熊正燁 馬衛(wèi)江 朱金漢 陳勁民 丁 萍 師文慶

1 (廣東海洋大學理學院 湛江 524088)

2 (中山大學理工學院 廣州 510275)

熱釋光(Thermoluminescence, TL)年代測定應用始于20世紀50年代初[1,2]，是測定古代陶器、磚瓦等燒制年齡的有效手段，20多年前擴展至黃土年齡的測定研究[3,4]。在地學領域，TL斷代法可測定有確定受熱史或有明確計時起點的年輕地質樣品的年齡，第四紀火山巖就屬于這一類。光釋光(Optical Stimulated Luminescence, OSL)在地質年代測量、文物鑒定及劑量學其它領域有重要應用，近年來研究異?；钴S。1985年Huntley等[5]提出用OSL對地質沉積物的年代進行測量，后來Murray等[6]改進單片再生劑量法(SAR)技術，使測量方法更完善。關于光釋光機制研究，絕大多數(shù)模型都采用類似于 TL方法來描述 OSL的發(fā)光。OSL過程中，光激發(fā)引起電荷從俘獲能級傳輸?shù)綇秃现行腫7]。不少材料中光釋光陷阱與熱釋光陷阱關系密切，甚至可能是相同缺陷[8,9]，只是分類方法不同，具體釋光過程有待進一步深入研究。地質樣品中石英和長石是較好的釋光材料，本文選擇我國著名的第四紀火山瑪爾湖湖光巖[10,11]采樣加工，進行釋光測量研究，以研究兩種釋光間的關系。

1 材料與方法

湖光巖(21° 9' N, 110° 17' E)位于廣東湛江，在其周邊選取三類采樣點。一是火山壁上的巖洞，巖洞內底部有層厚厚的火山巖風化后形成的火山灰；二是火山巖壁下的沙土；三是離湖水不遠的平坦的岸邊沙土。每一類都選取三個采樣點，共9個(編號A–I)。采集距表層~30 cm的火山灰樣或沙土，用黑色塑料袋和布袋包裝，注意避光和保持樣品原始濕度。將樣品粉碎、過篩(180–250目)，用H2O2除去有機質，用HCl除去碳酸鹽，用HF剝除石英外表層，用丙酮和水洗凈，烘干，得到半透明狀的小晶粒粉。每個采集點取8份樣品(~2 mg)，樣品處理過程在暗室中進行。

樣品熱釋光、光釋光和輻照在 Ris? TL/ OSL DA-15測量儀上完成。熱釋光測量步驟為：5℃/s升溫至450℃測量熱釋光，450℃保溫20 s退火；90Sr放射源以0.116 Gy/s的劑量率輻照100 s、1000 s、2500 s、4000 s后測量熱釋光并退火；再輻照100 s后測量熱釋光、退火，此步驟用于靈敏度校正。

光釋光測量步驟為：5℃/s升溫至260℃，保溫10 s，在125℃下用藍光激發(fā)測量光釋光；冷卻至常溫后，用90Sr放射源以0.116 Gy/s劑量率輻照50 s、200 s、500 s、1000 s、1500 s后，5℃/s升溫至 160℃，保溫10 s在125℃下用藍光激發(fā)測量光釋光；再輻照50 s后測量光釋光，用于靈敏度校正。

2 結果與討論

2.1 光釋光劑量響應

樣品E5輻照50 s后測量的OSL結果如圖1。測量結果用二次指數(shù)衰減模型[12]擬合，擬合優(yōu)度R2=0.9998。將擬合得到的 n1×t1+n2×t2作光釋光的響應。靈敏度修正后，得到三類樣品的OSL劑量響應曲線如圖 2。圖中實線是復合作用劑量響應模型[13]擬合所得的曲線，曲線方程為：

式中，Res為光釋光響應，Res0為擬合系數(shù)，D為輻照劑量，D0為特征劑量，L為一次作用因子。

圖1 E5光釋光曲線及其擬合分析Fig.1 OSL and fitted curves of Sample E5.

圖2 樣品的光釋光劑量響應及其擬合曲線Fig.2 OSL dose response and fitted curves of the samples.

2.2 熱釋光測量及劑量響應

樣品B2輻照100 s后測量的TL結果如圖3。因為未用低于250℃的熱釋光計算TL劑量，也方便與OSL比較，圖3只給出高于260℃的熱釋光。熱釋光曲線可用一般級動力學方程很好擬合[12]：

式中，I為熱釋光強，β=5℃/s為升溫速率，E為激活能，T為溫度，S為頻率因子，k為波爾茲曼常數(shù)，n0為被俘獲電子的濃度，b為動力學級數(shù)。圖3給出一般級動力學熱釋光峰和擬合曲線。其它熱釋光曲線也可類似用多個一般級動力學熱釋光峰擬合。

將熱釋光峰面積之和作為熱釋光的劑量響應，做出三類樣品的熱釋光劑量響應曲線(圖4)。圖中實線是用復合作用劑量響應模型擬合的曲線。我們也做過以熱釋光峰高作為熱釋光劑量響應的曲線[14]，擬合結果基本相似。

圖3 樣品B2熱釋光曲線及其擬合Fig.3 TL and fitted curves of Sample B2.

圖4 熱釋光劑量響應及其擬合曲線Fig.4 TL dose response and fitted curves.

2.3 古劑量計算和討論

將未輻照樣品測量的光釋光曲線擬合得到光釋光響應代入擬合曲線表達式(1)，求出OSL古劑量，對應的數(shù)據(jù)點如圖2中“×”點所示。同樣將未輻照樣品測量的熱釋光曲線高于 260℃的熱釋光擬合得到熱釋光峰面積代入擬合曲線表達式(2)，求出TL古劑量，對應的數(shù)據(jù)點如圖4中“×”點所示。古劑量測量值見表1。

湖光巖瑪爾湖在 14–16萬年前火山爆發(fā)后形成，火山石之前的輻照劑量在火山爆發(fā)時被清空，火山石冷卻后累積輻照劑量。該湖封閉無外流[11]，三類采集地樣品的累積劑量比較接近。湖灘處開闊地帶，砂礫可能受到較多宇宙輻射，累積劑量會略高。實際測量到的TL古劑量數(shù)量級相同，但結果有較大差別；OSL古劑量甚至還存在較大數(shù)量級差別。根據(jù)參考文獻[13]和其它測量，判斷TL測量的取自巖洞內樣品的劑量值75.3 Gy更接近真實的古劑量，這類樣品的OSL和TL測量結果也沒有顯著的數(shù)量級差別。對比表1數(shù)據(jù)，用粗顆粒法測量火山樣品的古劑量值時，TL比OSL方法準確；如果OSL和TL測量結果有顯著數(shù)量級差別，則相對準確的TL古劑量測量值也不太準確，OSL和TL測量結果無顯著數(shù)量級差別時，TL古劑量測量值認為可靠。

表1 兩種方法測量的古劑量值Table 1 Ancient dose value measured with OSL and TL.

石英和長石是釋光測量地質樣品的主要成分。相同光照條件，受到一定劑量輻照后，石英樣品的熱釋光曬退在光釋光衰退至最初強度的0.01趨于顯著；而長石樣品的熱釋光曬退在光釋光衰退至最初強度的0.1趨于明顯[15]。用粗顆粒TL法對地質樣品斷代時，測量樣品的剩余OSL古劑量，判斷地質演變和采樣測量等過程是否會曬退熱釋光曝光，從而判斷TL古劑量測量值的準確性。如果OSL古劑量測量值不小于TL的0.1倍，說明TL在測量前基本沒有曬退，TL古劑量測量值可能是準確的。

3 結論

用粗顆粒法測量湖光巖瑪爾湖周圍地質樣品的TL和OSL，計算樣品TL古劑量測量值和OSL古劑量測量值。對相同樣品，兩種古劑量間存在一些差異；不同采樣點樣品的釋光劑量相差很大；TL古劑量測量值準確的樣品對應兩種釋光古劑量值無明顯數(shù)量級差別。對火山地質樣品斷代時，如果OSL古劑量測量值不小于TL的0.1倍，認為TL在測量前基本沒有曬退，TL古劑量測量值可能是準確的。這一結果對粗顆粒TL法對第四紀中晚期火山斷代有一定參考意義。

1 Daniels F, Boyd C A, Saunders D F. Science, 1953, 117:343–349

2 Wang W D, Xia J D. Ancient TL, 1989, 7(3): 47

3 李虎侯. 科學通報, 1986, 31(5): 372–375 LI Huhou. Chin Sci Bull, 1986, 31(22): 1560–1563

4 Huang B L, Lu L C. Chin J Geochem, 1991, 10(3):257–265

5 Huntley D J, Godfrey-Smith D I, Thewalt M L W. Nature,1985, 313: 105–107

6 Murray A S, Roberts R G, Wintle A G. Radiat Meas,1997, 27(2): 171–184

7 McKeever S W S. Radiat Prot Dosim, 2002, 100(1-4):27–32

8 熊正燁, 唐 強, 張純祥. 中山大學學報(自然科學版),2005, 44(7): 33–36 XIONG Zhengye, TANG Qiang, ZHANG Chunxiang.Acta Sci Nat Univ Sunyatseni, 2005, 44(7): 33–36

9 熊正燁, 張純祥, 唐 強. 核技術, 2005, 28(10):804–808 XIONG Zhengye, ZHANG Chunxiang, TANG Qiang.Nucl Tech, 2005, 28(10): 804–808

10 王淑云, 呂厚遠, 劉嘉麒. 科學通報, 2007, 52(11):1285–1291 WANG Shuyun, LV Houyuan, LIU Jiaqi. Chin Sci Bull,2007, 52(20): 2829–2836

11 Zhou H Y, Guan H Z, Chi B Q. Nature, 2007, 450:E10–E11

12 McKeever S W S. Nucl Instrum Methods in Phys Res B,2001, 184: 29–54

13 Luo D L, Yu K N, Zhang C X, et al. J Phys D: Appl Phys,1999, 32: 3068–3074

14 熊正燁, 唐 強, 陳勁民. 核技術, 2009, 32(4): 277–280 XIONG Zhengye, TANG Qiang, CHEN Jinmin. Nucl Tech, 2009, 32(4): 277–280

15 Godfrey-Smith D I, Huntly D J, Chen W H. Quat Sci Rev,1988, 7: 373–380