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新知丨大自然的“石英表”

2023-02-16 13:39:44 1628

摘要:石英是自然界岩石中最常见的矿物之一,她的身影在我们日常生活中随处可见。1969年,日本精工公司成功将石英晶体制成音叉,出现了第一块石英电子表。石英表就是利用石英晶体周期性持续发振计时(每秒32768次),授于我们现在和未来的时间。然而,大自...

石英是自然界岩石中最常见的矿物之一,她的身影在我们日常生活中随处可见。1969年,日本精工公司成功将石英晶体制成音叉,出现了第一块石英电子表。石英表就是利用石英晶体周期性持续发振计时(每秒32768次),授于我们现在和未来的时间

然而,大自然还有另外一块“石英电子表授时于我们过去的时间,这就是石英光释光测年(OSL)。石英光释光测年技术是从热释光现象发展而来的,即矿物受热发光的现象。1663年,英国化学家Robert Boyle第一次发现并描述了热释光现象,他把钻石放到口袋里面,走到一间没有光的屋子里,发现钻石发出了微弱的光芒。直到1985年,加拿大科学家Huntley等人用激光取代加热来获取释光信号,称其为“光测定年代”(Optical dating)。

图1 钻石热释光现象 图片来源:视觉中国 www.vcg.com

石英光释光测年原理三步曲之一:晒退

自然界的沙子、粘土里的石英晶体处于黑暗环境时,来自放射性核素及环境的辐射能会在它的小房子(即陷阱)里积累;当他们沐浴在阳光之下,小房子里储存的能量(电子)获得阳光的能量后就会开始外逃,这些外逃的电子与中心见面,就会发出光来,就是光释光信号。从这点也可看出,能够用来做光释光测年的样品需要具备的一个特点是晒退要充分,也就是说,样品沉积之前,要把自然界的石英表尽可能地拨到0点。

图2 放大后的石英晶体图片来源:视觉中国 www.vcg.com

石英光释光测年原理三步曲之二:积累

沉积物被埋藏见不到阳光时,石英会被来自周围环境中的放射性核素(通常是铀、钍、钾)所产生的辐射影响,辐射射线穿过石英晶体的外层,所带来的电离作用可以使石英晶体中的电子从它们的母核中电离出来,成为自由电子。石英的晶体往往也不是完美无缺的,由于外来杂质原子渗入等因素石英晶体会有缺陷的地方,这些缺陷会使晶格内部出现新的能级即“陷阱”,陷阱会捕获自由电子,使其成为“陷获电子”。随着时间的推移,陷阱中积累的电子就会越来越多,也就是电子在石英晶体(陷阱)中的积累过程,即计时。

图3 释光测年原理示意图 Rhode,2011

石英光释光测年原理三步曲之三:测量

既然太阳光可以使得石英小房子里面的电子外逃,我们在实验室也可以用特殊的光束(通常是中心波长为470nm蓝光)来激发石英,使这些电子外逃。如下图所示,当石英埋藏见不到光时,周围环境的辐射会使得石英晶体“小房子”的门打开,电子(小人)就会进入其中。将样品采集后,在实验室对样品进行人工光激发,房子中的小人就会跑出,也就是石英晶体中的电子外逃,使用光释光自动测量系统测量这些外逃电子的光子计数来获得他们的能量大小(即等效剂量De值),相当于知道了目前大自然的石英表已经走到了哪里。在百万年以来的地质历史上,相对铀、钍、钾的半衰期来可以认为晶体周围环境的剂量率(Gy/ka)为一恒定值,测量出现在样品中铀、钍、钾三种元素的浓度,再考虑宇宙射线的贡献、含水率的影响等,便可求出每年积累的辐射能量(即剂量率Dr),也就是每年这个石英表走几 格,样品的年龄可用De/Dr算出。

图4 石英释光测年示意图简笔画

附上野外采集释光样品照片一张,因为阳光会使得石英“小房子”里电子的出逃,所以样品采集严格避光用钢管打入,拿到实验室也必须避光(实际操作是在一定波长的灯光下进行,这种灯光下不会对释光信号产生损失)。

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