張沛全

摘 要：年代學(xué)問題是地質(zhì)學(xué)研究中的核心問題之一，釋光年代學(xué)是年輕地質(zhì)地貌體系系列測定方法中的一種，是確定活動構(gòu)造活動時代與速率的重要方法。本文對釋光年代學(xué)的原理進行簡介，固體能帶理論中的缺陷模型、野外采樣過程和劑量（古劑量和劑量率）測試是該方法的三個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)原理解釋了各個環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵問題，其中對于應(yīng)用者來說，野外采樣過程中的樣品選取、野外樣品基本判定、野外采樣步驟合理是直接影響最后數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)鍵問題。其余環(huán)節(jié)及其中的關(guān)鍵問題也應(yīng)了解和嚴格操作。希望通過本文的總結(jié)能引起釋光方法使用者的注意，讓釋光年代學(xué)更好地服務(wù)于地質(zhì)學(xué)和地貌學(xué)界。

關(guān)鍵詞：年輕地質(zhì)地貌體系 釋光 熱釋光 光釋光 構(gòu)造地貌

中圖分類號：P54 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）08（c）-0200-04

年代學(xué)問題是地質(zhì)學(xué)研究的核心問題之一，已經(jīng)滲透到地質(zhì)學(xué)和地貌學(xué)的各個領(lǐng)域（福爾，1983；陳文寄和彭貴，1991）。對于活動構(gòu)造研究者和構(gòu)造地貌學(xué)者來說，錯動地貌時代和斷層活動時代是兩種常用的判讀構(gòu)造活動時代的方法。錯動地貌包括水平方向的錯動，如斷裂通過地區(qū)引起地貌面錯動（洪積扇、河流階地等），借助測定各級地貌面的時代或同一級地貌面的不同段落可用來確定斷裂的活動時代。如果是垂直方向的錯動，則測定斷層上斷點上土層（或覆蓋層）的年代是關(guān)鍵的。以上方法是間接判斷斷層的方法，那么對斷層物質(zhì)的測定則是直接測定方法（Pierce，1986；Keller，1996；Burbank，2012；）。當(dāng)今地學(xué)界已經(jīng)進入“定量-半定量”化研究的時代，“No data， No rate”的呼聲日益漸高。如果需要研究活動構(gòu)造速率問題，那么地質(zhì)與地貌體系年代學(xué)的數(shù)據(jù)更不能缺少。

在這里，材料決定方法，不同物質(zhì)需要不同的測試方法。問題決定手段，解決不同問題需要不同的手段。不同的方法正如不同的尺子，其度量精度和范圍是不一致的?；顒訕?gòu)造和構(gòu)造地貌關(guān)心第四紀以來構(gòu)造體系和地貌體系的年代。釋光方法是其中一種測定年輕地質(zhì)地貌體系年代的方法。由于釋光（TL和OSL）的年代范圍是活動構(gòu)造和構(gòu)造地貌兩個領(lǐng)域?qū)W者關(guān)切的時域，像地震安全性評價工作中的地震地質(zhì)工作，實質(zhì)上是活動構(gòu)造與構(gòu)造地貌兩個學(xué)科的工程應(yīng)用。在其規(guī)范中，釋光方法是判定斷層活動年代的一種重要參考方法（盧壽德，2005）。因此，從事活動構(gòu)造與構(gòu)造地貌的理論研究和工程應(yīng)用的工作人員必須了解相關(guān)方法的原理及其關(guān)鍵問題，并且在實際工作中謹慎操作。如何采集有用的樣品？如何處理樣品？如何處理測試數(shù)據(jù)？如何解釋數(shù)據(jù)？圍繞這些應(yīng)用者關(guān)心的問題，該文首先介紹了年輕地質(zhì)地貌年代學(xué)的一些時域和相關(guān)測試材料；其次，再介紹釋光年代學(xué)的原理，以及各個步驟中的注意事項，在解釋過程中對上述問題逐一進行回答。

1 釋光年代學(xué)方法原理

結(jié)晶固體在其形成和在自然界存在的過程中，接受了來自外圍環(huán)境和宇宙中的放射性核輻射，固體晶格受到輻射影響或損傷后，以內(nèi)部電子的轉(zhuǎn)移來貯存和輻射帶給晶體的能量。釋光是貯存能量受到熱或光激發(fā)時重新以光的形式釋放出來的一種物理現(xiàn)象。晶體被熱激發(fā)產(chǎn)生熱釋光（TL），被光激發(fā)產(chǎn)生光釋光（OSL）。所有測年方法都涉及到計時起點的問題，也即歸零問題。釋光的歸零原理是假定沉積物顆粒經(jīng)過充分曝光或經(jīng)過高溫加熱后將原來存儲的能量曬退或清零后，重新被埋藏接受周圍環(huán)境的輻射，重新貯存能量。也就是說，在實驗室里使用熱或光激發(fā)出的釋光信號代表了樣品最后一次受熱或曝光后埋藏至今的時間（圖1）。因此，更全面地說，釋光測年技術(shù)是一種基于環(huán)境核輻射效應(yīng)的測年方法。

環(huán)境輻射主要來自于鈾、釷、鉀衰變產(chǎn)生α、β、γ射線以及宇宙射線的輻射能。這些環(huán)境輻射被沉積物顆粒記錄以后代表了歷史階段的劑量，稱為古劑量或等效劑量（De、Dose）。如果能獲取周邊環(huán)境每年產(chǎn)生的輻射的劑量，即劑量率（Dose rate），利用兩者的數(shù)值做商即可換算成一個年齡。亦即，Age（ka）=Dose（Gy）/Dose rate（Gy.Ka-1）。從圖1中不難發(fā)現(xiàn)，釋光測年技術(shù)是一個圍繞著釋光信號產(chǎn)生、野外樣品采集和劑量測試過程開展的研究。因此，其關(guān)鍵環(huán)節(jié)主要有：（1）固體能帶理論中的缺陷模型。（2）野外采樣過程。（3）劑量（古劑量和劑量率）測試方法。

2 釋光方法的關(guān)鍵問題

釋光方法涉及的缺陷模型、晶格理論、曬退后重新計時理論，與應(yīng)用者相關(guān)的有野外采集、實驗室測試和數(shù)據(jù)解釋等幾個問題，理論問題這里不做論述。有興趣者可參見李虎侯（1997）、L. Botter-Jensen et al（2003）、Wintle（2008）。下面介紹原理中的各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并結(jié)合各環(huán)節(jié)的重點提出了該方法在應(yīng)用時的注意事項。

2.1 野外樣品采集

釋光方法的測試材料是石英和長石。那么哪些樣品中含有這些物質(zhì)？其實大部分地表沉積物中都含有這兩種礦物。但是，目前能得到較好解釋的沉積物只有幾種。這些沉積物需要符合一些條件。盧演儔等（1995）指出OSL樣品應(yīng)滿足以下條件：（1）沉積物中的石英等碎屑礦物在搬運、沉積過程中曾暴露在陽光下，即使暴露的時間很短暫。（2）這些石英等碎屑礦物的OSL信號具有足夠高的熱穩(wěn)定性，即在常溫下不發(fā)生衰減。（3）沉積層沉積埋藏以來，這些石英等碎屑礦物處在恒定的電離輻射場里，它們所接收輻射劑量率為常數(shù)，這要求沉積層基本上處于鈾、釷封閉體系或鈾、釷處于動態(tài)平衡。那么，符合條件的沉積物有風(fēng)成物（黃土、沙漠沙）、水成沉積物（河流沉積物、沖積物、湖湘沉積）、冰水沉積、海嘯沉積、古地震崩積物等（李虎侯，1999；計鳳桔等，1999）。

從理論條件控制來說，野外避光最重要的是避光采樣，目前多采用鋼管取樣。但鋼管取樣會引起另外一個問題，口徑的尺寸對沉積物的層位來說，可能已經(jīng)包含了許多年的誤差，亦即鋼管取樣的樣品內(nèi)部已經(jīng)包含了多年的樣品，是某個時段的多年平均年齡。這種誤差對沉降速率很低的樣品，會引起較大誤差。此外，一個常被忽略的問題是野外樣品的含水量保持。由于水對核輻射能有吸收作用，也即造成了鈾釷鉀體系的不平衡。因此，含水量的誤差對劑量計算會產(chǎn)生較大的影響。此外，野外需要測量樣品埋藏位置到地表的深度。這對于數(shù)據(jù)校正過程中，考慮宇宙射線對樣品影響和判斷地下水位置有著重要參考意義。從這些假定來講，樣品采集還涉及成因判斷和就位解釋。張家富等（2007）建議地質(zhì)學(xué)家應(yīng)與年代學(xué)家在采樣前共同商定，年代學(xué)家最好能到野外參與現(xiàn)場直接采樣。這樣就可以減少樣品的地質(zhì)意義的不確定性。

目前針對不同的沉積物有不同的采用方法，如：單點采樣、多點采樣、序列采樣、鉆孔采樣等等。對于研究環(huán)境和地貌的學(xué)者來說，上面的采樣方法就足夠了。對于斷層活動的學(xué)者，斷層上斷點的上覆蓋層也可以參考。

2.2 劑量測試

劑量測試包括古劑量（等效劑量）和劑量率的測試。對古劑量的測試之前，需要進行石英或長石的提取、分選、純化、制靶等工作步驟（詳細情況見賴忠平和歐先交，2013）。然而，由于沉積物的粒徑不同，其信號的曬退或歸零所需時間并不一致。針對不同粒徑的沉積物應(yīng)選用不同的提純方法，詳見楊會麗（2013）及賴忠平和歐先交（2013）。對粗顆粒而言，粒徑要控制在180～250μm，因為β射線不能穿透>300μm的距離（計鳳桔、王昌盛，2014，私人交流）。在提取石英過程中，應(yīng)注意化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的熱量對樣品的影響，應(yīng)留意反應(yīng)過程，及時稀釋溶液濃度以達到降溫的目的（覃金堂、王昌盛，2012，私人交流）。

就古劑量或等效劑量測試而言，趙華（1999）認為在實驗室中等效劑量就是產(chǎn)生天然釋光信號所需的實驗輻射劑量，可通過建立OSL信號強度與輻照劑量的關(guān)系函數(shù)，即OSL信號隨輻照劑量的生長曲線來測定。等效劑量的測定不僅涉及到釋光測年的理論和模型，而且直接關(guān)系到具體的實驗技術(shù)和實驗程序。具體選用何種方法主要取決于下面幾點：（1）樣品釋光信號對劑量的響應(yīng)是否呈線性。（2）樣品的釋光信號在沉積埋藏前是否充分曬退。（3）實驗室光曬退和β源照射及預(yù)熱過程是否會引起樣品釋光感量的變化。已有的測試方法有：附加劑量法（ADM，Additive Dose Method）、部分曬退法（PBM，Partial Bleach Method）、再生劑量法（RM，Regeneration Method）、澳大利亞滑移技術(shù)、單片再生法（SAR），簡單多片再生法（SMAR），單顆粒技術(shù)，單片再生法（SAR）與標準生長曲線（SGC）相結(jié)合的SAR-SGC法。這些方法各有長處和短處，這里不一一指出。詳細情況請見趙華（1999），陳杰等（1999），Murray （2000），王旭龍（2005），楊會麗（2013），賴忠平（2013）等人的介紹。

國內(nèi)外的釋光研究者都在關(guān)注和發(fā)展等效劑量的測量方法，并不斷提高其測量精度的研究，而對環(huán)境劑量率的研究相對較少。環(huán)境劑量率是礦物（石英、長石）每年或者每千年所吸收的劑量，又稱為年劑量。年劑量來源于礦物周圍或者內(nèi)部放射性核素（U、Th、K）衰變產(chǎn)生的a、β、γ射線及宇宙射線的作用，在自然界的土中，α射程僅有0.03 mm，β射程為3 mm，而γ射線射程為30 cm。由于γ射程可達30 cm，這就要求在采集樣品時，需要去除表面30 cm，并且要采集30 cm內(nèi)巖性比較均一的樣品，才能具有代表性。目前釋光測年中環(huán)境劑量率的測量方法根據(jù)所測量的對象可分為直接測量法和間接測量法。直接測量法就是用AL2O3：C，CaSO4：Dy，CaF2：Dy等劑量片就地埋藏一段時間后，帶回實驗室利用釋光儀器直接測得α、β、γ射線產(chǎn)生的輻射劑量率；也可采用便攜式Gamma譜儀就地測量。間接測量是通過測量樣品中放射性元素含量或者α、β、γ射線計數(shù)率來計算樣品的年劑量率。放射性元素U、Th、K含量常用的測量方法有：中子活化分析、ICP-MS、X射線熒光（XRF）和K含量聯(lián)合測量法，這些方法必須在長周期放射性核素鈾和釷處在平衡體系中才能準確測量。α、β、γ射線計數(shù)測量常用的方法有：厚源α計數(shù)儀和K含量聯(lián)合測量法、高純鍺gamma譜儀等方法。但是地震相關(guān)堆積物一般為近緣快速混雜堆積，很難保證30 cm內(nèi)的巖性均一性，這就為環(huán)境劑量率的測量帶來了難度。楊會麗（2013）在其博士論文中對此進行了較全面的總結(jié)，可參見其成果。

2.3 數(shù)據(jù)處理和分析

就一套完整的測試程序來說，以上步驟基本結(jié)束。但對應(yīng)用者來說，更關(guān)心的是信號的品質(zhì)和數(shù)據(jù)的解釋。該步驟應(yīng)該由年代學(xué)家和地質(zhì)學(xué)家（應(yīng)用者）共同分析，這里不做贅述。一份測試報告中，一般包括一幅釋光信號衰減曲線圖和一幅生長曲線圖。衰減曲線和生長曲線都是根據(jù)儀器測試數(shù)據(jù)進行作圖和計算所得到的。根據(jù)兩者就可以知道樣品信號的品質(zhì)和樣品信號生長趨勢，在評價樣品的年齡時就可以較準確地評價了。然而，這兩張圖往往是容易被應(yīng)用者所忽略的。

3 結(jié)語

綜上所述，年代學(xué)應(yīng)用者首先需要明確需要解決的地學(xué)問題，每一種方法都不是萬能的。對于釋光方法的應(yīng)用者來說，在應(yīng)用時應(yīng)注意以下幾點。

（1）野外采樣是獲得合理科學(xué)數(shù)據(jù)的重中之重，應(yīng)從源頭抓起。

（2）避光問題貫穿實驗的大部分過程，避光是首要問題。野外采樣、實驗室前處理、制樣等都需要避光。

（3）就野外樣品采集而言，采集有意義的樣品、樣品的野外判定（減少地質(zhì)評價誤差）、避光采樣、保持更真實含水量等問題是野外采樣的關(guān)鍵問題。

（4）就實驗室處理而言，除了避光外，在減少樣品量的損失情況下獲得更純凈的石英或長石、控制化學(xué)反應(yīng)熱對樣品信號造成不確定性等問題是實驗室處理時注意的問題。

（5）就數(shù)據(jù)處理和分析而言，判斷數(shù)據(jù)質(zhì)量、讀取曲線中的信息等是關(guān)鍵問題。

（6）原理中的三個關(guān)鍵問題均具有假設(shè)條件，在三者未有新的研究成果前，上述5點需要嚴格操作和認真學(xué)習(xí)。

（致 謝：中國地震局地質(zhì)研究所新構(gòu)造與年代學(xué)研究室陳杰研究員、劉春茹副研究員、覃金堂博士后、楊會麗博士、王昌盛實驗員為本人的學(xué)習(xí)、生活和實驗條件提供了支持，與他們進行的廣泛交流獲得了豐富的收獲。計鳳桔研究員無私的指導(dǎo)，讓本人對年輕地質(zhì)地貌年代學(xué)體系有了深入的了解。廣西壯族自治區(qū)地震局和廣西工程防震研究院的領(lǐng)導(dǎo)們和同事們對筆者出訪給予了大力支持，在此一并表示衷心的感謝?。?/p>

參考文獻

[1] G.福爾，著.同位素地質(zhì)學(xué)原理[M].潘曙蘭，喬廣生，譯.北京：科學(xué)出版社，1983：1-351.

[2] 陳文寄，彭貴.年輕地質(zhì)體系的年代測定[M].北京：地震出版社，1991：1-297.

[3] Edward A.Keller and Nicholas Pinter.Active Tectonics： Earthquake，Uplift，and Landscape[M].Prentice Hall，1996：319-322.

[4] D W.Burbank and R S.Anderson.Tectonic Geomorphology（SecondEdition）[M].WILEY-BLACKWELL，2012：52.

[5] 盧壽德.GB17741—2005《工程場地地震安全性評價》宣貫教材[M].北京：中國標準出版社，2006：32-47.

[6] 趙華.華北晚第四紀黃土及水沉積物光釋光測年研究[D].中國科學(xué)院黃土與第四紀地質(zhì)重點實驗室博士學(xué)位論文，1999：1-123.

[7] 王維達.中國熱釋光與電子自旋共振測定年代學(xué)研究[M].北京：中國計量出版社，1997：1-495.

[8] 盧演儔，尹功明，陳杰，等. 第四紀沉積物的光釋光測年[J].地球科學(xué)—中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報，1995，20（6）：668.

[9] 張家富，周力平.釋光技術(shù)在構(gòu)造事件定年中的應(yīng)用[J].核技術(shù)，2007，30（11）：934-939.

[10] 李虎侯.釋光技術(shù)測定年齡的現(xiàn)狀[J].第四紀研究，1997（3）：240-257.

[11] L.Botter-Jensen，S.W.S.McKeever，A.G.Wintle.Optically StimulatedLuminescence Dosimetry[M].Elsevier Science，2003：1-355.

[12] ANN G.Wintle.Luminescence dating：where it has been and where it is going[J].BOREAS，2008（37）：471-482.

[13] 李虎侯，1999.光釋光（OSL）測年方法及其應(yīng)用[C].陳文寄，彭貴主編.年輕地質(zhì)體系的年代測定[M].北京：地震出版社，1999：156-183.

[14] 計鳳桔，鄭公望，李建平.熱釋光（TL）技術(shù)應(yīng)用的新進展[C].陳文寄，彭貴主編.年輕地質(zhì)體系的年代測定[M].北京：地震出版社，1999：184-206.

[15] 賴忠平，歐先交.光釋光測年基本流程[J].地理科學(xué)進展，2013，32（5）：683-693.

[16] 楊會麗.地震相關(guān)快速沉積物釋光測年研究[D].中國地震局地質(zhì)研究所博士論文，2013：1-134.

[17] 陳杰，盧演儔，魏蘭英，等.第四紀沉積物光釋光測年中等效劑量測定方法的對比研究[J].地球化學(xué)，1999，28（5）：443-452.

[18] Murray A.S.，Wintle A G.Luminescence dating of quartz using an improved single-aliquot regenerative-dose protocol[J].Radiation Measurements，2000，32（1）：57-73.

[19] 王旭龍，盧演儔，李曉妮.細顆粒石英光釋光測年：簡單多片再生法[J].地震地質(zhì)，2005，27（4）：383-387.