（自然地理学专业论文）洛川全新世土壤沉积剖面高分辨率年代序列研究.pdf

图表目录 表l ：黑垆土地层的年龄5 表2 ：安芷生、刘嘉麒等所测定的黑垆土地层年代5 表3 ：自然放射性衰变系中的n 成员与性质1 5 表4 ：各种辐射来源在年剂量中所占的份额2 2 表5 ：年代测定中的各项误差2 3 表6 ：钾长石( k e f w 0 1 ) 成份。2 4 表7 ：两个发光峰的峰值比3 l 表8 ：不同波长t l 响应增大倍数3 6 表9 ：3 3 # b 源4 格的辐射剂量率。如 表1 0 ：源1 0 个辐照孔的l i f 热释光响应4 0 表l l ：单片法和多片法结合得到的e d 值4 1 表1 2 ：红壤u 、t h 、k 的含量。4 3 表1 3 ：红土测年结果4 6 表1 4 ：4 个样品的等效剂量4 7 表1 5 ：元素族对标本一年提供的剂量。5 3 表1 6 ：1 5 个样品的铀、钍、钾的含量5 4 表1 7 ：宇宙射线的组成5 4 表1 8 ：氡及其子体辐射在铀、钍所占比例。5 5 表1 9 ：不同含水率对各类辐射的校正因子5 6 表2 0 ：1 5 个饭盒样品的环境年剂量5 7 表2 l ：6 个样品测年结果6 l 表2 2 ：测定的结果如下表所示6 3 表2 3 ：1 5 个黑垆土样品的年剂量和年代6 6 表2 4 ：黑垆土样品的年剂量和年代6 8 表2 5 ：陶片的埋藏深度和等效剂量7 0 表2 6 ：贾村塬剖面年代对比7 5 图l ：释光测年的原理，7 图2 ：固体的能带图1 0 图3 ：热释光仪方块图1 2 图4 ：光释光测年系统1 2 图5 ：选频光释光谱仪1 4 图6 ：b g 2 0 0 3 选频释光谱仪1 4 图7 ：黄土光释光e d 的测定方法1 9 图8 ：钾长石的6 辐射热释光响应图谱2 5 图9 ：钾长石3 5 0 峰的b 辐射热释光响应2 5 图1 0 ：b g 2 0 0 3 上的钾长石b 辐射的热释光谱2 5 图1 1 ：b g 2 0 0 3 上的钾长石b 辐射的光释光谱2 5 图1 2 ：氧化铝的晶体结构2 6 图13 ：b d h 氧化铝辐射的t l 响应图谱2 7 图1 4 ：即h 氧化铝辐射热释光响应2 7 图1 5 ：b d h 氧化铝b 辐射热释光响应图谱2 8 图1 6 ：b d h 氧化铝b 辐射热释光响应2 8 图1 7 ：国产氧化铝u 辐射热释光响应图谱2 8 图1 8 ：国产氧化铝a 辐射热释光响应2 8 图1 9 ：国产氧化铝b 辐射热释光响应图谱2 9 图2 0 ：国产氧化铝辐射热释光响应2 9 图2 1 ：b g 2 0 0 3 上的b 蹦氧化铝辐射的热释光谱3 0 图2 2 ：b g 2 0 0 3 上的即h 氧化铝且辐的热释光谱3 0 图2 3 ：b g 2 0 0 3 上的b d h 氧化铝q 辐射的热释光谱3 1 图2 4 ：b g 2 0 0 3 上的b d h 氧化铝b 辐的热释光谱3 1 图2 5 ：石英的热释光响应曲线3 3 图2 6 ：b 辐射剂量对灵敏度的影响3 4 图2 7 ：d 辐射对热释光灵敏度的影晌3 5 图2 8 ：瑁同剂量未经敏化的石英选频热释光谱图3 5 图2 9 ：相同剂量敏化后的石英选频热释光谱图3 5 图3 0 ：测量结果与线形响应3 8 图3 1 ：3 3 # b 源辐射剂量率与距离的关系4 0 图3 2 ：部分样品的释光响应图4 2 图3 3 ：红土的热释光响应4 4 图3 4 ：洛川位置示意图4 8 图3 5 ：坡头剖面位置示意图4 9 图3 6 ：坡头剖面图5 0 图3 7 ：5 个样品的热释光响应6 0 图3 8 ：典型黑垆土样品的自然热释光图谱6 2 图3 9 ：典型黑垆土样品的n + 岱热释光图谱6 2 图4 0 ：典型黑垆土样品的n + o 热释光图谱6 2 图4 1 ：典型黑垆土样品的2 b 热释光图谱6 2 图4 2 ：典型黑垆土样品的2n 热释光图谱6 2 图4 3 ：样品年龄序列6 4 图4 4 ：典型黑垆土样品的b 辐射响应热释光图谱6 4 图4 5 ：典型黑垆土样品的d 辐射响应热释光图谱6 4 图4 6 ：样品年龄序列圈6 6 图4 7 ：经氢氟酸处理后典型黑垆土样品的自然热释光图谱6 7 图4 8 ：经氢氟酸处理后典型黑垆土样品的b 辐射热释光响应图谱6 7 图4 9 ：黑垆土样品的年龄序列6 9 图5 0 ：未经处理的典型黑垆土样品的自然热释光图7 0 图5 l ：未经处理的典型黑垆土样品的b 辐射热释光响应图谱7 0 图5 2 ：1 2 # 黑垆土的b 辐射响应选频热释光图谱7 1 图5 3 ：1 2 # 黑垆土的b 辐射响应选频光释光图谱7 l 图5 4 ：1 2 # 黑垆土的d 辐射响应选频热释光图谱7 2 图5 5 ：1 2 黑垆土的a 辐射响应选频光释光图谱7 2 图5 6 ：1 3 # 黑垆土的b 辐射响应选频热释光图谱7 2 图5 7 ：1 3 # 黑垆土的b 辐射响应选频光释光图谱7 2 图鹃：1 3 黑垆土的辐射响应选频热释光图谱7 2 图5 9 ：1 3 # 黑垆土的q 辐射响应选频光释光7 2 图6 0 ：黑垆土地层的年龄序列7 3 图6 1 ：贾村塬剖面实图及柱状图7 4 首都师范大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名l 留鸥伶 日期：2d o f 年午月7 f 日 首都师范大学位论文授权使用声明 本人完全了解首都师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学 位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出 版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名：首鹳惨 日期：2 口d g 年牛月j ir 首都师范大学硕j ：论文 摘要 全新世与人类关系密切，人类文明在这一时期获得了迅速的发展和进步，揭示全新世 的气候变化对于认识现阶段地理环境及其发展趋势也有重要的意义。在阐明全新世气候波 动及其区域性差异的研究中，年代是不可缺少的条件。释光测年是上世纪五十年代发展起 来的一种测年方法，具有巨大的发展潜力。 洛川塬是全世界学者公认的黄土标准剖面，对洛川地区黑垆土地层进行系统的高分辨 率的测年，对研究全新世适宜期高分辨率环境演化序列具有全球性意义。释光测年的主要 对象是含有石英、长石等矿物的沉积物，是适合黑垆土地层测年的方法。本文用4 种热释 光测年技术对黑垆土地层的年龄适宜性进行了研究和讨论，证明了用粗粒测年技术对黑垆 土地层进行测年是可行的，并用该技术对洛川的黑垆土地层进行了比较系统的测年工作， 使年龄序列达到了千年尺度的分辨率，实验建立的黑垆土释光年龄序列的初步结果表明， 黑垆土发育的起始年代为l o o o o 年左右，停止发育的年代为3 0 0 0 年左右，前后经历约7 0 0 0 年。黑垆土地层的沉积速率不是均一的。黑垆土地层发育的早期阶段和最强的阶段，地层 的堆积速度比较慢，而在黑垆土地层形成的后期阶段，地层的堆积速度比较快。 此外，对释光测年做了大量基础实验工作，对部分矿物的释光响应特征和释光测年的 方法进行了研究，测定了一些样品的等效剂量和释光年龄，对实验室的辐照系统进行了系 统标定，计算出了实验室辐照源的辐照剂量率。 关键词：洛川 释光测年 一一一塑型竺堑堂塑塑曼型墅壹坌塑垩笙垡室型堕壅 s t u d yo nt h eh i g h r e s 0 1 u t i o ns e q u e n c eo fl u m i n e s c e n c e d a t i n gi nt h eh e i l us o i lo fl u o c h u a n a b s t r a c t ： h 。l 。c e n ei sap e r i o dt h a ti th a dc l o s er e 】a t i o n s h i pw i t hm a n k i n d e n v i r o n m e n t a l e v o l u t i o ni sa ne s s e n t i a lp a r to f ”p a s tg 1 0 b a l c h a n g e s ( p a g e s ) i ti sv e r y i m p o r t a n tt of i n dt h er e g u l a t i o no fh o l o c e n ec l i m a t i cv a r i a t i o n sf o ru n d e r s t a n d i n g c u r r e n tg e o g r a p h i ce n v i r o n m e n ta n di t sd e v e l o p m e n t d e t e r m i n a t i o no ft h ea g eo f c l j m a t i cv a r i a t i o n sa n di t sl o c a l i t yi se s p e c i a l l yi m p o r t a n tm a t t e r l u m i n e s c e n c e d a tin gh a sg r e a tp o t e n t i a l l u o c h u a np l a t e a ui sw e l lk n o w na sa g e o l o g ys e c t i o ni nt h ew o r l d i t i s i m p o r t a n tt oh a v ead e t a i l e da g es e q u e n c eo ft h es t r 8 t u m so fh e i l us o i l 。t h ew o r k i su s e f u lt or e s e a r c ht h eg l o b a le n v i r o n m e n t a le v o l u t i o no fh 0 1 0 c e n e t h em a i n o b j e c t so ft h el u m i n e s c e n c ed a t i n ga r es e d i m e n t sc o n t a i n i n gt h ei l i i n e r a l ss u c ha s f e l d s p a ra n dq u a r t z t h i sw i l lb ed a t i n gt h es a m p l eo fh e i l us o i l t h e r ea r ef o u r t e c h 力i q u e so ft ld a t i n gh a v eb e e 力u s e dj nt h j sp a p e r r e s e a r c ha n dd i s c u s sw h i c h o n eist h eb e s t h a v eb e e nd o n e t h ee x p e r i m e n tp r o v et h a tc o a r s e t e c h n o l o g yis t h eb e t t e rw a yo ft ld a t i n ga n de s t a b l i s h e daa g es e q u e n c eo fh e i l us o i l t h e i n t e r v a lh a sb e e na c h i e v ea tm i l l e n a r y s c a l e t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h e s t r a t u m so fh e i l us o i lo c c u r r e d1 0 0 0 0b pa n df i n i s h e d3 0 0 0b p i t sd e p o s i t i o n r a t ei sn o tu n i f o r m i ne a r l ya n dm a t u r es t a g e st h ed e p o s i t i o nr a t ei ss l o w l yb u t q u ic k l yi n1 a t es t a g e m o r e o v e r ， id i ds o m er e s e a r c hw o r ki nt h e d a t i n gm e t h o da n dt h et l c h a r a c t e r i s t i co fs o m ei n e r a l s a lt h es a m et i m e 。 ih a v ec a l i b r a t e d t h e i r r a d i a t i n gs y s t e mo f0 p t i c a ll u m i n e s c e n c el a b o r a t o r y k e y w o r d ： l u o c h u a nl u m i n e s c e n c e d a t i n g 2 首都师范大学硕上论文 引言 、全新世黄土年代学研究的意义 随着人类活动范围的不断扩大和物质文明的高度发展，人类对生态环境的影响日益突 现出来。在当前二氧化碳倍增的条件下针对全球气候变暖状况的预测才是研究全新世气候 最佳期气候突变时间和短周期现象已成为预测未来人类生存环境演变的重要依据。但目前 对其变化规律、区域性气候变化特征以及短尺度的气候变化等规律与人类活动的关系等还 缺少明确认识。因此建立全新世高分辨率环境演化序列的研究已经成为学术界关注的热点 峨 要认识短尺度环境变化过程和环境事件，进行高分辨率的环境演化研究，必须寻找高 分辨率的古环境记录。中国黄土高原的黄土，自距今约2 4 0 万年来的第四纪初开始堆积， 一直延续至今。因此黄土是连续性最好、蕴藏信息最丰富的第四纪陆相沉积物，它系统而 完整地记录了第四纪东亚季风气候和生态环境演化的全过程，是全球变化研究中不可或缺 的基本记录。科学界把对“深海沉积”“冰芯”“中国黄土高原的黄土”作为记录全 球变化最好的信息载体。堆积在黄土高原表层的1 米至几米厚的全新世黄土地层无疑是认 识一万年来人与自然界关系，以及认识未来环境变化的重要载体“3 。 黑垆土是我国北方暖温带森林草原地带的代表性土壤，其现代平均温度为8 一1 0 度之 间，年平均降水量3 0 0 喝0 0 m ，年蒸发量为1 6 0 0 一2 0 0 0 唧。气候特征为夏季温暖多雨，冬季 寒冷干燥，干湿季节分明，地质历史上气候较为暖湿时期也相应形成该种土壤。黄土高原 上发育于全新世大暖期的黑垆土地层也就成为人们认识和预测未来在全球变暖条件下未 来气候变化趋势的理想研究对象。 对于各种环境变化过程和环境事件，只有将其置于时间标尺之上才有确切的意义，也 _ 才能从中找出规律性的东西。提高环境演化研究的分辨率，要求有高精度的年代数据作为 基础。重建全新世黑垆土中高分辨率的全球变化记录序列，必然涉及全新世黑垆土年代的 序列问题。目前，全球环境变化研究正朝着更深层次、定量化和模式化的方向发展，全新 世地层研究也进入了高分辨率的研究阶段。在利用各种方法提取古环境变化信息的同时， 必须加强对黑垆土地层高分辨率年代指标的研究，只有通过大量准确的年龄数据，人们才 能进一步认识环境演化序列气候突变事件发生的年代和持续时间的，才能展开高分辨率的 分析，研究影响环境演化的动力因子及各因子间相互作用的动力机制，从而为预测未来环 境演化趋势提供基本数据和概念模型，真正解决环境演变的关键问题。 一- 、全新世黄土年代测定的主要方法 3 洛川今新世沉积_ 十壤剖面高分辨率年代序列研究 在诸多的地层年龄测定方法中，能用于全新世黄土测年的方法却非常有限，考古断代、 “c 测年和释光测年是最为常用的方法。 l 、考古断代法是利用历史和考古学证据如历史档案，古人的手稿，古文明的遗址和 工艺品等为确定黄土地层的年龄提供可靠的依据。其所提供的数值年龄准确，常用来订正 其它测年方法的得到的年龄数据，但由于考古证据难以在某一剖面的地层连续发现，不能 用来对地层进行系统测年” 2 、“c 测年法是目前放射性测年中比较精确的一种，该方法适用于测定1 0 0 一5 0 0 0 0ab p 以内的样品，运用“c 测年技术，已经建立了一些晚第四纪的黄土剖面时间序列。黑垆土 发育的时间范围处于“c 测年技术的时间范围内，因而成为目前测定黑垆土地层年龄最广 泛的使用技术。然而位于黄土高原表层的黑垆土地层可由于植物根系垂直穿透几十厘米或 更深，使垂直剖面上产生碳的迁移，有机质的腐殖质酸在地层中也可以上下移动，蠕虫和 啮齿类动物对地层的扰动，以及微生物对地层中有机质的再作用等产生严重的碳污染，可 能使有机碳的“c 年龄与堆积年龄并不一致“1 。有计算表明，1 0 的老碳可使年龄测定值偏 老约8 0 0 年；5 0 的老碳则可使年龄测定值偏老约5 6 0 0 年；3 0 9 6 新碳的混入能使2 万年的 样品测定值仅为8 0 0 0 年。对于只有一万年左右的全新世黑垆土地层来说这种误差显然难 以接受。利用这些物质在一个地层剖面中连续测年可以使环境事件起始的时间的产生很大 的偏离，而不同剖面环境事件的起始时间可能相差很大。利用植物残体的“c 年龄虽较可 靠，但在地层中不是普遍存在，更多的用于地层中一点测年，而不适于高分辨率测年。由 于这些客观因素的影响，“c 技术不适合全新世黑垆土地层的年龄序列的测定工作。 3 、释光测年技术是上世纪五十年代发展起来的一种测年方法，释光测年技术的特点 之一用于测年的样品是含石英、长石等矿物沉积物或焙烧过的矿物质，而这两种矿物在自 然界中普遍存在，其测年下限可达1 0 0 年左右，测年上限在一百万年以内。释光测年适用 于考古样品、风积物、水相沉积物、崩积物、火山熔岩等的年龄测定。释光测年用于黄土 和古土壤是一种较好的测年手段。它是由测定黄土中的石英、长石等矿物质的释光量而进 行年龄的研究。其基本原理是：黄土中的碎屑物质在风化和搬运过程中，都是暴露于地表空 间的，它在太阳光下充分暴露时，使原来接受到的释光信号大部或全部被释放。利用阳光晒 退事件，找到计算时间的起点就能测出年代。释放了释光能量的石英颗粒，沉积后埋入地 下，由丁- 沉积物中的天然放射性元素的蜕变过程中的辐射，产生了新的介稳电子，储存在矿 物晶体中。时代越老，其储量越多。释光测定年代就是利用这种石英晶体中介稳电子的多少 所表现出释光能量的多少来、狈5 定的“1 。黄土作为一种风积物石英、长石含量高达9 0 以上， 4 首都师范大学硕士论文 其热释光灵敏度最高，是热释光测年最主要的材料，并且黄土具有曝光时间长、均质性好等 优点。黄土中放射性物质亦是地球上的铀、钍、钾和铷四种放射性同位素祖核及其各自的 放射性子核，所提供的辐射剂量是一个常数【6 l 。因此，黄土完全适合释光测年的条件。用 这种方法对黄土进行测年效果好、精度高，年代数据真实可信，是目前测定黄土年龄最成功 的技术之一。我国研究者曾从不同角度出发进行过黄土的热释光测年，并取得了重要进展， 特别是在二十万年来高分辨率的黄土年龄序列的建立方面曾是无可替代的测年手段。李虎 侯在洛川剖面的热释光测年工作，首次建立了一个完整的马兰黄土热释光年龄序列 w ，此 后又陆续建立了北庄村【8 l 和临夏 9 】等几个晚第四纪黄土剖面的时间序列。黑垆土中的主要 矿物仍然是风积黄土中的石英、长石，在测年方法和材料都比较适合释光测年，不存在h c 那样的根本缺陷，测年龄数据的可信度比“c 高的多，目前用释光法测定黑垆土地层年龄 的还很少，具有代表性的主要有香港大学同位素实验室和安芷生、刘嘉麒等所测定的黑垆 土地层年代测定的几个年龄数据“”( 见下表) 表1 t 熏垆土地层的年龄 地点层位深度( m )年龄 西安刘家坡上层黑垆土 1 0 0 1 1 01 2 2 1 3 k a 洛川秦家寨 底面以下1 4 0 一1 5 01 0 4 1 o k a 定边乔瓜 0 7 5 0 8 0 9 0 o 7 k a 表2 安芷生、刘嘉麒等所渭定的燕垆土地层年代 地点 深度( m ) 层位 年龄( 年) 出处 巴谢 7 9 上层黑垆土底面上 9 9 5 0 5 8 0a n z s e t 9 8 弱成壤层底面上 1 l 0 0 0 8 2 0a 1 渭南 1 5 5 上层黑垆土底面1 1 7 4 0 3 2 8 0刘嘉麒等 以下o 1 2 米处 年龄数据虽然不多，但意义很大。从图表中我们可以看到几个剖面全新世黑垆土发育 的厚度不同，其下层面的深度也不同，但三个剖面的年龄都在一万年左右，由此可见黑垆 上的释光年龄数据还是准确可靠的。以此判断采用释光测年法测定黑垆土地层的年龄也会 得到比较可靠的年龄结果。因而从目前的技术发展水平来看， 释光测年仍然是最适合黑 垆土地层测年的方法之一。 三、研究内容 1 、主要通过热释光测年实验，建立一个完整的高分辨率的洛川黑垆土剖面的热释光 s 洛川全新世沉积土壤剖面高分辨率年代序列研究 年龄序列； 2 、通过几种热释光测年方法的对比实验，进行黑垆土地层释光测年方法上的探讨； 3 、研究了解洛川黑垆土中矿物的特征光释光圈谱。 四、研究经历 本文从国际、国内目前的释光测年研究现状出发，借助首都师范大学光断代实验室的 设备和条件，开展研究。 l 、系统标定首都师范大学光断代实验室辐照系统； 2 、查阅大量资料、文献，掌握本学科的进展，确定研究课题； 3 、野外考察工作两周，完整采集了一个黑垆土剖面。自上而下采集1 5 个黑垆土样 品，1 3 个陶片样品做热释光测年实验： 4 、用中子活化法测定1 6 个黑垆土样品和1 3 个陶片样品的u 、t h 、k 含量 5 、测定1 5 个黑垆土样品的含水率； 6 、用4 种方法测定黑垆土和陶片样品的热释光等效剂量值； 7 、测定1 6 个西藏样品的热释光等效剂量值； 8 、测定5 个红土样品的释光年龄； 9 、测定4 个故宫博物院提供的古陶瓷样品的热释光等效剂量值： jo 、测定石英3 7 5 煞释光峰灵敏度的变化； 1 1 、测定两种杂质含量不同的氧化铝热释光响应特性； 1 2 、测定一种钾长石的释光响应特性； 1 3 、进行黑垆土样品的选频释光特性研究。 第一章释光测年简介 一、释光的概念 结晶固体在它的形成和存在过程中，因杂质的存在，来自环境中的电离辐射对晶体带 来辐射损伤，造成晶体结构的缺陷。缺陷在晶体中出现，使晶体中的电荷平衡遭到破坏， 游离电子就在晶体中生成，这类游离电子就是储能电子。存在于晶体中的这些储能电子一 经外部能量的激发，新的不平衡便会产生。释光就是矿物晶体受环境电离辐射作用而积蓄 起来的能量，再次受到外部能量( 热或光) 的激发时，以光子的形式来释放能量的一种 物理现象。受热激发的释光称为热释光( t h e r m o l u m i n e s c e n c e ，简写t l ) ，受光激发的释光 称为光释光( o p t i c a li 。u m i n e s c e n c e ，简写o l ；或( 】p t i c a l l ys t i 叫1 a t e d1 u m i n e s c e n c e ， 简写o s l ) “。 6 首都师范大学硕上论文 二、释光测年的原理 结晶固体的释光( 磷光) 现象被用来作为测定年龄的技术，已经有4 0 多年的历史了。从 z i m m e r m a n 用它测定出了陶片的烧制年龄后， 广泛应用于考古学、人类学、地质学等领域。 随着方法的完善和大批年龄数据的出现，被 释光年代就是矿物自上次热事件或曝光事件 后埋藏至今所经历的时间。当陶器或燧石被烧制时，或沉积物在沉积前暴露在阳光下时， 其释光信号被去除，即释光时钟回零。当其被埋藏后受电离辐射的影响，孔或o s l 信号 重新聚集( 图1 1 ) 。结晶矿物的释光信号强度与该矿物沉积后所接受的辐射剂量成正比， 辐射剂量又与时间成正比。在一定条件下矿物接受辐射的时间愈长，其释光信号就愈强， 这是释光测年的基础。 沉积时刻 卖验室测定时刻 图1 ：释光潮年的原理【1 2 l 矿物在自然界中所接受的放射性能量主要来自铀、钍和钾等放射性元素，因而释光测年包 括两方面的测量：一是测量埋藏阶段样品累积的释光信号总量( n ) ；二是测量埋藏环境的 放射性能量强度，即单位时间内所能产生的释光信号( b ) 。于是，年代的计算由下式表示： 扣旦或f ：丝 d 。d ， 其中t 样品的年龄； n 结晶固体中积存的热释光或光释光总量； e 卜等效剂量，即产生相当于样品天然释光信号水平所需的实验 室剂量； d ，各类辐射在晶体中每年所产生的辐射剂量总和。 释光测年是利用结晶固体的释光特性和放射性核素的衰变具有时间性及辐射的特性， 洛川伞新世沉积土壤剖面高分辨率年代序列研究 并把它们之间的关系联系起来。因此，利用释光测定年龄的基础应当具备三个方面的理论 依据： ( 1 ) 具有良好释光特征的结晶固体。它对于研究对象有确切的代表性，它积累辐射能 量的起点是确定的。已经有人研究过的这类结晶固体有石英、长石、磷灰石、方解石、氟 石等。 ( 2 ) 结晶固体所处周围环境的放射性物质的含量在所要测定的年龄期间除了自身的衰 变之外恒定不变。所有放射性物质放出的核辐射每年对于结晶固体所提供的辐射剂量是 个常数。因为测定年龄的时计就是根据放射性核素进行衰变时原子核的变化只与核素的寿 命有关而与外界条件无关，因此，被选作时计用的放射性核素必须严格按照自己固有的衰 变规律随着时间的推移而减弱。在释光测年中所选用的放射性是自然存在的放射性物质， 由地球上的钻、钍、钾和铷四种化学元素各自的一个或两个放射性同位素祖核及其各自的 放射性子核来提供辐射。 ( 3 ) 结晶固体贮存的全部能量都是由恒定的辐射场在所测年龄的时域内提供的。也就 是要保证测出的年龄就是结晶固体接受辐射能量的起、迄时刻的时闻间隔，这里最重要的 是要确定结晶固体在起始的时刻晶格中没有贮存来自天然辐射的能量；或者在此时刻以前 晶体中贮存的能量已经全部释放完毕。 有了这三方面的根据，就可以通过公式来计算绝对年代： 释光年代= 否夏毒裂笔蓦妻害窿墓蓦筹 根据这一原理，释光断代测定的一个样品最近一次受热( 或光) 事件以来所经历的时 间，受热事件使样品的释光信号全部释放。这个受热事件也被称为退火事件，即相当于计 时的起点。释放了热释光能量的石英颗粒，沉积后埋入地下，由于沉积物中的天然放射性 元素的蜕变，产生了新的介稳电子，储存在矿物晶体中；历时越长，其储量越多。在测年 前，必须要了解清楚被测矿物所受到的最近一热事件或类似的热事件，否则不具备测年的 基本条件。因此适用于释光测年的对象主要有地层中的火山喷出物、熔岩流之下豹烘烤层、 陨壳、烧制过的陶器、砖瓦等；古人类遗址中的灰烬层；洞穴中的石笋和钟乳石“。 三、释光测年的研究简史 磷光体是一种能储存辐射能量的结晶固体。磷光现象是熟知已久，而又普遍存在的自 然现象，在自然界的3 0 0 0 多种结晶矿物中，2 3 都可以发射出磷光来。1 6 6 3 年r o b e r tb o y l e 8 首都师范大学硕士论文 发现金刚石在黑暗中受热后发光，这是最早的热释光记载“”。1 6 7 6 年，0 1 d o n b u r g 观察到 萤石也有类似的效应“。以后的3 0 0 年中，陆续有人报道了各种矿物加热时发光的现象。 当时大家只知道热释光是光照或天然辐照产生的，对其过程尚不明白。为了和萤光区别，称 它为磷光，并把具有这种特性的物体称为“磷光体州蚓。磷光体能够储存辐射能量的性质， 使它成为辐射能量的记录计而引起人们的注意。二次世界大战结束后，从广岛的废墟中采 集的瓦片、陶罐、食盐等诸多的固体物质都有发射磷光的能力，加热后，它们发出的光子 数目远比其他未经核爆炸地区取来的同类物质要多得多。进一步的研究证明：这些物质的 热释光量与它们所在的位置有关，距离爆心愈远，热释光量愈弱；反之热释光量则愈强。 人们很自然就想到用这类物质作为一种可以度量接收辐射量的剂量计。开始时，使用的热 释光剂量计都是采用天然的结晶体。以后，为了提高晶体对辐射的热释光灵敏度，又有人 工合成的晶体、掺杂的晶体作为热释光剂量计。可以做成各种形态、随时、随地安放，对 各种不同类型的辐射进行记录，取代了原有的辐射探测设备，既简单、又方便，特别是对 核爆炸现场的辐射剂量分布，结果清晰可见。对于分散在各地的辐射源的剂量监督、对各 种从事与辐射有关的工作入员的剂量监督，热释光辐射剂量计都是必不可少的。既然磷光 体可以用作测量辐射的热释光剂量计，那么，存在于自然界的磷光体就可以记录自然界的 辐射剂量。自然环境中所存在的辐射剂量，在正常的情况下，一定地区的辐射剂量都是恒 定的。因为，它取决于该地区环境中天然放射性物质的含量。那么，处在该环境中的磷光 体每年从环境中接受的辐射剂量也应该是恒定不变的。因此，这些磷光体便自然地成为在 该环境中存在的时计。 由于固体物理和核技术的发展，特别是光电倍增管作为高灵敏度的光探测器的应用， t l 技术才应用到地质学中。用某些矿物和陶器样品贮藏的热释光来计算它们最后一次加热 以来所经过的时间是2 0 世纪5 0 年代开始的。首先提出地质和考古年代测定设想的是 d a n i e l s 等人( 1 9 5 3 ) 。虽然这期间作了大量的t l 测年研究工作，但因为没有认识到光对 矿物信号的晒退作用，样品是在不避光的条件下进行处理和测试的，所测地质体的年龄普 遍偏低。 1 9 6 0 年伯尔尼大学的g r o g l e r ，h o u t e r 眦n s 和s t a u f f e r ( 1 9 6 0 ) 、加里福尼亚火学的 k e n n e d y 和k n o p f f 第一次探测了古陶器发射的热释光“。6 0 年代早期发表的热释光测定 年代的文章，主要强调这项技术的潜力，同时也报道了一些原来想象不到的复杂情况”“。 世界上大多数热释光实验室到1 9 6 6 年才进行考古和地质年代测定。6 0 年代，牛滓大学考 古研究室的a i t k e n ，f 1 e m i n g 和z i m e r m a n ，京都大学的i c h i k a w a ，威斯康星大学的m a z e s s ， 9 洛川全新世沉积上壤削面高分辨率年代序列研究 费城大学的r a l p h 和丹麦的m e j d a h l 等人对热释光测定年代进行了系统和深入的研究，为 热释光测定陶瓷年代奠定了基础“”列。热释光的现象早于热释光的理论，甚至热释光现象 的应用也早于热释光本身的理论。牛津大学的m j a i t k e n 注意到热释光断代技术是一种 独立的测年技术，拟制定一项计划，建立起热释光断代的设备，帮助他建立英国磁断代法 的参考曲线。1 9 6 7 年d w z i m m e r m n a n 建立了一套细粒的热释光断代技术( a r o h a e o m e t r y ， 1 9 6 7 ) 用于陶片年龄测定。至此，主要是建立了一套方法和技术路线，没有更深入的考虑 热释光理论。j t r a n d a l l 和h f w il k i n s 采用陷阱的形象来描述热释光现象( 图1 4 ) 。 圈2 ：固体的能带圈 陷阱f 可捕获从价带v 激发出来的电子，然后受热激发又进入导带c ，f 陷阱通常是 空的。俘获的电子在受热激发后进入导带，然后跃迁到d 而放出光子。 7 0 年代丌始，g o k s a 等人( 1 9 7 4 ) 用热释光方法测定被古人烧过的燧石、石块和石笋方 解石的年代1 ，这就把热释光测定年龄的范围延伸到“c 方法不能胜任的旧石器时代的早 期。1 9 7 3 年，w i n t l e 等对火山熔岩进行了t l 年龄测定【2 ”。热释光方法还可以用来解释陨 石和月岩的历史情况哺州。 将热释光技术扩展到各种沉积物测定年代最早由前苏联的m o r o z o v 等人( 1 9 6 8 ) 提出； 风和水形成的沉积物能够用于测定年代，关键是热释光时钟的“置零”问题“。对风积物 来说，主要是阳光的“晒退作用”，最早提出这个问题的是w i n t l e 和h u n t l e y 嘲1 。她们 在进行光晒退试验时，同时认识到了热释光的光晒退作用，认为热释光测定沉积物年龄是 可能的。随后，s i n g h v 等、p r e s c o t t 和李虎侯进行的光晒退研究都得到了同样的结果。1 。叫。 光晒退的发现。对热释光技术应用于第四纪沉积物的年龄测定是一个重要突破。在所有这 些应用中，年代测定的上限均为一百万年以内，这主要由这些样品本身的特性所决定。 这一阶段最主要的进展是，认识到了t l 测定年代应在暗室里进行，并建立了陶器t l 贝1 1 年的方法和技术，进行了沉积物t l 测年方法的研究。 四、释光的研究与发展 光释光测年是在热释光测年研究基础上发展起来的第四纪沉积物测年技术。w i n t l e 和 1 0 首都师范大学硕士论文 h u n t l e y ( 1 9 8 2 ) 在讨论搬运和沉积过程中碎屑矿物t l 信号的晒退机制时，就曾设想矿物晶 体中存在光敏陷阱( 曲ts e n s n i v et r a p ) 和非光敏陷阱( 1 i g h tn o n s e n s i t i v et r a p ) “3 。 h u n t l e y 等( 1 9 8 5 ) 首次提出这种测年技术1 。1 9 8 7 年在英国剑桥举行的第5 次国际热释 光( t l ) 与电子自旋共振( e s r ) 测年学术讨论会上设了光释光测年专题，1 9 9 6 年在澳大 利亚堪培拉举行的第8 次释光与电子自旋共振测年学术讨论会上，约6 0 文章有关光释光 测年技术。 光释光技术的提出，对测定阳光晒退的沉积物( 如风成黄土) 的年代是一个新的突破。 随后，h u t t 等( 1 9 8 8 ) 用红外光束( 8 6 0 n m ，9 3 0 n m ) 激发钾长石时，获得了稳定的光释光信号， 提出了红外光测年技术( i r s l ) 。之后，有采用绿色二极管、兰色二极管为激发光源，来 研究石英和长石的光释光呻删。 9 0 年代以前，光释光的研究主要是采用多片技术，1 9 8 9 年，g r u n 等提出了单颗粒钾 长石的i r s l 测年，1 9 9 1 年d u l l e r 提出了光释光测年的单片技术汹1 。随后，许多学者对此 进行了大量研究，并取得了很大的进展陋“。 1 9 9 6 年，b u l u r 提出了一种新的测量0 s l 的技术，即线性调整技术( 简写l m ) ，其方法 是在计数过程中，从零到最大增加激发光的强度。与传统的o s l 所不同的是l m 给出的释 光曲线存在有峰。目前，线性调整技术技术和单片技术还处在进一步完善阶段。最近，李 虎侯教授又提出了选频光释光技术“，用光来分选矿物，大大提高了光释光测定年龄的可 信度。 五、释光测年设备 1 、热释光测年设备 主要由热释光仪和辐照源组成。每次测量所得热释光升温曲线图象和数据，除直接读 数记录以外，另有数据导入系统，将数据送入读出系统，由计算机处理全部数据。如图3 所示。 洛川争新世沉积十壤剖面高分辨牢年代序列研究 图3 ：热释光仪方块图“” 2 、光释光测年设备 由一套光予测量系统加一个光源和暗室组成。同时，准确校准过的辐照源 和年剂量率测定仪器也必不可少。它的几个主要部件如图1 - 7 所示。有关光释光的测年设 备，在很多文章中都有详细介绍( 如h u n t l e y ，1 9 8 5 ；g o d f r e y s m i t h ，1 9 8 8 ，1 9 9 1 ； b o t t e r j e n s e n ，1 9 9 2 ，1 9 9 4 ，1 9 9 7 等) 。 图4 ；光释光测年系统1 3 、选频光释光谱仪 地质样品中的矿物成分较复杂，这会使释光光谱变得更加复杂，用释光技术测定地质 样品的年龄，可能会影响释光测年可靠性和精确度。但使用常规的矿物分离手段，很难将 首都师范大学硕士论文 这些矿物分开。然而释光技术的最新发展给这个问题的解决带来了希望。最近，李虎侯教 授成功研制一台b g 2 0 0 3 选频释光断代仪，并投入使用。该释光谱仪是一台集热释光和光 释光于一体的通用释光谱仪，它的部件包括具有1 2 个单色光子探头的探测器，一个包括 放大和控制电路工作箱，一台自编程和操作软件的计算机，备有多种不同波长、不同频率 的激光光源，加上干涉滤光片的配置。b g 2 0 0 3 释光谱仪的特点是：第一，光、热释光兼用， 即同时可以观察同一个样品的光释光和热释光，也就是说，同样的矿物，在这台仪器上既 可以看到它的热释光特征，又可以看到它的光释光特征；第二，单能激发，激发光源的能 量和光的强度可供选择的：第三，释光光子的接收是按其发射频率分别记录的，探测器 对其所探测的光子频率的分辨率为2 n m ，波长范围在2 8 0 5 5 0 衄之间。 释光光予探澳i 器设计成一个半径为1 5 0 n m 球面柱体，1 2 个光子探头均匀分布在球面上， 接收来自样品中各种不同波长的释光光子。释光光予探头则由g d b 一2 8 型光电倍增管配以 i i 茸置放大电路，干涉滤光片置于光电倍增管前端，设有调节装置，可以根据需要进行置换。 球的顶上开有入射光孔，通常处于密闭状态。当激光柬进入时，自动开启球心就是放置 样品的位置，样品放在加热盘上。 干涉滤光片是根据要求特地研制的，对设定的波长在士2 n m 的范围内选择性地接收释 光光子，对其所能接收的特定波长光子的透过率为2 0 _ 4 0 。激发光源安装在操作台的正 前方光源输出