光释光测年方法

光释光测年法综述
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学院：地球科学学院
光释光测年法综述
光释光(optically stimulated luminescence，OSL)测年技术20世纪80年代该方法提出以来，得到了越来越广泛的应用，尤其是在第四纪研究方面获得普遍认可。

光释光测年技术的发展最早可以追溯到1960年人们发现古陶瓷发射的热释光。

后来由前苏联的Morozov 等人(1968)提出用热释光方法测定各种沉积物年龄，释光定年方法开始在第四纪研究领域得以应用。

Huntley(1982)发现矿物中存在光敏陷阱，进而提出了石英绿光和长石红外光释光测年法，光释光相对于热释光最大的优势在于光释光只激发光敏电子，且这类电子极易被晒退，而且可忽略残留值的影响，因而光释光得到极大地发展。

90年代以前光释光测量主要采用多片技术，1991年Duller提出了光释光测年的单片技术，大大提高了D e值测定的精度，现今光释光技术已经发展成为一种基础的测年方法，被广泛地应用于各领域。

1：光释光测年原理
光释光测年与同位素测年都是基于同一原理:总量、速率与时间之间有某种函数关系。

如果已知总量和速率，则可根据这种函数关系求出时间(年代)，所得出的测年结果为定量的数值年龄。

结晶固体形成后暴露在自然的环境中，来自环境中的辐射对晶体作用会造成辐射损伤，导致缺陷在晶体中出现，晶体中的电荷平衡遭到破坏，游离电子就在晶体中生成。

这类游离的电子就是我们所说的储能电子，存在于晶体中的这些储能电子一经外部能量(激发源)的刺激，新的不平衡便又产生，如是它就会以释放光子的形式来消耗自己储存的能量，这种现象就称为释光现象。

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。

Codyfrey-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%。

沉积物的计时起点为零，是光释光测年技术的一大特点。

因此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。

当晶体矿物被埋藏后将重新接受来自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 的辐射与它们的含量有关。

因为宇宙辐射和放射性物质的辐射短期内(相对于其半衰期而言)是不变的，所以某一已知地点环境中的辐射剂量率是固定的。

也就是说同一地点的晶体矿物的环境辐射剂量与积累时间成正比。

在实验室中，用加热或用光束照射矿物颗粒使累积的辐射能以光的形式被激发出来，这就是释光信号。

通过加热激发的释光信号叫热释光，通过光束激发的释光信号叫光释光。

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=D e/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;D e表示等效剂量(Equlivalentdose)，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(Paleo dose，简写P)，单位为Gy或mGy;Dy表示环境剂量率(Doserate，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。

图一：光释光测年原理图二：石英的TL发光曲线
2.样品类型
释光测年的可靠性极大地取决于对D e值和环境剂量率D的准确测定。

理论上，释光测年的矿物必须满足以下基本条件：①被测矿物在沉积埋藏时矿物的释光时钟已经回“零”；
②被测矿物的释光信号具有很好的热稳定性，即在常温下不发生衰减；③被测矿物被埋藏后处于恒定或基本恒定的环境辐射场中，接受的环境剂量率为常数。

虽然自然界中长石和石英几乎在各种沉积物中都可以找到，但不是所有含长石和石英的物质都适合于OSL测年，通常可用于OSL测年的样品如下。

（1）最适宜的样品
风积物，如沙丘砂、黄土等大气粉尘堆积物，以及经过高温烘烤后的砂土等。

这些类型的沉积物在沉积前经过充分的曝光或高温将释光信号倒空，释光“时钟”为零。

这些沉积物的OSL测年结果可靠性很高，是实验方法学研究中重要的实验对象。

（2）可作测年样品
河、湖相粉—细砂、粘土质粉—细砂（层理清晰、分选良好）沉积物，以及滨海相粉—细砂、粘土质粉—细砂（层理清晰、分选良好）沉积物。

这些类型的沉积物经过较长时间的搬运和沉积，释光信号光晒退程度较好，信号残留低。

其OSL测年能够提供一个参考年龄，使用时若有相应的地层地貌或独立年龄等进行补充，可靠性较好。

（3）可作试验性测年的样品
较缓慢沉积过程的坡积物，具有清晰沉积层理的粉—细砂或含粉细砂沉积，崩积楔上部坡积物、泥石流堆积体中层理清晰的冲积物，冰水相沉积物中层理清晰的冲积物等。

这些类型的沉积物在沉积前堆积速率往往较快，曝光时间短且不均匀，信号残留高且颗粒间分布不
均一。

这类沉积物在OSL测试时应非常注意数据的测量及统计计算方式，对其年龄结果应当谨慎使用，并且需要有较多的其他方面的证据来佐证，单独使用容易造成较大误差。

3采样要求
光释光测年样品在采集、运输、储存以及实验室前处理和测试过程中，都必须确保样品避光保存及操作(实验室红光除外)。

此外，储存场所应尽可能远离辐射场。

采样时可根据剖面的坚硬程度，选择用钢管或是深色塑料管(一般内径2～6cm，长度12～22cm)砸入剖面取样。

年代较新的或较松散的沉积，例如风沙、部分湖相沉积等可用塑料管;而年代较老、胶结较好、较坚硬的剖面，比如冰川沉积、年代较老的黄土等，需用钢管。

关于样品量，实验室最后只需提取1～2g的纯石英或长石样品(一般粒径是38～63μm、90～120μm或120～150μm;也有用4～11μm，如深湖相样品)。

因此，可根据沉积物中所含以上有效测试粒组的多少选择采样管的规格。

比如黄土中可测试的粒组含量高，采用一个15cm×3cm的管样就足够了。

但冰川沉积以砾石为主，可测试粒组含量较少，采样量需酌情加大，一般采用22cm×6cm的管样，甚至需要平行采两管样品。

采样前先剥去剖面表层至少30cm厚度的沉积物，以避免采集到表层曝光的样品。

然后将采样管一端塞上避光材料(黑布、黑色塑料袋、棉花等)，从另一端将管用锤垂直砸入新鲜剖面中，取出管时用相同材料塞紧里端，并用胶带束紧两头，写上样品编号。

在采样管周围采集200～300g左右的散样，用于U、Th和K含量及含水量的测量，应标明对应的样品号，该部分样品无需避光，但要密封保存，以防水分散失。

注意:在沉积物不均一的层位或层间采样时，管样周围30cm范围内各种沉积都需兼顾，尽量使测得的年剂量接近实际值。

钻孔岩芯的采样:在岩芯剖开前在需要定年的层位锯出约10cm的一段岩芯，用不透光的黑塑料包好送到释光测年实验室。

尽量选取岩性相对均一稳定的细粉砂－亚粘土层位取样，避免粘土层，因粘土前处理很困难。

在释光实验室里锯开管子，取出整块岩芯，岩芯表层(厚2～3cm)部分可于U、Th和K含量及含水量的测量，留下岩芯中心的样品进行光释光测年。

如需送样，则取样前最好咨询光释光实验室，以获取更完整的取样要求。

测年法测年的范围
下限
Ballarini等对荷兰海岸沙丘样品的OSL测年获得了与历史记录相吻合的10~260a的释光年龄。

对这种非常年轻的样品，要求所测试的沉积颗粒沉积前OSL信号完全晒退、信号强度非常好、灵敏度高，另外，对测试流程需要专门进行优化以降低热转移信号的影响，同时不影响测试精度。

Baner-jee等对1755年Lisbon地震海啸相关沉积物进行OSL测年获得了较可靠的结果。

OSL测年在对过去 300a内沉积物的年代学研究要优于14C测年。

因为在这个年龄范围内，14C测年的不确定性非常大。

对于百年级别及以下样品的OSL测年，最大的制约来自于年轻样品的OSL信号可能太弱。

而当前对富钾长石释光信号的异常衰减问题已经有所解决，高灵敏度的长石IRSL信号可望能够对几十到几百年尺度进行测年，并且获得优于石英测年的可靠性。

上限
对于大多数地学OSL测年，研究者们非常期望的年代范围主要集中在n×104~n×105之间，但是常规OSL测年中，影响测年上限的一个重要因素是石英OSL信号饱和，在靠近饱
和区间的天然OSL信号在实验室中获得的对应D e值在精度和准确性方面都问题重重。

对于目前最常用的SAR法而言，其最适宜于对石英 OSL信号中的快速组分进行测试，而快速组分的生长曲线可以用一个单饱和指数方程进行拟合：
I=I0（1-e D/D0）
式中：D为获得信号I时的剂量，单位Gy，D0为生长曲线开始进入饱和时的特征值，I0为无限大D值时的信号值。

已有报道指出，D0的典型范围在55~100Gy 之间，在对D e值超过 D0值两倍的样品进行测年时应非常谨慎，因为此后的剂量响应曲线的斜率已经非常小，任何测量误差都将导致D e值的极大误差。

一些测试研究已经表明，对MIS5e（116~132ka）区间内的样品进行测年，石英的OSL年龄偏低，约10%，但是在样品的环境剂量率很低的情况下（如小于 ka），也可以获得更老的年龄（大于20ka）。

考虑到大部分样品的环境剂量率在2~3Gy/ka之间（粗颗粒石英），SAR法即使测到100ka 以上的年龄，也应有足够的地质或其他方面的佐证，否则须谨慎。

而对于SMAR法，在对洛川黄土释光测年的研究中，测定的OSL年龄一直到130ka左右仍与已知气候地层年龄良好对应，但该方法同样使用石英OSL信号中快速组分，虽然克服了SAR法测量循环中信号积累的问题，在对更老的样品测试时表现得比SAR法更好，但是测得的范围也超出有限。

对于更老的样品的OSL测年，要获得更可信的测试结果，目前看来只有在测试的信号、方法和技术方面有所发展和改进，以有效地提高D e值的测量范围。

5.影响测年结果可靠性的潜在因素
测年结果的可靠性包括精度和准确性2个方面，影响可靠性的因素较多较复杂，根据多年实验室及野外地质工作的经验，对一些潜在因素初步归纳如下。

（1）OSL信号本身的特征（如信号的感量、快速组分的比例、残留信号的影响程度等）。

（2）样品矿物颗粒的特征（分选程度、长石和石英矿物的含量）。

（3）矿物颗粒沉积前的晒退程度（晒退程度越高，颗粒间晒退程度一致为宜）。

（4）样品所处的沉积部位及沉积速率（因沉积环境和沉积相而异，实地考察确定）。

（5）测试的方法和技术（细/中/粗颗粒、石英/长石、SAR/SMAR/TT-OSL/MET-pIRIR等）。

（6）结果与地层层序的相关性（应符合沉积律，否则须考虑是否完全理解了地质现象）。

（7）是否有独立年龄或者其他相对年龄证据的控制（佐证或验证结果）。

（8）采用OSL信号衰减曲线上的哪些数据计算（采用不同的信号可能会带来差异）。

（9）D e值的统计分析计算方法（不同的统计方式的结果有一定差异）。

（10）环境剂量率（D）的可靠性（分选好、层厚大的地层D值可靠性较好）。

（11）实验室测试人员的操作熟练程度。

上述因素对实验人员、采样人有较高的要求。

但是由于地质过程的复杂性及地质体的多样性、偶然性，上述因素不一定能完全涵盖所有情况。

野外实际工作中，采样人往往非OSL 测年研究人员，因此野外采样中最好地质专家与OSL实验人员相结合，才能提高样品的质量和测试结果的可靠性。

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