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1、 l 背 地 质 论 评 G E O L O G IC A L R E V IE W V Jano1 60 2N o l 释光技术在水成沉积物测年中的应用进展 赵 秋 月 魏 明 建 2 周 锐 2 宋 波 潘 宝 林 1 2 3 陈 淑 贞 1 2 3 赵晓 红 1 2 3 1 首都师范大学资源环境与旅游学院 北京 1 0 0 0 4 8 2 资源环境与地理信息系统北京重点实验室 北京 1 0 0 0 4 8 3 国家重点实验室培育基地 城市环境过程与数字模拟 北京 1 0 0 0 4 8 4 北京市京源学校 北京 1 0 0 0 4 0 内容提要 准确获得水成沉积物的年龄是第四纪年代学重要
2、的前沿问题之一 随着释光技术的发展 水成沉积 物释光测年在如下方面有新的进展 具体释光技术的选择 释光测量方法 测年矿物的种类 矿物的粒级和获得等效 剂量的统计方法等 线性调整光释光技术能够提取光释光信号中衰退快的组分 单片再生法应用广泛 单颗粒技术 在挑选沉积时晒退充分的颗粒方面具有一定的优势 水成沉积物中的石英 比长石更易晒退 较多的实验表明水成沉 积物中的粗颗粒比细颗粒更易晒退 获得等效剂量的统计模型很多 但尚无一种统计模型适用于所有样品 在此基 础上探讨了水成沉积物释光测年在气候 构造运动 冰川进退历史和人类活动主导的土壤侵蚀量变化研究中的意义 及今后的研究方向 为全面了解该领域的最新
3、研究进展提供参考 关键词 水成沉积物 光晒退 残余本底 释光测年 释光技术在 陶器 瓦片 火 山 黄土等受热或 晒 退充分的考古材料和地质样品的断代 中应用广泛 并取得了巨大突破 但在河流 湖泊 泥石流 冰川等 水动力环境下的沉积物测年中遇 到了一些困难 一 是水成沉积物在搬运和沉积过程 中没有受热过程 导致热释光 T L 残余本底较大 F o r m a n a n d E n n i s 1 9 9 1 二是水对阳光强度具有削减作用 沉积物所 受的光晒退作用有限 光释光 O S L 本底仍有一定 残留 F u c h s e t a 1 2 0 0 5 A l e x a n d e r
4、s o n 2 0 0 7 H u G a n g e t a 1 2 0 1 0 三是水的混浊度 采样地点的 太阳辐射强度 样品搬运距离等因素也会影响水成 沉积物的光 晒退程度 G o d f r e y S m i t h e t a 1 1 9 8 8 S to k e s e t a 1 2 0 0 1 大部分水成沉积物的残余本 底在沉积前都有不同程度的残留 2 0世纪 8 0年代 中期以来 人们对水成沉积物释光本底的研究深度 和认识水平都有 了长足的进展 本文从现有资料人 手 尝试对释光技术在水成沉积物测年 中遇到 的主 要问题进行梳理和分析 对水成沉积物释光测年在 地学中的应用 气
5、候变化 构造运 动 冰川作用及土 壤侵蚀等方面 做一述评 充分挖掘水成沉 积物记 录的环境信息 1 释光断代 释光是结晶固体受到辐射作用后积蓄起来的能 量在热或光激发下以磷光的形式释放出来的一种能 量转换现象 根据激发方式的不同分为热释光 T L 和光释光 O S L 沉积物中的矿物晶体由于杂质原 子的渗人 形成过程中的快速冷却或周围环境 的核 辐射作用等形成晶格缺陷 最终导致陷阱的形成 Wi n tl e 和 H u n tl e y 1 9 8 2 将其细分为 光敏陷阱 和 非光敏陷阱 在辐射作用下从母核中电离出来 的电子扩散到这两种陷阱附近 被前者俘获的称为 光敏陷阱电子 被后者俘获的称
6、为 非光敏陷阱 电子 当晶体再次受到热激发时 电子从陷阱中 逃离 一部分可能被再次俘获而滞留在更深的陷阱 中 另一部分与发光中心发生复合 发出的光就是热 释光 当晶体受到光激发时 光敏陷阱电子逃离出 陷阱 与发光中心发生复合 发出的光就是光释光 释光的强度与电子贮存 的能量成 正 比 而 电子贮存 的能量与每年来 自样 品和周围环境 的放射性辐照剂 注 本文 为国家 自然科学基金青年项 目 编号 4 1 3 0 1 0 0 6 和北京市 自然科学基金重点项 目 B类 编号 K Z 2 0 1 2 1 0 0 2 8 0 3 4 的成果 收稿 日 期 2 0 1 3 4 3 4 1 9 改回日
7、期 2 0 1 3 0 7 4 3 5 责任编辑 黄敏 作者简介 赵秋月 女 1 9 8 7 年出生 博士研究生 主要从事第四纪地质和释光断代研究 E m a i l q y z h a o e n u e d u c n 通讯作者 魏明 建 电话 0 1 0 6 8 9 0 7 0 0 4 E ma i l w e i m j c n u e d u c n 3 2 地质论评 量 年剂量率 成正比 二者的比值即为样品最后一 次加热或曝光以来所经历的时间 释光断代测得的 是样品的绝对年龄 测年准确度常受释光信号不完 全晒退的制约 2 水成沉积物测年的焦点问题 压力 结晶 摩擦 加热和曝光是导致
8、晶体释光 信号 回零 的五 大过 程 第 一种 仍 有 争 议 D u l l e r 2 0 0 4 王维达等 1 9 9 7 第二种主要应用在石笋等碳 酸盐矿物的测年中 L i H u h o u 1 9 8 7 第三种用来解 释待测样品粉碎时经过摩擦所产生的摩擦热释光现 象 王维达等 1 9 9 7 第四种广泛应用在考古遗址 中陶器 砖瓦以及火山等经过热事件样 品的年龄测 定 李虎候 1 9 9 9 第五种应用在第四纪风成和水 成沉积物测年中 埋藏之前的归零程度是影响其测 年准确度的关键 与复杂 的地球化学 过程 搬运历 史 搬运距离 等相联 系 龚革联 2 0 0 6 实验 室测 年时
9、若样品沉积前未充分晒退 残留释光信号会使 得到的释光年龄偏大 L o w i e k 2 0 1 2 这一问题在测 定年轻沉积物释光年龄时显得尤为突出 在这种情 况下如何能逼近测年样品的真实年龄是近年来人们 普遍关注的问题 2 1 释光测年技术的选择 释光测年技术在水成沉积物年龄测定中先后经 历 了 T L和 O S L两个阶段 尽管热释光和光释光信 号均源自晶体中贮存辐射能的激发 但也是存在区 别 的 T L是通过热激发使亚稳态 中的光敏和非光 敏陷阱内的储能电子释放出来 而 O S L是通过光激 发使光敏陷阱内的储能电子释放出来 T L通常用 来测定沉积前经历过热事件的样 品年龄 而对于没
10、 有经历热事件的水成沉积物来说 O S L技术具有一 定的优势 主要表现为 O S L 信号晒退速率较快 较 为充分 测年零点相对明确 残留信号较少 不确定 度较低 年轻地质样品 9 0 m 两种组 分 关于哪种更适合应用于水成沉积物的测年 尚没 有清晰 全面 的解 释 F u c h s等 1 9 9 4 和 F u l l e r等 2 0 0 5 少数人认为细颗粒 比粗颗粒容易晒退 粗颗 粒在水柱底部牵 引力 的作用下 以推移质 的形式搬 运 而细颗粒在水 中以悬移质搬运 更接近于水面 搬运距离较远 接受 阳光照射的时间较长 然而越 来越多的研究表明粗颗粒样品的残余等效剂量值更 低 粗颗
11、粒从侵蚀到堆积 的整个过程中搬运速度较 低 在搬运过程 中也更容易在河道 中堆积 接受曝光 的时 间较 长 G o d f r e y S m i t h e t a 1 1 9 8 8 O l l e y e t a 1 1 9 9 8 Co l l s e t a 1 20 01 Tr ue l s e n e t a 1 2 0 0 3 V a n d e n b e r g h e e t a 1 2 0 0 7 Z h a o H u a e t a 1 2 0 1 0 这两种解释都考虑 了沉 积物的搬运方式 和曝光 时 间 与水成沉积物的类型 所处的地理位置 搬运沉 积过程中天气和
12、季节等因素有关吗 复杂的人工模 拟实验可能给出更为全面的解释 地质论评 2 5 释光测年样品等效剂量值的选取 测年 仪 器 的不 断 改 进 B e t t e r J e n s e n e t a 1 2 0 0 0 和测年方法 Mu r r a y a n d R o b e a s 1 9 9 8 Mu r r a y a n d Wi n tl e 2 0 0 0 的不断完善使得在处理水成沉积 物样品离散的等效剂量值方面取得了长足进步 特 别是在等效剂量值选取的统计方法方面 最小 x 的平均值法 L E P l e a d i n g e d g e法 最小年龄模型 M A M 等相
13、继 出现 从分散的等效剂量值中选出最接近于样品在地 质时间内积累的真实剂量是各种统计分析方法的最 终 目的 这些方法通常是基于粗颗粒样品小片或单 颗粒技术获得的等效剂量值的基础上进行统计分 析 把晒退充分和不充分的样品区分开 这些统计 分析方法包括 最小 x 的平均值法 L E P O l l e y e t a 1 1 9 9 8 适于年龄非常年轻的 晒退不 充分的样 品 由于这种最小值也可能是 由于样品曝 光或实验误差导致 的 故而有时可能会导致地质样 品年龄偏低 最小年龄模型 M A M G a l b r a i t h e t a 1 1 9 9 9 一般仅适用于不完全晒退所引起 的
14、等效 剂量值离散的样品 对于微剂量或者释光特征所导 致的离散等效剂量值并不适用 M u r r a y a n d R o b e s 1 9 9 7 K a l e h g r u b e r e t a 1 2 0 0 3 l e a d i n g e d g e法 L e p p e r e t a 1 2 0 0 0 通过去卷积来消除实验误差 等引起的不确定性 这种方法仅适用于单片数据系 列 而且平 行样 品的数量要 求较 大 一般 为 1 0 0 1 2 5 个 因为单片中包含的颗粒较多 会使单个等效 剂量值之间的差异变小 使结果偏高 F u c h s 和 L a n g 2 0
15、 0 1 提 出了一种仅用较少 的数 据集就能获 得用于真实年龄计算的等效剂量值的方法 一般适 用于样品量较少的样 品 将等效剂量值按照从小到 达的顺序排序 首先计算最小的两个等效剂量的平 均值 以后每次增加一个值 直到相对标准偏差大于 4 人工辐照石英样 品所得 就剔 除 这些保 留下 来的等效剂量的平均值用于年代的计算 尽管为获得沉积物沉积时积累的真实剂量的年 龄模型很多 但没有一个年龄模 型适用于所有类型 的沉积物 B a i l e y a n d A r n o l d 2 0 0 6 几乎所有的统 计方法都是在至少有几个片或几个颗粒沉积前充分 晒退的前提下进行的 如果事实并非如此
16、那么无论 用哪种方法所获得的年龄都是偏高的 3 水成沉积物释光测年在地学研究中 的意义 在释光测年技术 和方法研究不断深入的同时 全球环境变化和环境演变研究 的领域 内 以释光年 龄作为绝对时间标尺的案例越来越多 黄土 深海 泥芯和极地冰芯以其沉积连续 分布广泛而成为全 球环境变化研究的三大支柱 但某些特定的区域仅 有水成沉积物 作为沉积记录的载体 能够反映特定 时段内环境的变化 3 1 在古气候研究中的意义 全球气候变化是世界瞩目的问题之一 现有的 气候记录十分有限 人们迫切需要从各种地质记录 载体中获取长时间的古气候信息 水成沉积物就是 重要的古气候信息记 录载体之一 C h e n J i a n等 2 0 0 8 对 四川西部 晚更新世 的泥石 流沉 积物和阶 地进行 了 O s L S A R测年 所用 的石英颗粒粒级 为 9 0 1 2 5 m和 1 5 0 1 8 0 m 每个样 品的平行样 片 数为 1 6 2 4个 测年结果 为 1 0 6 4 5 k a 测年结 果反映泥石 流发生于气 候温 暖湿润 时期 1 0 0 4 2 k a 表明青藏高原东南缘 的泥石流暴发