光释光测年技术

光释光测年技术1.基本概念解释光照射矿物晶体，特别是硅酸盐矿物晶体，激发晶体先前贮存的电离辐射能，并以光的形式释放出来，亦即晶体被光激发而发射的光，就是光释光(OSL)。通过OSL信号强度的测量，建立OSL信号与辐照剂量的关系，就可获得样品埋藏期间所吸取的电离辐射剂量即等效剂量DE值，而DE值又是样品接受的年剂量和样品埋藏时间的函数，即DE=?（D,t）。D为样品接受的年辐射剂量，又称环境剂量率，可通过样品及其周边物质的铀、钍、钾和含水量的测量来获得。t为样品埋藏时间，即样品年纪。也就是说：通过测量样品的光释光（OSL）信号强度和环境剂量率，通过OSL信号对辐照剂量的响应函数可获得样品的沉积埋藏年纪的技术即为光释光（OSL）测年技术。2.重要应用领域现在石英、长石等矿物光释光技术重要应用于第四纪碎屑沉积物的年纪测定。鉴于这一办法测定的是第四纪沉积物中石英、长石等矿物最后一次曝光后被埋藏的年纪，即沉积年纪，它广泛应用于第四纪地质、环境地质、水文地质、构造活动等的研究和大型工程场地地壳构造稳定性或地震危险性评价。另外，矿物光释光技术也被广泛用于古陶器、瓷器、燧石石器等考古器物测年以及第四纪火山喷发事件年纪测定。3.国外应用状况光释光测年技术是1985年由Huntley专家等提出的，国外研究以及应用都比较广泛。重要应用在晚更新世以来风成黄土、沙丘的形成演化以及有关的气候－环境演变时间序列、古水文演化、活动构造和古地震、海啸等方面。特别是Murray和Wintle在总结和归纳前人研究的基础上通过大量实验提出了石英颗粒“单测片再生剂量技术”（“Single-aliquotregenerative-doseprocedure”,SAR）以来，光释光测年办法在上述应用方面都获得了一系列突出的新成果（WintleandMurray，；M.Walker,）。4.国内应用状况国内重要应用于广泛发育于我国北方的黄土－古土壤序列及其统计的气候－环境变化、干旱－半干旱区风砂活动及沙漠形成和演化、地貌过程、古水文演化、构造活动和古地震、古人类遗迹和考古研究等方面的测年和年代学研究，并在古陶瓷（王维达等，；夏君定等，）、黄土地层测年（王旭龙等，；Lu,etal,）、沙丘砂和风砂活动测年（LiShenghuaetal,；ZhaoH.etal,）和古地震事件测年（Lu,etal,）等获得了重要研究成果。5.优点与第四纪地质和考古测年的其它办法（如14C、U系和K-Ar法等）相比，OSL测年办法含有明显的特色和优势，其中最明显的是：①OSL法可测定沉积物的沉积年纪。这一点对于陆相海相碎屑沉积物尤为突出，而其它测年办法普通不易实现；②测年用的物质是碎屑沉积物中的石英、长石等矿物，这些矿物广泛分布于各类第四纪碎屑沉积物中，容易得到，使得缺少适合于14C、U系和K-Ar放射性核素等办法测年的各类第四纪沉积物的年纪测定成为可能。③测年合用的时间段较宽。在一定条件下，石英和长石的OSL测年范畴能够测量小到百年，大到几十万年，甚至百万年的沉积物年纪。6.缺点由于不同矿物晶体和同一矿物晶体内部构造的多样性以及晶体对电离辐射响应的复杂性以及沉积物类型和沉积物的沉积环境因地因时而异，致使OSL测年现在还带有一定的经验性；同时，OSL测年精度与14C、U系等测年办法有一定的差距。因此，应用OSL办法进行具体地区沉积物的测年时，需开展针对研究区和沉积物的OSL特性及其对应的测年条件、办法等问题的研究。7.需攻克的技术难题光释光测年技术受到许多条件的影响，现在需要攻克的技术难题重要有两个：一是如何提高光释光测年的精度和精确度；二是如何扩大其应用范畴。每种办法都有其假设条件，光释光技术也不例外。其假设条件是：沉积物中石英等碎屑矿物在搬运、沉积过程中曾曝光，那怕曝光是短暂的；这些石英等碎屑矿物的OSL信号含有足够高的热稳定性，在常温下不发生衰减；沉积层沉积埋藏以来石英等碎屑矿物处在恒定的电离辐射场里，它们接受的辐射剂量率为常数，这规定沉积层基本上处在铀、钍和钾封闭体系。满足假设条件的样品，其测年精度和精确度就高，否则其精度和精确度就受到影响。而大多数样品都不能完全满足假设条件，因此，急需探讨提高沉积物光释光测年精度和精确度的办法和途径。即使从理论上看，在一定条件下光释光办法能够测量上百万年的沉积物样品年纪，但现在只有在黄土沉积地层和低环境剂量率的沙丘砂测年中有了突破，对于其它沉积物能否精确地测定不不大于十万年，乃至几十万年和上百万年的年纪，以及如何精确地测定近一、二百年的沉积物年纪都尚有待进一步研究。8.应用的重大意义现在地学、环境科学、工程科学和人类考古学等对沉积物年纪数据的规定越来越多，越来越精确。现在，对于老于14C测年范畴的第四纪陆相碎屑沉积物的年代学研究仍然处在探索研究阶段。然而，第四纪陆相碎屑沉积物不仅保存着十分丰富的过去几百万年大陆气候环境和生态系统变化的信息，并且与当今人类的经济文化活动息息有关。探讨适合于陆相第四纪碎屑沉积物的测年办法，特别是在这方面含有巨大发展潜力的光释光（OSL）测年办法，进一步提高其年纪测定的精度和精确性，对于第四纪科学和有关科学的发展及国民经济和社会发展，含有重要的理论和实践意义。9.发展前景年轻地质体测年办法和年代学或称第四纪地质测年办法和年代学，是近一、二百万年地质环境演变，涉及新构造运动、气候变化、地貌过程、多个地质灾害和古人类及古文化演变研究的重要技术支撑。迄今为止，即使可用于测定或推定年轻（即一、二百万年）地质事件和地层年纪的办法和技术最少有十余种，然而多个办法和技术都有自己的理论基础、假定条件和合用范畴，没有一种办法可通用于全部年轻地质事件或地层年纪测定。这就造成存在着年轻地质事件和地层测年的“盲区”。例如，近来10－3沉积的碎屑地层，除了湖相沉积层可用137Cs、210Pb来测定其近来约1的沉积速率和推定沉积年纪外，尚未有十分可靠的测年办法测定其精确年纪。又如老于14C测年范畴（近来约5万年）的碎屑沉积地层，特别老于8-10万年的第四纪碎屑沉积地层，除含火山喷发产物外，在年纪测定上能够说仍是一种“盲区”。古地磁磁性地层办法只能用于持续沉积的细颗粒碎屑沉积地层，并且只能得到古地磁磁性倒转界限的年纪，如B/M界限年代等，并且只能得到1的分辨率的地层年代框架。然而，第四纪陆相碎屑沉积物不仅保存着十分丰富的过去近百万年大陆气候环境和生态系统变化的信息，并且与当今人类的经济文化活动息息有关。探讨适合于陆相第四纪碎屑沉积物的测年办法，特别是在这方面含有巨大发展潜力的光释光（OSL）测年办法，提高其测年精度和精确性，对于重建大陆气候环境演变的时间过程，有着巨大的理论和实践意义。近年来，人们对OSL测年技术、办法和应用进行了大量的研究和探索工作，并获得了一系列重要进展和成果。重要体现在：1）提出了一系列基本成熟的实验程序和技术，如石英SAR法（MurrayandWintle,,；RobertsandWintle,；WintleandMurray；）和简朴多片法(王旭龙等，；Lu，etal,）。石英SAR法重要采用粗颗粒（90-125?m或稍粗）单矿物石英进行测年，样品通过多次附加剂量、预热、测量以及成功运用实验剂量的OSL信号响应来校正测量过程中的感量变化，每个测片都能得到一种等效剂量值。该办法不需要归一化解决，测量简便，精度高，但已有的研究表明，测量过程中可能会产生辐照剂量积累，造成测定不不大于120-150Gy的De值明显偏小，现在已广泛应用于近来几十年至5-6万年前时间范畴内的沉积物年纪测定。简朴多片法是在传统多片法的基础上发展而来的，它融合了SAR法的优势，即用实验剂量监测感量变化。它的特点是测量用片少、省时简便，重要用于风成细颗粒石英和细颗粒多矿物样品的测年。2）探讨长石IRSL和OSL以及不同波长的IRSL测年的可行性。长石的释光信号饱和剂量比石英大，其测年范畴比石英广，但长石可能存在的异常衰减现象妨碍了长石释光办法的应用。近年来人们对长石不同波长的IRSL信号进行了大量探索研究，但愿能够找到测量范畴宽，且又不存在异常衰减的长石释光信号。3）石英ReOSL办法的提出及其在黄土地层应用。王旭龙等（Wang，etal，）通过黄土中细颗粒石英热转移OSL信号的研究，提出了黄土－古土壤序列的石英ReOSL办法，该办法采用石英的回授光释光信号获得了B/M界限年纪值，初步突破了黄土几十万至近百万年之间测年盲区。4）钾长石OSL测年（内剂量）的可能性和优点。对于矿物释光年纪，除了等效剂量值测定，另一种重要影响因素是环境剂量率测定。环境剂量率的精确获得是一种非常复杂的问题，它受许多外部条件的