stringtranslate.com

Люминесцентное датирование

Люминесцентное датирование относится к группе хронологических методов датирования , определяющих, как давно минеральные зерна в последний раз подвергались воздействию солнечного света или достаточного нагрева. Это полезно для геологов и археологов , которые хотят знать, когда произошло такое событие. Оно использует различные методы для стимуляции и измерения люминесценции .

Он включает в себя такие методы, как оптически стимулированная люминесценция (ОСЛ), инфракрасная стимулированная люминесценция (ИРЛ), радиофлуоресценция (РФ) [1] [2] [3] , инфракрасная фотолюминесценция (ИК-ФЛ) [4] и термолюминесцентное датирование (ТЛ). «Оптическое датирование» обычно относится к ОСЛ и ИРЛ, но не к ТЛ. Диапазон возраста методов люминесцентного датирования простирается от нескольких лет [5] до более миллиона лет. [6]

Типы люминесцентных методов датирования с их стимуляцией и сбросом событий.

Условия и точность

Все отложения и почвы содержат следовые количества радиоактивных изотопов таких элементов, как калий , уран , торий и рубидий . Они медленно распадаются с течением времени, и ионизирующее излучение, которое они производят, поглощается минеральными зернами в отложениях, такими как кварц и калиевый полевой шпат . Излучение заставляет заряд оставаться внутри зерен в структурно нестабильных «электронных ловушках». Захваченный заряд накапливается с течением времени со скоростью, определяемой количеством фонового излучения в месте, где был захоронен образец. Стимулирование этих минеральных зерен с помощью света (синего или зеленого для OSL; инфракрасного для IRSL) или тепла (для TL) вызывает испускание люминесцентного сигнала по мере высвобождения накопленной нестабильной электронной энергии, интенсивность которого варьируется в зависимости от количества поглощенного во время захоронения излучения и конкретных свойств минерала.

Большинство методов люминесцентного датирования основаны на предположении, что минеральные зерна были достаточно «отбелены» во время датируемого события. Например, в кварце короткого воздействия дневного света в диапазоне от 1 до 100 секунд перед захоронением достаточно для эффективной «перезагрузки» часов датирования OSL. [7] Обычно, но не всегда, это касается эоловых отложений, таких как песчаные дюны и лесс , а также некоторых отложений, отложенных водой. Возрасты OSL по отдельности кварца обычно можно определить в диапазоне от 100 до 350 000 лет до н. э., и они могут быть надежными при использовании подходящих методов и проведении надлежащих проверок. [8] Методы IRSL по полевому шпату потенциально могут расширить диапазон датирования до миллиона лет, поскольку полевые шпаты обычно имеют значительно более высокие уровни насыщения дозой, чем кварц, хотя сначала необходимо будет решить вопросы, связанные с аномальным выцветанием. [7] Возрасты можно получить за пределами этих диапазонов, но к ним следует относиться с осторожностью. Неопределенность даты OSL обычно составляет 5–10 % от возраста образца. [9]

Наиболее распространенными методами датирования OSL являются так называемые методы многократной аликвотной дозы (MAD) и единичной аликвотной регенеративной дозы (SAR) [10] . При многократном аликвотном тестировании несколько песчинок стимулируются одновременно, и полученная сигнатура люминесценции усредняется. [11] Проблема с этим методом заключается в том, что оператор не знает отдельных цифр, которые усредняются, и поэтому, если в образце есть частично предварительно обесцвеченные песчинки, он может дать преувеличенный возраст. [11] В отличие от многократного аликвотного метода, метод SAR проверяет возраст захоронения отдельных песчинок, которые затем наносятся на график. Смешанные отложения могут быть идентифицированы и приняты во внимание при определении возраста. [11]

Типичные кривые люминесценции, записанные во время последовательности SAR OSL в диапазоне длин волн УФ (около 380 нм). Показаны кривые предварительного нагрева TL и кривые ослабления OSL для естественного и регенерированного сигнала люминесценции и сигналов тестовой дозы. Правая часть графика показывает типичные кривые доза-реакция. Рисунок создан с помощью пакета R 'Luminescence' (v0.9.25). [12]

История

Концепция использования люминесцентного датирования в археологических контекстах была впервые предложена в 1953 году Фаррингтоном Дэниелсом, Чарльзом А. Бойдом и Дональдом Ф. Сондерсом, которые считали, что термолюминесцентный отклик керамических черепков может датировать последний случай нагревания. [13] Экспериментальные испытания археологической керамики последовали несколько лет спустя, в 1960 году, Грёглером и др. [14] В течение следующих нескольких десятилетий исследования термолюминесценции были сосредоточены на нагретой керамике, обожженных кремнях, обожженных очагах, печных камнях из сожженных курганов и других нагретых объектах. [9]

В 1963 году Эйткен и др. отметили, что ловушки ТЛ в кальците могут обесцвечиваться как под воздействием солнечного света, так и тепла [15] , а в 1965 году Шелкопляс и Морозов первыми использовали ТЛ для датирования ненагретых осадков. [16] В течение 70-х и начала 80-х годов датирование ТЛ светочувствительных ловушек в геологических отложениях как наземного, так и морского происхождения стало более распространенным. [17]

Оптическое датирование с использованием оптически стимулированной люминесценции (ОСЛ) было разработано в 1984 году Дэвидом Дж. Хантли и его коллегами. [18] Хютт и др. заложили основу для датирования калиевых полевых шпатов методом инфракрасной стимулированной люминесценции (IRSL) в 1988 году . [19] Традиционный метод ОСЛ основан на оптической стимуляции и переносе электронов из одной ловушки в дырки, расположенные в другом месте решетки, что обязательно требует наличия двух дефектов в непосредственной близости, и, следовательно, это деструктивный метод. Близлежащие центры захвата электронов/дырок, в частности, в полевых шпатах, могут страдать от локализованного туннелирования, что приводит к так называемому атермическому затуханию интересующего сигнала с течением времени. [20] [21] [22]

В 1994 году принципы, лежащие в основе оптического и термолюминесцентного датирования, были расширены, включив в них поверхности из гранита, базальта и песчаника, такие как резные камни древних памятников и артефактов. Иоаннис Лирицис , инициатор люминесцентного датирования древних зданий, продемонстрировал это в нескольких случаях различных памятников. [23] [24] [25]

Физика

Люминесцентное датирование — один из нескольких методов, в которых возраст рассчитывается следующим образом: [23]

Где A — возраст, обычно указываемый в годах или тысячах лет (тысячах лет или тысячах лет), эквивалентная доза — в Гр ( греях ), а мощность дозы облучения окружающей среды — в Гр килолетках .

Мощность дозы окружающей среды рассчитывается с использованием коэффициентов пересчета [26] [27] из измерений радионуклидов ( 40 K, 238 U, 235 U, 232 Th и 87 Rb) в образце и его окрестностях и мощности дозы излучения от космических лучей [28] . Мощность дозы обычно находится в диапазоне 0,5 - 5 Гр /1000 лет. Общая поглощенная доза излучения определяется путем возбуждения светом определенных минералов (обычно кварца или калиевого полевого шпата ), извлеченных из образца, и измерения количества света, испускаемого в результате. Фотоны испускаемого света должны иметь более высокую энергию, чем возбуждающие фотоны, чтобы избежать измерения обычной фотолюминесценции . Образец, в котором все зерна минералов подверглись достаточному воздействию дневного света (секунды для кварца; сотни секунд для калиевого полевого шпата), можно назвать образцом нулевого возраста; при возбуждении он не будет испускать никаких таких фотонов. Чем старше образец, тем больше света он излучает, вплоть до предела насыщения.

Минералы

Природные минералы, которые измеряются, обычно представляют собой зерна кварца или калиевого полевого шпата размером с песок, или неразделенные зерна размером с ил. Существуют преимущества и недостатки использования каждого из них. Для кварца обычно используются длины волн возбуждения синего или зеленого цвета, и измеряется ближнее ультрафиолетовое излучение ( сдвиг Антистокса ). Для зерен калиевого полевого шпата или ила обычно используется возбуждение ближнего инфракрасного диапазона (IRSL), и измеряется фиолетовое/синее излучение.

Сравнение с радиоуглеродным датированием

В отличие от датирования по углероду-14 , методы люминесцентного датирования не требуют наличия современного органического компонента осадка для датирования; достаточно кварца, калиевого полевого шпата или некоторых других минеральных зерен, которые были полностью обесцвечены во время датируемого события. Эти методы также не страдают от завышения дат, когда рассматриваемый осадок был смешан со «старым углеродом», или14
Углерод с дефицитом углерода, не имеющий такого же изотопного соотношения, как атмосфера. При изучении хронологии озерных отложений засушливой зоны озера Улан на юге Монголии Ли и др. обнаружили, что OSL и радиоуглеродные даты совпадают в некоторых образцах, но радиоуглеродные даты были на 5800 лет старше в других. [29]

Было установлено, что отложения с несогласованным возрастом были отложены эоловыми процессами. Западные ветры принесли приток14
Углерод с дефицитом углерода из соседних почв и палеозойских карбонатных пород, процесс, который также активен сегодня. Этот переработанный углерод изменил измеренные изотопные соотношения, дав ложный более старый возраст. Однако, ветровое происхождение этих осадков было идеальным для датирования OSL, так как большинство зерен были бы полностью обесцвечены воздействием солнечного света во время транспортировки и захоронения. Ли и др. пришли к выводу, что когда предполагается эоловый перенос осадков, особенно в озерах засушливых сред, метод датирования OSL превосходит метод радиоуглеродного датирования, так как он устраняет распространенную проблему ошибки «старого углерода». [29]

Другие применения

Одним из преимуществ люминесцентного датирования является то, что его можно использовать для подтверждения подлинности артефакта. При надлежащих условиях слабого освещения можно использовать образец в десятки миллиграммов. [30]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Траутманн, Т; Крбечек, Маттиас Р; Дитрих, А; Штольц, В (1998). «Исследования радиолюминесценции полевых шпатов: потенциал для новой методики датирования». Radiation Measurements . 29 (3–4): 421–425. Bibcode :1998RadM...29..421T. doi :10.1016/s1350-4487(98)00012-2.
  2. ^ Траутманн, Т; Крбечек, Маттиас Р; Дитрих, А; Штольц, В (1999). «Радиолюминесценция полевого шпата: новый метод датирования и его физическое обоснование». Журнал люминесценции . 85 (1–3): 45–58. Bibcode : 1999JLum...85...45T. doi : 10.1016/s0022-2313(99)00152-0.
  3. ^ Мурари, Мадхав Кришна; Крейцер, Себастьян; Кинг, Джорджина Э; Фруэн, морской пехотинец; Цукамото, Сумико; Шмидт, Кристоф; Лауэр, Тобиас; Класен, Николь; Рихтер, Дэниел; Фридрих, Йоханнес; Мерсье, Норберт; Фукс, Маркус (2021). «Инфракрасная радиофлуоресценция (ИК-РЧ) датировка: обзор». Четвертичная геохронология . 64 : 101155. Бибкод : 2021QuGeo..6401155M. дои : 10.1016/j.quageo.2021.101155.
  4. ^ Прасад, Амит Кумар; Пултон, Найджел Р. Дж.; Кук, Мёнхо; Джейн, Маянк (2017). «Оптическое датирование в новом свете: прямое, неразрушающее исследование захваченных электронов». Scientific Reports . 7 (1): 461. Bibcode :2017NatSR...712097P. ​​doi :10.1038/s41598-017-10174-8. PMC 5615069 . PMID  28951569. 
  5. ^ Монтре и др., 1992
  6. ^ Фаттахи М., Стоукс С., 2001
  7. ^ ab Rhodes, EJ (2011). «Оптически стимулированное люминесцентное датирование осадков за последние 250 000 лет». Annual Review of Earth and Planetary Sciences . 39 : 461–488. Bibcode : 2011AREPS..39..461R. doi : 10.1146/annurev-earth-040610-133425.
  8. ^ Мюррей, А.С. и Олли, Дж.М. (2002). «Точность и достоверность оптически стимулированного люминесцентного датирования осадочного кварца: обзор состояния» (PDF) . Geochronometria . 21 : 1–16 . Получено 8 февраля 2016 г. .
  9. ^ ab Roberts, RG, Jacobs, Z., Li, B., Jankowski, NR, Cunningham, AC, & Rosenfeld, AB (2015). «Оптическое датирование в археологии: тридцать лет в ретроспективе и грандиозные задачи на будущее». Журнал археологической науки . 56 : 41–60. Bibcode : 2015JArSc..56...41R. doi : 10.1016/j.jas.2015.02.028.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  10. ^ Мюррей, Эндрю С.; Винтл, Энн Г. (2000). «Люминесцентное датирование кварца с использованием улучшенного протокола регенеративной дозы с одной аликвотой». Radiation Measurements . 32 (1): 57–73. Bibcode :2000RadM...32...57M. doi :10.1016/s1350-4487(99)00253-x.
  11. ^ abc Jacobs, Z и Roberts, R (2007). «Достижения в датировании отдельных зерен кварца из археологических отложений методом оптической стимуляции люминесценции». Эволюционная антропология . 16 (6): 218. doi :10.1002/evan.20150. S2CID  84231863.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  12. ^ Крейцер, Себастьян; Буроу, Кристоф; Дитце, Майкл; Фукс, Маргрет К.; Шмидт, Кристоф; Фишер, Манфред; Фридрих, Йоханнес; Мерсье, Норберт; Филипп, Энн; Ридезель, Свенья; Аутцен, Мартин; Миттельштрасс, Дирк; Грей, Харрисон Дж.; Галхарре, Жан-Мишель (2024), Люминесценция: комплексный анализ данных датирования люминесценции , doi : 10.32614/CRAN.package.Luminescent
  13. ^ Дэниелс, Ф., Бойд, К. А. и Сондерс, Д. Ф. (1953). «Термолюминесценция как исследовательский инструмент». Science . 117 (3040): 343–349. Bibcode :1953Sci...117..343D. doi :10.1126/science.117.3040.343. PMID  17756578.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  14. ^ Грёглер Н., Хоутерманс Ф.Г. и Штауффер Х. (1960). «Über die datierung von keramik und ziegel durch thermolumineszenz». Гельветика Физика Акта . 33 : 595–596 . Проверено 16 февраля 2016 г.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  15. ^ Эйткен, М. Дж., Тайт, М. С. и Рейд, Дж. (1963). «Термолюминесцентное датирование: отчет о ходе работы». Археометрия . 6 : 65–75. doi :10.1111/j.1475-4754.1963.tb00581.x.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  16. ^ Шелкопляс, В. Н. и Морозов, Г. В. (1965). «Некоторые результаты исследования четвертичных отложений методом термолюминесценции». Материалы по четвертичному периоду Украины . 7-й конгресс Международной четвертичной ассоциации, Киев: 83–90.
  17. ^ Wintle, AG & Huntley, DJ (1982). "Термолюминесцентное датирование осадков". Quaternary Science Reviews . 1 (1): 31–53. Bibcode : 1982QSRv....1...31W. doi : 10.1016/0277-3791(82)90018-X.
  18. ^ Хантли, DJ, Годфри-Смит, DI, и Тевалт, MLW (1985). «Оптическое датирование осадков». Nature . 313 (5998): 105–107. Bibcode :1985Natur.313..105H. doi :10.1038/313105a0. S2CID  4258671.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  19. ^ Hütt, G., Jaek, I. & Tchonka, J. (1988). "Оптическое датирование: спектры стимуляции оптического ответа калиевых полевых шпатов". Quaternary Science Reviews . 7 (3–4): 381–385. Bibcode : 1988QSRv....7..381H. doi : 10.1016/0277-3791(88)90033-9.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  20. ^ Уинтл, Энн Г. (1973). «Аномальное затухание термолюминесценции в минеральных образцах». Nature . 245 (5421): 143–144. Bibcode :1973Natur.245..143W. doi :10.1038/245143a0.,
  21. ^ Spooner, NA (1992). "Оптическое датирование: предварительные результаты по аномальному затуханию люминесценции полевых шпатов". Quaternary Science Reviews . 11 (1–2): 139–145. Bibcode : 1992QSRv...11..139S. doi : 10.1016/0277-3791(92)90055-d.
  22. ^ Високекас, Рафаэль (1993). «Туннельная радиационная рекомбинация в санидине калиевого полевого шпата». Ядерные треки и радиационные измерения . 21 (1): 175–178. doi :10.1016/1359-0189(93)90073-i.
  23. ^ ab Liritzis, I. (2011). "Датирование поверхности по люминесценции: обзор". Geochronometria . 38 (3): 292–302. Bibcode :2011Gchrm..38..292L. doi : 10.2478/s13386-011-0032-7 .
  24. ^ Лирицис, И., Полимерис, С.Г. и Захариас, Н. (2010). «Датирование люминесцентным методом „домов дракона“ и ворот Армена в Стире (Эвбея, Греция)». Средиземноморская археология и археометрия . 10 (3): 65–81. Bibcode : 2010MAA....10...65L.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  25. ^ Liritzis, I. (2010). «Строфилас (остров Андрос, Греция): новые доказательства кикладского финального неолитического периода с помощью новых методов датирования с использованием люминесценции и гидратации обсидиана». Журнал археологической науки . 37 (6): 1367–1377. Bibcode : 2010JArSc..37.1367L. doi : 10.1016/j.jas.2009.12.041.
  26. ^ Герен, Г; Мерсье, Н.; Адамец, Гжегож (2011). «Коэффициенты пересчета мощности дозы: обновление». Древний ТЛ . 29 (1): 5–8.
  27. ^ Крессвелл, А. Дж.; Картер, Дж.; Сандерсон, Д. К. У. (2018). «Параметры преобразования мощности дозы: оценка ядерных данных» (PDF) . Измерения радиации . 120 : 195–201. Bibcode : 2018RadM..120..195C. doi : 10.1016/j.radmeas.2018.02.007.
  28. ^ Прескотт, Дж. Р.; Хаттон, Дж. Т. (1994). «Вклад космических лучей в мощность дозы для люминесценции и ЭПР-датирования: большие глубины и долгосрочные временные вариации». Radiation Measurements . 23 (2–3): 497–500. Bibcode :1994RadM...23..497P. doi :10.1016/1350-4487(94)90086-8.
  29. ^ ab Lee, MK, Lee, YI, Lim, HS, Lee, JI, Choi, JH, & Yoon, HI (2011). "Сравнение методов радиоуглеродного и OSL-датирования для позднечетвертичного осадочного керна из озера Улан, Монголия". Журнал палеолимнологии . 45 (2): 127–135. Bibcode :2011JPall..45..127L. doi :10.1007/s10933-010-9484-7. S2CID  128511753.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  30. ^ Лирицис, Иоаннис; Сингхви, Ашок Кумар; Фезерс, Джеймс К.; Вагнер, Гюнтер А.; Кадерайт, Аннет; Захариас, Николаос; Ли, Шэн-Хуа (2013), Лирицис, Иоаннис; Сингхви, Ашок Кумар; Фезерс, Джеймс К.; Вагнер, Гюнтер А. (ред.), "Проверка подлинности на основе люминесценции", Люминесцентное датирование в археологии, антропологии и геоархеологии: обзор , SpringerBriefs in Earth System Sciences, Гейдельберг: Springer International Publishing, стр. 41–43, doi :10.1007/978-3-319-00170-8_5, ISBN 978-3-319-00170-8

Ссылки