冲积物石英ESR测年的研究
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发布时间：2022-04-24 00:40
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时间：2023-10-16 00:09
业渝光 和杰 少波 高钧成
（地质矿产部海洋地质研究所） （中国计量科学研究院）
提要 使川电子自旋共振（ESR）技术用冲积物中石英的Ge心信号测定冲积物埋藏年龄取得成功，由Ge心测得的ESR年龄和热释光年龄一致，与层位相应，符合地质背景，个个有使用价值。同时，对天然辐射总剂量的求取和Ge心ESR年龄的可靠性等问题也作了一些讨论。
ESR测年（Electron Spin Resonance dating）是近 10年来迅速发展的一种测定第四纪物质年代的新技术，它的主要特点是测年范围大（包括了整个第四纪），样品用量少，制样简便，成本低廉，便于批量测试等，是一种极有潜力的第四纪年代测定方法。自1986年科技大学黄培华等人在国内首次报道了第一批ESR测年数据以来，科技大学、国家地震局地质研究所、北京大学和地矿部海洋地质研究所等单位相继报道了一些 ESR测年的研究情况。所研究的样品大致分为两类，一类为碳酸盐；另一类是石英。石英是自然界中分布最广泛的矿物之一，对它进行ESR测年的研究无疑是十分有意义的。
1 基本原理
样品经阳光暴晒或受热后，样品中石英的某些ESR信号可以消退为零，当这些石英被流水冲积埋藏后，由于受到周围物质中铀、钍、钾等杂质放射性衰变所造成的电离辐射，石英的某些ESR信号随着埋藏时间的增加而增大。用附加剂量法在ESR谱仪上测定石英的这些ESR信号，就可以求出石英的天然辐射总剂量，然后根据样品周围物质中铀、钍、钾的含量可计算出年剂量，最后求出ESR年龄。
石英经人工辐照后，室温条件下，在 ESR谱仪上可观测到3个辐射诱发的信号：OHC心（g=2.008）——氧的空穴心；E′心（g=2.001）——氧空位的电子心；Ge心（g=1.997）——锗离子置换硅位置的电子心。以往人们用ESR方法测定沉积物的埋藏年龄时，大多使用石英E′心的ESR信号，但是E′心的ESR信号经阳光照晒后不但不消退反而增长，这就难以满足沉积物测年方法建立的前提。测出来的ESR年龄可能不是沉积物沉积时的年龄，而是石英受最后一次热作用时的年龄。石英Ge心ESR信号受阳光照晒后可以消退为零，有人曾用它测过海滩砂和断层的ESR年龄。鉴于石英Ge心的这种ESR特性，我们进行了用石英Ge心测定冲积物ESR年龄的实验研究。
2 样品及实验结果
山东半岛海滨区蕴藏着丰富的砂金资源，砂金矿体主要赋存于冲积层底部和基岩风化壳表层，测定这些砂金矿体的成矿年代有着重要的理论和实际意义，样品为含砾砂、砂质粉砂和粘土质粉砂，取自山东招远市两个富砂金的古河床钻孔和河流阶地。取样地点和层位见表1。
表1 样品的ESR年龄及有关参数
图1 石英的ESR波谱图
样品在水中冲洗筛取0.1～0.25mm粒组，加入H2O2除去有机物，冲洗干净后在6N HCl中浸泡一天以上以除去碳酸盐，然后在浓HF酸中酸蚀1～2h除去长石以及石英颗粒的表层，冲洗至中性在40℃烘干，最后用WCF-2多用磁选机去掉磁性矿物。处理后的样品等分成5～8份，每份250mg左右，用60CO放射源以不同的剂量进行人工辐照，在样品中夹有丙氨酸/ESR剂量计，通过测定丙氨酸/ESR剂量计，可以准确地得到人工辐照的剂量值。辐照后的样品放置一周以上，在JES-FEIXG ESR谱仪上测量。测试的条件是：室温，X波段，微波功率2mW，调制幅度0.08mT，磁场扫描范围337±5mT。样品的ESR波谱图见图1，选用Ge心（g=1.997）作为测年信号，测定结果见表1。用原子吸收技术测定K20含量，样品的U、Th含量是用a对分析技术测定的，U含量很低近于零，一昼夜也难测到几个计数，采用有限介质模式计算年剂量率，因石英表层已被浓 HF酸蚀剥掉外层，故忽略了a辐射的贡献。宇宙射线的贡献同Prescott等（1982），样品中含水量20%左右，故β和γ辐射的校正系数为0.8。
3 讨论
3.1 天然辐射总剂量（TD）的求取
在用附加剂量法求取TD值时，一般采用两种拟合方式——线性拟合和指数拟合，我们采用线性拟合求取TD值，主要考虑到这批样品Ge心ESR信号对辐照剂量的响应灵敏度较低，有些样品天然辐射时Ge的ESR信号和仪器噪声信号难以区分。若采用指数拟合方法，势必TD值偏小，甚至成为正值，这显然不合理。这批样品对辐射剂量的响应分两种情况，①Ge心的ESR信号随辐照剂量的增大而增长，如l＃、2＃、4＃、5＃、6＃和8＃样品；②Ge心的ESR信号随辐照剂量的增大，有时增长有时反而减小，如3＃和7＃样品。我们认为这和样品的本身有关。冲洪积成因的沉积物不同于断层内物质，它们极有可能是由经受了各种不同搬运历程的石英所组成，即石英的来源和埋藏时间不同，而在流水作用下混合在一起，可能是等分样品时没有混合均一的缘故。在这种情况下，只有TD值最小的石英埋藏时间才最接近于沉积物的沉积时间。其次，既然采用线性拟合的方法，那么就要遵循线性增长的规律，线性相关系数应该比较高。第三，为了具有代表性，曲线拟合的数据点尽量多。基于这三点考虑，我们选取那些线性相关系数高拟合数据点多，而拟合数值最小的值作为TD值。具体做法见图2，各样品的TD值均采用这种方法求取。
图2 天然辐射总剂量求取图
·—2＃样品的数据；×—7＃样品的数据点；实线为求取 TD的直线，虚线为可能求取 TD的直线
3.2 Ge心求取ESR年龄的可靠性
我们首次提出用上述方法求取TD值，为了和其他测年方法对比，还做了两个热释光年龄。8＃样品热释光年龄为113.7ka;5＃样品同一层位稍上一些的诸流河丁家庄南公路旁采取样品的热释光年龄为147.5ka，这些样品的热释光年龄和ESR年龄一致。样品的ESR年龄和所在层位相应，而且符合地质情况，这些ESR年龄个个可用，这表明它们是可靠的。
Buhay等（1988）曾做过石英的晒褪实验，石英经阳光暴晒10h后，Ge心的ESR信号可完全回零。这些沉积物在埋藏前必经受阳光的照晒，可满足ESR测年时信号回零的要求。相反这些样品用E′心求取的ESR年龄要比Ge心求取的ESR年龄大得多，而且年代和层序上下颠倒和地质情况相差甚远，这和E′心ESR信号的光效应特性有直接关系。需要说明的是，我们用Ge心测得的冲积物ESR年龄是样品最老的沉积年代，这是因为有可能冲积物在埋藏后被水流冲走并没有再暴露于阳光之中，而沉积在取样地点，估计这个过程时间不会太长。
关于石英Ge心寿命没有文献报道过，但Fukuchi(19）报道过断层内石英Ge心的ESR年龄超过1Ma，和A1心与OHC心测得的年龄基本一致，这表明Ge心的寿命最少有1Ma，完全满足本文冲积物ESR测年的需要。
通过以上讨论我们可看出，Ge心的ESR特性（光效应、寿命等）可满足沉积物ESR测年的需要，由Ge心得到的ESR年龄和热释光年龄一致，层位相应，符合地质情况，个个有使用价值，这说明用本文提出的方法测得的ESR年龄是可靠的。这种技术使石英的ESR测年向前进了一大步，必将对年轻沉积物年代学的研究产生深远的影响，为ESR在第四纪地质学中的应用展现了令人鼓舞的前景。
海洋地质研究所刘洪树同志提供了样品和有关资料，北京大学地理系郑公望同志给了极大的帮助，在此一并致谢。
参考文献（略）
（地质科技情报，1991.6,Vol.10,2期，93～96页
