釋光測年（Optical Dating）是以晶體礦物的電離輻射損傷效應為基礎的一種測年方法。
基本介紹
- 中文名：釋光測年
- 外文名：Optical Dating
- 釋義：以晶體礦物的電離輻射損傷效應為基礎的一種測年方法
- 所屬學科：礦業
晶體礦物，如石英和長石，受到圍岩或沉積物中U，Th，40K，Rb等放射性元素衰變及宇宙射線的輻照時，晶格所吸收的能量部分以受激被俘獲電子的形式積累於其能帶結構中的亞穩態能級(常被稱為電子陷阱)中。這些被俘獲電子在陷阱中的壽命由Arrhenius方程決定。經長時間輻照後，晶格中俘獲電子的數量將決定於陷阱電子的俘獲速率，輻照時間，陷阱電子的熱穩定性。若在環境溫度下，陷阱電子壽命超過樣品的期待年齡10倍以上，那么在該時間尺度上可以忽略陷阱電子的逃逸。在熱激發或光激發(紅外，可見光或紫外)的條件下，這些儲能陷阱電子將擺脫陷阱束縛，與晶格中發光中心附近的帶正電的空穴複合，以發光或聲子的方式釋放能量，這種發光即被稱為熱釋光(Thermoluminescence, TL)或光釋光(Optically Stimulated Luminescence, OSL)。
根據激發光源的不同，光釋光測年可分為紅外釋光(Infrared stimulated luminescence，簡稱IRSL)測年(用近紅外線束激發晶體中儲存的電離輻射能使其以光的形式釋放出來，用於長石測年)、綠光釋光(Green light stimulated luminescence, GLSL)測年(用514nm的綠光束來激發樣品，用於石英和長石測年)、藍光釋光(Blue light stimulated luminescence, BLSL)測年(用470nm的藍光束來激發樣品，用於石英和長石測年)和紅外-藍光雙激發釋光(Post-infrared Optically Stimulated Luminescence,[POST-IR]OSL)測年(先用近紅外線束激發後，再用藍光束來激發樣品，用於細顆粒混合礦物測年)等技術。根據所用測片的多少釋光測年又可分為單片(Single aliquot)和多片(Multiple aliquots)技術，最近又出現了單顆粒(Single grain)技術。
釋光法測年原理（價帶模型）
如上所述，若陷阱儲能電子逃逸可忽略，結晶礦物釋光信號強度與該礦物(經過光曬退或高溫焙燒過)埋藏後接受的輻照劑量密切相關。通過實驗室輻照已知釋光信號強度間的定量關係。基於該定量關係，可以根據經歷了樣品的天然釋光信號強度反算樣品在自然埋藏中接受的輻照劑量，即等效劑量（ED）。等效劑量(ED)又稱古劑量(P)，即被測樣品產生天然積存釋光所需要的輻射劑量(單位Gy)。
由於半衰期非常長，在百萬年的時間尺度上，環境中U,Th和40K等核素濃度可認為恆定。通過實驗室測量相應核素的濃度，可得到這些核素單位時間所提供的輻射劑量，稱為劑量率(D，單位mGy/a或Gy/ka)。
年齡(A)=等效劑量(ED)/劑量率(D)
（其中等效劑量(ED)又稱古劑量(P)，是樣品產生天然積存釋光所需要的輻射劑量，即被測樣品產生天然積存釋光所需要的輻射劑量(單位Gy)，可通過礦物釋光信號的強度及其對核輻射劑量回響程度的實驗測量來確定。環境劑量率又稱年劑量(D，單位mGy/a或Gy/ka)是被測礦物單位時間內吸收周圍環境中238U、232Th及它們的衰變子體和40K產生的α、β和γ輻射劑量，以及宇宙射線提供的少量輻射劑量。）
樣品的釋光年齡可通過上式確定。用於釋光測年的礦物必須滿足以下3個基本條件：
①被測礦物在沉積埋藏時已被充分曝光或高溫焙燒過；
②被測礦物的釋光信號具有很好的熱穩定性，即在常溫下不發生衰減；
③被測礦物被埋藏後處於恆定的環境輻射場中，其接受的環境劑量率為常數。
測年範圍
凡經過高溫焙燒過的或陽光(自然光)充分曬退過的含有石英或長石等礦物的埋藏地質體和考古樣品都可作釋光測年，例如黃土、沙丘砂、古陶片、快速隆升的基岩等。鑒於石英的釋光信號易飽和，長石的信號可能發生不規則衰退，一般釋光測年只適用於＜10 —15萬年的樣品，在低環境劑量率情況下，可測上限可達幾十萬年。
採樣要求
釋光樣品須滿足埋藏前信號回零且處於恆定輻射場中的條件，因此採樣時一定要注意影響這2個條件相關因素。
對於沉積物樣品：
1． 根據測年目的來選定取樣層位或地質體。如確定一地質事件，最好在剖面上採集具上下時序的3個以上樣品，以減少測定一個孤立樣品時可能產生的不確定性。
2． 採樣層位應選擇岩性均勻、沉積埋藏前已充分曝光的、厚度大於20-30厘米的風積層、沖積層、湖積物和海積層中的粉-細砂、粘土質粉-細砂或粘土，條件不允許時也可選擇沖、洪積物中的粉-細砂、粘土質粉-細砂或粘土透鏡體，以及坡積層理較清晰的粉-細砂、粘土質粉-細砂或粘土坡積物。
3． 採樣前應清除地表或邊坡、陡坎40-50厘米深的表層土，即應挖進40-50厘米後才可採樣。
4． 等效劑量樣品需約300克，採樣須避光。根據樣品沉積結構最好選擇不同取樣方式，對於鬆散沉積物樣品，一般採用尺寸長20cm 直徑5-6cm的鋼管打進採樣層位，使樣品充滿容器，兩連線埠用錫紙等不透光材料封住後用寬膠帶封存，也可在遮光布下取樣後避光包裝密封；對於固結樣品，最好能採集6×6×6 cm3塊狀樣品，在野外用錫紙等不透光材料包裝後用塑膠袋密封。環境劑量率樣品根據樣品半徑30cm範圍內岩性是否均一，採用不同取樣方式和取樣量。如果岩性不均一，最好採用野外攜帶型gamma譜儀與室內元素分析或者高純鍺gamma譜儀相結合的方式進行測量，一般需要乾樣品量400-500g；如果岩性均一性較好，採用實驗室元素分析方法，等效劑量樣品去除的部分即可用於環境劑量測量，不需要單獨採集環境劑量率樣品。
5． 對於鑽孔岩芯樣品，可採集長6-15 cm的整體塊狀圓岩芯或半岩芯，在野外用錫紙等不透光材料包裝後用塑膠袋密封。
對於古陶片、古磚瓦等考古樣品：
採集沉積層中的古陶片、古磚瓦等考古樣品時，必須同時採集一些測試對象周圍的土樣，以供測定樣品環境劑量率用。最好在半徑為30 cm的範圍內採集同一時代的古陶片、古磚瓦碎片3-6塊作為平行樣品，以減少測定一個孤立樣品時可能產生的不確定性。這些平行樣品最好具不同類型的結構，如粗陶、希陶、泥質陶、夾砂陶、黑陶和紅陶等。每塊碎片厚度應超過7 mm，長、寬(或直徑)超過30 mm，尺寸大的更好，以保證樣品內部beta劑量的完整。
此外，應注意：含水狀態對計算環境劑量率及年齡有較大影響，採集的樣品儘可能維持原狀，密封包裝，以減少水分丟失。同時應記錄所采層位與地下水位的關係(位於地下水位之上還是之下)。
送樣時，應附上送樣單（見附屬檔案1），包括(1) 樣品野外編號；(2) 取樣地點；(3) 記錄樣品產出的地理坐標(經、緯度)及海拔高度；(4) 樣品名稱及類型；(5)樣品性狀；(6) 樣品包裝；(7) 樣品周圍環境(半徑30cm內)岩性是否均勻、是否受放射性污染；(8) 樣品埋深(距地表)及與當地地下水位的關係；(9) 樣品所在層位和地層剖面或柱狀圖，採樣點地層岩性、沉積相及構造位置；(10) 樣品測年意義及估計年代等。
實驗室配備儀器：
Risø（丹麥） TL/OSL-DA-20型測量儀，美國 Daybreak 583厚源alpha計數儀、Franz磁選儀、TAS-990原子吸收分光光度計、SOL2 模擬太陽燈、六聯磁力攪拌器、電子天平、除濕機、純水裝置、超音波清洗器等
