Opticky stimulovaná luminiscenční termochronometrie - Optically stimulated luminescence thermochronometry

Opticky stimulovaná luminiscence (OSL) termochronometrie je metoda datování používaná k určení doby od křemen[1][2] a / nebo živce[3][4] začal ukládat nabít jak ochlazuje skrz efektivní uzavírací teplota.[1] The uzavírací teplota pro křemen a Na-bohatý K-živce je 30-35 ° C[1][5] a 25 ° C[4] resp. Když křemen a živce jsou pod zemí, jsou horké. Ochladí se, když jakýkoli geologický proces, např. soustředěná eroze způsobuje jejich exhumaci na zemský povrch.[6] Jak se ochladí, uvězní se elektronové náboje pocházející zevnitř krystalová mříž. Tyto poplatky jsou ubytovány v rámci krystalografické vady nebo volná místa v jejich krystalové mřížky protože minerál ochlazuje pod uzavírací teplotu.[7]
Během odchytu těchto elektronů světélkování se vyrábí.[7] Předpokládá se, že luminiscence nebo emise světla z minerálu jsou úměrné populaci zachyceného elektronového náboje.[7] Věk zaznamenaný standardní metodou OSL je určen počítáním počtu těchto zachycených nábojů v detekčním systému OSL.[6][7] Věk OSL je věk ochlazování křemene a / nebo živce.[1] Tato historie ochlazování je záznamem tepelné historie minerálu, který se používá k rekonstrukci geologické události.[1][8]
DílčíKvartérní období (104 do 105 let) je geologický věk, kdy OSL představuje příznivou techniku datování[1][6] kvůli nízkému uzavírací teplota křemene a živce použitého v této technice. Kvartérní období je poznamenáno intenzivní erozí kůry zejména v aktivních horských pásmech, což vede k vysoké míře exhumace kůra skály[8] a tvorba sub-Kvartérní sedimenty. Předchozí techniky (např. Apatit Štěpná stopa, Zirkon Štěpná stopa a (Uran-Thorium) / Heliové randění ) nemohl adekvátně sledovat geologické věkové záznamy, zejména za posledních ~ 300 tisíc let.[1][7][9] OSL datování je v současné době jedinou metodou datování, která byla úspěšně použita k pochopení ochlazovacího věku geologických událostí.[1][8][10][11][12]
Teoretické koncepty elektronového odchytu a odchylování pro měření OSL
V přírodním prostředí krystalové mřížky křemene a / nebo živců jsou bombardovány zářením uvolněným z radiogenní zdroj[7] jako in situ radioaktivní rozpad.[1][6] Jako krystaly ozářeno, poplatky jsou uloženy v jejich krystalografické vady. The nabít proces odchytu zahrnuje atomové měřítko iontový substituce elektronu i díry uvnitř krystalové mřížky z křemen a živce.[7] The elektronová difúze se stane v reakci na ionizující radiace protože minerály ochlazují pod jejich uzavírací teplota.[5][13]
Pokud jsou zisky křemene nebo živce vystaveny přirozenému zdroji světla, jako je slunce, zachycené náboje budou vypuzeny ve formě světélkování.[7] Tento přirozený proces se nazývá bělení. Jakýkoli jiný proces, který by mohl zahřát vzorek, také způsobí únik zachycených elektronů z krystalové mřížky známé jako tepelné bělení. Optické bělení minerálu vede k vystěhování zachycených nábojů v minerálech,[6][7] proto je nutné dodržovat opatrný odběr vzorků a zacházení s nimi, aby se zabránilo použití běleného vzorku pro termochronometrii OSL. Pro umělou produkci luminiscence v laboratoři pro luminiscenční studium minerálu jsou použity tyto dva procesy.[7]
Kinetické nebo rychlostní rovnice pro procesy odchytu a odchytu
Byla vyvinuta široká škála kinetických modelů, které vysvětlují procesy odchytu a odchytu v krystalech křemene a živce.[2][14] Dva z těchto modelů jsou zvláště užitečné při určování historie chlazení křemene nebo živce[7][9] Tyto modely jsou známé jako kinetický model obecného řádu[4] a pásový ocasní model.[15][16] Tyto dva modely zvažují tři hlavní procesy charakterizující minerální luminiscenci, kterými jsou: proces zachycování, proces tepelného odchylování a proces atermálního odchytu. Každý z procesů se řídí různými rovnicemi popsanými níže. Tyto modely jsou užitečné pro stanovení historie ochlazování minerálu, která zahrnuje odečtení rozdílového součtu tepelného odchytu a atermálního odchytu od procesu odchytu[9] (Trapping - (Thermal detrapping + Athermal detrapping).
Hodnotit rovnice
Proces odchytuProces popisuje rychlost, jakou minerál získává náboj ze svého přirozeného prostředí.[7] Proces je definován níže uvedenou rovnicí. kde je poměr elektronů zachycených (n) a plné akumulační kapacity (N) v minerálním krystalu. je náboj uložený za jednotku času, známý jako rychlost dávky (jednotka je Gy / ky). je dávka, která odpovídá maximální skladovací kapacitě minerálu. Pravděpodobnost, že se minerál naplní, definuje a vztah. je exponenciální faktor větší nebo rovný 1. | Tepelné odchylováníRovnice popisuje, jak jsou náboje vypuzovány ve formě luminiscence z minerálního systému, když minerál absorboval tepelnou energii. Zde se liší kinetický model obecného řádu a rovnice modelu pásového ocasu. 1. Pro kinetický model obecného řádu[4] 2. Pro model ocasu pásu[15][16]
Kde frekvenční faktor měřený za sekundu (s−1), je kinetický řád, který je obvykle menší nebo roven 1; je aktivační energie měřeno v (eV), a jsou aktivační energie na vodivé pásmo a valenční pásmo respektive v krystalové mřížky minerálu. je Boltzmannova konstanta (EV / K) a je absolutní teplota (K). | Athermal detrappingTato rovnice popisuje luminiscenci zaznamenanou při úniku signálu známou jako „anomální únik“.[17] To se stanoví bez zahřívání minerálu během experimentu s blednutím[7] Vztah je definován touto rovnicí. kde představuje hustotu rekombinačních center krystalu ar je vzdálenost mezi rekombinačními centry a elektronovými pasti. |
Stanovení historie chlazení z kinetických rovnic

Kombinací výše uvedených čtyř rovnic byla vyvinuta jediná diferenciální rovnice pro převod luminiscence na rychlost ochlazování. My máme:
pro kinetický model obecného řádu; a
pro model pásového ocasu.
Lze použít jakýkoli z modelů, protože pro odhad všech parametrů použitých v rovnicích se používá stejná řada laboratorních experimentů.[9] Inverze měřeného pro rozsah teplotně-časové historie nebo cesty T-t lze použít ke stanovení rychlosti chlazení.[9] Dostatečný počet cest T-t vedených v laboratoři se používá k vytvoření funkce hustoty pravděpodobnosti, která pomůže určit nejpravděpodobnější historii ochlazování, kterou minerál podstoupil.[9]
příprava vzorků
Vzorky podloží ze zemského povrchu nebo z vrtů jsou pro datování OSL vyžadovány zemské materiály.[7] Minerály (křemen a / nebo živce ) jsou obvykle odděleny od vzorků hornin nebo sedimentů pod regulovaným laboratorním osvětlovacím systémem podobným postupům používaným v archeologický OSL seznamka.[1][6] Světelným zdrojem je obvykle kontrolované červené světlo, aby se zabránilo resetování luminiscenčního signálu.[7] Jemně se provádí drcení vzorku, aby se zabránilo generování tepla, které je dostatečně silné, aby resetovalo signál OSL v minerálech.[7] Rozdrcené vzorky se oddělí pomocí a síto získat jemnozrnnost. Rozsah hodnot v rozmezí od 90 do 125 mikronů,[6] 100 - 200 mikronů a 180 - 212 mikronů[7][8] lze použít pro měření OSL. Vybraná zrna se chemicky zpracují s HC1 k štěpení uhličitanů a s H2Ó2 k odstranění organických materiálů[7] které mohou během měření kontaminovat citlivost signálu OSL. Živec a křemen o hustotách <2,62 g cm−3 a <2,68 g cm−3 jsou odděleny od ostatních těžších minerálů separací hustoty.[7] Zahrnutí zirkonu, apatitu a živce do křemene, jakož i alfa-částice ozářené hrany zrn, které mohou kontaminovat signál OSL, jsou odstraněny leptáním v kyselině fluorovodíkové (HF).[2][6][7]
Systém detekce signálu OSL
Stáří OSL se běžně měří pomocí automatizovaného RisČtečka tepelné luminiscence (např.TL-DA-20). Obsahuje interní beta zdroj (např. 90Sr /90Y) s optickou stimulací vyzařovanou laserovými diodami (LED). Čtečka má také detekční filtr pro přenos stimulovaných luminiscenčních signálů. Během tohoto měření se minerální zrno (křemen nebo živce) nalepí na topný pás (kotouče z nerezové oceli) pomocí lepidla (obvykle silikonového spreje). Minerální zrno je stimulováno světelným zdrojem.[6] Toto světlo je série světelná dioda.[6] Toto bombardování stimuluje elektrony, které jsou zachyceny a začínají rekombinovat v krystalu.[7] Během tohoto procesu dávají signál OSL, který se shromažďuje nebo zaznamenává v paprsku citlivém fotonásobič trubka.[6] Trubice fotonásobiče převádí veškerý incident fotony (tj. světlo) na elektronický náboj. Toto je základní princip měření luminiscenční (světelné) emise zkoumaných minerálů.
OSL stanovení věku

Chcete-li určit stáří OSL vzorku, dávkový příkon, () a ekvivalentní dávka (). A dávka je množství přirozeného záření nebo energie absorbované minerálem.[6] The dávkový příkon je efektivní záření absorbované z přirozeně se vyskytujícího ionizující zdroj za jednotku času.[6][7]
Věk se vypočítá stanovením poměru ekvivalentní dávky () a dávkový příkon () pomocí níže uvedené rovnice.
kde je věk (rok), se měří v šedé barvě (Gy). Všimněte si, že 1 Gy odpovídá 1 J.kg−1 (Joule na kilogram) a je Gy rok−1[6]
Stanovení dávky
U jednoho zrna minerálu je dávkový příkon () lze určit měřením koncentrací uran, draslík a thorium přímo hmotnostní spektrometrie analýza zrn křemene nebo živce.[6] Ge-Gamma, INAA, rentgenová flourescnce a ICP-MS nebo ICP-OES jsou spektrometry které lze použít.[6] Mezi další metody stanovení dávkového příkonu patří: (1) nadloží vesmírný odhad rychlosti dávky, (2) metoda útlumu obsahu vody a (3) metoda korekce nerovnovážné dávky.[6] Průměrný dávkový příkon se obvykle vypočítá jako reprezentativní pro dávkový příkon.[6]
Stanovení ekvivalentní dávky
Ekvivalentní dávka () je také známý jako odezva na dávku je určena z křivky odezvy na dávku (viz graf B).[7] Protokol s regenerací jednoho alikvotu (SAR) je běžně používanou metodou pro stanovení ekvivalentní dávky.[18] Protokol zahrnuje řadu laboratorních měření signálu OSL (viz obrázek A), který je emitován signálem alikvotní část poté, co byl opticky stimulován známou beta dávkou v daném čase v sekundách. Zdrojem beta může být 90Sr /90Y v automatizovaném RisČtečka tepelné luminiscence . Během protokolu SAR je rozdíl v měření křemene a živce hlavně na stupni požadovaného tepla za čas a zdroji stimulace.
První fáze zahrnuje stanovení přirozené dávky (viz graf B) předehřátí alikvotu na přibližně 160 - 130 ° C (pro živce)[18] po dobu 10 s nebo 160-300 ° C (pro křemen)[19] když přírodní světélkování signál (tj. přirozená dávka) je stále neporušený. To se provádí k odstranění nestabilních signálů v minerálu. Po předehřátí je alikvotní podíl opticky stimulován Infračervený světelná dioda (pro živce) nebo modrá světelná dioda (pro křemen) podle toho, který minerál (viz detekční systém OSL) po dobu 40 s při 125 ° C (pro živce) nebo 100 s při 125 ° C (pro křemen) a přirozený signál OSL (NL) se měří a zaznamenává do fotonásobiče. Pro druhou fázi je alikvotní část ozářeno fixní známou testovací dávkou (beta dávka).[20] Alikvotní část se předehřeje na teplotu nižší než 160 ° C. Měření signálu IRSL se bere jako odpověď IRSL testovací dávky (NT) poté, co byl opticky stimulován po dobu 40 s při 125 ° C (pro živce) nebo 100 s při 125 ° C (pro křemen).[18][19][20] V této fázi je alikvotní část zcela vybělena.[20] Po bělení se poté zahájí regenerační testovací dávka.[20]
Postupuje se stejným způsobem, jak je popsáno výše, ale pro korekci citlivosti signálu OSL je uveden rozsah regenerační dávky při různé teplotě (viz graf B). Pro měření regenerativní dávky je alikvotní část ozářeno se známou dávkou před předehřátím na 160 - 130 ° C po dobu 10 s nebo 160 - 300 ° C u živce nebo křemene, zatímco odezva signálu (Ri) se měří. Fixní zkušební dávka se ozařuje na alikvotní část a předehřívá se na alikvotní část při teplotě nižší než 160 ° C. Alikvotní podíl je opticky stimulován stejnou rychlostí a signálem IRSL (R.T) se měří. Kroky se opakují pro rozsah různých regeneračních dávek včetně nulové zkušební dávky.[20] Během každého z testů jsou všechny signály OSL zaznamenány do fotonásobič a počty OSL jsou vyneseny proti času expozice OSL v sekundách, jak je uvedeno v křivce signálu OSL (první graf).[20]
Pro korekci citlivosti NL je vynesen proti NT představující přirozený OSL signál, zatímco graf Ri proti R.T představující test regenerativní dávky (viz graf B). Přirozená dávka je podél svislé osy, protože ve fázi není podána žádná laboratorní dávka. Měření regenerativní dávky se bude lišit s ohledem na danou dávku v každé fázi. Ekvivalentní dávka () je určeno nakreslením čáry (červená nesouvislá čára v grafu B) od přirozené dávky k průniku s křivkou regenerativní dávky. Bod zachycení křivkou představuje ekvivalentní dávku odečtením její hodnoty na vodorovné ose (viz graf B).[18] Odpovídající hodnota dávky na vodorovné ose se zaznamená pro ekvivalentní dávku ().[20]
Aplikace.

Obecné aplikace
OSL nachází uplatnění ve všech nízkoteplotních (<50 ° C) tektonických a sedimentárních procesech. Tyto studie jsou zachyceny hlavně v subkvartérním období, mimo jiné včetně zaměřených fluviálních a / nebo ledová eroze, skalní exhumace a vývoj topografie v aktivních tektonických oblastech.[1][8] Mezi další aplikace patří vklady zalednění, lagunové vklady nárůst bouří a tsunami, jezerní usazeniny včetně historie migrace na pobřeží, fluviální erozní ložiska, spraše depozitní záznamy.[6] Lze například modelovat také rychlost uklouznutí na normální rovině poruch, lze také modelovat rychlost glaciální nebo fluviální eroze zemského povrchu, stejně jako když se v sub-Kvartérní doba.[8]
V oblastech aktivní tektoniky je aplikace OSL datování velmi užitečná při sledování tepelné historie a rychlosti exhumace hornin směrem k zemskému povrchu.[1][8] Čím blíže je doba ochlazování, tím vyšší je rychlost eroze a / nebo exhumace zkoumané skalní jednotky.[1] Pokud je znám věk OSL křemene nebo živce, získaný věk je spojen s existujícími tepelně-mechanickými rovnicemi, např. Pecube[8][21] rekonstruovat tepelně-mechanickou historii.
Stáří OSL (viz diagram), stáří chlazení, údaje o nadmořské výšce jsou vyneseny proti vodorovné vzdálenosti, kde byly odebrány vzorky a údaje o nadmořské výšce, aby se interpretovala rychlost exhumace horniny nebo vývoj reliéfního systému v čase.[1] Například OSL datování bylo použito při stanovení historie ochlazování některých rychle erodujících aktivních oblastí v subkvartérním časovém měřítku (tj. 104 do 105 let). Tyto příklady jsou Whataroa-Perth povodí v Jižní Alpy z Nový Zéland[1] a kopule Namche Barwa-Gyala Peri ve východní Himálaji.[8] V kopuli Namche Barwa-Gyala Peri převládala eroze řek[8] zatímco ledová eroze byla hlavním aktivním procesem v Whataroa-Perth povodí.[1] V obou studiích byla rychlost exhumace a vývoj reliéfních systémů odhadována inverzí termochronologických dob OSL.[1][8]
Viz také
Reference
- ^ A b C d E F G h i j k l m n Ó p q Herman, Frédéric; Rhodes, Edward J .; Braun, Jean; Heiniger, Lukas (2010b). „Jednotná rychlost eroze a amplituda reliéfu během ledovcových cyklů v jižních Alpách Nového Zélandu, jak vyplývá z OSL-termochronologie“. Dopisy o Zemi a planetách. 297 (1–2): 183–189. Bibcode:2010E & PSL.297..183H. doi:10.1016 / j.epsl.2010.06.019. ISSN 0012-821X.
- ^ A b C Guralnik, B .; Ankjærgaard, C .; Jain, M .; Murray, A.S .; Müller, A .; Wälle, M .; Lowick, S.E .; Preusser, F .; Rhodes, E.J. (2015a). „OSL-termochronometrie využívající podložní křemen: poznámka opatrnosti“. Kvartérní geochronologie. 25: 37–48. doi:10.1016 / j.quageo.2014.09.001. ISSN 1871-1014.
- ^ King, G.E .; Herman, F .; Lambert, R .; Valla, P.G .; Guralnik, B. (2016a). "Multi-OSL-termochronometrie živce". Kvartérní geochronologie. 33: 76–87. doi:10.1016 / j.quageo.2016.01.004. ISSN 1871-1014.
- ^ A b C d Guralnik, Benny; Jain, Mayank; Herman, Frédéric; Ankjærgaard, Christina; Murray, Andrew S .; Valla, Pierre G .; Preusser, Frank; King, Georgina E .; Chen, Reuven (2015c). „OSL-termochronometrie živce z vrtu KTB, Německo“ (PDF). Dopisy o Zemi a planetách. 423: 232–243. Bibcode:2015E & PSL.423..232G. doi:10.1016 / j.epsl.2015.04.032. ISSN 0012-821X.
- ^ A b Guralnik, Benny; Jain, Mayank; Herman, Frédéric; Paris, Richard B .; Harrison, T. Mark; Murray, Andrew S .; Valla, Pierre G .; Rhodes, Edward J. (2013). "Efektivní uzavírací teplota v netěsných a / nebo nasycených termochronometrech". Dopisy o Zemi a planetách. 384: 209–218. Bibcode:2013E & PSL.384..209G. doi:10.1016 / j.epsl.2013.10.003. ISSN 0012-821X.
- ^ A b C d E F G h i j k l m n Ó p q r s Rhodes, Edward J. (2011). „Opticky stimulované luminiscenční datování sedimentů za posledních 200 000 let“. Výroční přehled o Zemi a planetárních vědách. 39 (1): 461–488. Bibcode:2011AREPS..39..461R. doi:10.1146 / annurev-earth-040610-133425. ISSN 0084-6597.
- ^ A b C d E F G h i j k l m n Ó p q r s t u proti King, Georgina E .; Guralnik, Benny; Valla, Pierre G .; Herman, Frédéric (2016c). „Trapped-charge thermochronometry and thermometry: a status review“. Chemická geologie. 446: 3–17. Bibcode:2016ChGeo.446 ... 3K. doi:10.1016 / j.chemgeo.2016.08.023. ISSN 0009-2541.
- ^ A b C d E F G h i j k King, Georgina E .; Herman, Frédéric; Guralnik, Benny (2016b). „Severní migrace východní himálajské syntaxe odhalená termochronometrií OSL“. Věda. 353 (6301): 800–804. Bibcode:2016Sci ... 353..800K. doi:10.1126 / science.aaf2637. ISSN 0036-8075. PMID 27540169.
- ^ A b C d E F Herman, Frédéric; King, Georgina E. (2018). „Luminescence Thermochronometry: Investigating the Link between Mountain Erosion, Tectonics and Climate“. Elementy. 14 (1): 33–38. doi:10.2138 / gselements.14.1.33. ISSN 1811-5209.
- ^ Wu, Tzu-Shuan; Jain, Mayank; Guralnik, Benny; Murray, Andrew S .; Chen, Yue-Gau (2015). "Luminiscenční charakteristiky křemene z oblasti Hsuehshan Range (Střední Tchaj-wan) a důsledky pro termochronometrii". Měření záření. 81: 104–109. Bibcode:2015RadM ... 81..104W. doi:10.1016 / j.radmeas.2015.03.002. ISSN 1350-4487.
- ^ Sarkar, Sharmistha; Mathew, George; Pande, Kanchan; Chauhan, Naveen; Singhvi, Ashok (01.12.2013). „Rychlá denudace vyšších Himalájí během pozdní klestice, důkazy z termochronologie OSL“. Geochronometria. 40 (4): 304–310. doi:10,2478 / s13386-013-0124-7. ISSN 1897-1695.
- ^ Valla, Pierre G .; Lowick, Sally E .; Herman, Frédéric; Champagnac, Jean-Daniel; Steer, Philippe; Guralnik, Benny (2016). „Zkoumání proměnlivosti slábnutí IRSL 50 v ložiskových živcích a důsledky pro termochronometrii OSL“ (PDF). Kvartérní geochronologie. 36: 55–66. doi:10.1016 / j.quageo.2016.08.004. ISSN 1871-1014.
- ^ Dodson, Martin H. (1973). "Uzavírací teplota v chladících geochronologických a petrologických systémech". Příspěvky do mineralogie a petrologie. 40 (3): 259–274. Bibcode:1973CoMP ... 40..259D. doi:10.1007 / bf00373790. ISSN 0010-7999.
- ^ Chen, Reuven; Pagonis, Vasilis (2011). Tepelně a opticky stimulovaná luminiscence. doi:10.1002/9781119993766. ISBN 978-1-119-99376-6.
- ^ A b Poolton, N. R. J .; Ozanyan, K. B .; Wallinga, J .; Murray, A. S .; Bøtter-Jensen, L. (2002). „Elektrony v živci II: úvaha o vlivu stavů vodivosti pásma ocasu na luminiscenční procesy“. Fyzika a chemie minerálů. 29 (3): 217–225. Bibcode:2002PCM .... 29..217P. doi:10.1007 / s00269-001-0218-2. ISSN 0342-1791.
- ^ A b Li, Bo; Li, Sheng-Hua (2013). „Vliv stavů ocasu na tepelnou stabilitu infračerveně stimulované luminiscence z K-živce“. Journal of Luminescence. 136: 5–10. Bibcode:2013JLum..136 .... 5L. doi:10.1016 / j.jlumin.2012.08.043. ISSN 0022-2313.
- ^ Huntley, D J (2006). „Vysvětlení úpadku luminiscence podle zákona o moci“. Journal of Physics: Condensed Matter. 18 (4): 1359–1365. Bibcode:2006JPCM ... 18.1359H. doi:10.1088/0953-8984/18/4/020. ISSN 0953-8984.
- ^ A b C d Murray, A.S .; Wintle, A.G. (2003). "Protokol regenerativní dávky s jedním alikvotem: potenciál pro zlepšení spolehlivosti". Měření záření. 37 (4–5): 377–381. Bibcode:2003RadM ... 37..377M. doi:10.1016 / s1350-4487 (03) 00053-2. ISSN 1350-4487.
- ^ A b Murray, A.S .; Wintle, A.G. (2000). "Luminiscenční datování křemene pomocí vylepšeného protokolu s jednou alikvotní regenerativní dávkou". Měření záření. 32 (1): 57–73. Bibcode:2000RadM ... 32 ... 57M. doi:10.1016 / s1350-4487 (99) 00253-x. ISSN 1350-4487.
- ^ A b C d E F G Wallinga, Jakob; Murray, Andrew; Duller, Geoff (2000). "Podcenění ekvivalentní dávky při jednorázovém alikvotním optickém datování živců způsobené předehřátím". Měření záření. 32 (5–6): 691–695. Bibcode:2000RadM ... 32..691W. doi:10.1016 / s1350-4487 (00) 00127-x. ISSN 1350-4487.
- ^ Braun, Jean (2003). „Pecube: nový kód konečných prvků pro řešení rovnice 3D přenosu tepla včetně účinků časově proměnné topografie povrchu s konečnou amplitudou“. Počítače a geovědy. 29 (6): 787–794. Bibcode:2003CG ..... 29..787B. doi:10.1016 / s0098-3004 (03) 00052-9. ISSN 0098-3004.