塔木素预选区第四纪构造活动性的光释光测年分析

饶 峥， 刘晓东*， 刘 帅， 龚志军

(1.东华理工大学地球科学学院， 南昌 330013； 2.核资源与环境国家重点实验室， 南昌 330013)

目前，全世界公认的对于高放废物最安全、最有效处置的方法是深地质处置，得到了世界各国和国际原子能机构等众多国际组织的广泛认可[1]。经过半个多世纪的发展和研究，高放废物地质处置普遍采用的是人工屏障和地质屏障相结合的多重屏障体系对高放废物进行地质处置，其中地质屏障就是处置库周围的围岩[2]，合适的处置库围岩可以有效地减缓和阻止放射性核素进入生物圈。因此，选择什么类型的围岩作为处置库的天然屏障就显得非常重要，当前花岗岩和黏土岩是各有核国家开展高放废物地质处置研发最主要的两种围岩类型。

中国于2009年正式启动高放废物处置库黏土岩场址预选区调查研究工作。从众多厚层黏土岩区域筛选出内蒙古塔木素地区、青海柴达木盆地西北缘以及甘肃陇东地区形成于中新生代的厚层黏土岩作为研究对象，并开展了广泛的调查。重点对塔木素地区开展了进一步研究，并将内蒙古塔木素地区作为高放废物黏土岩处置库重点预选区[3]。新构造运动研究是评价预选区地质环境稳定性的重要内容。塔木素预选区内大部分地区被第四系地层所覆盖，前人地质填图标注的断裂构造大多为隐伏断裂，对于隐伏断裂的第四纪的活动性很难通过直接的手段进行研究。本文利用光释光测年技术对研究区河流阶地形成以来断裂构造活动性的时间范围进行圈定，再结合河流阶地高程曲线的变化对其晚第四纪以来的活动性进行判别，为评价预选区新构造运动的活动性提供理论依据。

图1 塔木素地理位置示意图Fig.1 Geographical location map of Tamusu

光释光(optically stimulated luminescence，OSL)测年技术在进入21世纪后进入了快速发展时期，使其成为了一种广泛用于第四纪地层与环境、活动构造、考古年代测定等诸多研究中的重要手段[4-5]。国内OSL研究在测试方法和测试技术上也取得了明显的进步，缩短了实验过程所需的时间，测试结果变得更加精确。

1 研究区概况及研究对象

1.1 研究区概况

塔木素研究区位于内蒙古自治区阿拉善右旗，西临巴丹吉林沙漠(图1)。海拔高度1 260～1 320 m，气候常年干旱少雨，使得地表大部分区域被第四纪沉积物及沙丘所覆盖。研究区地势总体呈现出西高东低、北高南低的趋势。

1.2 研究对象

塔木素断裂是研究重点，位于塔木素北部一带，靠近控盆断裂，是一条大型的隐伏断裂，位于山前倾斜平原，长度大约40 km，走向呈北东70°，倾角为70°～80°，向南东倾斜(图2)。

2 实验方法及样品采集和处理

2.1 实验方法

沉积物在埋藏过程中所累积的辐射剂量应为光的激发而产生的释光信号称之为光释光。光释光测年测量的是沉积物中的矿物特别是石英颗粒上一次曝光后，样品埋藏至今的时间[6-7]，其测量范围可以从几年到几十万年。目前，OSL测年技术已被广泛用于各类第四纪沉积物的年代测定。

所测样品的年龄可由样品埋藏过程中接受的辐射剂量，即等效剂量除以单位时间接受的辐射剂量，即年剂量率表示[8]：

(1)

此次实验采用的是单片再生剂量法(single aliquot regenerative protocol，SAR)，这一方法是由Duller[9]于1991年首次提出，是以颗粒较粗的石英为实验对象，利用小剂量的释光信号来对灵敏度进行校正的单片再生法。由于该方法需要的样品量小，所有实验只需在一个石英测片上完成，无需校正不同单片的权重，可以大大提高测年的准确性，因此成为目前众多光释光(OSL)测年方法中运用最普遍的测年技术。

2.2 样品采集

塔木素断裂位于山前倾斜平原，根据图3(a)的卫星遥感图确定断裂构造切过的河流阶地，河流阶地主要由土黄色粉砂和砂砾石等矿物组成，从河流阶地处采集了光释光样品，采样点的坐标位于北纬40°51′11″，东经103°30′24″。

采样使用的采样管是底面直径为5 cm，长度为30 cm的不锈钢管，采样过程中为了避免采集到表层已曝光的样品，采样前需要去除剖面表层至少30 cm厚的沉积物[10]，清理出剖面新鲜面，并且避开粗大的砾石。采样时，将黑色塑料袋塞入采样管的一端，然后将该端口垂直采样剖面砸入。待采样管装满样品后取出采样管，及时用锡纸或黑色塑料袋等避光材料密封采样管的两端，以避免曝光和水分散失，最后写上样品编号[11-12]。采样管两头的样品用于U、Th、放射性K含量测定以及含水量的测量，这一部分的样品在实验过程中无需避光，但需要进行密封保存，以防止样品中水分的散失，其余部分用于光释光年龄测量，这一过程需要在暗室中进行。

图2 塔木素预选区构造体系图Fig.2 The structural system diagram of Tamusu Area

图4 光释光样品预处理流程图Fig.4 The process flow chart of samples for OSL

2.3 样品预处理

样品的预处理按照图4所示，首先将采样管两头表面2～3 cm的样品分离出来用于U、Th、放射性K含量测定以及含水量的测量。剩余样品在实验室暗室中的红光[(630±15)nm]条件下进行石英颗粒的分离和提纯处理。将样品放入烧杯中，清水搅拌，并超声波振荡10～15 min，静置15 min后，去掉上层清液。之后使用浓度为10%的HCl和10%的H2O2去除样品中的有机质和碳酸盐。用清水洗净，使用湿筛的方法筛选出粒径大于63 μm的颗粒，然后在50 ℃烘箱中将样品烘干，使用干筛的方法分离出粒径90～125 m粒径的样品，用2.58、2.75 g/cm3重液分选出石英颗粒。将提取的石英样品在40%的HF中溶蚀60 min，去除石英样品中的长石等杂质，用10%稀HCl去除在HF溶蚀过程中形成的氟化物，得到较为纯净的石英颗粒，最后将样品烘干[13]。

为了检测石英样品的纯度，可用红外激发释光信号(IRSL)/OSL信号比值检测石英矿物中的长石信号[14]。若IRSL/OSL>10%，说明仍然存在长石杂质，需要重复上述HF和HCl处理过程，直到样品IRSL/OSL<10%[15]。

3 数据分析

此次的光释光样品年代测试工作主要分为两个部分，一是辐射等效剂量的测量，另一个是年剂量率的估计。样品的预处理、含水量的测量以及等效剂量测试工作是在中国科学院地质与地球物理研究所光释光实验室内完成。样品铀、钍和放射性钾含量的分析工作是在核工业北京地质研究所分析测试中心完成。

3.1 光释光信号组分分析

为了检验光释光定年技术对与塔木素地区石英样品的是否适用，需要对提纯后石英样品的光释光信号组成成分进行分析，具体的检测步骤如表1所示。

表1 检测石英单片恒源光释光信号的实验步骤

对于检测的石英制片，从图5中可以看出样品具有良好的恒源释光曲线，其光释光的信号强度在头2 s的激发时间内由原来的最大值迅速衰减了80%～90%，测量结果显示石英测片的光释光信号以快组分为主。由于快组分具有低回授、高光敏性和高热稳定性，因此，光释光定年技术对该地区石英样品具有很好的适用性[16]。

图5 石英制片恒源光释光信号衰减曲线Fig.5 The attenuation curve of quartz films by OSL

3.2 等效剂量测试

此次等效剂量测试所用的仪器为Risø-TL/OSL-DA-15释光仪，在直径为10 mm的铝片载体上均匀涂上一层硅油，将提纯后的石英样品黏在其中心2～3 mm处，之后放入转盘之中，辐射源选择剂量率为0.081 Gy/s的90Sr/90Y beta辐射源。另外测量仪器配有蓝光二极管(LEDs)[波长峰值为(470±30)nm]和红外光(LEDs)[波长峰值为(870±40)nm]作为激发光源，在样品测量时候，蓝光二极管给样品的激发光强度约为45 mW/cm2。石英样品的发光信号，经过Hoya U-340滤光片后，经过光电倍增管后再检测测量。

石英样品的等效剂量是通过单片再生剂量法进行测量，具体测试步骤如表2所示[17-18]，其中第三步得到的是自然释光信号强度Li，第六步得到的是释光信号强度Ti，二者相除之后可以得到经过灵敏度校正后的自然释光强度(Li/Ti)。在测量过程中，为了保证实验数据的准确性，可以给予一个重复剂量来校正灵敏度的变化。

表2 石英单片再生剂量法测量测试步骤

通过给石英测片分别增加不同的再生剂量，并重复表2中步骤1～6的测量过程，可以得到不同的光释光信号强度(Lx/Tx)。利用灵敏度校正后的不同再生剂量产生的光释光信号强度(Lx/Tx)与再生剂量作图可以得到石英测片的光释光增长曲线，如图6所示。最后将灵敏度校正后样品的自然释光强度(Li/Ti)用内插法插入光释光增长曲线中即获得该片的等效剂量。

图6 光释光增长曲线Fig.6 The growth curve of OSL

在利用再生剂量法测量石英单片等效剂量值时，为了提高数据的可靠性，每个样品至少测量30片，最后得到石英样品等效剂量的Radial plot分析图(图7)。可见塔木素断裂河流阶地处光释光样品等效剂量中心值为172.7 Gy。

图7 石英样品等效剂量的Radial plot分析图Fig.7 Radial plot analysis of equivalent dose of quartz sample

3.3 年剂量率测试

年剂量率的大小由两部分组成：一部分为样品中放射性核素衰变所产生的剂量率，以U、Tu和放射性K的衰变为主，在计算样品的U、Tu和放射性K对年剂量率的贡献量时，误差按照所测元素值的10%进行估计；另一部分为宇宙射线所产生的剂量率，宇宙射线的贡献量根据采样点的经度、纬度、海拔高度以及采样深度来估计[19]。

在计算年剂量率的同时还要考虑样品的含水量对辐射的削弱作用[20]。沉积物孔隙中的水分子可以吸收一部分本来自可以到达矿物颗粒的辐射能量，从而减少样品对辐射能量的吸收，此次含水量的测量采用烘干法测得，误差按±20%进行估计。年剂量率根据Aitken[21]的公式和参数进行计算，表3显示光释光样品的年剂量率相关参数的测试结果，结果显示光释光样品的年剂量率在3.04 Gy/ka左右。

表3 光释光样品分析测试结果

3.4 年代结果

根据表3的分析测试结果及式(1)计算得到其光释光年龄为(56.8±5.2) ka。

4 河流阶地高程

一般来说，断裂构造如果发生活动那么在地表一定会形成一系列的构造地貌特征，而且断裂构造活动性越强这些构造地貌特征在地表就越明显。从图2的卫星遥感图中可以看到塔木素断裂切过一条干枯的河流，因此可以通过测量被塔木素断裂切过的河流阶地高程，从其高程曲线的变化判断其活动性。考虑到普通GPS受到天气、海拔等因素影响误差比较大，本研究使用精度更高的差分GPS来测量河流阶地的高程。

差分GPS主要由三个部分组成：通信网络、基准站和流动站。其原理如图8所示，首先在固定地方设立好基准站，基准站可以通过高质量卫星接收机接收多颗卫星的测量值，再进行误差分析，得到测量修正值，最后通过数据通信网络将测量修正值传给用户手中的流动站，这样得到的测量值比单点定位所得的结果精确度更高[22]。

图8 差分GPS工作原理Fig.8 Differential GPS working principle

如图9(a)所示，选择了AA′为高程测量剖面，首先设好基准站，然后使用流动站沿着高程测量剖面每隔3 m测量一个高程值，由于风化剥蚀作用，部分阶地被剥蚀，使得测量出的河流阶地出现不连续的情况，最后得到了3组河流阶地高程数据。将高程数据生成高程曲线如图9(b)所示，表明河流阶地的3个不连续面，虽然阶地呈不连续状态，但是3段阶地的倾斜角度都相差不大，并没有明显的高程差。

图9 高程测量剖面和河流阶地高程曲线Fig.9 Elevation measurement section and river terrace elevation curve

5 结论

塔木素预选区内断裂构造第四纪以来的活动性影响着区域构造环境的稳定性，对于高放废物黏土岩处置库场址的筛选具有非常重要的意义，通过对塔木素断裂错段河流阶地光释光年龄和高程的研究，得到以下认识。

(1)塔木素地区河流阶地石英样品的光释光信号以快组分为主，在激发时间2 s内衰减了80%～90%，表明光释光测年法非常适用于塔木素地区的石英样品，根据测得的等效剂量和年剂量率，可以得到其光释光年龄为(56.8±5.2) ka。

(2)从塔木素断裂错段的河流阶地高程曲线中可以看出，虽然河流阶地呈现出不连续状态，但是其3段高程曲线倾斜角度大致相同，并没有发生大规模的错动，说明晚第四纪河流阶地形成以来塔木素断裂的活动性弱，对于高放废物黏土岩处置库场址有利地段的筛选影响不大。