释光年代方法的原理及应用中的关键问题

张沛全

摘 要：年代学问题是地质学研究中的核心问题之一，释光年代学是年轻地质地貌体系系列测定方法中的一种，是确定活动构造活动时代与速率的重要方法。本文对释光年代学的原理进行简介，固体能带理论中的缺陷模型、野外采样过程和剂量（古剂量和剂量率）测试是该方法的三个关键环节。根据原理解释了各个环节中的关键问题，其中对于应用者来说，野外采样过程中的样品选取、野外样品基本判定、野外采样步骤合理是直接影响最后数据质量的关键问题。其余环节及其中的关键问题也应了解和严格操作。希望通过本文的总结能引起释光方法使用者的注意，让释光年代学更好地服务于地质学和地貌学界。

关键词：年轻地质地貌体系 释光 热释光 光释光 构造地貌

中图分类号：P54 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）08（c）-0200-04

年代学问题是地质学研究的核心问题之一，已经渗透到地质学和地貌学的各个领域（福尔，1983；陈文寄和彭贵，1991）。对于活动构造研究者和构造地貌学者来说，错动地貌时代和断层活动时代是两种常用的判读构造活动时代的方法。错动地貌包括水平方向的错动，如断裂通过地区引起地貌面错动（洪积扇、河流阶地等），借助测定各级地貌面的时代或同一级地貌面的不同段落可用来确定断裂的活动时代。如果是垂直方向的错动，则测定断层上断点上土层（或覆盖层）的年代是关键的。以上方法是间接判断断层的方法，那么对断层物质的测定则是直接测定方法（Pierce，1986；Keller，1996；Burbank，2012；）。当今地学界已经进入“定量-半定量”化研究的时代，“No data， No rate”的呼声日益渐高。如果需要研究活动构造速率问题，那么地质与地貌体系年代学的数据更不能缺少。

在这里，材料决定方法，不同物质需要不同的测试方法。问题决定手段，解决不同问题需要不同的手段。不同的方法正如不同的尺子，其度量精度和范围是不一致的。活动构造和构造地貌关心第四纪以来构造体系和地貌体系的年代。释光方法是其中一种测定年轻地质地貌体系年代的方法。由于释光（TL和OSL）的年代范围是活动构造和构造地貌两个领域学者关切的时域，像地震安全性评价工作中的地震地质工作，实质上是活动构造与构造地貌两个学科的工程应用。在其规范中，释光方法是判定断层活动年代的一种重要参考方法（卢寿德，2005）。因此，从事活动构造与构造地貌的理论研究和工程应用的工作人员必须了解相关方法的原理及其关键问题，并且在实际工作中谨慎操作。如何采集有用的样品？如何处理样品？如何处理测试数据？如何解释数据？围绕这些应用者关心的问题，该文首先介绍了年轻地质地貌年代学的一些时域和相关测试材料；其次，再介绍释光年代学的原理，以及各个步骤中的注意事项，在解释过程中对上述问题逐一进行回答。

1 释光年代学方法原理

结晶固体在其形成和在自然界存在的过程中，接受了来自外围环境和宇宙中的放射性核辐射，固体晶格受到辐射影响或损伤后，以内部电子的转移来贮存和辐射带给晶体的能量。释光是贮存能量受到热或光激发时重新以光的形式释放出来的一种物理现象。晶体被热激发产生热释光（TL），被光激发产生光释光（OSL）。所有测年方法都涉及到计时起点的问题，也即归零问题。释光的归零原理是假定沉积物颗粒经过充分曝光或经过高温加热后将原来存储的能量晒退或清零后，重新被埋藏接受周围环境的辐射，重新贮存能量。也就是说，在实验室里使用热或光激发出的释光信号代表了样品最后一次受热或曝光后埋藏至今的时间（图1）。因此，更全面地说，释光测年技术是一种基于环境核辐射效应的测年方法。

环境辐射主要来自于铀、钍、钾衰变产生α、β、γ射线以及宇宙射线的辐射能。这些环境辐射被沉积物颗粒记录以后代表了历史阶段的剂量，称为古剂量或等效剂量（De、Dose）。如果能获取周边环境每年产生的辐射的剂量，即剂量率（Dose rate），利用两者的数值做商即可换算成一个年龄。亦即，Age（ka）=Dose（Gy）/Dose rate（Gy.Ka-1）。从图1中不难发现，释光测年技术是一个围绕着释光信号产生、野外样品采集和剂量测试过程开展的研究。因此，其关键环节主要有：（1）固体能带理论中的缺陷模型。（2）野外采样过程。（3）剂量（古剂量和剂量率）测试方法。

2 释光方法的关键问题

释光方法涉及的缺陷模型、晶格理论、晒退后重新计时理论，与应用者相关的有野外采集、实验室测试和数据解释等几个问题，理论问题这里不做论述。有兴趣者可参见李虎侯（1997）、L. Botter-Jensen et al（2003）、Wintle（2008）。下面介绍原理中的各个关键环节，并结合各环节的重点提出了该方法在应用时的注意事项。

2.1 野外样品采集

释光方法的测试材料是石英和长石。那么哪些样品中含有这些物质？其实大部分地表沉积物中都含有这两种矿物。但是，目前能得到较好解释的沉积物只有几种。这些沉积物需要符合一些条件。卢演俦等（1995）指出OSL样品应满足以下条件：（1）沉积物中的石英等碎屑矿物在搬运、沉积过程中曾暴露在阳光下，即使暴露的时间很短暂。（2）这些石英等碎屑矿物的OSL信号具有足够高的热稳定性，即在常温下不发生衰减。（3）沉积层沉积埋藏以来，这些石英等碎屑矿物处在恒定的电离辐射场里，它们所接收辐射剂量率为常数，这要求沉积层基本上处于铀、钍封闭体系或铀、钍处于动态平衡。那么，符合条件的沉积物有风成物（黄土、沙漠沙）、水成沉积物（河流沉积物、冲积物、湖湘沉积）、冰水沉积、海啸沉积、古地震崩积物等（李虎侯，1999；计凤桔等，1999）。

从理论条件控制来说，野外避光最重要的是避光采样，目前多采用钢管取样。但钢管取样会引起另外一个问题，口径的尺寸对沉积物的层位来说，可能已经包含了许多年的误差，亦即钢管取样的样品内部已经包含了多年的样品，是某个时段的多年平均年龄。这种误差对沉降速率很低的样品，会引起较大误差。此外，一个常被忽略的问题是野外样品的含水量保持。由于水对核辐射能有吸收作用，也即造成了铀钍钾体系的不平衡。因此，含水量的误差对剂量计算会产生较大的影响。此外，野外需要测量样品埋藏位置到地表的深度。这对于数据校正过程中，考虑宇宙射线对样品影响和判断地下水位置有着重要参考意义。从这些假定来讲，样品采集还涉及成因判断和就位解释。张家富等（2007）建议地质学家应与年代学家在采样前共同商定，年代学家最好能到野外参与现场直接采样。这样就可以减少样品的地质意义的不确定性。

目前针对不同的沉积物有不同的采用方法，如：单点采样、多点采样、序列采样、钻孔采样等等。对于研究环境和地貌的学者来说，上面的采样方法就足够了。对于断层活动的学者，断层上断点的上覆盖层也可以参考。

2.2 剂量测试

剂量测试包括古剂量（等效剂量）和剂量率的测试。对古剂量的测试之前，需要进行石英或长石的提取、分选、纯化、制靶等工作步骤（详细情况见赖忠平和欧先交，2013）。然而，由于沉积物的粒径不同，其信号的晒退或归零所需时间并不一致。针对不同粒径的沉积物应选用不同的提纯方法，详见杨会丽（2013）及赖忠平和欧先交（2013）。对粗颗粒而言，粒径要控制在180～250μm，因为β射线不能穿透>300μm的距离（计凤桔、王昌盛，2014，私人交流）。在提取石英过程中，应注意化学反应过程中产生的热量对样品的影响，应留意反应过程，及时稀释溶液浓度以达到降温的目的（覃金堂、王昌盛，2012，私人交流）。

就古剂量或等效剂量测试而言，赵华（1999）认为在实验室中等效剂量就是产生天然释光信号所需的实验辐射剂量，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。等效剂量的测定不仅涉及到释光测年的理论和模型，而且直接关系到具体的实验技术和实验程序。具体选用何种方法主要取决于下面几点：（1）样品释光信号对剂量的响应是否呈线性。（2）样品的释光信号在沉积埋藏前是否充分晒退。（3）实验室光晒退和β源照射及预热过程是否会引起样品释光感量的变化。已有的测试方法有：附加剂量法（ADM，Additive Dose Method）、部分晒退法（PBM，Partial Bleach Method）、再生剂量法（RM，Regeneration Method）、澳大利亚滑移技术、单片再生法（SAR），简单多片再生法（SMAR），单颗粒技术，单片再生法（SAR）与标准生长曲线（SGC）相结合的SAR-SGC法。这些方法各有长处和短处，这里不一一指出。详细情况请见赵华（1999），陈杰等（1999），Murray （2000），王旭龙（2005），杨会丽（2013），赖忠平（2013）等人的介绍。

国内外的释光研究者都在关注和发展等效剂量的测量方法，并不断提高其测量精度的研究，而对环境剂量率的研究相对较少。环境剂量率是矿物（石英、长石）每年或者每千年所吸收的剂量，又称为年剂量。年剂量来源于矿物周围或者内部放射性核素（U、Th、K）衰变产生的a、β、γ射线及宇宙射线的作用，在自然界的土中，α射程仅有0.03 mm，β射程为3 mm，而γ射线射程为30 cm。由于γ射程可达30 cm，这就要求在采集样品时，需要去除表面30 cm，并且要采集30 cm内岩性比较均一的样品，才能具有代表性。目前释光测年中环境剂量率的测量方法根据所测量的对象可分为直接测量法和间接测量法。直接测量法就是用AL2O3：C，CaSO4：Dy，CaF2：Dy等剂量片就地埋藏一段时间后，带回实验室利用释光仪器直接测得α、β、γ射线产生的辐射剂量率；也可采用便携式Gamma谱仪就地测量。间接测量是通过测量样品中放射性元素含量或者α、β、γ射线计数率来计算样品的年剂量率。放射性元素U、Th、K含量常用的测量方法有：中子活化分析、ICP-MS、X射线荧光（XRF）和K含量联合测量法，这些方法必须在长周期放射性核素铀和钍处在平衡体系中才能准确测量。α、β、γ射线计数测量常用的方法有：厚源α计数仪和K含量联合测量法、高纯锗gamma谱仪等方法。但是地震相关堆积物一般为近缘快速混杂堆积，很难保证30 cm内的岩性均一性，这就为环境剂量率的测量带来了难度。杨会丽（2013）在其博士论文中对此进行了较全面的总结，可参见其成果。

2.3 数据处理和分析

就一套完整的测试程序来说，以上步骤基本结束。但对应用者来说，更关心的是信号的品质和数据的解释。该步骤应该由年代学家和地质学家（应用者）共同分析，这里不做赘述。一份测试报告中，一般包括一幅释光信号衰减曲线图和一幅生长曲线图。衰减曲线和生长曲线都是根据仪器测试数据进行作图和计算所得到的。根据两者就可以知道样品信号的品质和样品信号生长趋势，在评价样品的年龄时就可以较准确地评价了。然而，这两张图往往是容易被应用者所忽略的。

3 结语

综上所述，年代学应用者首先需要明确需要解决的地学问题，每一种方法都不是万能的。对于释光方法的应用者来说，在应用时应注意以下几点。

（1）野外采样是获得合理科学数据的重中之重，应从源头抓起。

（2）避光问题贯穿实验的大部分过程，避光是首要问题。野外采样、实验室前处理、制样等都需要避光。

（3）就野外样品采集而言，采集有意义的样品、样品的野外判定（减少地质评价误差）、避光采样、保持更真实含水量等问题是野外采样的关键问题。

（4）就实验室处理而言，除了避光外，在减少样品量的损失情况下获得更纯净的石英或长石、控制化学反应热对样品信号造成不确定性等问题是实验室处理时注意的问题。

（5）就数据处理和分析而言，判断数据质量、读取曲线中的信息等是关键问题。

（6）原理中的三个关键问题均具有假设条件，在三者未有新的研究成果前，上述5点需要严格操作和认真学习。

（致 谢：中国地震局地质研究所新构造与年代学研究室陈杰研究员、刘春茹副研究员、覃金堂博士后、杨会丽博士、王昌盛实验员为本人的学习、生活和实验条件提供了支持，与他们进行的广泛交流获得了丰富的收获。计凤桔研究员无私的指导，让本人对年轻地质地貌年代学体系有了深入的了解。广西壮族自治区地震局和广西工程防震研究院的领导们和同事们对笔者出访给予了大力支持，在此一并表示衷心的感谢！）

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