地震地质 ›› 2024, Vol. 46 ›› Issue (3): 699-722.DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2024.03.011
秦可心1)(
), 胡贵明1),*(
), 刘静1,2), 沈续文1), 高云鹏1), 王文鑫1), 温欣语1), 蒋帅宇1)
收稿日期:2023-05-18
修回日期:2023-09-18
出版日期:2024-06-20
发布日期:2024-07-19
通讯作者:
*胡贵明, 男, 1989年生, 博士, 助理研究员, 主要从事释光方面的研究, E-mail: guiming_32@tju.edu.cn。
作者简介:秦可心, 女, 1999年生, 现为天津大学地球系统科学学院地理学专业在读硕士研究生, 主要从事释光低温热年代学和构造地貌方面的研究, E-mail: qin_kexin@outlook.com。
基金资助:
QIN Ke-xin1)(
), HU Gui-ming1),*(
), LIU-ZENG Jing1,2), SHEN Xu-wen1), GAO Yun-peng1), WANG Wen-xin1), WEN Xin-yu1), JIANG Shuai-yu1)
Received:2023-05-18
Revised:2023-09-18
Online:2024-06-20
Published:2024-07-19
摘要:
矿物晶体中累积的释光信号与其暴露在辐射环境中的时间相关, 可用于测定沉积物年代。近年来, 依托石英和长石2种矿物释光信号的测年方法日臻成熟, 但这2种矿物的释光信号过早饱和, 限制了其测年上限(通常<300ka)。前人研究表明, 方解石亦有可能成为热释光测年材料, 因为其热释光信号对剂量响应的灵敏度高, 且特征饱和剂量约可达3 000~5 000Gy, 有望将释光测年范围扩展至第四纪尺度。特别地, 这一技术的发展也将拓展目前仅限于剥露速率极高地区的释光低温热年代学的应用范围, 使其更好地贡献于地貌演化和构造活动的研究。文中对方解石热释光的基本原理和测年流程进行了简要概括, 总结了方解石热释光测年应用及动力学参数的研究成果。此外, 利用方解石热释光技术对虎跳峡段的基岩样品进行了测试, 结果表明, ITL-235℃释光信号可用于该地区剥露历史的恢复工作。同时, 文中基于上述内容讨论了方解石热释光技术的应用潜力和待解决问题, 以期为该技术在构造地貌领域的应用提供帮助。
秦可心, 胡贵明, 刘静, 沈续文, 高云鹏, 王文鑫, 温欣语, 蒋帅宇. 方解石热释光定年技术的发展历史与展望[J]. 地震地质, 2024, 46(3): 699-722.
QIN Ke-xin, HU Gui-ming, LIU-ZENG Jing, SHEN Xu-wen, GAO Yun-peng, WANG Wen-xin, WEN Xin-yu, JIANG Shuai-yu. DEVELOPMENT AND PROSPECT OF THERMOLUMINESCENCE DATING BY USING CALCITE[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2024, 46(3): 699-722.
图1 方解石、 钾长石、 石英释光测年范围对比(修改自Duller et al., 2018)
Fig. 1 Luminescence dating ranges of calcite, potassium feldspar and quartz(modified from Duller et al., 2018).
图2 电子捕获和释放的示意图(修改自King et al., 2016a). a 矿物晶格缺陷示意图, 如空穴、 间隙、 杂质; b 自由电子受到辐照后被陷阱捕获; c 当样品受到热激发时, 被捕获的电子由于温度升高逃离捕获点并重新与发光中心结合, 以光的形式释放一部分能量
Fig. 2 Schematic diagrams of electron trap and release( modified from King et al., 2016a).
图3 附加剂量法与再生剂量法(修改自Aitken, 1985) a P为古剂量, I为校正部分, Q为获得的等效剂量, N为自然剂量, β为实验室添加剂量, 至少需要构建2个附加剂量点, 图中的N+β、 N+2β; b N为自然剂量, 通过内插至热释光信号-剂量响应曲线获得
Fig. 3 Additive dose method and regenerative dose method(modified from Aitken, 1985).
图7 高饱和水平样品坪区实验(修改自Bassinet et al., 2006) TLn为自然发光曲线, R1—R4为给定不同附加剂量后的发光曲线。圆点为等效剂量值, 在峰值附近(±20℃)存在坪区
Fig. 7 Plateau-Test of high equivalent dose sample(modified from Bassinet et al., 2006).
| 文献 | 测年样品类型 | 测年结果/ka |
|---|---|---|
| Johnson, | 接触变质 | 岩浆温度 |
| Johnson et al., | 贝壳方解石 | 3.16±0.16、6.00、2.10±0.3、6.10±0.8、7.25±0.2、8.70±0.2、9.75±0.25、7.00×101、7.00×103、1.80×104、3.30×104、5.00×104、1.00×105 |
| Debenham et al., | 石笋方解石 | 3.00×102 |
| Matsuoka et al., | 鱼骨化石 | 测量了s和E |
| Debenham et al., | 石笋方解石 | 26±13、181±49、131±27、205±36、160±20、168±27、178±32、110±20、107±18、103±17、103±14、157±19、86±30、187±41、163±64、241±47、279±46、262±39、233±69、169±34、167±57、128±18、159±22、281±33、229±21、259±31、298±33 |
| Franklin et al., | 次生方解石脉 | 5500、4100 |
| Ninagawa et al., | 扇贝科 方解石壳 | 440±60、(680±120)ka、(640±110)ka、(530±90)ka、540±100、550±140、690±180、560±130、480±110、480±140、360±100、550±90、670±110、500±70、490±60、550±70、410±50、380±50、370±50、290±40、100±20、130±20、110±20、120±30 |
| Carmichael et al., | 贝壳方解石 | 存在信号损失 |
| Ninagawa et al., | 贝壳方解石 | 400±60、400±40、150±20、17±2、12±2 |
| Lirizis et al., | 建筑石灰石 | 3.7±0.45、1.7±0.45 |
| Engin et al., | 钙华 | 828±93 |
| Roque et al., | 洞穴碎石 | 18.1±2.6、20.2±2.0 |
| Ninagawa et al., | 石灰岩样品 | (280~322)±16、(722~877)±99、(193~208)±10、(241~259)±11、(166~174)±12、(158~163)±9、(950~1060)±127 |
| Misdaq et al., | 石笋和钟乳石 | 121.06±10、116.00±7、110.00±6、104.00±6、81.00±7、69.00±4 |
| Polikreti et al., | 大理石器物 | 2.57±0.441 |
| Liritzis, | 岩板中的方解石 | 3.52±0.54 |
| Guibert et al., | 墙上的石灰石 | 36.9±2.3 |
| 洞穴入口碎石 | 34.3±2.9 | |
| Yee et al., | 钟乳石 | 805.4±7.6、789.8±7.8、708.9±7.9、761.6±8.1、707.3±8.3 |
表1 方解石热释光应用统计
Table1 Statistical summary of calcite thermoluminescence studies
| 文献 | 测年样品类型 | 测年结果/ka |
|---|---|---|
| Johnson, | 接触变质 | 岩浆温度 |
| Johnson et al., | 贝壳方解石 | 3.16±0.16、6.00、2.10±0.3、6.10±0.8、7.25±0.2、8.70±0.2、9.75±0.25、7.00×101、7.00×103、1.80×104、3.30×104、5.00×104、1.00×105 |
| Debenham et al., | 石笋方解石 | 3.00×102 |
| Matsuoka et al., | 鱼骨化石 | 测量了s和E |
| Debenham et al., | 石笋方解石 | 26±13、181±49、131±27、205±36、160±20、168±27、178±32、110±20、107±18、103±17、103±14、157±19、86±30、187±41、163±64、241±47、279±46、262±39、233±69、169±34、167±57、128±18、159±22、281±33、229±21、259±31、298±33 |
| Franklin et al., | 次生方解石脉 | 5500、4100 |
| Ninagawa et al., | 扇贝科 方解石壳 | 440±60、(680±120)ka、(640±110)ka、(530±90)ka、540±100、550±140、690±180、560±130、480±110、480±140、360±100、550±90、670±110、500±70、490±60、550±70、410±50、380±50、370±50、290±40、100±20、130±20、110±20、120±30 |
| Carmichael et al., | 贝壳方解石 | 存在信号损失 |
| Ninagawa et al., | 贝壳方解石 | 400±60、400±40、150±20、17±2、12±2 |
| Lirizis et al., | 建筑石灰石 | 3.7±0.45、1.7±0.45 |
| Engin et al., | 钙华 | 828±93 |
| Roque et al., | 洞穴碎石 | 18.1±2.6、20.2±2.0 |
| Ninagawa et al., | 石灰岩样品 | (280~322)±16、(722~877)±99、(193~208)±10、(241~259)±11、(166~174)±12、(158~163)±9、(950~1060)±127 |
| Misdaq et al., | 石笋和钟乳石 | 121.06±10、116.00±7、110.00±6、104.00±6、81.00±7、69.00±4 |
| Polikreti et al., | 大理石器物 | 2.57±0.441 |
| Liritzis, | 岩板中的方解石 | 3.52±0.54 |
| Guibert et al., | 墙上的石灰石 | 36.9±2.3 |
| 洞穴入口碎石 | 34.3±2.9 | |
| Yee et al., | 钟乳石 | 805.4±7.6、789.8±7.8、708.9±7.9、761.6±8.1、707.3±8.3 |
| 步骤 | 程序 | 结果 |
|---|---|---|
| 1 | 附加剂量, Di | |
| 2 | 预热(T=240℃, 0s) | 去除不稳定信号 |
| 3 | TL(5℃/s) | 热释光信号强度, Ln/Lx |
| 4 | 称重 | 质量归一化 |
表2 MAAD测量程序
Table2 Thermoluminescence measurement sequence of MAAD
| 步骤 | 程序 | 结果 |
|---|---|---|
| 1 | 附加剂量, Di | |
| 2 | 预热(T=240℃, 0s) | 去除不稳定信号 |
| 3 | TL(5℃/s) | 热释光信号强度, Ln/Lx |
| 4 | 称重 | 质量归一化 |
图 11 a—c 利用MAAD-TL测量HT21获得的热释光信号-剂量响应曲线; d 利用MAAD-TL测量获得HT21的等效剂量; e 利用SAR-ITL测量获得HT23-13的等效剂量 黑色方形点为每组测片的平均值, 黑色实线为单一饱和指数函数 y = y 0 + a × 1 - e x p ~ - D e D 0拟合结果
Fig. 11 Dose response curves of the MAAD-TL at 255℃, 285℃, 330℃(a—c); De values from the MAAD-TL for HT21(d); De values from the SAR-ITL for HT23-13(e).
| 步骤 | 程序 | 结果 |
|---|---|---|
| 1 | 再生剂量, Di | |
| 2 | 预热(T=230℃, 0s) | 去除不稳定信号 |
| 3 | ITL-100s(220~260℃,间隔5℃, 5℃/s) | 获得等温衰退曲线, Ln/Lx |
| 4 | 检验剂量, Dt=120Gy | 灵敏度校正 |
| 5 | 预热(T=230℃, 0s) | 去除不稳定信号 |
| 6 | ITL-100s(220~260℃,间隔5℃, 5℃/s) | 获得等温衰退曲线, Tn/Tx |
| 7 | 加热(T=300℃, 10s) | 清除累积信号 |
| 8 | 循环上述步骤 |
表3 SAR-ITL测量程序
Table3 Thermoluminescence measurement sequence of SAR-ITL
| 步骤 | 程序 | 结果 |
|---|---|---|
| 1 | 再生剂量, Di | |
| 2 | 预热(T=230℃, 0s) | 去除不稳定信号 |
| 3 | ITL-100s(220~260℃,间隔5℃, 5℃/s) | 获得等温衰退曲线, Ln/Lx |
| 4 | 检验剂量, Dt=120Gy | 灵敏度校正 |
| 5 | 预热(T=230℃, 0s) | 去除不稳定信号 |
| 6 | ITL-100s(220~260℃,间隔5℃, 5℃/s) | 获得等温衰退曲线, Tn/Tx |
| 7 | 加热(T=300℃, 10s) | 清除累积信号 |
| 8 | 循环上述步骤 |
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