光釋光測年技術(shù)

光釋光測年技術(shù)1.基本概念解釋光照射礦物晶體，特別是硅酸鹽礦物晶體，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OSL信號與輻照劑量的關(guān)系，就可獲得樣品埋藏期間所吸取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，可通過樣品及其周邊物質(zhì)的鈾、釷、鉀和含水量的測量來獲得。t為樣品埋藏時間，即樣品年紀。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，通過OSL信號對輻照劑量的響應(yīng)函數(shù)可獲得樣品的沉積埋藏年紀的技術(shù)即為光釋光（OSL）測年技術(shù)。2.重要應(yīng)用領(lǐng)域現(xiàn)在石英、長石等礦物光釋光技術(shù)重要應(yīng)用于第四紀碎屑沉積物的年紀測定。鑒于這一辦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紀，即沉積年紀，它廣泛應(yīng)用于第四紀地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、水文地質(zhì)、構(gòu)造活動等的研究和大型工程場地地殼構(gòu)造穩(wěn)定性或地震危險性評價。另外，礦物光釋光技術(shù)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)事件年紀測定。3.國外應(yīng)用狀況光釋光測年技術(shù)是1985年由Huntley專家等提出的，國外研究以及應(yīng)用都比較廣泛。重要應(yīng)用在晚更新世以來風成黃土、沙丘的形成演化以及有關(guān)的氣候－環(huán)境演變時間序列、古水文演化、活動構(gòu)造和古地震、海嘯等方面。特別是Murray和Wintle在總結(jié)和歸納前人研究的基礎(chǔ)上通過大量實驗提出了石英顆粒“單測片再生劑量技術(shù)”（“Single-aliquotregenerative-doseprocedure”,SAR）以來，光釋光測年辦法在上述應(yīng)用方面都獲得了一系列突出的新成果（WintleandMurray，；M.Walker,）。4.國內(nèi)應(yīng)用狀況國內(nèi)重要應(yīng)用于廣泛發(fā)育于我國北方的黃土－古土壤序列及其統(tǒng)計的氣候－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(gòu)造活動和古地震、古人類遺跡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，；夏君定等，）、黃土地層測年（王旭龍等，；Lu,etal,）、沙丘砂和風砂活動測年（LiShenghuaetal,；ZhaoH.etal,）和古地震事件測年（Lu,etal,）等獲得了重要研究成果。5.優(yōu)點與第四紀地質(zhì)和考古測年的其它辦法（如14C、U系和K-Ar法等）相比，OSL測年辦法含有明顯的特色和優(yōu)勢，其中最明顯的是：①OSL法可測定沉積物的沉積年紀。這一點對于陸相海相碎屑沉積物尤為突出，而其它測年辦法普通不易實現(xiàn)；②測年用的物質(zhì)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，使得缺少適合于14C、U系和K-Ar放射性核素等辦法測年的各類第四紀沉積物的年紀測定成為可能。③測年合用的時間段較寬。在一定條件下，石英和長石的OSL測年范疇能夠測量小到百年，大到幾十萬年，甚至百萬年的沉積物年紀。6.缺點由于不同礦物晶體和同一礦物晶體內(nèi)部構(gòu)造的多樣性以及晶體對電離輻射響應(yīng)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測年現(xiàn)在還帶有一定的經(jīng)驗性；同時，OSL測年精度與14C、U系等測年辦法有一定的差距。因此，應(yīng)用OSL辦法進行具體地區(qū)沉積物的測年時，需開展針對研究區(qū)和沉積物的OSL特性及其對應(yīng)的測年條件、辦法等問題的研究。7.需攻克的技術(shù)難題光釋光測年技術(shù)受到許多條件的影響，現(xiàn)在需要攻克的技術(shù)難題重要有兩個：一是如何提高光釋光測年的精度和精確度；二是如何擴大其應(yīng)用范疇。每種辦法都有其假設(shè)條件，光釋光技術(shù)也不例外。其假設(shè)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信號含有足夠高的熱穩(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在恒定的電離輻射場里，它們接受的輻射劑量率為常數(shù)，這規(guī)定沉積層基本上處在鈾、釷和鉀封閉體系。滿足假設(shè)條件的樣品，其測年精度和精確度就高，否則其精度和精確度就受到影響。而大多數(shù)樣品都不能完全滿足假設(shè)條件，因此，急需探討提高沉積物光釋光測年精度和精確度的辦法和途徑。即使從理論上看，在一定條件下光釋光辦法能夠測量上百萬年的沉積物樣品年紀，但現(xiàn)在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精確地測定不不大于十萬年，乃至幾十萬年和上百萬年的年紀，以及如何精確地測定近一、二百年的沉積物年紀都尚有待進一步研究。8.應(yīng)用的重大意義現(xiàn)在地學、環(huán)境科學、工程科學和人類考古學等對沉積物年紀數(shù)據(jù)的規(guī)定越來越多，越來越精確。現(xiàn)在，對于老于14C測年范疇的第四紀陸相碎屑沉積物的年代學研究仍然處在探索研究階段。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，并且與當今人類的經(jīng)濟文化活動息息有關(guān)。探討適合于陸相第四紀碎屑沉積物的測年辦法，特別是在這方面含有巨大發(fā)展?jié)摿Φ墓忉尮猓∣SL）測年辦法，進一步提高其年紀測定的精度和精確性，對于第四紀科學和有關(guān)科學的發(fā)展及國民經(jīng)濟和社會發(fā)展，含有重要的理論和實踐意義。9.發(fā)展前景年輕地質(zhì)體測年辦法和年代學或稱第四紀地質(zhì)測年辦法和年代學，是近一、二百萬年地質(zhì)環(huán)境演變，涉及新構(gòu)造運動、氣候變化、地貌過程、多個地質(zhì)災(zāi)害和古人類及古文化演變研究的重要技術(shù)支撐。迄今為止，即使可用于測定或推定年輕（即一、二百萬年）地質(zhì)事件和地層年紀的辦法和技術(shù)最少有十余種，然而多個辦法和技術(shù)都有自己的理論基礎(chǔ)、假定條件和合用范疇，沒有一種辦法可通用于全部年輕地質(zhì)事件或地層年紀測定。這就造成存在著年輕地質(zhì)事件和地層測年的“盲區(qū)”。例如，近來10－3沉積的碎屑地層，除了湖相沉積層可用137Cs、210Pb來測定其近來約1的沉積速率和推定沉積年紀外，尚未有十分可靠的測年辦法測定其精確年紀。又如老于14C測年范疇（近來約5萬年）的碎屑沉積地層，特別老于8-10萬年的第四紀碎屑沉積地層，除含火山噴發(fā)產(chǎn)物外，在年紀測定上能夠說仍是一種“盲區(qū)”。古地磁磁性地層辦法只能用于持續(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(zhuǎn)界限的年紀，如B/M界限年代等，并且只能得到1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，并且與當今人類的經(jīng)濟文化活動息息有關(guān)。探討適合于陸相第四紀碎屑沉積物的測年辦法，特別是在這方面含有巨大發(fā)展?jié)摿Φ墓忉尮猓∣SL）測年辦法，提高其測年精度和精確性，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(shù)、辦法和應(yīng)用進行了大量的研究和探索工作，并獲得了一系列重要進展和成果。重要體現(xiàn)在：1）提出了一系列基本成熟的實驗程序和技術(shù)，如石英SAR法（MurrayandWintle,,；RobertsandWintle,；WintleandMurray；）和簡樸多片法(王旭龍等，；Lu，etal,）。石英SAR法重要采用粗顆粒（90-125?m或稍粗）單礦物石英進行測年，樣品通過多次附加劑量、預(yù)熱、測量以及成功運用實驗劑量的OSL信號響應(yīng)來校正測量過程中的感量變化，每個測片都能得到一種等效劑量值。該辦法不需要歸一化解決，測量簡便，精度高，但已有的研究表明，測量過程中可能會產(chǎn)生輻照劑量積累，造成測定不不大于120-150Gy的De值明顯偏小，現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于近來幾十年至5-6萬年前時間范疇內(nèi)的沉積物年紀測定。簡樸多片法是在傳統(tǒng)多片法的基礎(chǔ)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，重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OSL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，其測年范疇比石英廣，但長石可能存在的異常衰減現(xiàn)象妨礙了長石釋光辦法的應(yīng)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，但愿能夠找到測量范疇寬，且又不存在異常衰減的長石釋光信號。3）石英ReOSL辦法的提出及其在黃土地層應(yīng)用。王旭龍等（Wang，etal，）通過黃土中細顆粒石英熱轉(zhuǎn)移OSL信號的研究，提出了黃土－古土壤序列的石英ReOSL辦法，該辦法采用石英的回授光釋光信號獲得了B/M界限年紀值，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(nèi)劑量）的可能性和優(yōu)點。對于礦物釋光年紀，除了等效劑量值測定，另一種重要影響因素是環(huán)境劑量率測定。環(huán)境劑量率的精確獲得是一種非常復雜的問題，它受許多外部條件的