年範圍推進至60 ～ 80萬年前。
．研究團隊進一步重新測定鈾-234的半衰期，將不確定度從±70年縮小至±25年，並發現新舊值存在約50年差異。此微小的修正能在數十萬年尺度上大幅降低年代誤差，為古氣候重建與人類演化研究帶來關鍵性突破。

人類對地球歷史的理解，極度仰賴「時間」這把鑰匙。冰期（glacial period）何時開始？氣候轉折發生在多久之前？早期人類如何演化與遷徙？這些問題的背後都仰賴一個共同基礎：是否能把事件「準確地」標記在時間軸上。

眾所皆知的放射性碳定年法（C-14 dating）雖然在考古學上應用廣泛，但受限於碳-14約只有5730年的半衰期，因此有效測量範圍通常只能覆蓋距今約5萬年內的樣本。一旦超過這個時間範圍，殘留的碳-14濃度會接近甚至低於背景值，難以提供可信的年代資訊。

而另一種常見的鈾釷定年法（U–Th dating）則是利用鈾-238的衰變， 理論上可測定至60萬年甚至更久遠的年代。60～80萬年前在氣候學上被稱為「中更新世轉型期」（Mid-Pleistocene Transition, MPT），這個區間也是早期人類遷徙的關鍵時間點。儘管有鈾釷定年法可以作為「時鐘指針」的放射性訊號讓科學界窺探這個區間的歷史，但是傳統鈾釷定年法在這個時間範圍內，因放射性比值變化極小，年代判斷格外困難，且任何微小的測量偏差都可能在定年運算中被放大成巨大的年齡誤差。因此，自鈾釷定年法發展半世紀以來，如何精確測定這段時間的絕對年代，一直都是科學界亟待突破的瓶頸。

什麼是鈾釷定年法？
天然鈾元素的同位素皆為不穩定的放射性核種，其中占99.72％的主要核種是鈾-238。鈾-238會經由α衰變產生鈾-234，進而再衰變為釷-230，並持續經歷一連串衰變過程，最終轉變為穩定的核種鉛-206。

鈾元素與釷元素具有截然不同的地球化學行為。在氧化環境的天然水體中，鈾通常以易溶的六價鈾醯離子（uranyl ion, UO₂²⁺）形式存在；而釷元素的四價釷則展現極強的顆粒吸附性且難溶於水。也因為上述特性，鈾釷定年法常被運用在許多可於水中形成的礦物，其中碳酸鹽類礦物，例如珊瑚與洞穴鐘乳石（圖一）便是最典型的代表。

圖一｜洞穴鐘乳石是科學家常用於研究古環境與古氣候的重要材料，也非常適合利用鈾釷定年法進行精確的年代測定。圖中顯示的是鐘乳石表面特殊的石花結構，這類結構通常形成於地下水以極薄水膜緩慢流動，並在快速釋放二氧化碳的環境中，使碳酸鈣在高度過飽和狀態下迅速結晶，進而長成如冰晶或霜花般的形態。（作者提供）

礦物在水體中形成時，幾乎只有鈾元素會進入礦物晶格。此時，礦物會形成一個封閉的系統，鈾-238 與鈾-234 開始衰變為釷-230，隨著時間累積，釷-230 便愈多。現今科學家可以透過質譜儀（mass spectrometry, MS）測量釷-230 與鈾-238，以及鈾-234 與鈾-238 的兩組比值，計算出礦物的形成年齡，而這正是鈾釷定年法的基本原理。

過去這套方法相當適合用於測定現代至40～60萬年前的岩石標本。筆者的團隊曾在2013年改進了鈾釷分析技術，並發表新的鈾-234 與釷-230半衰期， 分別為2.4562×105年與7.558×104年。當時分析鈾-234/鈾-238比值的最佳測量誤差約為正負萬分之三，最佳的定年範圍約為現代至40～60萬年前。

然而，當樣本年齡超過40～60萬年後，鈾系統逐漸接近放射性平衡，鈾-234/鈾-238比值的時間變化趨於平緩。此時，雖然同位素比值仍在改變，但它對年齡的敏感度明顯下降，使極小的測量誤差可能轉化為數萬年的年齡不確定度。因此，當鈾-234/鈾-238比值的測量精度能提升時，年齡不確定度便能顯著縮小，原本被誤差淹沒的時間訊號重新變得可解析，使鈾系定年法能夠向更老的年代延伸。……【更多內容請閱讀科學月刊第676期】