光释光测年的原理及检测

光释光（Optically stimulated luminescence，OSL）测年于1985年被提出，1990年由卢演俦引入中国。经过近30年的发展，尤其是进入21世纪后光释光测年在检测技术和方法上有了突破性的优化和完善，使得其测试的准确性和精度不断提高，目前已广泛应用于走滑断层活动、区域隆升速率重建、低温热年代学，以及黄土地层、海岸带变迁、考古地层、湖泊河流与沙漠演化等的年代学研究。

一、检测原理及测年范围

1.1 OSL测年原理

沉积物经搬运稳定埋藏后其中的矿物颗粒（OSL测年的目标矿物主要是石英或长石）不断接受来自周围环境中的U、Th、K等放射性物质的衰变所产生的 α、β、γ、宇宙射线等的辐射，导致晶体的电子发生电离而形成自由电子，之后被晶格中的杂质原子或者其他因素所导致的晶格缺陷所形成的“电子陷阱”所俘而储存，长期的埋藏辐射过程使得矿物晶格中的“俘获电子”越来越多，即矿物颗粒随时间的增长不断累积辐射能。这些矿物颗粒在天然环境受热或者光照及实验室用加热或光束照射时，可以使累积的辐射能以光的形式激发出来，即释光信号。通过加热而激发出的释光信号叫热释光（Thermolumi-nescence，TL），通过光激发的释光信号叫光释光（OSL）。

天然环境中的曝光、热事件等使积累辐射能的矿物颗粒的释光信号被清空或降低到可忽略的水平，释光信号归零（晒退过程），之后在埋藏过程中不断积累释光信号。这些释光信号的强度与样品所吸收到的辐射剂量成函数关系，可以用于检验样品所接收的辐射剂量，此时所测的释光信号为样品最后一次曝光后埋藏至今所累积的。

图1释光测年原理图

OSL测年法的年龄计算公式：

Age=De/D

式中，Age为年龄，单位ka；De为等效剂量，单位Gy；D为环境剂量率，单位Gy/ka。

其中，等效剂量（De）是指石英、长石等碎屑矿物受到最后一次光照晒退后沉积埋藏至今所吸收的环境电离辐射剂量。在实验室中，De就是矿物产生与天然释光信号相同强度所需的实验辐照剂量，可通过建立OSL信号强度与辐照剂量的关系函数，即OSL 信号随辐照剂量的生长曲线来测定。对于环境剂量率D，大部分实验室通过测量沉积样品中的U、Th、K等元素含量或α、β、γ射线的计数，在考虑各影响因素并进行综合校正后得到，常用的实验方法为ICP-MS检测、伽马能谱仪检测、中子活化分析检测等。

1.2测年范围

光释光测年范围为距今100~150000年，也可能达距今约100万年，这取决于矿物（如石英）释光信号对环境剂量响应的饱和度、信号热定性和环境剂量率。

二、测年对象及采样方法

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。沉积物样品尽量在岩性均一、沉积层理清晰的细粉砂、亚砂土中采集，避免在地层界面上采样。若岩性不均匀或沉积层太薄，应在地层界面上下各取一个样品。

样品采集时尽可能避光，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。若在剖面上取样，应去除30-50 cm的表样，取新鲜样品。

对于沉积物，每个样品需要500克左右的样品。实验室最后只需提取1～2 g的纯石英或长石矿物（一般粒径是38～63 μm、90～250 μm、 4～11 μm）。根据样品沉积结构最好选择不同取样方式：

（1）松散沉积物样品，一般采用尺寸长20 cm、直径5-6 cm的钢管打进采样层位，使样品充满钢管，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。

（2）固结样品，可以采集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防止漏光和水分的丢失。

（3）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。

样品的采样和存放地点应远离高温环境。采样时应记录采样点地理位置、标高、层位、埋深、岩性、样品周围是否有放射性污染源等。在实验室前处理之前，务必确保样品没有曝光（实验室红光除外）。

三、实验前处理及仪器

3.1前处理

OSL样品在测试前需要进行前处理，目的是去除杂质（碳酸盐矿物、有机物等），提取纯净的目标矿物颗粒（石英、长石等）。

在实验室弱红光下去除不锈钢管两端表面（1~2cm厚）可能曝光的样品部分，将样品的未曝光部分放置于烧杯中，加少许蒸馏水，用浓度为30%过氧化氢去除有机质，再用浓度为37%的盐酸去除碳酸盐类，待充分反应后，使用去离子水将样品反复冲洗至中性。

石英OSL信号热稳定性极好，常规OSL测年均利用石英进行。上述化学处理过程后的样品为石英、长石及其他矿物的混合物，为了获得纯净石英还需要使用氢氟酸（粗颗粒）、氟硅酸（细颗粒）进行刻蚀。

测量环境剂量率的样品可采用可能曝光的部分，取出约50g，测含水量后,对于颗粒较粗及含砾的，可用碎样机彻底粉碎（同时使颗粒充分混合），然后再选择合适的检测方法检测（常用的实验方法为ICP-MS检测、伽马能谱仪检测、中子活化分析检测等）。

3.2检测仪器

释光检测常用仪器为丹麦Risø国家实验室生产的Risø TL/OSL DA-20 释光仪。整套系统由光激发源、加热系统90Sr/90Y源、荧光检测器、样品盘和伺服计算机系统六部分组成，最新标准源剂量率标定约0.11 Gy/s。实验过程中采用蓝光（波长470 nm±30 nm，最大功率50 mW/cm²）作为激发光源，设定激发光强为最大功率的90%，在光释光系统顶端的光电倍增管（PMT）和样品之间放置7.5 mm厚的Hoya U -340滤光片以去除辐照光。

图2 Risø TL/OSL DA-20释光仪