石英熱釋光年代測定中測量條件優(yōu)化研究

王 猛，谷 懿，盧 恒，王 浩，孫 坤

(成都理工大學(xué) 四川省地學(xué)核技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

因石英325 ℃熱釋光信號易被光曬退，長期以來人們均利用石英的375 ℃熱釋光峰進(jìn)行熱釋光年代測定[1-6]。但在實(shí)際應(yīng)用中，基于單片再生劑量(SAR)法[7]的石英375 ℃熱釋光峰年代測定存在地質(zhì)樣品年代估計(jì)異常的問題，造成年代估計(jì)異常的原因可分為自然因素(外界因素)和石英熱釋光特性的影響。自然因素是樣品在自然條件下曬退不完全，樣品中石英的殘余劑量導(dǎo)致年代高估[8]，文獻(xiàn)[9]對此因素展開研究，并較為詳盡地提出了石英的殘余劑量測量方法。石英熱釋光特性的影響是在測量過程中未充分考慮石英熱釋光特性在測量過程中的變化(熱釋光峰位變化和熱釋光靈敏度變化)，這是導(dǎo)致樣品年代估計(jì)異常的另一主要原因。

本文主要針對石英375 ℃熱釋光峰年代測定過程中因測量參數(shù)設(shè)置不合理導(dǎo)致的年代估計(jì)異常展開研究。通過分析石英的熱釋光峰位在不同預(yù)熱溫度下的變化情況和石英熱釋光靈敏度變化在不同試驗(yàn)劑量下的校正結(jié)果，優(yōu)化石英熱釋光測量流程和測量參數(shù)，降低石英熱釋光年代測量中等效劑量的偏差，提高熱釋光年代測定的準(zhǔn)確度。

1 熱釋光測量中石英特性對年代估計(jì)的影響

1.1 石英熱釋光峰位的變化特性

進(jìn)行SAR法熱釋光年代測定時(shí)，石英測片需完成由低到高的再生劑量輻照和熱釋光測量，不同再生劑量的熱釋光峰位在相同預(yù)熱條件下會發(fā)生偏移。圖1a為90Sr/90Y β源對同一石英測片分別輻照250、500、600、1 000、1 500、2 000 Gy再生劑量后的熱釋光發(fā)光曲線，可看出，隨劑量增加石英測片熱釋光峰位向低溫方向移動。造成這種現(xiàn)象的原因是：石英325 ℃和375 ℃熱釋光峰在熱釋光曲線上為一合峰，隨再生劑量的增大，325 ℃熱釋光信號強(qiáng)度增加顯著，但在熱釋光測量的預(yù)熱過程中并未將其完全清除。最終，在統(tǒng)計(jì)石英測片(375±25) ℃溫度范圍內(nèi)的熱釋光計(jì)數(shù)時(shí)，部分325 ℃熱釋光殘余信號一并被統(tǒng)計(jì)，增加了再生劑量的375 ℃熱釋光信號強(qiáng)度，使石英測片天然熱釋光信號的等效劑量被過低估計(jì)(圖1b)。

1.2 石英熱釋光靈敏度變化

使用SAR法測量時(shí)，需對同一石英測片反復(fù)輻照和熱釋光后得到生長曲線，而石英晶體在經(jīng)過多次熱釋光后，其自身的熱釋光靈敏度將發(fā)生變化。圖2a為使用90Sr/90Y β源對同一石英測片多次輻照相同再生劑量并測量的熱釋光曲線，可看出，石英測片熱釋光靈敏度隨熱釋光次數(shù)的增加整體呈下降趨勢，10次重復(fù)熱釋光信號強(qiáng)度降低22.22%。石英測片的熱釋光靈敏度下降是由于多次熱釋光后發(fā)光中心損失所造成的[10-11]，最終，實(shí)際SAR生長曲線斜率降低，石英測片天然熱釋光信號的等效劑量被過高估計(jì)(圖2b)。

圖1 石英測片在不同再生劑量下的熱釋光生長曲線(a)和理論、實(shí)際熱釋光生長曲線(b)

圖2 石英測片多次輻照相同再生劑量的熱釋光生長曲線(a)和SAR生長曲線(b)

2 石英熱釋光測量條件的測定方法

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器與樣品制備

熱釋光測量儀器為丹麥Ris?實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)的Ris? TL/OSL-DA-20熱釋光/光釋光兩用儀，該儀器自帶241Am α源、90Sr/90Y β源，可為測量樣品提供實(shí)驗(yàn)所需的輻照劑量，儀器加熱溫度范圍為0～700 ℃，能滿足熱釋光/光釋光測量要求，儀器同時(shí)配有IR/Blue LED激發(fā)光源，可用于石英樣品的純度檢測。

根據(jù)石英熱釋光年代測量所選取的常規(guī)石英粒徑[12-13]，選取粒徑38～63 μm的石英晶體作為測量對象，地質(zhì)樣品取自青海柴達(dá)木盆地北緣大柴旦剖面，且該樣品屬于風(fēng)成沉積樣品，地質(zhì)樣品經(jīng)過前期預(yù)處理后按照粒徑要求進(jìn)行篩選。樣品篩選完成后，制備石英測片，并抽取3個石英測片進(jìn)行紅外檢測，樣品的紅外激發(fā)信號(IRSL)與藍(lán)光激發(fā)信號(OSL)的比值均小于0.1[14]，滿足石英測片純度要求。隨后對石英測片進(jìn)行退火處理，將石英晶體中原有的劑量信息清除，排除原有劑量信息對后續(xù)實(shí)驗(yàn)的影響。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

1) 石英熱釋光峰在不同預(yù)熱溫度下的變化測定實(shí)驗(yàn)

對石英測片輻照同一再生劑量(儀器自帶的90Sr/90Y β源，劑量率為0.1 Gy/s)，每次輻照后改變石英熱釋光的預(yù)熱條件，并進(jìn)行熱釋光測量，石英熱釋光的起始預(yù)熱條件為250 ℃、5 ℃/s、20 s，預(yù)熱溫度每次增加10 ℃至340 ℃，其他預(yù)熱條件不變，記錄石英測片熱釋光曲線。考慮年代測定范圍，設(shè)置100、300、600、1 000 Gy共4個再生劑量在不同預(yù)熱條件下的石英熱釋光曲線測定。

2) 石英熱釋光靈敏度變化校正實(shí)驗(yàn)

對每次劑量(天然劑量、再生劑量)測量的375 ℃熱釋光信號強(qiáng)度進(jìn)行相同的試驗(yàn)劑量標(biāo)準(zhǔn)化，因相鄰兩次測量的熱釋光靈敏度變化可忽略，則標(biāo)準(zhǔn)化后的結(jié)果將不受石英熱釋光靈敏度降低的影響。石英熱釋光靈敏度變化校正實(shí)驗(yàn)采用4組石英測片，每組含4個石英測片，4組石英測片分別輻照100、300、600、1 000 Gy再生劑量，且熱釋光計(jì)數(shù)記為L；每個再生劑量組的4個石英測片分別設(shè)置4個試驗(yàn)劑量(50、100、200、300 Gy)，且熱釋光計(jì)數(shù)記為T。16個石英測片按表1所列的實(shí)驗(yàn)步驟完成不同再生劑量、不同試驗(yàn)劑量的10次重復(fù)測量，記錄單次循環(huán)中再生劑量熱釋光計(jì)數(shù)L和試驗(yàn)劑量熱釋光計(jì)數(shù)T的比值L/T。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)中石英熱釋光測量預(yù)熱條件依據(jù)石英熱釋光峰在不同預(yù)熱溫度下的變化測定實(shí)驗(yàn)所得到的最優(yōu)預(yù)熱條件進(jìn)行設(shè)置。

表1 石英熱釋光靈敏度校正的實(shí)驗(yàn)步驟

3 結(jié)果與分析

3.1 不同預(yù)熱溫度下熱釋光峰變化測定的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

石英熱釋光峰在不同預(yù)熱溫度下的測量結(jié)果表明：當(dāng)再生劑量為100 Gy時(shí)，石英375 ℃熱釋光峰在250～320 ℃的預(yù)熱溫度范圍內(nèi)偏移均小于5 ℃，但石英熱釋光峰的計(jì)數(shù)損失率隨預(yù)熱溫度的升高而不斷增加(圖3a)；當(dāng)再生劑量為300、600和1 000 Gy時(shí)，石英375 ℃熱釋光峰整體偏移較大(最大偏移達(dá)40 ℃)，且相同預(yù)熱溫度下劑量越大偏移越大(圖3b)，該測量結(jié)果也證明了325 ℃熱釋光峰隨再生劑量增加，對石英375 ℃熱釋光峰干擾增強(qiáng)的說法。此外，隨預(yù)熱溫度的增加，石英375 ℃熱釋光峰偏移量能較好地修正，但石英熱釋光峰的計(jì)數(shù)損失率與預(yù)熱溫度呈正比關(guān)系。

依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在實(shí)際地質(zhì)樣品測量過程中，應(yīng)先根據(jù)地質(zhì)資料對樣品年代進(jìn)行大致估計(jì)。若地質(zhì)樣品的年齡較小，考慮到較低再生劑量下的石英熱釋光峰偏移量較小，325 ℃熱釋光峰殘余釋光信號對于375 ℃熱釋光信號可忽略不計(jì)，則在石英熱釋光年代測定過程中只需施加250 ℃左右的預(yù)熱溫度用于去除低溫?zé)後尮夥寮纯桑瑫r(shí)也保證較低的熱釋光峰計(jì)數(shù)損失，這與常規(guī)流程[15]下石英375 ℃熱釋光峰的測定條件相符；若地質(zhì)樣品年齡較大，325 ℃熱釋光峰殘余釋光信號影響較大，應(yīng)先進(jìn)行石英測片的預(yù)熱溫度測試。選取自然劑量與再生劑量的預(yù)熱溫度時(shí)，應(yīng)綜合考慮325 ℃熱釋光峰殘余釋光信號影響和375 ℃熱釋光信號的計(jì)數(shù)損失，選取合適的預(yù)熱溫度。試驗(yàn)劑量在石英熱釋光年代測量過程中為固定值，只需選取使石英測片熱釋光峰完整分布在(375±25) ℃的溫度范圍內(nèi)的預(yù)熱溫度即可。

3.2 熱釋光靈敏度變化校正實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

石英測片熱釋光靈敏度在不同試驗(yàn)劑量下的校正結(jié)果列于表2，其中相對偏差為石英測片單次循環(huán)中石英測片輻照再生劑量熱釋光計(jì)數(shù)L和試驗(yàn)劑量熱釋光計(jì)數(shù)T的比值與石英測片第1次輻照上述兩個人工劑量所測得的L/T的相對偏差。測量結(jié)果表明：石英測片輻照不同再生劑量時(shí)，在相同試驗(yàn)劑量下的校正效果存在差異，隨石英測片輻照再生劑量的增大，需增加試驗(yàn)劑量來保證較好的校正效果。當(dāng)石英測片輻照100 Gy再生劑量時(shí)，輻照50～200 Gy范圍內(nèi)的試驗(yàn)劑量能對石英測片因多次輻照及熱釋光所造成的熱釋光靈敏度變化起到較好的校正作用；當(dāng)石英測片輻照300和600、1 000 Gy再生劑量時(shí)，對應(yīng)的最佳試驗(yàn)劑量范圍分別為100～300 Gy和200～300 Gy；上述4個再生劑量在其對應(yīng)的最佳試驗(yàn)劑量范圍的連續(xù)10次測量的相對偏差均小于5%。

圖3 石英測片在不同預(yù)熱溫度下的熱釋光峰偏移和計(jì)數(shù)損失

表2 石英測片熱釋光靈敏度在不同試驗(yàn)劑量下的校正結(jié)果

試驗(yàn)劑量在實(shí)際測量中的選取需滿足石英測片再生劑量在較大范圍變化時(shí)，仍能對石英熱釋光靈敏度變化起到校正作用，且試驗(yàn)劑量的取值應(yīng)盡量選取低劑量，以保證石英測片熱釋光靈敏度的校正效果，同時(shí)降低樣品測量時(shí)間。實(shí)際測量時(shí)，石英測片再生劑量的取值均處于100～1 000 Gy范圍內(nèi)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可將試驗(yàn)劑量設(shè)置為200 Gy較為合適。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為評價(jià)上述熱釋光測量參數(shù)改進(jìn)對等效劑量測量準(zhǔn)確度的提升，使用相同的地質(zhì)樣品制備4組石英測片，每組5片，石英測片進(jìn)行退火處理后，其中2組石英測片輻照400 Gy的已知劑量用于模擬天然劑量，隨后分別使用改進(jìn)測量流程(表3)和常規(guī)測量流程進(jìn)行等效劑量測量；另外2組石英測片輻照700 Gy的已知劑量，同樣分別使用兩種測量流程進(jìn)行等效劑量測量。表3中改進(jìn)測量流程的天然劑量、再生劑量的預(yù)熱條件設(shè)置為300 ℃、5 ℃/s、20 s；試驗(yàn)劑量的取值為200 Gy，預(yù)熱條件設(shè)置為280 ℃、5 ℃/s、20 s；常規(guī)流程的預(yù)熱條件為250 ℃、5 ℃/s、20 s且未施加試驗(yàn)劑量。兩種測量流程的再生劑量分別設(shè)置為0、100、300、500、700、1 000 Gy，且重復(fù)測量0 Gy和500 Gy用于熱轉(zhuǎn)移效應(yīng)校正和感量變化校正。

表3 石英熱釋光年代測定實(shí)驗(yàn)步驟

兩種測量流程的等效劑量測量結(jié)果列于表4。使用常規(guī)測量流程得到的等效劑量測量值相對真實(shí)劑量普遍偏高，400 Gy等效劑量測量值與真值的相對偏差范圍為14.74%～47.15%。測量700 Gy等效劑量時(shí)，測量值與真值的相對偏差范圍為33.47%～197.71%，常規(guī)測量流程在該劑量下幾乎無法使用。通過改進(jìn)測量流程得到的等效劑量測量值的算術(shù)平均值分別為391.97 Gy和702.81 Gy，兩組石英測片測量值與真值的相對偏差范圍分別為-3.79%～-1.21%和-2.01%～3.82%。兩組測量值相對真值的偏差主要是負(fù)偏差，這是因?yàn)橄噜弮纱螠y量的熱釋光靈敏度所發(fā)生的輕微變化導(dǎo)致L/T變大，最終引起SAR生長曲線斜率變大，導(dǎo)致等效劑量被略低估計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：改進(jìn)測量流程的等效劑量測量值能較為真實(shí)地反映地質(zhì)樣品所受輻照的真實(shí)值，同時(shí)也擴(kuò)大了石英熱釋光年代測定的年代范圍。

表4 等效劑量測量結(jié)果

5 結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)分別測定石英測片在不同預(yù)熱溫度下熱釋光峰的變化和熱釋光靈敏度變化校正效果，在此基礎(chǔ)上選取最優(yōu)的預(yù)熱溫度和試驗(yàn)劑量對測量流程進(jìn)行改進(jìn)，并通過實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證，得到如下結(jié)論。

1) 石英熱釋光峰位的偏移是由325 ℃熱釋光峰殘余釋光信號所引起的，利用石英的375 ℃熱釋光峰進(jìn)行年代測定時(shí)，若樣品地質(zhì)年代較小，325 ℃熱釋光峰殘余釋光信號的影響可忽略，使用250 ℃的常規(guī)預(yù)熱溫度測量即可；若地質(zhì)樣品年代較大，325 ℃熱釋光峰殘余釋光信號的影響顯著，導(dǎo)致石英測片熱釋光峰偏移量較大，則需對再生劑量與試驗(yàn)劑量的預(yù)熱溫度進(jìn)行精細(xì)化設(shè)置。

2) 在石英熱釋光年代測定范圍內(nèi)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果，石英熱釋光年代測定中試驗(yàn)劑量設(shè)置為200 Gy能對石英熱釋光靈敏度變化進(jìn)行有效校正，且相對偏差控制在5%以內(nèi)。

3) 通過對再生劑量與試驗(yàn)劑量預(yù)熱溫度精細(xì)化設(shè)置和選取合適的試驗(yàn)劑量能降低測量過程中帶入的誤差，提高石英熱釋光年代測定的準(zhǔn)確度和年代測定范圍。

4) 本文的研究內(nèi)容主要針對沉積類型的石英樣品，而對于火成類型的石英由于其形成過程較為復(fù)雜，且有多次受熱歷史，本文的研究結(jié)論并不完全適用。