科學界不可能的任務！
直接測量洞穴鐘乳石紋層的年紀
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：
- Broecker, W. S., Olson, E. A. & Orr, P. C. Radiocarbon measurements and annual rings in cave formations. Nature 185, 93-94 (1960).
- Baker, A., Smart, P. L., Edwards, R. L. & Richards, D. A. Annual growth banding in a cave stalagmite. Nature 364, 518-520 (1993).
- 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).