光釋光測(cè)年技術(shù)

光釋光測(cè)年技術(shù)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(hào)強(qiáng)度的測(cè)量，建立。51信號(hào)與輻照劑量的關(guān)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(shí)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(zhì)的鈾、釷、鉀和含水量的測(cè)量來獲得。t為樣品埋藏時(shí)間，即樣品年齡。也就是說：通過測(cè)量樣品的光釋光（OSL）信號(hào)強(qiáng)度和環(huán)境劑量率，經(jīng)過OSL信號(hào)對(duì)輻照劑量的響應(yīng)函數(shù)可獲得樣品的沉積埋藏年齡的技術(shù)即為光釋光（OSL）測(cè)年技術(shù)。主要應(yīng)用領(lǐng)域目前石英、長(zhǎng)石等礦物光釋光技術(shù)主要應(yīng)用于第四紀(jì)碎屑沉積物的年齡測(cè)定。鑒于這一方法測(cè)定的是第四紀(jì)沉積物中石英、長(zhǎng)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(yīng)用于第四紀(jì)地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、水文地質(zhì)、構(gòu)造活動(dòng)等的研究和大型工程場(chǎng)地地殼構(gòu)造穩(wěn)定性或地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。此外，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(cè)年以及第四紀(jì)火山噴發(fā)事件年齡測(cè)定。國(guó)外應(yīng)用情況光釋光測(cè)年技術(shù)是1985年由Huntley教授等提出的，國(guó)外研究以及應(yīng)用都比較廣泛。主要應(yīng)用在晚更新世以來風(fēng)成黃土、沙丘的形成演化以及相關(guān)的氣候－環(huán)境演變時(shí)間序列、古水文演化、活動(dòng)構(gòu)造和古地震、海嘯等方面。特別是2000年Murray和Wintle在總結(jié)和歸納前人研究的基礎(chǔ)上通過大量試驗(yàn)提出了石英顆?！皢螠y(cè)片再生劑量技術(shù)”(“Single-aliquotregenerative-doseprocedure”,SAR)以來，光釋光測(cè)年方法在上述應(yīng)用方面都取得了一系列突出的新成果(WintleandMurray，2006；M.Walker,2005)。國(guó)內(nèi)應(yīng)用情況國(guó)內(nèi)主要應(yīng)用于廣泛發(fā)育于我國(guó)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(fēng)砂活動(dòng)及沙漠形成和演化、地貌過程、古水文演化、構(gòu)造活動(dòng)和古地震、古人類遺址和考古研究等方面的測(cè)年和年代學(xué)研究，并在古陶瓷(王維達(dá)等，2005；夏君定等，2005)、黃土地層測(cè)年(王旭龍等，2006；Lu,etal,2007)、沙丘砂和風(fēng)砂活動(dòng)測(cè)年(LiShenghuaetal,2002；ZhaoH.etal,2007)和古地震事件測(cè)年(Lu,etal,2002)等取得了重要研究成果。優(yōu)點(diǎn)與第四紀(jì)地質(zhì)和考古測(cè)年的其它方法(如14C、U系和K-Ar法等）相比，OSL測(cè)年方法具有明顯的特色和優(yōu)勢(shì)，其中最顯著的是：①OSL法可測(cè)定沉積物的沉積年齡。這一點(diǎn)對(duì)于陸相海相碎屑沉積物尤為突出，而其它測(cè)年方法一般不易實(shí)現(xiàn)；②測(cè)年用的物質(zhì)是碎屑沉積物中的石英、長(zhǎng)石等礦物，這些礦物廣泛分布于各類第四紀(jì)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(cè)年的各類第四紀(jì)沉積物的年齡測(cè)定成為可能。③測(cè)年適用的時(shí)間段較寬。在一定條件下，石英和長(zhǎng)石的OSL測(cè)年范圍可以測(cè)量小到百年，大到幾十萬年，甚至百萬年的沉積物年齡。缺點(diǎn)由于不同礦物晶體和同一礦物晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的多樣性以及晶體對(duì)電離輻射響應(yīng)的復(fù)雜性以及沉積物類型和沉積物的沉積環(huán)境因地因時(shí)而異，致使OSL測(cè)年目前還帶有一定的經(jīng)驗(yàn)性；同時(shí)，OSL測(cè)年精度與14C、U系等測(cè)年方法有一定的差距。因此，應(yīng)用OSL方法進(jìn)行具體地區(qū)沉積物的測(cè)年時(shí)，需開展針對(duì)研究區(qū)和沉積物的OSL特性及其相應(yīng)的測(cè)年條件、方法等問題的研究。需攻克的技術(shù)難題光釋光測(cè)年技術(shù)受到許多條件的影響，目前需要攻克的技術(shù)難題主要有兩個(gè)：一是如何提高光釋光測(cè)年的精度和準(zhǔn)確度；二是如何擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。每種方法都有其假設(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(yùn)、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(hào)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(chǎng)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(shè)條件的樣品，其測(cè)年精度和準(zhǔn)確度就高，否則其精度和準(zhǔn)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(cè)年精度和準(zhǔn)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(cè)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(cè)年中有了突破，對(duì)于其它沉積物能否準(zhǔn)確地測(cè)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(zhǔn)確地測(cè)定近一、二百年的沉積物年齡都還有待進(jìn)一步研究。應(yīng)用的重大意義目前地學(xué)、環(huán)境科學(xué)、工程科學(xué)和人類考古學(xué)等對(duì)沉積物年齡數(shù)據(jù)的要求越來越多，越來越精確。目前，對(duì)于老于14C測(cè)年范圍的第四紀(jì)陸相碎屑沉積物的年代學(xué)研究仍然處于探索研究階段。然而，第四紀(jì)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(dāng)今人類的經(jīng)濟(jì)文化活動(dòng)息息相關(guān)。探討適合于陸相第四紀(jì)碎屑沉積物的測(cè)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(cè)年方法，進(jìn)一步提高其年齡測(cè)定的精度和準(zhǔn)確性，對(duì)于第四紀(jì)科學(xué)和相關(guān)科學(xué)的發(fā)展及國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展，具有重要的理論和實(shí)踐意義。發(fā)展前景年輕地質(zhì)體測(cè)年方法和年代學(xué)或稱第四紀(jì)地質(zhì)測(cè)年方法和年代學(xué)，是近一、二百萬年地質(zhì)環(huán)境演變，包括新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、氣候變化、地貌過程、各種地質(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，雖然可用于測(cè)定或推定年輕（即一、二百萬年）地質(zhì)事件和地層年齡的方法和技術(shù)至少有十余種，然而各種方法和技術(shù)都有自己的理論基礎(chǔ)、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(zhì)事件或地層年齡測(cè)定。這就導(dǎo)致存在著年輕地質(zhì)事件和地層測(cè)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(cè)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(cè)年方法測(cè)定其準(zhǔn)確年齡。又如老于14C測(cè)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(jì)碎屑沉積地層，除含火山噴發(fā)產(chǎn)物外，在年齡測(cè)定上可以說仍是一個(gè)“盲區(qū)”。古地磁磁性地層方法只能用于連續(xù)沉積的細(xì)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(jì)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(dāng)今人類的經(jīng)濟(jì)文化活動(dòng)息息相關(guān)。探討適合于陸相第四紀(jì)碎屑沉積物的測(cè)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(cè)年方法，提高其測(cè)年精度和準(zhǔn)確性，對(duì)于重建大陸氣候環(huán)境演變的時(shí)間過程，有著巨大的理論和實(shí)踐意義。近年來，人們對(duì)OSL測(cè)年技術(shù)、方法和應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究和探索工作，并取得了一系列重要進(jìn)展和成果。主要表現(xiàn)在：1）提出了一系列基本成熟的實(shí)驗(yàn)程序和技術(shù)，如石英SAR法（MurrayandWintle,2000,2003；RobertsandWintle,2001；WintleandMurray；2006）和簡(jiǎn)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(jìn)行測(cè)年，樣品經(jīng)過多次附加劑量、預(yù)熱、測(cè)量以及成功利用試驗(yàn)劑量的OSL信號(hào)響應(yīng)來校正測(cè)量過程中的感量變化，每個(gè)測(cè)片都能得到一個(gè)等效劑量值。該方法不需要?dú)w一化處理，測(cè)量簡(jiǎn)便，精度高，但已有的研究表明，測(cè)量過程中可能會(huì)產(chǎn)生輻照劑量積累，導(dǎo)致測(cè)定大于120-150Gy的De值明顯偏小，目前已廣泛應(yīng)用于最近幾十年至5-6萬年前時(shí)間范圍內(nèi)的沉積物年齡測(cè)定。簡(jiǎn)單多片法是在傳統(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(shì)，即用實(shí)驗(yàn)劑量監(jiān)測(cè)感量變化。它的特點(diǎn)是測(cè)量用片少、省時(shí)簡(jiǎn)便，主要用于風(fēng)成細(xì)顆粒石英和細(xì)顆粒多礦物樣品的測(cè)年。2）探討長(zhǎng)石IRSL和。51以及不同波長(zhǎng)的IRSL測(cè)年的可行性。長(zhǎng)石的釋光信號(hào)飽和劑量比石英大，其測(cè)年范圍比石英廣，但長(zhǎng)石可能存在的異常衰減現(xiàn)象阻礙了長(zhǎng)石釋光方法的應(yīng)用。近年來人們對(duì)長(zhǎng)石不同波長(zhǎng)的IRSL信號(hào)進(jìn)行了大量探索研究，希望能夠找到測(cè)量范圍寬，且又不存在異常衰減的長(zhǎng)石釋光信號(hào)。3）石英ReOSL方法的提出及其在黃土地層應(yīng)用。王旭龍等（Wang，etal，2006）通過黃土中細(xì)顆粒石英熱轉(zhuǎn)移OSL信號(hào)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(hào)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(cè)年盲區(qū)。4）鉀長(zhǎng)石OSL測(cè)年（內(nèi)劑量）的可能性和優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于礦物釋光年齡，除了等效劑量值測(cè)定，另一個(gè)重要影響因素是環(huán)境劑量率測(cè)定。環(huán)境劑量率的準(zhǔn)確獲得是一個(gè)非常復(fù)雜的問題，它受許多外部