罕見的”宇宙性放射性核素”有助於揭開安第斯山脈的發展史
地球不斷受到宇宙射線的大量湧入–人眼無法察覺的亞原子粒子,它們來自太陽和超新星爆炸等來源。當這些經過長途跋涉的高能宇宙射線進入地球大氣層時,它們與原子相撞,引發了二次宇宙射線的連鎖反應。

阿根廷安第斯山脈研究區域的鳥瞰圖。資料來源:JR Slosson
當二次宇宙射線到達地球表面的最頂層時,它們將礦物中的元素,如氧氣轉化為被稱為”宇宙性放射性核素”的稀有放射性同位素,包括鈹-10(Be-10)和碳-14(C-14)。科學家們可以分析這些核素濃度的波動,以確定岩石暴露在地球表面的時間長度。這為研究人員提供了對行星過程的寶貴見解,如侵蝕率,只需一公斤的河沙。
雪城大學文理學院Jessie Page Heroy教授兼地球和環境科學系主任Gregory Hoke、從雪城大學獲得博士學位的阿默斯特大學博士後研究員JR Slosson以及普渡大學地球、大氣和行星科學副教授Nat Lifton最近在《地球物理研究通訊》上共同撰寫了一份研究報告,分析了阿根廷安第斯山脈樣本中的宇宙源放射性核素。
該項目的目標是記錄材料在安第斯山脈的山坡上停留的時間與河流流域的整體侵蝕率的關係。這一信息對於幫助科學家識別山體滑坡風險和了解氣候變化將如何影響山坡上的物質運輸動態(隨著地區變濕或變乾)至關重要。
寫在沙子上的歷史
為了確定侵蝕率,研究小組在位於阿根廷中西部的門多薩省和聖胡安省的安第斯山脈東側腳下取得了河沙樣本。河沙要成為收集樣本的上游的整個集水區(或徑流區)的代表性的、混合良好的樣本。在雪城大學的霍克實驗室裡,沙子經過處理,從樣品中存在的其他礦物中分離出純石英。
研究人員使用純石英是因為它是Be-10和C-14的最佳來源。純石英的碎片被送到布法羅大學和利夫頓的實驗室,在那里分別提取了鈹和碳。隨後在普渡大學的PRIME實驗室進行了C-14的測量,並在勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室分析了Be-10,以計算出每種放射性核素的濃度。
滑石的故事
安第斯山脈中最高的非火山山峰位於智利的聖地亞哥和阿根廷的門多薩之間。流經安第斯山脈高地的河流盆地的海拔高度為5000米(16500英尺),其山坡上堆積著被稱為滑石和碎石的岩石碎片。
由於Be-10和C-14是按比例產生的,但衰變的速度卻大相徑庭,所以樣品中的宇宙放射性核素濃度揭示了沉積物從裸露的岩石表面產生的速度(Be-10)以及它通過滑坡沿山坡向下移動的時間(C-14)。當沉積物通過土地滑動被動員和掩埋時,兩種同位素的產生速度都會減弱,但由於C-14的衰減速度比Be-10快1000倍,它們的比例會迅速變化。這種比例的變化使作者能夠應用一個統計模型來確定材料順著滑石坡移動的平均時間。
EES教授Gregory Hoke共同撰寫了一份研究報告,調查材料在安第斯山脈的山坡上停留的時間。據作者Gregory Hoke說,這是第一批使用Be-10和C-14的組合來顯示沉積物產生的長期平均速度以及它下移到河流並通過河流的時間和過程的研究之一,使人們對相關因素有了更廣泛的了解。
“以前,我們幾乎完全依賴Be-10和在河流測量站進行的沉積物濃度測量來估計平均侵蝕率,”Hoke指出。”吸引我們用C-14研究這些流域的原因是測量站和Be-10數據的一致性。我們期望看到這兩種同位素和測量數據產生相同的速率,並證明山地侵蝕是在穩定狀態下發生的。”
雖然Be-10的濃度在漫長的時間尺度上如預期的那樣回來了,但他們發現C-14比預期的要低得多,這意味著沉積物從高山流域侵蝕出來,至少在7到1.5萬年內被屏蔽了宇宙射線。作者解釋說,滑石坡的暫時儲存最能解釋C-14相對於Be-10的較低濃度。
這項研究表明,利用C-14/Be-10配對,有可能填補觀測時間尺度的一個重要空白,使山坡上真正發生的事情成為現實。
由於山體滑坡對人類和基礎設施構成的風險,JR Slosson說,他們的結果表明,C-14對解開未來的沉積物運輸動態具有重要意義,並可能幫助預測未來山體滑坡可能發生的地方。他解釋說:”利用C-14和Be-10提供了一個了解山區沉積物運輸複雜性的新窗口,並可以為評估地球表面過程的當代變化提供一個背景。”