ESR地质年龄测定
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发布时间：2022-04-24 00:40
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时间：2023-10-16 00:08
方法提要
自然界中放射性物质自身衰变释放出的α、β和γ射线以及宇宙射线的辐照，造成晶体物质内部晶格中的轨道电子得失，形成电子心或空穴心，这些辐照中心与辐照时间成正比关系，利用这种关系进行年龄测定。方法适用于湖泊、海洋及沉积物中碳酸盐样品和石英样品的年代测定。
选取一定粒度的样品，进行相应的预处理。通过不同剂量的人工辐照，用ESR波谱仪测试试样的ESR信号，采用数值拟合的方法，求取古剂量，测试试样和环境物质中的U、Th和K2O含量求取年剂量，计算出试样的年龄。
仪器设备
ESR波谱仪。
分析天平。
磁选仪。
干燥箱。
电炉。
辐照源。
玻璃烧杯250mL、150mL。
聚四氟烧杯200mL。
酒精灯。
玛瑙研钵。
漏斗。
塑料管。
丙氨酸剂量计(1%～3%)。
试剂
去离子水。
盐酸。
过氧化氢。
氢氟酸。
分析步骤
(1)试样预处理
1)碳酸盐样品。将碳酸盐试样用玛瑙研钵研细，用筛子筛选出所需的粒度(0.06～0.25mm)，用0.1mol/LHCl进行表面处理，蒸馏水冲至中性。在烘箱中低温烘干，用磁选仪除去磁性物质。将试样分成9份，装入塑料管密封。
2)石英样品。将试样在水中浸泡，在水中用筛子选出所需的粒度(0.06～0.25mm)，用6mol/LHCl浸泡24h除去碳酸盐物质(浸泡温度≤60℃)。用过氧化氢除去有机质，蒸馏水冲洗至中性。用氢氟酸浸泡1～2h除去石英表面物质(浸泡温度≤60℃)，蒸馏水冲至中性。在烘箱中低温(温度≤60℃)烘干，用磁选仪除去磁性物质。将试样分成9份，装入塑料管密封。
(2)人工辐照
将试样分成9组，分别放入丙氨酸剂量计，根据设计的剂量要求进行辐照。辐照后，测定丙氨酸剂量计所接受的辐照剂量，确定试样的辐照剂量。
(3)ESR波谱测定
将试样依序打开，称取适量试样(250～300mg为最佳)，依序装入测量样品管，调试下述仪器测试条件，进行ESR信号测量。
①放大倍数。调节到使观察到的信号有合适的幅度和信噪比。
②调制幅度。信号强度开始随调制幅度的增加而增大，增加到某一数值时，谱线开始增宽，如再加大调制，波谱就发生畸变。对调制幅度来说，仪器的灵敏度与分辨本领是矛盾的统一体。调制幅度多少合适，取决于被测试样的波谱特征和对实验结果的要求。
③微波功率。ESR谱的强度与微波功率的平方根成正比，有文献认为最合适的功率是使ESR谱线强度最大时的功率(石津和彦，1981)，也有文献认为采用最低的微波功率下获得的AD值应该最接近真实的AD值(Hennig和Grun，1983)。
④扫场宽度。扫场宽度过窄，没有扫完整个全谱;而扫场宽度过宽，不仅使谱线看不清楚，信号的响应也会变坏。
⑤扫描时间。扫描时间是直流磁场扫过波谱区域所经历的时间。对超精细结构密集的波谱，需长的扫描时间。一般的试样不需长的扫描时间。
⑥时间常数。表示在电路的输入端瞬间输入一个信号时(该信号作为100%)，输出端输出的信号达到输入信号的63%时所需的时间。增大时间常数，可以减少信号噪声，但不适当的选择会引起信号的减弱或畸变。通常选用时间常数的规则是:时间常数必须大大小于扫描时间。
由计算机绘制出ESR谱线，并计算出所选信号的强度，记录下ESR信号强度。
(4)数据处理
1)求取古剂量P。选择拟合曲线求取古剂量，通常采用两种方法求取古剂量。
a.线性拟合。试样的ESR信号在未饱和区域，各测试点呈现良好的线性关系。采用线性拟合的方法求取P，拟合公式为:
岩石矿物分析第四分册资源与环境调查分析技术
式中:P为古剂量;I为测量的ESR信号强度;I0为初始的ESR信号强度;Q为人工辐照剂量。
b.指数拟合。当加以附加的人工辐照剂量时，试样的ESR信号强度出现明显的饱和现象，这种情况就需要用指数拟合方法求取P，拟合公式为:
岩石矿物分析第四分册资源与环境调查分析技术
式中:Imax为测量的最大ESR信号强度;k为辐照效率。
2)求取年剂量D。估算试样的年剂量时，可采用3种方法计算。
a.无限元系统。对于体积庞大、且各处成分均一的试样，其年剂量计算公式为:
岩石矿物分析第四分册资源与环境调查分析技术
式中:DIα、DIβ和DIγ分别为试样内部所含放射性核素对年剂量的贡献;Kα为α效率;DC为宇宙射线对年记录量的贡献。
b.有限元系统。当试样体积较小，与周围介质成分不同，则要考虑周围介质中放射性核素对年剂量的贡献，其年剂量计算公式为:
岩石矿物分析第四分册资源与环境调查分析技术
式中:Deγ为试样外部所含放射性核素对年剂量的贡献。
c.细颗粒样品。对一些细颗粒试样，若内部的放射性核素含量较低，内部的年剂量可以忽略，只考虑外部的环境剂量，其年剂量计算公式为:
岩石矿物分析第四分册资源与环境调查分析技术
式中:Deα和Deβ分别为试样外部所含放射性核素对年剂量的贡献。
3)根据t=P/D，计算出年龄。
(5)精密度
本方法使用的ESR谱仪的测量误差的为±(3%～5%)，人工辐照产生的测量误差为±(3%～5%)，并考虑试样质量的不均一性和选择回归方法等因素，年龄测定结果的相对不确定度为±15%。
参考文献
业渝光，等.1993.沉积物中石英ESR测年功率饱和效应的初步研究［J］.波谱学，10(3):315-322
业渝光，等 .1996.南黄海 QC2孔的 ESR 年代学 ［J］.海洋地质与第四纪地质，16 (1) : 95 -102
业渝光 .2003.地质测年与天然气水合物实验技术研究及应用 .北京: 海洋出版社
业渝光 .2003.地质年代学理论与实践 .北京: 地质出版社
Hennig G J，Grun R.1983.ESR dating in quaternary geology ［J］.Quat.Sci.Reviews，2: 152-229
Ikeya M，Ohmura M.1983.Comparison of ESR ages of corals from marine terraces with14C and230Th /234U ages［J］.Earth Planet.Sci.Letters，65: 34-38
Ye Y，et al.1998.ESR dating studies of palaeo-flow deposits in Dongchuan，Yunnan province China ［J］.Quarter Geochronology (Quat.Sci.Reviews) ，17: 1073-1076
本节编写人: 刁少波 (中国地质调查局青岛海洋地质研究所) 。
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时间：2023-10-16 00:08
方法提要
自然界中放射性物质自身衰变释放出的α、β和γ射线以及宇宙射线的辐照，造成晶体物质内部晶格中的轨道电子得失，形成电子心或空穴心，这些辐照中心与辐照时间成正比关系，利用这种关系进行年龄测定。方法适用于湖泊、海洋及沉积物中碳酸盐样品和石英样品的年代测定。
选取一定粒度的样品，进行相应的预处理。通过不同剂量的人工辐照，用ESR波谱仪测试试样的ESR信号，采用数值拟合的方法，求取古剂量，测试试样和环境物质中的U、Th和K2O含量求取年剂量，计算出试样的年龄。
仪器设备
ESR波谱仪。
分析天平。
磁选仪。
干燥箱。
电炉。
辐照源。
玻璃烧杯250mL、150mL。
聚四氟烧杯200mL。
酒精灯。
玛瑙研钵。
漏斗。
塑料管。
丙氨酸剂量计(1%～3%)。
试剂
去离子水。
盐酸。
过氧化氢。
氢氟酸。
分析步骤
(1)试样预处理
1)碳酸盐样品。将碳酸盐试样用玛瑙研钵研细，用筛子筛选出所需的粒度(0.06～0.25mm)，用0.1mol/LHCl进行表面处理，蒸馏水冲至中性。在烘箱中低温烘干，用磁选仪除去磁性物质。将试样分成9份，装入塑料管密封。
2)石英样品。将试样在水中浸泡，在水中用筛子选出所需的粒度(0.06～0.25mm)，用6mol/LHCl浸泡24h除去碳酸盐物质(浸泡温度≤60℃)。用过氧化氢除去有机质，蒸馏水冲洗至中性。用氢氟酸浸泡1～2h除去石英表面物质(浸泡温度≤60℃)，蒸馏水冲至中性。在烘箱中低温(温度≤60℃)烘干，用磁选仪除去磁性物质。将试样分成9份，装入塑料管密封。
(2)人工辐照
将试样分成9组，分别放入丙氨酸剂量计，根据设计的剂量要求进行辐照。辐照后，测定丙氨酸剂量计所接受的辐照剂量，确定试样的辐照剂量。
(3)ESR波谱测定
将试样依序打开，称取适量试样(250～300mg为最佳)，依序装入测量样品管，调试下述仪器测试条件，进行ESR信号测量。
①放大倍数。调节到使观察到的信号有合适的幅度和信噪比。
②调制幅度。信号强度开始随调制幅度的增加而增大，增加到某一数值时，谱线开始增宽，如再加大调制，波谱就发生畸变。对调制幅度来说，仪器的灵敏度与分辨本领是矛盾的统一体。调制幅度多少合适，取决于被测试样的波谱特征和对实验结果的要求。
③微波功率。ESR谱的强度与微波功率的平方根成正比，有文献认为最合适的功率是使ESR谱线强度最大时的功率(石津和彦，1981)，也有文献认为采用最低的微波功率下获得的AD值应该最接近真实的AD值(Hennig和Grun，1983)。
④扫场宽度。扫场宽度过窄，没有扫完整个全谱;而扫场宽度过宽，不仅使谱线看不清楚，信号的响应也会变坏。
⑤扫描时间。扫描时间是直流磁场扫过波谱区域所经历的时间。对超精细结构密集的波谱，需长的扫描时间。一般的试样不需长的扫描时间。
⑥时间常数。表示在电路的输入端瞬间输入一个信号时(该信号作为100%)，输出端输出的信号达到输入信号的63%时所需的时间。增大时间常数，可以减少信号噪声，但不适当的选择会引起信号的减弱或畸变。通常选用时间常数的规则是:时间常数必须大大小于扫描时间。
由计算机绘制出ESR谱线，并计算出所选信号的强度，记录下ESR信号强度。
(4)数据处理
1)求取古剂量P。选择拟合曲线求取古剂量，通常采用两种方法求取古剂量。
a.线性拟合。试样的ESR信号在未饱和区域，各测试点呈现良好的线性关系。采用线性拟合的方法求取P，拟合公式为:
岩石矿物分析第四分册资源与环境调查分析技术
式中:P为古剂量;I为测量的ESR信号强度;I0为初始的ESR信号强度;Q为人工辐照剂量。
b.指数拟合。当加以附加的人工辐照剂量时，试样的ESR信号强度出现明显的饱和现象，这种情况就需要用指数拟合方法求取P，拟合公式为:
岩石矿物分析第四分册资源与环境调查分析技术
式中:Imax为测量的最大ESR信号强度;k为辐照效率。
2)求取年剂量D。估算试样的年剂量时，可采用3种方法计算。
a.无限元系统。对于体积庞大、且各处成分均一的试样，其年剂量计算公式为:
岩石矿物分析第四分册资源与环境调查分析技术
式中:DIα、DIβ和DIγ分别为试样内部所含放射性核素对年剂量的贡献;Kα为α效率;DC为宇宙射线对年记录量的贡献。
b.有限元系统。当试样体积较小，与周围介质成分不同，则要考虑周围介质中放射性核素对年剂量的贡献，其年剂量计算公式为:
岩石矿物分析第四分册资源与环境调查分析技术
式中:Deγ为试样外部所含放射性核素对年剂量的贡献。
c.细颗粒样品。对一些细颗粒试样，若内部的放射性核素含量较低，内部的年剂量可以忽略，只考虑外部的环境剂量，其年剂量计算公式为:
岩石矿物分析第四分册资源与环境调查分析技术
式中:Deα和Deβ分别为试样外部所含放射性核素对年剂量的贡献。
3)根据t=P/D，计算出年龄。
(5)精密度
本方法使用的ESR谱仪的测量误差的为±(3%～5%)，人工辐照产生的测量误差为±(3%～5%)，并考虑试样质量的不均一性和选择回归方法等因素，年龄测定结果的相对不确定度为±15%。
参考文献
业渝光，等.1993.沉积物中石英ESR测年功率饱和效应的初步研究［J］.波谱学，10(3):315-322
业渝光，等 .1996.南黄海 QC2孔的 ESR 年代学 ［J］.海洋地质与第四纪地质，16 (1) : 95 -102
业渝光 .2003.地质测年与天然气水合物实验技术研究及应用 .北京: 海洋出版社
业渝光 .2003.地质年代学理论与实践 .北京: 地质出版社
Hennig G J，Grun R.1983.ESR dating in quaternary geology ［J］.Quat.Sci.Reviews，2: 152-229
Ikeya M，Ohmura M.1983.Comparison of ESR ages of corals from marine terraces with14C and230Th /234U ages［J］.Earth Planet.Sci.Letters，65: 34-38
Ye Y，et al.1998.ESR dating studies of palaeo-flow deposits in Dongchuan，Yunnan province China ［J］.Quarter Geochronology (Quat.Sci.Reviews) ，17: 1073-1076
本节编写人: 刁少波 (中国地质调查局青岛海洋地质研究所) 。
