湖光巖砂石的釋光劑量研究

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(xué)理學(xué)院 湛江 524088)

2 (中山大學(xué)理工學(xué)院 廣州 510275)

熱釋光(Thermoluminescence, TL)年代測(cè)定應(yīng)用始于20世紀(jì)50年代初[1,2]，是測(cè)定古代陶器、磚瓦等燒制年齡的有效手段，20多年前擴(kuò)展至黃土年齡的測(cè)定研究[3,4]。在地學(xué)領(lǐng)域，TL斷代法可測(cè)定有確定受熱史或有明確計(jì)時(shí)起點(diǎn)的年輕地質(zhì)樣品的年齡，第四紀(jì)火山巖就屬于這一類。光釋光(Optical Stimulated Luminescence, OSL)在地質(zhì)年代測(cè)量、文物鑒定及劑量學(xué)其它領(lǐng)域有重要應(yīng)用，近年來研究異常活躍。1985年Huntley等[5]提出用OSL對(duì)地質(zhì)沉積物的年代進(jìn)行測(cè)量，后來Murray等[6]改進(jìn)單片再生劑量法(SAR)技術(shù)，使測(cè)量方法更完善。關(guān)于光釋光機(jī)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(jí)傳輸?shù)綇?fù)合中心[7]。不少材料中光釋光陷阱與熱釋光陷阱關(guān)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(jìn)一步深入研究。地質(zhì)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(jì)火山瑪爾湖湖光巖[10,11]采樣加工，進(jìn)行釋光測(cè)量研究，以研究兩種釋光間的關(guān)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(diǎn)。一是火山壁上的巖洞，巖洞內(nèi)底部有層厚厚的火山巖風(fēng)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(yuǎn)的平坦的岸邊沙土。每一類都選取三個(gè)采樣點(diǎn)，共9個(gè)(編號(hào)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(jī)質(zhì)，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(gè)采集點(diǎn)取8份樣品(~2 mg)，樣品處理過程在暗室中進(jìn)行。

樣品熱釋光、光釋光和輻照在 Ris? TL/ OSL DA-15測(cè)量儀上完成。熱釋光測(cè)量步驟為：5℃/s升溫至450℃測(cè)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(cè)量熱釋光并退火；再輻照100 s后測(cè)量熱釋光、退火，此步驟用于靈敏度校正。

光釋光測(cè)量步驟為：5℃/s升溫至260℃，保溫10 s，在125℃下用藍(lán)光激發(fā)測(cè)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(lán)光激發(fā)測(cè)量光釋光；再輻照50 s后測(cè)量光釋光，用于靈敏度校正。

2 結(jié)果與討論

2.1 光釋光劑量響應(yīng)

樣品E5輻照50 s后測(cè)量的OSL結(jié)果如圖1。測(cè)量結(jié)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(yīng)。靈敏度修正后，得到三類樣品的OSL劑量響應(yīng)曲線如圖 2。圖中實(shí)線是復(fù)合作用劑量響應(yīng)模型[13]擬合所得的曲線，曲線方程為：

式中，Res為光釋光響應(yīng)，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(yīng)及其擬合曲線Fig.2 OSL dose response and fitted curves of the samples.

2.2 熱釋光測(cè)量及劑量響應(yīng)

樣品B2輻照100 s后測(cè)量的TL結(jié)果如圖3。因?yàn)槲从玫陀?50℃的熱釋光計(jì)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(jí)動(dòng)力學(xué)方程很好擬合[12]：

式中，I為熱釋光強(qiáng)，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(dòng)力學(xué)級(jí)數(shù)。圖3給出一般級(jí)動(dòng)力學(xué)熱釋光峰和擬合曲線。其它熱釋光曲線也可類似用多個(gè)一般級(jí)動(dòng)力學(xué)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(yīng)，做出三類樣品的熱釋光劑量響應(yīng)曲線(圖4)。圖中實(shí)線是用復(fù)合作用劑量響應(yīng)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(yīng)的曲線[14]，擬合結(jié)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(yīng)及其擬合曲線Fig.4 TL dose response and fitted curves.

2.3 古劑量計(jì)算和討論

將未輻照樣品測(cè)量的光釋光曲線擬合得到光釋光響應(yīng)代入擬合曲線表達(dá)式(1)，求出OSL古劑量，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)如圖2中“×”點(diǎn)所示。同樣將未輻照樣品測(cè)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(dá)式(2)，求出TL古劑量，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)如圖4中“×”點(diǎn)所示。古劑量測(cè)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(shí)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(huì)略高。實(shí)際測(cè)量到的TL古劑量數(shù)量級(jí)相同，但結(jié)果有較大差別；OSL古劑量甚至還存在較大數(shù)量級(jí)差別。根據(jù)參考文獻(xiàn)[13]和其它測(cè)量，判斷TL測(cè)量的取自巖洞內(nèi)樣品的劑量值75.3 Gy更接近真實(shí)的古劑量，這類樣品的OSL和TL測(cè)量結(jié)果也沒有顯著的數(shù)量級(jí)差別。對(duì)比表1數(shù)據(jù)，用粗顆粒法測(cè)量火山樣品的古劑量值時(shí)，TL比OSL方法準(zhǔn)確；如果OSL和TL測(cè)量結(jié)果有顯著數(shù)量級(jí)差別，則相對(duì)準(zhǔn)確的TL古劑量測(cè)量值也不太準(zhǔn)確，OSL和TL測(cè)量結(jié)果無顯著數(shù)量級(jí)差別時(shí)，TL古劑量測(cè)量值認(rèn)為可靠。

表1 兩種方法測(cè)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(cè)量地質(zhì)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(qiáng)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(qiáng)度的0.1趨于明顯[15]。用粗顆粒TL法對(duì)地質(zhì)樣品斷代時(shí)，測(cè)量樣品的剩余OSL古劑量，判斷地質(zhì)演變和采樣測(cè)量等過程是否會(huì)曬退熱釋光曝光，從而判斷TL古劑量測(cè)量值的準(zhǔn)確性。如果OSL古劑量測(cè)量值不小于TL的0.1倍，說明TL在測(cè)量前基本沒有曬退，TL古劑量測(cè)量值可能是準(zhǔn)確的。

3 結(jié)論

用粗顆粒法測(cè)量湖光巖瑪爾湖周圍地質(zhì)樣品的TL和OSL，計(jì)算樣品TL古劑量測(cè)量值和OSL古劑量測(cè)量值。對(duì)相同樣品，兩種古劑量間存在一些差異；不同采樣點(diǎn)樣品的釋光劑量相差很大；TL古劑量測(cè)量值準(zhǔn)確的樣品對(duì)應(yīng)兩種釋光古劑量值無明顯數(shù)量級(jí)差別。對(duì)火山地質(zhì)樣品斷代時(shí)，如果OSL古劑量測(cè)量值不小于TL的0.1倍，認(rèn)為TL在測(cè)量前基本沒有曬退，TL古劑量測(cè)量值可能是準(zhǔn)確的。這一結(jié)果對(duì)粗顆粒TL法對(duì)第四紀(jì)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(xué)通報(bào), 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(qiáng), 張純祥. 中山大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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(qiáng). 核技術(shù), 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(yuǎn), 劉嘉麒. 科學(xué)通報(bào), 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(qiáng), 陳勁民. 核技術(shù), 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