释光测年

晶体矿物，如石英和长石，受到围岩或沉积物中U，Th，40K，Rb等放射性元素衰变及宇宙射线的辐照时，晶格所吸收的能量部分以受激被俘获电子的形式积累于其能带结构中的亚稳态能级(常被称为电子陷阱)中。这些被俘获电子在陷阱中的寿命由Arrhenius方程决定。经长时间辐照后，晶格中俘获电子的数量将决定于陷阱电子的俘获速率，辐照时间，陷阱电子的热稳定性。若在环境温度下，陷阱电子寿命超过样品的期待年龄10倍以上，那么在该时间尺度上可以忽略陷阱电子的逃逸。在热激发或光激发(红外，可见光或紫外)的条件下，这些储能陷阱电子将摆脱陷阱束缚，与晶格中发光中心附近的带正电的空穴复合，以发光或声子的方式释放能量，这种发光即被称为热释光(Thermoluminescence, TL)或光释光(Optically Stimulated Luminescence, OSL)。

根据激发光源的不同，光释光测年可分为红外释光(Infrared stimulated luminescence，简称IRSL)测年(用近红外线束激发晶体中储存的电离辐射能使其以光的形式释放出来，用于长石测年)、绿光释光(Green light stimulated luminescence, GLSL)测年(用514nm的绿光束来激发样品，用于石英和长石测年)、蓝光释光(Blue light stimulated luminescence, BLSL)测年(用470nm的蓝光束来激发样品，用于石英和长石测年)和红外-蓝光双激发释光(Post-infrared Optically Stimulated Luminescence,[POST-IR]OSL)测年(先用近红外线束激发后，再用蓝光束来激发样品，用于细颗粒混合矿物测年)等技术。根据所用测片的多少释光测年又可分为单片(Single aliquot)和多片(Multiple aliquots)技术，最近又出现了单颗粒(Single grain)技术。

释光法测年原理（价带模型）

如上所述，若陷阱储能电子逃逸可忽略，结晶矿物释光信号强度与该矿物(经过光晒退或高温焙烧过)埋藏后接受的辐照剂量密切相关。通过实验室辐照已知释光信号强度间的定量关系。基于该定量关系，可以根据经历了样品的天然释光信号强度反算样品在自然埋藏中接受的辐照剂量，即等效剂量（ED）。等效剂量(ED)又称古剂量(P)，即被测样品产生天然积存释光所需要的辐射剂量(单位Gy)。

由于半衰期非常长，在百万年的时间尺度上，环境中U,Th和40K等核素浓度可认为恒定。通过实验室测量相应核素的浓度，可得到这些核素单位时间所提供的辐射剂量，称为剂量率(D，单位mGy/a或Gy/ka)。

年龄(A)=等效剂量(ED)/剂量率(D)

（其中等效剂量(ED)又称古剂量(P)，是样品产生天然积存释光所需要的辐射剂量，即被测样品产生天然积存释光所需要的辐射剂量(单位Gy)，可通过矿物释光信号的强度及其对核辐射剂量响应程度的实验测量来确定。环境剂量率又称年剂量(D，单位mGy/a或Gy/ka)是被测矿物单位时间内吸收周围环境中238U、232Th及它们的衰变子体和40K产生的α、β和γ辐射剂量，以及宇宙射线提供的少量辐射剂量。）

样品的释光年龄可通过上式确定。用于释光测年的矿物必须满足以下3个基本条件：

①被测矿物在沉积埋藏时已被充分曝光或高温焙烧过；

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的环境辐射场中，其接受的环境剂量率为常数。

凡经过高温焙烧过的或阳光(自然光)充分晒退过的含有石英或长石等矿物的埋藏地质体和考古样品都可作释光测年，例如黄土、沙丘砂、古陶片、快速隆升的基岩等。鉴于石英的释光信号易饱和，长石的信号可能发生不规则衰退，一般释光测年只适用于<10 —15万年的样品，在低环境剂量率情况下，可测上限可达几十万年。

释光样品须满足埋藏前信号回零且处于恒定辐射场中的条件，因此采样时一定要注意影响这2个条件相关因素。

1． 根据测年目的来选定取样层位或地质体。如确定一地质事件，在剖面上采集具上下时序的3个以上样品，以减少测定一个孤立样品时可能产生的不确定性。

2． 采样层位应选择岩性均匀、沉积埋藏前已充分曝光的、厚度大于20-30厘米的风积层、冲积层、湖积物和海积层中的粉-细砂、粘土质粉-细砂或粘土，条件不允许时也可选择冲、洪积物中的粉-细砂、粘土质粉-细砂或粘土透镜体，以及坡积层理较清晰的粉-细砂、粘土质粉-细砂或粘土坡积物。

3． 采样前应清除地表或边坡、陡坎40-50厘米深的表层土，即应挖进40-50厘米后才可采样。

4． 等效剂量样品需约300克，采样须避光。根据样品沉积结构选择不同取样方式，对于松散沉积物样品，一般采用尺寸长20cm 直径5-6cm的钢管打进采样层位，使样品充满容器，两端口用锡纸等不透光材料封住后用宽胶带封存，也可在遮光布下取样后避光包装密封；对于固结样品，能采集6×6×6 cm3块状样品，在野外用锡纸等不透光材料包装后用塑料袋密封。环境剂量率样品根据样品半径30cm范围内岩性是否均一，采用不同取样方式和取样量。如果岩性不均一，采用野外便携式gamma谱仪与室内元素分析或者高纯锗gamma谱仪相结合的方式进行测量，一般需要干样品量400-500g；如果岩性均一性较好，采用实验室元素分析方法，等效剂量样品去除的部分即可用于环境剂量测量，不需要单独采集环境剂量率样品。

5． 对于钻孔岩芯样品，可采集长6-15 cm的整体块状圆岩芯或半岩芯，在野外用锡纸等不透光材料包装后用塑料袋密封。

采集沉积层中的古陶片、古砖瓦等考古样品时，必须同时采集一些测试对象周围的土样，以供测定样品环境剂量率用。在半径为30 cm的范围内采集同一时代的古陶片、古砖瓦碎片3-6块作为平行样品，以减少测定一个孤立样品时可能产生的不确定性。这些平行样品具不同类型的结构，如粗陶、希陶、泥质陶、夹砂陶、黑陶和红陶等。每块碎片厚度应超过7 mm，长、宽(或直径)超过30 mm，尺寸大的更好，以保证样品内部beta剂量的完整。

此外，应注意：含水状态对计算环境剂量率及年龄有较大影响，采集的样品尽可能维持原状，密封包装，以减少水分丢失。同时应记录所采层位与地下水位的关系(位于地下水位之上还是之下)。

送样时，应附上送样单（见附件1），包括1) 样品野外编号；2) 取样地点；3) 记录样品产出的地理坐标(经、纬度)及海拔高度；4) 样品名称及类型；5)样品性状；6) 样品包装；7) 样品周围环境(半径30cm内)岩性是否均匀、是否受放射性污染；8) 样品埋深(距地表)及与当地地下水位的关系；9) 样品所在层位和地层剖面或柱状图，采样点地层岩性、沉积相及构造位置；10) 样品测年意义及估计年代等。

Risø(丹麦） TL/OSL-DA-20型测量仪，美国 Daybreak 583厚源alpha计数仪、Franz磁选仪、TAS-990原子吸收分光光度计、SOL2 模拟太阳灯、六联磁力搅拌器、电子天平、除湿机、纯水装置、超声波清洗器等^[1]