石英热释光年代测定中测量条件优化研究

王 猛，谷 懿，卢 恒，王 浩，孙 坤

(成都理工大学 四川省地学核技术重点实验室，四川 成都 610059)

因石英325 ℃热释光信号易被光晒退，长期以来人们均利用石英的375 ℃热释光峰进行热释光年代测定[1-6]。但在实际应用中，基于单片再生剂量(SAR)法[7]的石英375 ℃热释光峰年代测定存在地质样品年代估计异常的问题，造成年代估计异常的原因可分为自然因素(外界因素)和石英热释光特性的影响。自然因素是样品在自然条件下晒退不完全，样品中石英的残余剂量导致年代高估[8]，文献[9]对此因素展开研究，并较为详尽地提出了石英的残余剂量测量方法。石英热释光特性的影响是在测量过程中未充分考虑石英热释光特性在测量过程中的变化(热释光峰位变化和热释光灵敏度变化)，这是导致样品年代估计异常的另一主要原因。

本文主要针对石英375 ℃热释光峰年代测定过程中因测量参数设置不合理导致的年代估计异常展开研究。通过分析石英的热释光峰位在不同预热温度下的变化情况和石英热释光灵敏度变化在不同试验剂量下的校正结果，优化石英热释光测量流程和测量参数，降低石英热释光年代测量中等效剂量的偏差，提高热释光年代测定的准确度。

1 热释光测量中石英特性对年代估计的影响

1.1 石英热释光峰位的变化特性

进行SAR法热释光年代测定时，石英测片需完成由低到高的再生剂量辐照和热释光测量，不同再生剂量的热释光峰位在相同预热条件下会发生偏移。图1a为90Sr/90Y β源对同一石英测片分别辐照250、500、600、1 000、1 500、2 000 Gy再生剂量后的热释光发光曲线，可看出，随剂量增加石英测片热释光峰位向低温方向移动。造成这种现象的原因是：石英325 ℃和375 ℃热释光峰在热释光曲线上为一合峰，随再生剂量的增大，325 ℃热释光信号强度增加显著，但在热释光测量的预热过程中并未将其完全清除。最终，在统计石英测片(375±25) ℃温度范围内的热释光计数时，部分325 ℃热释光残余信号一并被统计，增加了再生剂量的375 ℃热释光信号强度，使石英测片天然热释光信号的等效剂量被过低估计(图1b)。

1.2 石英热释光灵敏度变化

使用SAR法测量时，需对同一石英测片反复辐照和热释光后得到生长曲线，而石英晶体在经过多次热释光后，其自身的热释光灵敏度将发生变化。图2a为使用90Sr/90Y β源对同一石英测片多次辐照相同再生剂量并测量的热释光曲线，可看出，石英测片热释光灵敏度随热释光次数的增加整体呈下降趋势，10次重复热释光信号强度降低22.22%。石英测片的热释光灵敏度下降是由于多次热释光后发光中心损失所造成的[10-11]，最终，实际SAR生长曲线斜率降低，石英测片天然热释光信号的等效剂量被过高估计(图2b)。

图1 石英测片在不同再生剂量下的热释光生长曲线(a)和理论、实际热释光生长曲线(b)

图2 石英测片多次辐照相同再生剂量的热释光生长曲线(a)和SAR生长曲线(b)

2 石英热释光测量条件的测定方法

2.1 实验仪器与样品制备

热释光测量仪器为丹麦Risø实验室生产的Risø TL/OSL-DA-20热释光/光释光两用仪，该仪器自带241Am α源、90Sr/90Y β源，可为测量样品提供实验所需的辐照剂量，仪器加热温度范围为0～700 ℃，能满足热释光/光释光测量要求，仪器同时配有IR/Blue LED激发光源，可用于石英样品的纯度检测。

根据石英热释光年代测量所选取的常规石英粒径[12-13]，选取粒径38～63 μm的石英晶体作为测量对象，地质样品取自青海柴达木盆地北缘大柴旦剖面，且该样品属于风成沉积样品，地质样品经过前期预处理后按照粒径要求进行筛选。样品筛选完成后，制备石英测片，并抽取3个石英测片进行红外检测，样品的红外激发信号(IRSL)与蓝光激发信号(OSL)的比值均小于0.1[14]，满足石英测片纯度要求。随后对石英测片进行退火处理，将石英晶体中原有的剂量信息清除，排除原有剂量信息对后续实验的影响。

2.2 实验方法

1) 石英热释光峰在不同预热温度下的变化测定实验

对石英测片辐照同一再生剂量(仪器自带的90Sr/90Y β源，剂量率为0.1 Gy/s)，每次辐照后改变石英热释光的预热条件，并进行热释光测量，石英热释光的起始预热条件为250 ℃、5 ℃/s、20 s，预热温度每次增加10 ℃至340 ℃，其他预热条件不变，记录石英测片热释光曲线。考虑年代测定范围，设置100、300、600、1 000 Gy共4个再生剂量在不同预热条件下的石英热释光曲线测定。

2) 石英热释光灵敏度变化校正实验

对每次剂量(天然剂量、再生剂量)测量的375 ℃热释光信号强度进行相同的试验剂量标准化，因相邻两次测量的热释光灵敏度变化可忽略，则标准化后的结果将不受石英热释光灵敏度降低的影响。石英热释光灵敏度变化校正实验采用4组石英测片，每组含4个石英测片，4组石英测片分别辐照100、300、600、1 000 Gy再生剂量，且热释光计数记为L；每个再生剂量组的4个石英测片分别设置4个试验剂量(50、100、200、300 Gy)，且热释光计数记为T。16个石英测片按表1所列的实验步骤完成不同再生剂量、不同试验剂量的10次重复测量，记录单次循环中再生剂量热释光计数L和试验剂量热释光计数T的比值L/T。同时，该实验中石英热释光测量预热条件依据石英热释光峰在不同预热温度下的变化测定实验所得到的最优预热条件进行设置。

表1 石英热释光灵敏度校正的实验步骤

3 结果与分析

3.1 不同预热温度下热释光峰变化测定的实验结果分析

石英热释光峰在不同预热温度下的测量结果表明：当再生剂量为100 Gy时，石英375 ℃热释光峰在250～320 ℃的预热温度范围内偏移均小于5 ℃，但石英热释光峰的计数损失率随预热温度的升高而不断增加(图3a)；当再生剂量为300、600和1 000 Gy时，石英375 ℃热释光峰整体偏移较大(最大偏移达40 ℃)，且相同预热温度下剂量越大偏移越大(图3b)，该测量结果也证明了325 ℃热释光峰随再生剂量增加，对石英375 ℃热释光峰干扰增强的说法。此外，随预热温度的增加，石英375 ℃热释光峰偏移量能较好地修正，但石英热释光峰的计数损失率与预热温度呈正比关系。

依据实验结果，在实际地质样品测量过程中，应先根据地质资料对样品年代进行大致估计。若地质样品的年龄较小，考虑到较低再生剂量下的石英热释光峰偏移量较小，325 ℃热释光峰残余释光信号对于375 ℃热释光信号可忽略不计，则在石英热释光年代测定过程中只需施加250 ℃左右的预热温度用于去除低温热释光峰即可，同时也保证较低的热释光峰计数损失，这与常规流程[15]下石英375 ℃热释光峰的测定条件相符；若地质样品年龄较大，325 ℃热释光峰残余释光信号影响较大，应先进行石英测片的预热温度测试。选取自然剂量与再生剂量的预热温度时，应综合考虑325 ℃热释光峰残余释光信号影响和375 ℃热释光信号的计数损失，选取合适的预热温度。试验剂量在石英热释光年代测量过程中为固定值，只需选取使石英测片热释光峰完整分布在(375±25) ℃的温度范围内的预热温度即可。

3.2 热释光灵敏度变化校正实验结果分析

石英测片热释光灵敏度在不同试验剂量下的校正结果列于表2，其中相对偏差为石英测片单次循环中石英测片辐照再生剂量热释光计数L和试验剂量热释光计数T的比值与石英测片第1次辐照上述两个人工剂量所测得的L/T的相对偏差。测量结果表明：石英测片辐照不同再生剂量时，在相同试验剂量下的校正效果存在差异，随石英测片辐照再生剂量的增大，需增加试验剂量来保证较好的校正效果。当石英测片辐照100 Gy再生剂量时，辐照50～200 Gy范围内的试验剂量能对石英测片因多次辐照及热释光所造成的热释光灵敏度变化起到较好的校正作用；当石英测片辐照300和600、1 000 Gy再生剂量时，对应的最佳试验剂量范围分别为100～300 Gy和200～300 Gy；上述4个再生剂量在其对应的最佳试验剂量范围的连续10次测量的相对偏差均小于5%。

图3 石英测片在不同预热温度下的热释光峰偏移和计数损失

表2 石英测片热释光灵敏度在不同试验剂量下的校正结果

试验剂量在实际测量中的选取需满足石英测片再生剂量在较大范围变化时，仍能对石英热释光灵敏度变化起到校正作用，且试验剂量的取值应尽量选取低剂量，以保证石英测片热释光灵敏度的校正效果，同时降低样品测量时间。实际测量时，石英测片再生剂量的取值均处于100～1 000 Gy范围内，根据实验结果可将试验剂量设置为200 Gy较为合适。

4 实验验证

为评价上述热释光测量参数改进对等效剂量测量准确度的提升，使用相同的地质样品制备4组石英测片，每组5片，石英测片进行退火处理后，其中2组石英测片辐照400 Gy的已知剂量用于模拟天然剂量，随后分别使用改进测量流程(表3)和常规测量流程进行等效剂量测量；另外2组石英测片辐照700 Gy的已知剂量，同样分别使用两种测量流程进行等效剂量测量。表3中改进测量流程的天然剂量、再生剂量的预热条件设置为300 ℃、5 ℃/s、20 s；试验剂量的取值为200 Gy，预热条件设置为280 ℃、5 ℃/s、20 s；常规流程的预热条件为250 ℃、5 ℃/s、20 s且未施加试验剂量。两种测量流程的再生剂量分别设置为0、100、300、500、700、1 000 Gy，且重复测量0 Gy和500 Gy用于热转移效应校正和感量变化校正。

表3 石英热释光年代测定实验步骤

两种测量流程的等效剂量测量结果列于表4。使用常规测量流程得到的等效剂量测量值相对真实剂量普遍偏高，400 Gy等效剂量测量值与真值的相对偏差范围为14.74%～47.15%。测量700 Gy等效剂量时，测量值与真值的相对偏差范围为33.47%～197.71%，常规测量流程在该剂量下几乎无法使用。通过改进测量流程得到的等效剂量测量值的算术平均值分别为391.97 Gy和702.81 Gy，两组石英测片测量值与真值的相对偏差范围分别为-3.79%～-1.21%和-2.01%～3.82%。两组测量值相对真值的偏差主要是负偏差，这是因为相邻两次测量的热释光灵敏度所发生的轻微变化导致L/T变大，最终引起SAR生长曲线斜率变大，导致等效剂量被略低估计。实验结果表明：改进测量流程的等效剂量测量值能较为真实地反映地质样品所受辐照的真实值，同时也扩大了石英热释光年代测定的年代范围。

表4 等效剂量测量结果

5 结论

本文通过实验分别测定石英测片在不同预热温度下热释光峰的变化和热释光灵敏度变化校正效果，在此基础上选取最优的预热温度和试验剂量对测量流程进行改进，并通过实验加以验证，得到如下结论。

1) 石英热释光峰位的偏移是由325 ℃热释光峰残余释光信号所引起的，利用石英的375 ℃热释光峰进行年代测定时，若样品地质年代较小，325 ℃热释光峰残余释光信号的影响可忽略，使用250 ℃的常规预热温度测量即可；若地质样品年代较大，325 ℃热释光峰残余释光信号的影响显著，导致石英测片热释光峰偏移量较大，则需对再生剂量与试验剂量的预热温度进行精细化设置。

2) 在石英热释光年代测定范围内，根据实验测量结果，石英热释光年代测定中试验剂量设置为200 Gy能对石英热释光灵敏度变化进行有效校正，且相对偏差控制在5%以内。

3) 通过对再生剂量与试验剂量预热温度精细化设置和选取合适的试验剂量能降低测量过程中带入的误差，提高石英热释光年代测定的准确度和年代测定范围。

4) 本文的研究内容主要针对沉积类型的石英样品，而对于火成类型的石英由于其形成过程较为复杂，且有多次受热历史，本文的研究结论并不完全适用。