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大自然的“石英表”--石英光釋光測年簡介(一)
2019-02-21| 編輯: | 【 】【打印】【關閉

  石英是自然界巖石中最常見的礦物之一,她的身影在我們日常生活中隨處可見。1969,日本精工公司成功將石英晶體制成音叉,出現了第一塊石英電子表。石英表就是利用石英晶體周期性持續發振計時(每秒32768次),授于我們現在和未來的時間 

  然而,大自然還有另外一塊“石英電子表授時于我們過去的時間,這就是石英光釋光測年(OSL)。石英光釋光測年技術是從熱釋光現象發展而來的,即礦物受熱發光的現象。1663年,英國化學家Robert Boyle第一次發現并描述了熱釋光現象,他把鉆石放到口袋里面,走到一間沒有光的屋子里,發現鉆石發出了微弱的光芒。直到1985年,加拿大科學家Huntley等人用激光取代加熱來獲取釋光信號,稱其為光測定年代Optical dating)。 

石英光釋光測年原理三步曲之一:曬退

自然界的沙子、粘土里的石英晶體處于黑暗環境時,來自放射性核素及環境的輻射能會在它的小房子(即陷阱)里積累;當他們沐浴在陽光之下,小房子里儲存的能量(電子)獲得陽光的能量后就會開始外逃,這些外逃的電子與中心見面,就會發出光來,就是光釋光信號。從這點也可看出,能夠用來做光釋光測年的樣品需要具備的一個特點是曬退要充分,也就是說,樣品沉積之前,要把自然界的石英表盡可能地撥到0點。

石英光釋光測年原理三步曲之二:積累

沉積物被埋藏見不到陽光時,石英會被來自周圍環境中的放射性核素(通常是鈾、釷、鉀)所產生的輻射影響,輻射射線穿過石英晶體的外層,所帶來的電離作用可以使石英晶體中的電子從它們的母核中電離出來,成為自由電子。石英的晶體往往也不是完美無缺的,由于外來雜質原子滲入等因素石英晶體會有缺陷的地方,這些缺陷會使晶格內部出現新的能級即陷阱,陷阱會捕獲自由電子,使其成為陷獲電子。隨著時間的推移,陷阱中積累的電子就會越來越多,也就是電子在石英晶體(陷阱)中的積累過程,即計時。

石英光釋光測年原理三步曲之三:測量

     既然太陽光可以使得石英小房子里面的電子外逃,我們在實驗室也可以用特殊的光束(通常是中心波長為470nm藍光)來激發石英,使這些電子外逃。如下圖所示,當石英埋藏見不到光時,周圍環境的輻射會使得石英晶體小房子的門打開,電子(小人)就會進入其中。將樣品采集后,在實驗室對樣品進行人工光激發,房子中的小人就會跑出,也就是石英晶體中的電子外逃,使用光釋光自動測量系統測量這些外逃電子的光子計數來獲得他們的能量大小(即等效劑量De值),相當于知道了目前大自然的石英表已經走到了哪里。在百萬年以來的地質歷史上,相對鈾、釷、鉀的半衰期來可以認為晶體周圍環境的劑量率(Gy/ka)為一恒定值,測量出現在樣品中鈾、釷、鉀三種元素的濃度,再考慮宇宙射線的貢獻、含水率的影響等,便可求出每年積累的輻射能量(即劑量率Dr),也就是每年這個石英表走幾 格,樣品的年齡可用De/Dr算出。

附上野外采集釋光樣品照片一張,因為陽光會使得石英小房子里電子的出逃,所以樣品采集嚴格避光用鋼管打入,拿到實驗室也必須避光(實際操作是在一定波長的燈光下進行,這種燈光下不會對釋光信號產生損失)。

參考文獻:

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  Huntley D.J.,Godfrey-Smith D.I.,Thewalt M.L.W[J].Optical dating of sediments. Nature,1985,313,105-107. 

  康樹剛.高準確度的末次間冰期以來黃土釋光年代學研究[D].西安:中國科學院地球環境研究所,2009,1-130. 

  王維達.中國熱釋光與電子自旋共振測定年代研究[M].北京:中國劑量出版社,1997. 

 


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