釋光技術(shù)在水成沉積物測(cè)年中的應(yīng)用進(jìn)展

趙秋月1，2，3），魏明建1，2，3），周銳1，2，3），宋波4），潘寶林1，2，3），陳淑貞1，2，3），趙曉紅1，2，3）

1）首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京，100048；

2）資源環(huán)境與地理信息系統(tǒng)北京重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100048；

3）國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地——城市環(huán)境過程與數(shù)字模擬，北京，100048；

4）北京市京源學(xué)校，北京，100040

內(nèi)容提要：準(zhǔn)確獲得水成沉積物的年齡是第四紀(jì)年代學(xué)重要的前沿問題之一。隨著釋光技術(shù)的發(fā)展，水成沉積物釋光測(cè)年在如下方面有新的進(jìn)展：具體釋光技術(shù)的選擇、釋光測(cè)量方法、測(cè)年礦物的種類、礦物的粒級(jí)和獲得等效劑量的統(tǒng)計(jì)方法等。線性調(diào)整光釋光技術(shù)能夠提取光釋光信號(hào)中衰退快的組分；單片再生法應(yīng)用廣泛；單顆粒技術(shù)在挑選沉積時(shí)曬退充分的顆粒方面具有一定的優(yōu)勢(shì)；水成沉積物中的石英比長(zhǎng)石更易曬退；較多的實(shí)驗(yàn)表明水成沉積物中的粗顆粒比細(xì)顆粒更易曬退；獲得等效劑量的統(tǒng)計(jì)模型很多，但尚無一種統(tǒng)計(jì)模型適用于所有樣品。在此基礎(chǔ)上探討了水成沉積物釋光測(cè)年在氣候、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、冰川進(jìn)退歷史和人類活動(dòng)主導(dǎo)的土壤侵蝕量變化研究中的意義及今后的研究方向，為全面了解該領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展提供參考。

釋光技術(shù)在陶器、瓦片、火山、黃土等受熱或曬退充分的考古材料和地質(zhì)樣品的斷代中應(yīng)用廣泛，并取得了巨大突破，但在河流、湖泊、泥石流、冰川等水動(dòng)力環(huán)境下的沉積物測(cè)年中遇到了一些困難：一是水成沉積物在搬運(yùn)和沉積過程中沒有受熱過程，導(dǎo)致熱釋光（TL）殘余本底較大（Forman and Ennis，1991）；二是水對(duì)陽光強(qiáng)度具有削減作用，沉積物所受的光曬退作用有限，光釋光（OSL）本底仍有一定殘留（Fuchs et al.，2005；Alexanderson，2007；Hu Gang et al.，2010）；三是水的混濁度、采樣地點(diǎn)的太陽輻射強(qiáng)度、樣品搬運(yùn)距離等因素也會(huì)影響水成沉積物的光曬退程度 （Godfrey-Smith et al.，1988；Stokes et al.，2001）。大部分水成沉積物的殘余本底在沉積前都有不同程度的殘留。20世紀(jì)80年代中期以來，人們對(duì)水成沉積物釋光本底的研究深度和認(rèn)識(shí)水平都有了長(zhǎng)足的進(jìn)展，本文從現(xiàn)有資料入手，嘗試對(duì)釋光技術(shù)在水成沉積物測(cè)年中遇到的主要問題進(jìn)行梳理和分析，對(duì)水成沉積物釋光測(cè)年在地學(xué)中的應(yīng)用（氣候變化、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、冰川作用及土壤侵蝕等方面）做一述評(píng)，充分挖掘水成沉積物記錄的環(huán)境信息。

1 釋光斷代

釋光是結(jié)晶固體受到輻射作用后積蓄起來的能量在熱或光激發(fā)下以磷光的形式釋放出來的一種能量轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，根據(jù)激發(fā)方式的不同分為熱釋光（TL）和光釋光（OSL）。沉積物中的礦物晶體由于雜質(zhì)原子的滲入、形成過程中的快速冷卻或周圍環(huán)境的核輻射作用等形成晶格缺陷，最終導(dǎo)致陷阱的形成，Wintle和Huntley（1982）將其細(xì)分為“光敏陷阱”和“非光敏陷阱”。在輻射作用下從母核中電離出來的電子擴(kuò)散到這兩種陷阱附近，被前者俘獲的稱為“光敏陷阱電子”，被后者俘獲的稱為“非光敏陷阱電子”。當(dāng)晶體再次受到熱激發(fā)時(shí)，電子從陷阱中逃離，一部分可能被再次俘獲而滯留在更深的陷阱中，另一部分與發(fā)光中心發(fā)生復(fù)合，發(fā)出的光就是熱釋光。當(dāng)晶體受到光激發(fā)時(shí)，光敏陷阱電子逃離出陷阱，與發(fā)光中心發(fā)生復(fù)合，發(fā)出的光就是光釋光。釋光的強(qiáng)度與電子貯存的能量成正比，而電子貯存的能量與每年來自樣品和周圍環(huán)境的放射性輻照劑量（年劑量率）成正比，二者的比值即為樣品最后一次加熱或曝光以來所經(jīng)歷的時(shí)間，釋光斷代測(cè)得的是樣品的絕對(duì)年齡，測(cè)年準(zhǔn)確度常受釋光信號(hào)不完全曬退的制約。

2 水成沉積物測(cè)年的焦點(diǎn)問題

壓力、結(jié)晶、摩擦、加熱和曝光是導(dǎo)致晶體釋光信號(hào)回零的五大過程：第一種仍有爭(zhēng)議（Duller，2004；王維達(dá)等，1997）；第二種主要應(yīng)用在石筍等碳酸鹽礦物的測(cè)年中（Li Huhou，1987）；第三種用來解釋待測(cè)樣品粉碎時(shí)經(jīng)過摩擦所產(chǎn)生的摩擦熱釋光現(xiàn)象（王維達(dá)等，1997）；第四種廣泛應(yīng)用在考古遺址中陶器、磚瓦以及火山等經(jīng)過熱事件樣品的年齡測(cè)定（李虎候，1999）；第五種應(yīng)用在第四紀(jì)風(fēng)成和水成沉積物測(cè)年中，埋藏之前的歸零程度是影響其測(cè)年準(zhǔn)確度的關(guān)鍵，與復(fù)雜的地球化學(xué)過程、搬運(yùn)歷史、搬運(yùn)距離等相聯(lián)系（龔革聯(lián)，2006）。實(shí)驗(yàn)室測(cè)年時(shí)若樣品沉積前未充分曬退，殘留釋光信號(hào)會(huì)使得到的釋光年齡偏大（Lowick，2012），這一問題在測(cè)定年輕沉積物釋光年齡時(shí)顯得尤為突出。在這種情況下如何能逼近測(cè)年樣品的真實(shí)年齡是近年來人們普遍關(guān)注的問題。

2.1 釋光測(cè)年技術(shù)的選擇

釋光測(cè)年技術(shù)在水成沉積物年齡測(cè)定中先后經(jīng)歷了TL和OSL兩個(gè)階段。盡管熱釋光和光釋光信號(hào)均源自晶體中貯存輻射能的激發(fā)，但也是存在區(qū)別的。TL是通過熱激發(fā)使亞穩(wěn)態(tài)中的光敏和非光敏陷阱內(nèi)的儲(chǔ)能電子釋放出來，而OSL是通過光激發(fā)使光敏陷阱內(nèi)的儲(chǔ)能電子釋放出來。TL通常用來測(cè)定沉積前經(jīng)歷過熱事件的樣品年齡，而對(duì)于沒有經(jīng)歷熱事件的水成沉積物來說，OSL技術(shù)具有一定的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)為：OSL信號(hào)曬退速率較快、較為充分，測(cè)年零點(diǎn)相對(duì)明確；殘留信號(hào)較少，不確定度較低，年輕地質(zhì)樣品（＜500a）得以測(cè)年（Duller，2004）。但水成沉積物TL測(cè)年方面的探索為后來發(fā)展起來的OSL測(cè)年打下了良好的基礎(chǔ)。

水成沉積物TL測(cè)年潛力首先被Shelkoplyas和Morozov（1965）發(fā)現(xiàn)，隨后一些學(xué)者對(duì)不同區(qū)域的水成沉積物的釋光響應(yīng)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。Huntley和Johnson（1976）首先進(jìn)行了光曬退實(shí)驗(yàn)，利用紫外燈對(duì)距離北太平洋洋底表層30cm深的兩個(gè)巖芯中的硅酸鹽樣品照射30min后，僅有少量的釋光信號(hào)殘留，證明其TL信號(hào)是可曬退的。Wintle和Huntley（1980）在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)這兩個(gè)鉆孔的12個(gè)樣品進(jìn)行測(cè)年研究，提出部分曬退法，獲得了較為滿意的TL年齡。Forman和Ennis（1991）利用部分曬退法對(duì)挪威斯匹次卑爾根島全新世的次大陸架沉積物進(jìn)行TL測(cè)年，其年齡值比放射性碳所測(cè)的年齡值高數(shù)十倍，表明TL信號(hào)殘留水平較高，無法獲得樣品沉積時(shí)的真實(shí)年齡，通過實(shí)驗(yàn)證明隨時(shí)間和空間變化的光照強(qiáng)度是影響水成沉積物TL信號(hào)殘留水平高低的重要因素。由于水成沉積物的TL測(cè)年受不同地區(qū)樣品來源復(fù)雜、搬運(yùn)方式（推移、躍移、懸移和溶移）多樣、沉積環(huán)境的差異以及TL信號(hào)不容易曬退等問題的困擾，使得其應(yīng)用的難度大大增加。沉積物的殘留本底過大一直是應(yīng)用熱釋光開展水成沉積物測(cè)年中懸而未解決的問題。隨著釋光技術(shù)的發(fā)展，OSL技術(shù)作為新一代釋光技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，為水成沉積物測(cè)年帶來新的希望。OSL技術(shù)根據(jù)激發(fā)光源的不同分為綠光釋光、紅外釋光和藍(lán)光釋光。OSL測(cè)年最早是由Huntley等（1985）提出的，也稱之為綠光測(cè)年技術(shù)（GLSL），用氬離子激光器產(chǎn)生的514nm的綠光來激發(fā)石英或長(zhǎng)石樣品。Godfrey-Smith等（1988）對(duì)70 ka的長(zhǎng)石和500 ka的石英顆粒進(jìn)行持續(xù)20h的陽光曬退，兩種礦物的殘留TL信號(hào)和GLSL信號(hào)均不為零，GLSL信號(hào)曬退的速率明顯大于TL信號(hào)的曬退速率，GLSL比TL更適合于曬退不充分的水成沉積物的測(cè)年。以長(zhǎng)石作為測(cè)年礦物的紅外光測(cè)年技術(shù)（IRSL）（Hutt et al.，1988）出現(xiàn)后不久便應(yīng)用于水成沉積物測(cè)年中（尹功明等，1997；Hong D G et al.，2003），現(xiàn)代湖相細(xì)沙樣品的等效劑量小于1Gy，說明水懸浮和風(fēng)力搬運(yùn)沉積過程中細(xì)粉砂級(jí)的長(zhǎng)石等碎屑礦物的IRSL信號(hào)已被相當(dāng)徹底地光曬退。值得注意的是長(zhǎng)石可能存在異常衰退現(xiàn)象（Wintle，1973；Kars et al.，2008），較低的IRSL等效劑量很可能是長(zhǎng)石的異常衰退引起的（Kars et al.，2008）。B?tter-Jensen等（2000）用能量高、激發(fā)速度快的藍(lán)光二極管（波長(zhǎng)為470 nm）做激發(fā)光源開展石英和長(zhǎng)石的光釋光斷代，得到了學(xué)術(shù)界的廣泛認(rèn)可?；厥诠忉尮猓≧eOSL）在洛川黃土測(cè)年中嶄露頭角，使黃土測(cè)年上限提高到 0.8Ma（Wang Xulong et al.，2006）。不久之前，ReOSL也逐漸開始在水成沉積物測(cè)年中應(yīng)用，黃河現(xiàn)代沉積物的熱轉(zhuǎn)移光釋光（TT-OSL）劑量值最高達(dá)378Gy，表明該法所測(cè)得的黃河現(xiàn)代河流沉積物釋光信號(hào)曬退極不充分（Hu Gang et al.，2010）。郝家臺(tái)泥河灣層中的河湖相沉積物和黃土—古土壤細(xì)顆粒石英測(cè)年中，在一定深度上OSL年齡出現(xiàn)飽和，而ReOSL年齡仍隨地層深度的增加而增大，表明年代較老的細(xì)顆粒石英的TT-OSL信號(hào)可能是一種良好的測(cè)年時(shí)計(jì)（Zhao Hua et al.，2010）。

解決水成沉積物殘留釋光信號(hào)問題的關(guān)鍵是將易曬退和難曬退的釋光組分分離，提取光釋光信號(hào)中衰退快的組分用來測(cè)年，和中、慢組分相比，快組分的光致電離截面更大，陷阱被排空的速率更快（Kuhns et al.，2000），釋光信號(hào)歸零程度越充分。激發(fā)光功率可調(diào)的光調(diào)制光釋光（LM-OSL）技術(shù)恰滿足了這樣的要求，將曬退快的組分分離出來測(cè)年有效地解決了釋光信號(hào)的殘留問題，是很有潛力的測(cè)年技術(shù)（Bulur，1996；Larsen et al.，2000；Li Shenghua and Li Bo，2006；Chen et al.，2009；Pan Baolin et al.，2012），但在水成沉積物測(cè)年領(lǐng)域的應(yīng)用還未興起。

2.2 釋光測(cè)量方法的選擇

釋光測(cè)量根據(jù)所用測(cè)片的數(shù)量分為多片法、單片法。多片法測(cè)量需要的樣片數(shù)量多，且樣片之間需要進(jìn)行質(zhì)量歸一，單片法以其制作樣片的數(shù)量少、不需要?dú)w一化等優(yōu)點(diǎn)成為測(cè)年的主流方法。就單片法來講，又有大片、小片和單顆粒的差異。水成沉積物顆粒差異曬退使得待測(cè)量樣片上礦物顆粒的數(shù)量對(duì)樣片最終的等效劑量值會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響（Duller，2000，2004，2008），樣片上的礦物顆粒越多，等效劑量值越趨于平均，導(dǎo)致結(jié)果偏大。單顆粒技術(shù)的出現(xiàn)使得測(cè)量單個(gè)礦物顆粒的曬退程度成為現(xiàn)實(shí)。Duller（2004）對(duì)塔斯馬尼亞島的海岸階地進(jìn)行OSL測(cè)年，大片（每片大于1000粒）的測(cè)量結(jié)果導(dǎo)致年齡偏大20ka，用小片（每片小于100粒）和單顆粒也分別進(jìn)行了測(cè)量，隨著測(cè)量礦物顆粒數(shù)量的減少，等效劑量值的變化增加，加權(quán)平均值減少，用單顆粒能較好地鑒別沉積時(shí)曬退充分的顆粒，用這種方法所獲得的階地OSL年齡為5～6ka。Delong和Arnold（2007）的研究表明對(duì)于年齡低于1000a的沖積樣品，單片測(cè)量與單顆粒測(cè)量相比會(huì)使年齡偏高50%甚至更多。Wu Tzushuan等（2010）對(duì)臺(tái)灣西部的現(xiàn)代泥石流沉積物的殘余釋光信號(hào)用單顆粒和小片（150～200粒）進(jìn)行了對(duì)比研究，單片法會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)代沉積物年齡被高估3～25ka。單顆粒技術(shù)所獲得的殘余本底較小，顯示了從差異曬退的沉積物中挑選沉積時(shí)曬退較為充分的礦物顆粒的優(yōu)勢(shì)，是水成沉積物測(cè)年的重要發(fā)展方向。

2.3 釋光測(cè)年礦物的選擇

利用OSL測(cè)定水成沉積物年齡時(shí)，地質(zhì)樣品中不同礦物的OSL信號(hào)殘留水平各異。Godfrey-Smith等（1988）率先對(duì)石英和鉀長(zhǎng)石礦物的不完全曬退水平進(jìn)行了研究，石英的殘留光釋光信號(hào)水平較低，后續(xù)的研究也證明了該結(jié)論。有的學(xué)者認(rèn)為在清水中石英OSL信號(hào)的陽光曬退效率比長(zhǎng)石高，但在渾濁的 水 中 可 能 相 反 （Spooner，1994a，1994b）。Hansen等（1999）所測(cè)得的東格陵蘭島的冰水沉積物的鉀長(zhǎng)石IR-OSL年齡比石英OSL年齡高出2倍。Fuches等（2005）從德國 Rote Weiβeritz河的現(xiàn)代沉積物中分別提取石英和鉀長(zhǎng)石礦物，石英礦物的年齡為0.36～0.83ka，鉀長(zhǎng)石礦物的年齡為2.12～4.67ka，后者更偏大，表明相同地質(zhì)樣品的石英顆粒比鉀長(zhǎng)石顆粒更易曬退，所測(cè)得的年齡誤差相對(duì)較小。此外，長(zhǎng)石的異常衰退（Wintle，1973；Kars et al.，2008）是影響其IR-OSL測(cè)年精度的重要因素，目前這種現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)制尚不完全清楚，由此引起的年齡誤差也很難校正。石英的釋光信號(hào)并無異常衰退現(xiàn)象，成為近年來水成沉積物測(cè)年中應(yīng)用較廣的礦物。但水成沉積物中的其他礦物，如方解石、白云石、角閃石等的光釋光特征和曬退速率等尚未見報(bào)道。

2.4 釋光測(cè)年礦物粒級(jí)的選擇

形成于不同沉積環(huán)境下的不同粒級(jí)的礦物組分的曬退程度存在差異。水成沉積物釋光測(cè)年中常用到細(xì)顆粒（4～11μm）和粗顆粒（＞90μm）兩種組分，關(guān)于哪種更適合應(yīng)用于水成沉積物的測(cè)年，尚沒有清晰、全面的解釋。Fuchs等（1994）和Fuller等（2005）少數(shù)人認(rèn)為細(xì)顆粒比粗顆粒容易曬退 ：粗顆粒在水柱底部牽引力的作用下以推移質(zhì)的形式搬運(yùn)，而細(xì)顆粒在水中以懸移質(zhì)搬運(yùn)，更接近于水面，搬運(yùn)距離較遠(yuǎn)，接受陽光照射的時(shí)間較長(zhǎng)。然而越來越多的研究表明粗顆粒樣品的殘余等效劑量值更低：粗顆粒從侵蝕到堆積的整個(gè)過程中搬運(yùn)速度較低，在搬運(yùn)過程中也更容易在河道中堆積，接受曝光的時(shí)間較長(zhǎng)（Godfrey-Smith et al.，1988；Olley et al.，1998；Colls et al.，2001；Truelsen et al.，2003；Vandenberghe et al.，2007；Zhao Hua et al.，2010）。這兩種解釋都考慮了沉積物的搬運(yùn)方式和曝光時(shí)間，與水成沉積物的類型、所處的地理位置、搬運(yùn)沉積過程中天氣和季節(jié)等因素有關(guān)嗎？復(fù)雜的人工模擬實(shí)驗(yàn)可能給出更為全面的解釋。

2.5 釋光測(cè)年樣品等效劑量值的選取

測(cè)年儀器的不斷改進(jìn)（B?tter-Jensen et al.，2000）和測(cè)年方法（Murray and Roberts，1998；Murray and Wintle，2000）的不斷完善使得在處理水成沉積物樣品離散的等效劑量值方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。特別是在等效劑量值選取的統(tǒng)計(jì)方法方面，最小χ%的平均值法（LEP）、leading-edge法、最小年齡模型（MAM）等相繼出現(xiàn)。

從分散的等效劑量值中選出最接近于樣品在地質(zhì)時(shí)間內(nèi)積累的真實(shí)劑量是各種統(tǒng)計(jì)分析方法的最終目的。這些方法通常是基于粗顆粒樣品小片或單顆粒技術(shù)獲得的等效劑量值的基礎(chǔ)上進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，把曬退充分和不充分的樣品區(qū)分開。這些統(tǒng)計(jì)分析方法包括：① 最小 χ%的平均值法（LEP）（Olley et al.，1998），適于年齡非常年輕的、曬退不充分的樣品，由于這種最小值也可能是由于樣品曝光或?qū)嶒?yàn)誤差導(dǎo)致的，故而有時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致地質(zhì)樣品年齡偏低；②最小年齡模型（MAM）（Galbraith et al.，1999），一般僅適用于不完全曬退所引起的等效劑量值離散的樣品，對(duì)于微劑量或者釋光特征所導(dǎo)致的離散等效劑量值并不適用（Murray and Roberts，1997；Kalchgruber et al.，2003）；③ leading-edge法（Lepper et al.，2000），通過去卷積來消除實(shí)驗(yàn)誤差等引起的不確定性，這種方法僅適用于單片數(shù)據(jù)系列，而且平行樣品的數(shù)量要求較大，一般為100～125個(gè)，因?yàn)閱纹邪念w粒較多，會(huì)使單個(gè)等效劑量值之間的差異變小，使結(jié)果偏高；④ Fuchs和Lang（2001）提出了一種僅用較少的數(shù)據(jù)集就能獲得用于真實(shí)年齡計(jì)算的等效劑量值的方法。一般適用于樣品量較少的樣品。將等效劑量值按照從小到達(dá)的順序排序，首先計(jì)算最小的兩個(gè)等效劑量的平均值，以后每次增加一個(gè)值，直到相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差大于4%（人工輻照石英樣品所得）就剔除，這些保留下來的等效劑量的平均值用于年代的計(jì)算。

盡管為獲得沉積物沉積時(shí)積累的真實(shí)劑量的年齡模型很多，但沒有一個(gè)年齡模型適用于所有類型的沉積物（Bailey and Arnold，2006）。幾乎所有的統(tǒng)計(jì)方法都是在至少有幾個(gè)片或幾個(gè)顆粒沉積前充分曬退的前提下進(jìn)行的，如果事實(shí)并非如此，那么無論用哪種方法所獲得的年齡都是偏高的。

3 水成沉積物釋光測(cè)年在地學(xué)研究中的意義

在釋光測(cè)年技術(shù)和方法研究不斷深入的同時(shí)，全球環(huán)境變化和環(huán)境演變研究的領(lǐng)域內(nèi)，以釋光年齡作為絕對(duì)時(shí)間標(biāo)尺的案例越來越多。黃土、深海泥芯和極地冰芯以其沉積連續(xù)、分布廣泛而成為全球環(huán)境變化研究的三大支柱，但某些特定的區(qū)域僅有水成沉積物，作為沉積記錄的載體，能夠反映特定時(shí)段內(nèi)環(huán)境的變化。

3.1 在古氣候研究中的意義

全球氣候變化是世界矚目的問題之一。現(xiàn)有的氣候記錄十分有限，人們迫切需要從各種地質(zhì)記錄載體中獲取長(zhǎng)時(shí)間的古氣候信息，水成沉積物就是重要的古氣候信息記錄載體之一。Chen Jian等（2008）對(duì)四川西部晚更新世的泥石流沉積物和階地進(jìn)行了OSL—SAR測(cè)年，所用的石英顆粒粒級(jí)為90～125μm和150～180μm，每個(gè)樣品的平行樣片數(shù)為16～24個(gè)，測(cè)年結(jié)果為10.6～4.5ka。測(cè)年結(jié)果反映泥石流發(fā)生于氣候溫暖濕潤時(shí)期（10.0～4.2ka），表明青藏高原東南緣的泥石流暴發(fā)強(qiáng)度是夏季風(fēng)強(qiáng)弱的一種反映。Thomas等（2007）對(duì)澳大利亞昆士蘭東北部的河流沉積物、沖洪積物和山坡沉積物進(jìn)行了年代的測(cè)定，主要利用OSL—SAR法，輔以TL和14C測(cè)年法，測(cè)年礦物為石英，粒級(jí)為180～250μm，測(cè)年結(jié)果表明大部分沉積物的形成時(shí)間集中在64～28ka（MIS 3），10～15m的垂直扇形沉積物的形成時(shí)間為28～14ka（MIS 2），MIS 3時(shí)期流域內(nèi)氣候相對(duì)濕潤并伴有暴雨事件，MIS 2時(shí)期流域內(nèi)徑流減少，水流攜沙能力減弱，扇逐漸形成，冰期以后的更新世到全新世的過渡時(shí)期，扇被切開，認(rèn)為是小流域?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)。王恒松等（2012）對(duì)渭河臨潼段夾雜古洪水滯流沉積物（SWD）的黃土—古土壤剖面進(jìn)行了40～63μm的石英OSL—SAR測(cè)年，每個(gè)樣品制備18個(gè)平行樣片，年齡序列和地層順序一致，測(cè)得千河流域特大古洪水事件發(fā)生于6～5ka，確定此時(shí)氣候系統(tǒng)不穩(wěn)定，頻繁波動(dòng)，降水變率大。水成沉積獲得的釋光年齡序列作為年齡標(biāo)尺，對(duì)重建古環(huán)境具有重要研究?jī)r(jià)值。水動(dòng)力環(huán)境下形成的沉積與全球氣候變化的背景密切相關(guān)，泥石流沉積具有事件性，發(fā)生強(qiáng)度能夠作為夏季風(fēng)的替代指標(biāo)；洪、沖積物蘊(yùn)含地貌形態(tài)變化的信息，對(duì)變化部位測(cè)年有利于認(rèn)識(shí)地貌過程發(fā)生的地質(zhì)時(shí)期。水成沉積的釋光測(cè)年對(duì)于揭示流水環(huán)境的古地質(zhì)事件發(fā)生的時(shí)間具有特殊的意義。全球氣候變化研究迫切需要高分辨率的水成沉積物釋光測(cè)年方法的出現(xiàn)，以期不同區(qū)域的事件性全球氣候記錄在全球氣候變化中高分辨率可比。

目前，以水成沉積物為對(duì)象進(jìn)行光釋光測(cè)年主要采用的是單片再生劑量法，該方法具有所需樣片少、不需要?dú)w一化等優(yōu)勢(shì)，特別地對(duì)于水成沉積物測(cè)年，礦物的均一性成為研究者關(guān)注的核心問題，流水作用使搬運(yùn)的沉積物曬退程度存在差異性（Duller，2004），利用多片附加劑量法易造成數(shù)據(jù)離散，可重復(fù)性差?；诖?，學(xué)者在對(duì)水成沉積物測(cè)年中多采用單片再生劑量法，所獲得的釋光年齡與地層層序符合較好，測(cè)量過程中自動(dòng)化程度高。該法具有較強(qiáng)應(yīng)用潛力，是目前水成沉積物測(cè)年較為理想的測(cè)量方法。同時(shí)，隨著釋光技術(shù)的發(fā)展，新的測(cè)量方法不斷涌現(xiàn)，選擇更適于水成沉積物釋光測(cè)年的測(cè)量方法是水成沉積測(cè)年領(lǐng)域的前沿課題。

3.2 在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)研究中的意義

構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和氣候變化是河流階地形成的重要因素，二者相互耦合：在完全缺乏構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的地區(qū)，只依靠氣候變化河流無法持續(xù)下切形成多級(jí)階地，在構(gòu)造較強(qiáng)烈的造山帶，氣候變化仍有可能控制河流階地的形成（潘保田等，2007）。河流階地在記錄氣候變化的同時(shí)也反映了構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，沉積速率的變化是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的重要標(biāo)志，例如Cunha等（2008）對(duì)塔霍河下游的河流階地利用鉀長(zhǎng)石OSL測(cè)年得到T5階地的形成時(shí)間范圍31～40ka，T4階地100～280ka，進(jìn)而得出河流侵蝕、沉積的速率是不斷在變化的，將其歸因于新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。Nádor等（2007）對(duì)潘諾尼亞東部末次冰期的河流沉積物進(jìn)行OSL石英（80～200μm）測(cè)年，流域不同位置的沉積速率的變化表明本區(qū)河流的發(fā)展主要受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的控制。大多數(shù)河流階地都是氣候和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)共同作用的結(jié)果，不同時(shí)期哪一因素占主導(dǎo)是研究時(shí)需要謹(jǐn)慎分析的問題。

3.3 在冰川進(jìn)退歷史研究中的意義

第四紀(jì)冰川進(jìn)退的歷史是全球環(huán)境變化研究的重要組成部分。以絕對(duì)地質(zhì)年齡為依據(jù)的時(shí)間標(biāo)尺必不可少。Rittenour等（2007）對(duì)密西西比河下游的辮狀河流沉積物進(jìn)行OSL測(cè)年，末次間冰期的曲流帶（85±7～83±7 ka）到多重辮狀河流（64±5～11±1ka）的沉積物記錄了密西西比河對(duì)冰川作用所導(dǎo)致的沉積物補(bǔ)給的變化，河流中游和下游北部的沉積物表明在現(xiàn)今河漫灘下部8～21m的部位是末次間冰期時(shí)河流流動(dòng)的位置，隨后大量沉積物開始堆積，在64±5～50±4ka時(shí)期形成本區(qū)最高最大的辮狀河曲地帶，和早期上游的冰川作用時(shí)間一致。密西西比河辮狀河道的形成和切開受冰雪融水及沉積物排泄的控制，而冰期海平面的升降控制著南部密西西比河下游辮狀河道的升降。Alexandersonhe和Murray（2007）對(duì)瑞典南部冰川邊緣的冰水沉積物進(jìn)行了粗顆粒石英光釋光測(cè)年，年齡數(shù)據(jù)主要集中在兩個(gè)時(shí)間段25～19ka和73～33ka，和地層順序基本一致，這些沉積物被認(rèn)為是在末次盛冰期之前的冰川消退時(shí)期沉積的。歐先交等（2011）對(duì)橫斷山地區(qū)末次冰期冰磧物中38～63μm的石英顆粒進(jìn)行了OSL—SAR測(cè)年的適用性研究，等效劑量的柱狀分布形態(tài)表明樣品沉積前曬退充分，測(cè)得研究區(qū)冰磧物的年代至少為60～15ka，其年齡結(jié)果內(nèi)部一致性較好，和地貌關(guān)系、ESR測(cè)年結(jié)果相吻合。這些冰水沉積物的年代較老，殘余本底對(duì)年齡的影響較小甚至可以忽略，在測(cè)定年齡小于1ka的地質(zhì)樣品時(shí)，殘留釋光本底的合理計(jì)算尤為重要（Jain et al.，2004）。冰水沉積物受搬運(yùn)距離短和沉積環(huán)境的影響，常出現(xiàn)差異曬退的現(xiàn)象，在采樣位置上應(yīng)盡量在冰川前緣的冰水相和冰湖相中，這些位置的樣品沉積前曬退更為充分。

3.4 在人類活動(dòng)主導(dǎo)的土壤侵蝕量變化研究中的意義

晚冰期（16 ka）以來，人類活動(dòng)增強(qiáng)，逐漸成為一種地質(zhì)營力（母系氏族公社村落的建立、原始農(nóng)業(yè)的產(chǎn)生與發(fā)展、冶金業(yè)的規(guī)?；a(chǎn)等），導(dǎo)致植被覆蓋率降低，土壤下滲能力減弱，徑流增強(qiáng)，侵蝕量增加，侵蝕速率增大。河流沉積物能夠記錄下這一時(shí)期較高的侵蝕速率。Fuchs等（2010）對(duì)德國巴伐利亞州的河流沖積物和臨近的崩積物進(jìn)行了粗顆粒石英的OSL測(cè)年，所獲得的年齡符合地層順序，和14C年齡吻合良好。OSL年齡表明這些沉積物的年齡處在全新世，河流上游崩積物的年代為5.08±0.78ka，與上游崩積物毗鄰的沖積物的年齡為2.40±0.23 ka，下游沖積物年齡為1.0ka，認(rèn)為泛濫平原沉積物很可能反映了人類活動(dòng)造成的土壤侵蝕。Eriksson等（2000）對(duì)坦桑尼亞中部的山坡崩積、沖級(jí)物進(jìn)行了OSL測(cè)年，沖積扇沉積物的年齡表明土壤侵蝕量的增加不晚于0.9ka，最近的崩積物的年齡為0.46±0.04 ka、0.59±0.07ka和 0.66±0.05 ka，沖溝的形成以及扇的發(fā)展大約在0.6～0.3ka，進(jìn)一步反映了人類活動(dòng)增強(qiáng)對(duì)土壤侵蝕量的影響。以河流沉積為環(huán)境信息載體，以土壤侵蝕為切入點(diǎn)，研究古人類與古環(huán)境的相互作用具有重要的意義。古人類研究視角下的土壤侵蝕研究的關(guān)楗問題在于將古人類活動(dòng)造成的土壤侵蝕與自然界變化導(dǎo)致的環(huán)境本底分離，評(píng)估古人類活動(dòng)增強(qiáng)對(duì)古環(huán)境的影響強(qiáng)度。這方面的研究需結(jié)合區(qū)域地質(zhì)、地貌的背景，古氣候變化的本底信息及古人類、古文化遺址考古資料，不能簡(jiǎn)單地將侵蝕速率的增加歸因于人類活動(dòng)。全新世以來水成沉積物的沉積過程究竟是氣候還是人類活動(dòng)為主導(dǎo)尚不清晰，關(guān)于具體區(qū)域長(zhǎng)期土壤侵蝕的原因和結(jié)果的研究有待加強(qiáng)。不同歷史時(shí)期古環(huán)境與古人類的相互作用的研究，是深入理解不同社會(huì)背景下古人類生存、生活的必要條件，是預(yù)測(cè)未來人地關(guān)系變化、發(fā)展的必要資料，將會(huì)是充滿活力的嶄新研究領(lǐng)域。

4 水成沉積物釋光測(cè)年待確定的問題

釋光技術(shù)在風(fēng)成沉積物測(cè)年中取得了重大進(jìn)展，激勵(lì)著學(xué)者們從水成沉積物中提取地質(zhì)事件或過程的時(shí)間信息。在水成沉積物測(cè)年中，粗顆粒石英OSL—SAR技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，在一定程度上揭示了當(dāng)時(shí)的氣候、構(gòu)造、冰川作用以及人類活動(dòng)的影響等。但值得注意的是，沉積前曬退不充分是水成沉積物測(cè)年的主要問題，有些問題還應(yīng)進(jìn)一步研究，主要有以下幾點(diǎn)。

（1）厘清分散的等效劑量產(chǎn)生的原因。曬退不充分并不是等效劑量值離散的唯一原因，某些曬退充分的顆粒也存在等效劑量值離散的現(xiàn)象，沉積物由于受來源或搬運(yùn)歷史的影響所引起的釋光特征、粒級(jí)、激發(fā)波長(zhǎng)的差異、長(zhǎng)石包裹體的存在及實(shí)驗(yàn)誤差等因素也會(huì)造成等效劑量離散（Thomas et al.，2005）。針對(duì)不同原因，解決方法不同，準(zhǔn)確甄別等效劑量值離散的原因是提高沉積物測(cè)年準(zhǔn)確度和精度的關(guān)鍵。

（2）為了獲得準(zhǔn)確的、可再現(xiàn)的OSL年齡，平行樣片的數(shù)量是需要確定的問題之一。目前在這方面尚無定論，少則小于10個(gè)（Fuchs and Lang，2001；Colls et al.，2001），多則大于 50個(gè)（Olley et al.，1998；Wu Tzushuan et al.，2010），不同數(shù)量的水成沉積物平行樣片所計(jì)算出的等效劑量值的變異系數(shù)不同，更沒有統(tǒng)一的變異系數(shù)值來約束。

（3）除了光照能使搬運(yùn)過程中水成沉積物退火，是否還有其他退火機(jī)制，尚需要繼續(xù)深入研究。

（4）石英的OSL年齡較鉀長(zhǎng)石偏低、粗顆粒和細(xì)顆粒曬退速率不同的原因尚有待深入研究。

（5）水成沉積物不同沉積亞相的殘余釋光信號(hào)可能存在差異，可分不同沉積亞相進(jìn)行研究。

（6）水動(dòng)力條件下的年劑量率的計(jì)算方法是測(cè)量年代較老的水成沉積物如河流階地、泥石流堆積臺(tái)地等特別需要慎重分析的地方。U容易氧化為UO22+，在表生作用中非?；顫姡瑫?huì)隨著水的移動(dòng)而遷移（劉英俊等，1984），如果發(fā)現(xiàn)放射性元素有遷移現(xiàn)象，如何校正？此外老年齡的水成沉積物受地下水的影響不同時(shí)期也必然存在著差異，又當(dāng)如何校正？這兩個(gè)因素是造成年劑量計(jì)算誤差的重要原因，但目前這方面的研究十分薄弱。