日本北海道南部中更新世至晚更新世海洋阶地沉积物的发光测年研究

《Quaternary Geochronology》：Luminescence Dating of Middle to Late Pleistocene Marine Terrace Deposits in Southern Hokkaido, Japan

本研究利用衰减校正的K-长石光释电阻法（pIRIR225）和后等温光释电阻法（pIt-IRSL）测定日本南部北海道Tokachi地区海平面阶地的年代，并与全球海平面曲线对比，揭示区域抬升速率的空间差异。结果表明，衰减校正的pIRIR225数据与Toya火山灰年代（109±3 ka）一致，而未校正数据存在系统性偏差，需进行衰减校正。通过对比阶地海拔与海平面曲线，发现Toyokoro丘陵和Shiranuka丘陵的抬升速率存在显著差异，表明K-长石光释电阻法在Pleistocene晚期至Holocene沉积物年代测定中具有可靠性，并提供了该区域地壳演化的新见解。

　　

伊藤和美 | 石井雄二

日本地质调查所，日本国立先进工业科学技术研究所，茨城县，日本

摘要

由于可用的火山灰标记物数量有限，日本海洋阶地（MIS）5e之前的准确年代学仍然难以确定。本研究的目的是利用经褪色校正的钾长石光释光测年技术，精确定位北海道南部MIS 7及更古老海洋阶地的年代，并通过与海平面曲线的比较来评估区域抬升速率。我们对从八个露头（OⅣ至OⅠ表面）中提取的钾长石应用了多种红外激发光释光（IRSL）测年方法，包括未经校正的红外后IRSL（pIRIR₂₂₅）、经褪色校正的pIRIR₂₂₅和后等温IRSL（pIt-IRSL），整个过程均采用单份剂量再生剂量协议。经褪色校正的pIRIR₂₂₅测得的MIS 5e阶地年龄与由Toya火山灰定义的已知年代（109 ± 3 ka）非常吻合。相比之下，未经校正的pIRIR₂₂₅和pIt-IRSL测得的年龄系统性地偏年轻，表明只有经褪色校正的pIRIR₂₂₅测年结果具有可靠性。先前与MIS 7和MIS 9相关的阶地，根据光释光年龄进一步被细分为MIS 7e和MIS 9a–e亚阶段。假设抬升速率恒定，将全球海平面重建与阶地高度进行比较后，发现Toyokoro Hills和Shiranuka Hills之间的相对抬升存在一致的空间差异。我们的结果表明，经褪色校正的钾长石光释光测年为海洋阶地提供了可靠的年代学约束，并为中晚更新世期间北海道南部的构造演化提供了新的见解。

引言

海洋阶地是重建第四纪海平面变化和地壳抬升的重要档案。由浅海沉积物组成的阶地（通常称为构造阶地）对于估算长期抬升速率尤为重要，因为它们仅在海平面高位时形成。尽管MIS 5e阶地被广泛用于估算过去10万年的平均抬升速率，但对MIS 7之前阶地的准确测年对于评估更长时间尺度上的抬升持续性至关重要。这种长期评估对于与放射性废物相关的安全评估非常重要。

在日本，海洋阶地沿海岸线广泛分布（Koike和Machida，2001），其年龄通常基于标记火山灰来确定（Machida和Arai，2003）。虽然在Kanto地区等火山灰丰富的地区已经建立了MIS 5e之前的阶地年代学，但其他地区通常缺乏此类约束。因此，可靠的年龄估计通常仅限于MIS 5e阶地。

石英光释光测年常用于上更新世沿海沉积物（例如，Tanaka等人，1997；Faershtein等人，2020；Yoon等人，2022）。对于更古老的沉积物，需要使用红外激发光释光（IRSL）或红外后IRSL（pIRIR）技术对钾长石进行测年（Arnold等人，2015；Chen等人，2015；Thiel等人，2012；Zander和Hilgers，2013）；然而，已知钾长石信号存在异常褪色现象，这可能导致年龄系统性地被低估。Lamothe（2016）全面总结了间冰期沿海系统的光释光测年最新进展，证明石英OSL、经褪色校正的IRSL和pIRIR方法为MIS 5-9期间形成的海洋阶地沉积物提供了可靠的年代学约束。这些发现突显了钾长石光释光测年在重建抬升沿海序列长期演化方面的适用性。已经提出了几种褪色校正方法，尤其是Lamothe等人（2003）和Kars等人（2008）提出的方法，它们在褪色损失的数学处理上有所不同（Ishii，2025）。Lamothe（2016）详细回顾了经褪色校正的IRSL信号在沿海沉积环境中的性能和局限性。这项综合研究表明，Huntley & Lamothe（2001）类型的校正和Lamothe等人（2003）基于Huntley（2006）模型的方法都能为沿海序列提供地质上一致的年龄估计。在此基础上，Kars等人（2008）的方法已被广泛用于更古老的样本，其中等效剂量（D_e）值通常在生长曲线的弯曲部分确定（Lomax等人，2022；Tamura等人，2022；Zhang和Tsukamoto，2022）。然而，褪色校正存在源于模型假设和测量条件的不确定性。褪色率（g-值）可能在褪色测试期间随施加的剂量而变化（Huntley和Lian，2006；Lomax等人，2022）。Buylaert等人（2012）指出，褪色率低于每十年约1.5%的情况可能反映了实验室伪影，因此不需要校正；尽管如此，一些研究即使在g-值较低时也应用了褪色校正（例如，Thiel等人，2011，2012，2015；Ito等人，2017）。对于更古老的样本，即使是较小的褪色率也可能显著影响年龄估计，仅凭g-值难以判断是否需要校正。

作为另一种方法，Lamothe等人（2020）提出了后等温IRSL（pIt-IRSL）方法。该协议通过在单份剂量再生剂量（SAR）测量周期中人工诱导褪色来重建生长曲线，从而无需外部褪色校正即可确定D_e值。这种方法特别适用于完全漂白的沉积环境，如浅海环境。

在北海道南部Tokachi地区的沿海地带，阶地年代主要基于Toya火山灰（109 ± 3 ka；Tomiya和Miyagi，2020）以及阶地表面的相对高度来确定（Koike和Machida，2001）。虽然MIS 5e阶地的年代已经得到可靠测定，但与MIS 7或MIS 9相关的更古老阶地的年龄仍不确定。与日本许多其他地区不同，该地区的MIS 7阶地保存得更为完好，为研究更古老的抬升序列提供了极好的机会。我们对Tokachi地区沿海海洋阶地沉积物中的钾长石应用了多种基于pIRIR₂₂₅的光释光测年方法。这些方法包括未经校正的pIRIR、经褪色校正的pIRIR（Lamothe等人，2003；Kars等人，2008）和后等温IRSL。我们的目标是精确定位MIS 7及更古老阶地的年代，并在假设抬升速率恒定的前提下，通过比较年龄-高度数据与全球海平面重建来评估长期抬升的空间变化。

地质背景

海洋阶地沿北海道南部Tokachi平原海岸线延伸约50公里，呈东北至西南方向分布（图1）。该沿海地区被Tokachi河分隔为Toyokoro Hills和Shiranuka Hills两个区域。Hirakawa和Ono（1974）将阶地分为四个等级：从高到低分别为OⅠ、OⅡ、OⅢ和OⅣ。

测量方法

光释光测量使用lexsyg智能热释光/红外激发光释光读数仪（Freiberg Instruments，德国Freiberg）进行，该仪器配备了红外LED光源（135 mW/cm²，中心波长850 nm）和⁹⁰Sr/⁹⁰Y β源（剂量率约0.10 Gy/s），并使用Ris? Calibration Quartz（RCQ）进行校准。由于使用了RCQ批次编号106，因此根据Autzen等人（2022）的方法对β剂量率进行了额外校正。蓝紫色区域的发光...

光释光结果

所有样本的pIRIR信号的褪色率（g-值）范围为0.75 ± 0.35 %/十年至1.75 ± 0.39 %/十年（表5）。IRSL信号的年剂量率范围为1.60 ± 0.29 %/十年至3.69 ± 0.27 %/十年（表S1）。同样，年剂量率与阶地年龄无系统差异，范围为1.97 ± 0.15 Gy/千年至2.88 ± 0.19 Gy/千年（表2）。来自同一露头的样本通常表现出...

褪色校正

虽然IRSL显然需要褪色校正，但pIRIR是否也需要校正仍存在争议。Buylaert等人（2012）认为，褪色率低于1.5%/十年的情况可能是测量程序的伪影，表明在这种情况下可能不需要校正。然而，pIRIR₂₂₅信号经常显示出超过1.5%/十年的g-值。例如，在对日本Oga半岛的研究中，Thiel等人（2015）报告的平均g-值为1.9 ± 0.1%/十年...

总结

使用钾长石后红外IRSL（pIRIR₂₂₅）和后等温IRSL（pIt-IRSL）方法，对日本北海道南部Tokachi地区沿海地区的中晚更新世海洋阶地进行了测年。等效剂量采用单份剂量再生剂量协议确定，褪色校正按照Lamothe等人（2003）和Kars等人（2008）的方法进行。与由Toya火山灰定义的已知阶地年代进行比较...

CRediT作者贡献声明

伊藤和美：撰写——初稿、可视化、方法论、调查、数据分析、概念化。石井雄二：撰写——初稿、可视化、调查、数据分析

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

? 作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：伊藤和美报告称获得了日本核规制局的财政支持。如果有其他作者，他们也声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究项目是由日本核规制局资助的监管支持研究。我们还要感谢编辑和两位匿名审稿人的建设性评论，这些评论有助于提高手稿的清晰度。