光釋光測年技術

光釋光測年技術基本概念解釋光照射礦物晶體，尤其是硅酸鹽礦物晶體，激發(fā)晶體先前貯存的電離輻射能，并以光的形式釋放出來，亦即晶體被光激發(fā)而發(fā)射的光，就是光釋光（OSL）。通過OSL信號強度的測量，建立。51信號與輻照劑量的關系，就可獲得樣品埋藏期間所吸收的電離輻射劑量即等效劑量DE值，而DE值又是樣品接受的年劑量和樣品埋藏時間的函數(shù)，即DE=?（D,t）。D為樣品接受的年輻射劑量，又稱環(huán)境劑量率，可通過樣品及其周圍物質的鈾、釷、鉀和含水量的測量來獲得。t為樣品埋藏時間，即樣品年齡。也就是說：通過測量樣品的光釋光（OSL）信號強度和環(huán)境劑量率，經過OSL信號對輻照劑量的響應函數(shù)可獲得樣品的沉積埋藏年齡的技術即為光釋光（OSL）測年技術。主要應用領域目前石英、長石等礦物光釋光技術主要應用于第四紀碎屑沉積物的年齡測定。鑒于這一方法測定的是第四紀沉積物中石英、長石等礦物最后一次曝光后被埋藏的年齡，即沉積年齡，它廣泛應用于第四紀地質、環(huán)境地質、水文地質、構造活動等的研究和大型工程場地地殼構造穩(wěn)定性或地震危險性評價。此外，礦物光釋光技術也被廣泛用于古陶器、瓷器、燧石石器等考古器物測年以及第四紀火山噴發(fā)事件年齡測定。國外應用情況光釋光測年技術是1985年由Huntley教授等提出的，國外研究以及應用都比較廣泛。主要應用在晚更新世以來風成黃土、沙丘的形成演化以及相關的氣候－環(huán)境演變時間序列、古水文演化、活動構造和古地震、海嘯等方面。特別是2000年Murray和Wintle在總結和歸納前人研究的基礎上通過大量試驗提出了石英顆?！皢螠y片再生劑量技術”(“Single-aliquotregenerative-doseprocedure”,SAR)以來，光釋光測年方法在上述應用方面都取得了一系列突出的新成果(WintleandMurray，2006；M.Walker,2005)。國內應用情況國內主要應用于廣泛發(fā)育于我國北方的黃土－古土壤序列及其記錄的氣候－環(huán)境變化、干旱－半干旱區(qū)風砂活動及沙漠形成和演化、地貌過程、古水文演化、構造活動和古地震、古人類遺址和考古研究等方面的測年和年代學研究，并在古陶瓷(王維達等，2005；夏君定等，2005)、黃土地層測年(王旭龍等，2006；Lu,etal,2007)、沙丘砂和風砂活動測年(LiShenghuaetal,2002；ZhaoH.etal,2007)和古地震事件測年(Lu,etal,2002)等取得了重要研究成果。優(yōu)點與第四紀地質和考古測年的其它方法(如14C、U系和K-Ar法等）相比，OSL測年方法具有明顯的特色和優(yōu)勢，其中最顯著的是：①OSL法可測定沉積物的沉積年齡。這一點對于陸相海相碎屑沉積物尤為突出，而其它測年方法一般不易實現(xiàn)；②測年用的物質是碎屑沉積物中的石英、長石等礦物，這些礦物廣泛分布于各類第四紀碎屑沉積物中，容易得到，使得缺乏適合于14C、U系和K-Ar放射性核素等方法測年的各類第四紀沉積物的年齡測定成為可能。③測年適用的時間段較寬。在一定條件下，石英和長石的OSL測年范圍可以測量小到百年，大到幾十萬年，甚至百萬年的沉積物年齡。缺點由于不同礦物晶體和同一礦物晶體內部結構的多樣性以及晶體對電離輻射響應的復雜性以及沉積物類型和沉積物的沉積環(huán)境因地因時而異，致使OSL測年目前還帶有一定的經驗性；同時，OSL測年精度與14C、U系等測年方法有一定的差距。因此，應用OSL方法進行具體地區(qū)沉積物的測年時，需開展針對研究區(qū)和沉積物的OSL特性及其相應的測年條件、方法等問題的研究。需攻克的技術難題光釋光測年技術受到許多條件的影響，目前需要攻克的技術難題主要有兩個：一是如何提高光釋光測年的精度和準確度；二是如何擴大其應用范圍。每種方法都有其假設條件，光釋光技術也不例外。其假設條件是：沉積物中石英等碎屑礦物在搬運、沉積過程中曾曝光，那怕曝光是短暫的；這些石英等碎屑礦物的OSL信號具有足夠高的熱穩(wěn)定性，在常溫下不發(fā)生衰減；沉積層沉積埋藏以來石英等碎屑礦物處于恒定的電離輻射場里，它們接受的輻射劑量率為常數(shù)，這要求沉積層基本上處于鈾、釷和鉀封閉體系。滿足假設條件的樣品，其測年精度和準確度就高，否則其精度和準確度就受到影響。而大多數(shù)樣品都不能完全滿足假設條件，因此，急需探討提高沉積物光釋光測年精度和準確度的方法和途徑。雖然從理論上看，在一定條件下光釋光方法可以測量上百萬年的沉積物樣品年齡，但目前只有在黃土沉積地層和低環(huán)境劑量率的沙丘砂測年中有了突破，對于其它沉積物能否準確地測定大于十萬年，乃至幾十萬年和上百萬年的年齡，以及如何準確地測定近一、二百年的沉積物年齡都還有待進一步研究。應用的重大意義目前地學、環(huán)境科學、工程科學和人類考古學等對沉積物年齡數(shù)據的要求越來越多，越來越精確。目前，對于老于14C測年范圍的第四紀陸相碎屑沉積物的年代學研究仍然處于探索研究階段。然而，第四紀陸相碎屑沉積物不僅保存著十分豐富的過去幾百萬年大陸氣候環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)變化的信息，而且與當今人類的經濟文化活動息息相關。探討適合于陸相第四紀碎屑沉積物的測年方法，尤其是在這方面具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ墓忉尮猓∣SL）測年方法，進一步提高其年齡測定的精度和準確性，對于第四紀科學和相關科學的發(fā)展及國民經濟和社會發(fā)展，具有重要的理論和實踐意義。發(fā)展前景年輕地質體測年方法和年代學或稱第四紀地質測年方法和年代學，是近一、二百萬年地質環(huán)境演變，包括新構造運動、氣候變化、地貌過程、各種地質災害和古人類及古文化演變研究的重要技術支撐。迄今為止，雖然可用于測定或推定年輕（即一、二百萬年）地質事件和地層年齡的方法和技術至少有十余種，然而各種方法和技術都有自己的理論基礎、假定條件和適用范圍，沒有一種方法可通用于所有年輕地質事件或地層年齡測定。這就導致存在著年輕地質事件和地層測年的“盲區(qū)”。例如，最近10－300年沉積的碎屑地層，除了湖相沉積層可用137Cs、210Pb來測定其最近約100年的沉積速率和推定沉積年齡外，尚未有十分可靠的測年方法測定其準確年齡。又如老于14C測年范圍（最近約5萬年）的碎屑沉積地層，尤其老于8-10萬年的第四紀碎屑沉積地層，除含火山噴發(fā)產物外，在年齡測定上可以說仍是一個“盲區(qū)”。古地磁磁性地層方法只能用于連續(xù)沉積的細顆粒碎屑沉積地層，并且只能得到古地磁磁性倒轉界限的年齡，如B/M界線年代等，而且只能得到104年的分辨率的地層年代框架。然而，第四紀陸相碎屑沉積物不僅保存著十分豐富的過去近百萬年大陸氣候環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)變化的信息，而且與當今人類的經濟文化活動息息相關。探討適合于陸相第四紀碎屑沉積物的測年方法，尤其是在這方面具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ墓忉尮猓∣SL）測年方法，提高其測年精度和準確性，對于重建大陸氣候環(huán)境演變的時間過程，有著巨大的理論和實踐意義。近年來，人們對OSL測年技術、方法和應用進行了大量的研究和探索工作，并取得了一系列重要進展和成果。主要表現(xiàn)在：1）提出了一系列基本成熟的實驗程序和技術，如石英SAR法（MurrayandWintle,2000,2003；RobertsandWintle,2001；WintleandMurray；2006）和簡單多片法（王旭龍等，2006;Lu，etal,2007）。石英SAR法主要采用粗顆粒（90-125?m或稍粗）單礦物石英進行測年，樣品經過多次附加劑量、預熱、測量以及成功利用試驗劑量的OSL信號響應來校正測量過程中的感量變化，每個測片都能得到一個等效劑量值。該方法不需要歸一化處理，測量簡便，精度高，但已有的研究表明，測量過程中可能會產生輻照劑量積累，導致測定大于120-150Gy的De值明顯偏小，目前已廣泛應用于最近幾十年至5-6萬年前時間范圍內的沉積物年齡測定。簡單多片法是在傳統(tǒng)多片法的基礎上發(fā)展而來的，它融合了SAR法的優(yōu)勢，即用實驗劑量監(jiān)測感量變化。它的特點是測量用片少、省時簡便，主要用于風成細顆粒石英和細顆粒多礦物樣品的測年。2）探討長石IRSL和。51以及不同波長的IRSL測年的可行性。長石的釋光信號飽和劑量比石英大，其測年范圍比石英廣，但長石可能存在的異常衰減現(xiàn)象阻礙了長石釋光方法的應用。近年來人們對長石不同波長的IRSL信號進行了大量探索研究，希望能夠找到測量范圍寬，且又不存在異常衰減的長石釋光信號。3）石英ReOSL方法的提出及其在黃土地層應用。王旭龍等（Wang，etal，2006）通過黃土中細顆粒石英熱轉移OSL信號的研究，提出了黃土－古土壤序列的石英ReOSL方法，該方法采用石英的回授光釋光信號獲得了B/M界限年齡值，初步突破了黃土幾十萬至近百萬年之間測年盲區(qū)。4）鉀長石OSL測年（內劑量）的可能性和優(yōu)點。對于礦物釋光年齡，除了等效劑量值測定，另一個重要影響因素是環(huán)境劑量率測定。環(huán)境劑量率的準確獲得是一個非常復雜的問題，它受許多外部