光释光测年及发展

光释光测年及发展
米小建;周亚利
【摘要】通过对沉积物的光释光测年和查阅光释光测年的相关文献,对光释光测年方法作出详细介绍.其中主要介绍光释光测年原理、测年过程和光释光测年发展应用,测年过程包括环境剂量率和等效剂量率的测定,对其计算方法和影响因素作出一一说明；光释光测年发展主要介绍光释光测年的发展历程和应用范围.
【期刊名称】《湛江师范学院学报》
【年(卷),期】2012(033)006
【总页数】5页(P66-70)
【关键词】光释光测年;环境剂量率;等效剂量
【作者】米小建;周亚利
【作者单位】陕西师范大学旅游与环境学院,陕西西安 710062
【正文语种】中文
【中图分类】P532
随着对过去全球变化的研究的深入，高精度的年代确定显得越来越重要.近年来光释光测年技术的出现，被广泛用于各种沉积物的年代测定上.但是国内对光释光测年的理论和方法详细介绍的相对较少，文中主要介绍光释光测年原理和测年过程及应用，使得大家对光释光测年方法有较为普遍的认识.
1 光释光测年原理
释光年代指晶体矿物在上次加热事件或曝光事件后埋藏直到现在的时间间隔.当晶体矿物在埋藏之前被日光长时间照射或被高温加热，其释光信号就会被晒退归零.Codfrey－Smith等（1988）通过实验证明了释光信号存在光晒退现象，把储存有释光信号的石英矿物放在太阳光下直接照晒20秒，石英的释光信号强度就会降为原来的1%，长石在太阳光下照晒约6分钟释光信号降为原来的1%.石英的释光信号经几个小时的太阳光照晒后，其释光信号强度就会降为原来的
0.01%.Aitken（1990）将天然石英快速加热，当加热温度超过100℃后石英会发出微弱的光，如果对已经加热过的石英进行第二次加热时，在低于400℃的加热温度范围样品不再发光，如果用放射性射线辐照已经加热过的石英，辐照过的石英再次加热时，从100℃开始就又会发出微弱的光，其中辐照剂量越强，释光信号也就越强.
当晶体矿物被埋藏后将重新接受来至周围环境的电离辐射，其释光信号就会重新积累，释光信号积累的强度与所接受的环境辐射剂量成正比.环境辐射主要来自晶体矿物周围U、Th和K等放射性元素衰变产生的辐射和宇宙射线的辐射，宇宙射线的辐射与地理位置相关，U、Th和K 的辐射与它们的质量有关，所以同一地点环境中U、Th和K 的含量已知后（U、Th和K 的半衰期较长，U半衰期为
4.49×109a，Th半衰期为1.4×1010a，K半衰期为1.5×109a，相对于释光测年几十万年来说，可以认为质量变化是可以忽略的），该地点环境中的辐射剂量率便是固定的，也即每一年提供的环境辐射量是固定的.因此同一地点的晶体矿物的环境辐射剂量与积累时间成正比，所以晶体矿物接受的环境辐射剂量越多，其释光信号就越强，表示晶体矿物被埋藏的时间也越长.
释光测年包括两个方面的测量：一方面是测量样品在埋藏期间储存的环境辐射剂量总量（N）；一方面是测量样品所处埋藏环境的放射性辐射剂量率，即单位时间内的辐射剂量（B）.年龄计算公式可以表示为：
A＝N／B或A＝De／Dy
其中A表示样品的年龄（age）单位为千年（Ka）或年（a）；N表示样品埋藏阶段储存的环境辐射剂量总量；B表示样品所在埋藏环境单位时间内的辐射剂量；
De表示等效剂量（Equlivalent dose），即实验室产生相当于样品天然释光信号
所需要的辐射剂量，也称古剂量（Paleodose，简写P），单位为Gy或mGy；
Dy表示环境剂量率（Dose－rate，或称年剂量annual dose），即样品在埋藏环境中单位时间内所接受的环境辐射剂量，单位为Gy／Ka或 mGy／a.
图1 释光测年原理
2 辐射剂量率的测定
样品中的U、Th、K含量测定后，根据U、Th、K对α、β、γ辐射剂量的贡献计
算各辐射分量的剂量.依据Aitken在1998年提出的环境中U、Th、K含量与石英、长石等矿物接受的剂量率之间的转换关系［1］，按照下面的计算公式得出样品中各辐射分量的剂量率Dα、Dβ、Dγ值.
各辐射分量的计算公式为：
其中：Dα、Dβ、Dγ 分别表示α、β、γ各辐射剂量，Dc 为宇宙射线提供的环境
辐射剂量，GU、GTh、GK 分别表示样品中U（ppm）、Th（ppm）、K（%）
的含量，Dy为总辐射剂量率，η为α辐射提供的释光效率，即为α系数.
利用样品的细颗粒部分做实验时，需要确定α系数，才能计算出环境剂量率
值.Rees－Jones通过实验认为细颗粒长石的IRSL的α系数为0.08，细颗粒纯净
石英OSL的α系数为0.04.由于Rb在样品中的含量很少且贡献很小，所以环境辐射可以不考虑Rb的贡献.
表1 主要放射性元素的辐射剂量率（Gy／Ka）放射性元素含量α β γ m 2.31
0.145 0.113 Th 1ppm 0.644 0.0273 0.0478 K 1% － 0.782 0243 Rb 50ppm U
1pp－0.019 －
2.1 辐射剂量的校正
含水量对各辐射分量的剂量率的校正公式为［2］：
其中R／表示样品含水量，Dα、Dβ、Dγ表示校正前的辐射剂量，Dα、Dβ、Dγ表示校正后的辐射剂量.
2.2 宇宙射线辐射剂量的计算
按照Prescott和Stephan在1982年给出的计算步骤［3］，可以计算出各种地理位置的宇宙辐射剂量，步骤为：
（1）计算出Dco值
Dco＝0.21exp（－0.07x＋0.0005x2）
该公式表示宇宙射线在海平面，地磁纬度为北纬55°，标准岩石表面向下x深度处的宇宙辐射剂量强度.Dco单位 Gy／Ka，x单位hg／cm2（100g／cm2）. （2）将地理经纬度转变为地磁经纬度.
sinλ＝0.203cosθcos（Φ－291）＋0.979sinθ
其中λ表示地磁纬度，θ表示地理纬度，Φ表示为地理经度.经纬度取值时，北纬和东经均取正值，南纬和西经均取负值.
（3）采样点的宇宙射线的辐射剂量率计算公式为：
Dc＝Dco［F＋Jexp（h／H）］
其中，F、J、H是根据其与地磁纬度关系确定的参数（如图2），h为采样点海拔高度，单位为km，Dc单位为Gy／Ka.
图2 地磁纬度与H、F、J值的关系
3 等效剂量的测定
根据不同的实验目的对样品进行不同的前处理，样品等效剂量的测量在释光断代仪
上完成以RisøTL／OSL DA－15型自动化释光仪为例，蓝光激发光源的波长为470±30nm，主要用于测量石英的释光信号.红外激发光波长为830nm，主要用
于测量长石的释光信号，光电倍增管前放置U－340滤光片.等效剂量的测试方法
使用的是单片再生法.样品测试流程如下：
表2 等效剂量测量流程表步骤实验过程观测的释光信号1预热（160－300℃，10s）激发，OSL （125℃，40s） No 3检验剂量，Dt 4预热（160－300℃，0s）5激发，OSL （125℃，40s） To 6再生剂量，Ri（i＝1，2，3，4，5，）7预
热（160－300℃，10s）8激发，OSL（125℃，40s） Lri 9检验剂量，Dt 10 预热（160－300℃，40s）11 激发，OSL（125℃，40s） Ti 12 重复6－11，5次
2
4 光释光测年的发展
光释光测年是在热释光测年的基础上发展起来，在20世纪50年代以前，尽管对
热释光进行的大量的研究，但是热释光并没有发展成为一种测年手段.1964年
M.J.Aitken成功地测定了古陶器的年龄，同时这标志着热释光测年技术的成
熟.1985年，Huntley等人用氩离子激光器产生的514.5nm绿光来激发石英，同
时对其释光信号进行测量，第一次提出了光释光测年技术，又称为OSL或GLSL
测年技术.光释光测年技术的出现，对于存在光晒退的沉积物的年代测定来说容易
了很多.1988年，爱沙尼亚塔林地质研究所的Hutt等用红光（970－840nm）激发钾长石做实验时得到了稳定的释光信号.Godfrey－smith等（1988）实验证明
了矿物存在光晒退作用，把储存有释光信号的石英放在太阳光下直接照晒20s后，石英的释光信号强度就会变为原来的1%，长石在太阳光下照晒6min以后，其释光信号强度就也会降为原来的1%.石英在太阳光下经过几个小时的照晒后，其释光信号强度就会将为原来的0.01%.Poolton等（1989）、Spooner等（1990）和Botter－Jensen等（1991）采用红外二极管作为激发光源进行样品的测年研究，
这就是红外光激发释光技术.
20世纪90年代以前，光释光测年技术的研究主要是采用多片技术.1989年，Grun等对单颗粒钾长石的红外光释光测年进行研究.1991年，Duller提出了利用单片技术进行光释光测年.这以后许多研究者都对单片技术做了大量的研究，为单
片技术的完善做出了很多贡献.Murray and Wintle（2000，2003）提出的单片再生法（Single－aliquot Regenerative－dose protocol，简写SAR），成功利用试验剂量的OSL信号响应来校正测量过程中的感量变化，极大提高了释光测年准确度和精度.由于SAR法是在同一个样片上进行重复的辐照、预热和测量，最后通过建立释光生长曲线来取得等效剂量值，当天然剂量偏大时等到的等效剂量会出现偏小的情况.2005年，王旭龙等提出了简单多测片再生剂量法.
近年来光释光测年技术随着世界研究人员大量的实验测量，使得其在测试条件和测试方法的选择上都有了很好的改善，光释光测年技术的应用主要有：考古遗址测年［4－8］、黄土地层年代测定［9－10］、湖泊沉积物测年［11－13］、地震事
件测年［14－15］、古洪水沉积物测年［16－17］、河流阶地测年［18－19］等.
【相关文献】
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