第四纪研究  2018, Vol.38 Issue (3): 587-593   PDF    
岩石暴露年龄释光测定的若干影响因素研究
崔富荣1,2, 刘进峰1, 包创3, 陈杰1     
(1 中国地震局地质研究所, 地震动力学国家重点实验室, 北京 100029;
2 中国地质大学(北京)地球科学与资源学院, 北京 100083;
3 中国地震局地壳应力研究所, 地壳动力学重点实验室, 北京 100085)
摘要:近年来,光释光测年技术已被成功应用于岩石暴露年龄的测定,在地质、地貌、气候和考古等研究领域显示出广泛的应用前景。该技术能否准确并广泛应用于经历各种地质活动而暴露的基岩、砾石定年,了解影响其表层光释光信号晒退速率的因素至关重要。文章采用红褐色长石石英砂岩、灰白色黑云母花岗岩和表面附着有岩石漆的花岗角砾岩,针对样品岩性、采样面朝向、表面覆盖物(岩石漆)3个因素对红外释光(IRSL)50度测量信号的影响程度进行了晒退实验。实验结果显示:岩石表层一定深度IRSL信号可被太阳光快速晒退,且随着曝光时间增长,砂岩和花岗岩释光信号的晒退深度均逐渐增大,与深色砂岩相比,浅色的花岗岩有更快的晒退速率;在阳光下曝光约5114 h后,花岗岩朝上一面的信号晒退深度大于朝北一面,表现为拟合朝上一面的晒退曲线所获值和曲线拐点深度值皆大于朝北一面,揭示在该暴露时间内(如约5114 h)不同采样面朝向对信号晒退有一定程度的影响;阳光下暴露相对较短的时间(如40 h),样品表面覆盖物(岩石漆)可能因对光线的屏蔽作用而使光释光信号晒退速率减小,无岩石漆覆盖的岩块具有更深的信号晒退深度,但随着暴露时间的延长(如约2416 h),这种影响程度渐趋减弱。该研究为准确获得岩石样品定年所需的光晒退速率和光透系数μ这两个重要参数奠定了基础,也为了解不同岩性岩石的光释光信号晒退速率、测年对象的合理选择以及岩石样品采集等提供了实验数据支持。
主题词岩石暴露年龄     晒退速率     晒退深度     影响因素     释光测年     IRSL    
中图分类号     P597+.3                     文献标识码    A

0 引言

光释光测年(OSL dating)是最常用的第四纪测年方法之一,适用于各种细、粉砂类沉积物中的石英和长石矿物定年[1]。与松散沉积物测年原理相同,岩石表层一定深度内石英和长石矿物的释光信号也可被光快速晒退,且信号归零深度随曝光时间的延长而加深[2~9]。据此,岩石暴露年龄可用光释光测年方法而获得。Sohbati等[4~5]提出了一个理论上的测年模型,通过建立光释光信号自岩石表面向内的晒退曲线,来计算岩石的暴露年龄,即暴露一定时间t(s)后,距岩石表面深度x(mm)处的残留光释光信号强度(L)可用以下关系式表达:

(1)

L0为饱和释光信号强度;σ(cm2)为光解离截面积;φ0(cm-2 s-1)为光子通量;μ(mm-1)为光透系数,指示阳光穿透岩石的衰减系数; (s-1)为光晒退速率,指示曝光的岩石表层释光信号的晒退速率;其中,和μ与岩石类型和特征相关,是获得岩石暴露年龄的关键参数。

Sohbati等[5]对美国犹他州峡谷岩画样品进行年龄的测定,岩画位于侏罗纪砂岩基岩面的壁龛中,首先通过一个已知年龄的中粒石英砂岩样品(取自岩画附近有明确时间记录的道路边岩石墙暴露表面),由公式计算得出和μ的值;假设对于同一岩性的岩石,σ、μ值相同且同一地区的φ0值视为一致,将已知的和μ值代入公式(1)计算获得岩画的暴露时间。此方法还被用来尝试测定岩石埋藏事件的年龄[7~8]。理论模拟计算结果显示[4],岩石暴露年龄光释光测年方法的可测年龄上限达100 ka。该创新性的研究结果开创了一项既经济又易操作的岩石测年新技术,为测定断层活动、岩石崩塌、滑坡、火山喷发等地质事件的年龄以及考古岩石样品的定年提供了新的思路和途径。

相比颗粒矿物光释光测年,利用岩石表层的释光信号进行年代测定,有其独特的优势。比如,岩石经历的曝光、埋藏历史以及埋藏前释光信号是否完全归零,均可根据岩石表层的释光信号随深度变化曲线而获得[7]。然而,相比于沉积物矿物颗粒光释光测年,岩石暴露面释光测年需要获取不同岩性、不同暴露方向、不同表面条件下特征光晒退速率 (s-1)和光透系数μ(mm-1)值,这是成熟使用这一方法的基础。比如,在理论测年模型中,光解离截面积σ、光透系数μ值皆与岩石的岩性相关,公式(1)中μ值变化,光晒退速率与时间乘积的值( t)亦随之改变[5],则样品岩性的选择是采样的首要问题。在宇宙成因核素10 Be的测年方法中,地形、山体屏蔽、表面覆盖物等因素都会影响核素的生成速率[10],从而影响最终测年结果。受此启发,岩石表层释光测年中,同一块基岩或漂砾不同朝向采样面的光释光信号的晒退程度是否一致,对测年结果有何影响,也是值得考虑的问题。我国西北干旱、半干旱地区的岩石表面普遍发育一层暗色的岩石漆[11~12],Liritzis[2]曾指出岩石的透明度影响光释光信号的晒退,岩石漆是否因对阳光产生屏蔽作用而对信号晒退产生影响,前人也未曾做过系统的研究。

本文拟通过阳光晒退实验初步探讨岩性、采样面朝向、岩石表面覆盖物(岩石漆)等因素对信号晒退及岩石暴露年龄测定的影响,为准确获得岩石样品定年所需的光晒退速率和光透系数μ这两个重要参数奠定了基础,从而提高岩石暴露光释光测年方法的可靠性和广泛性。

1 材料与方法

不同岩性岩石的晒退实验选用从北京石材城购买的大块岩板(约130 cm×60 cm×10 cm)。一块岩板为红褐色长石石英砂岩,另一块为灰白色黑云母花岗岩。实验前,首先在水冷却环境下将大块岩板切割成小岩块(12 cm×10 cm×6 cm)(图 1a),而且检测了自岩块新鲜切割面向内的红外释光(Infrared Stimulated Luminescence,简称IRSL)50度测量信号变化,结果显示,砂岩(图 2a)和花岗岩(图 2b)岩块自新鲜面向内均处于IRSL信号饱和状态,说明前处理过程中原始光释光信号未受影响。将所有样品新鲜面暴露于外,其余各面用锡纸和胶带密封,暴露面朝上放置于楼顶晒退不同时间(图 1a)。

图 1 实验岩石样品照片(a);雅布赖基岩断层面(b);花岗角砾岩A面(有岩石漆)、B面(无岩石漆)(c) Fig. 1 The photo of rock samples (a); Yabrai bedrock fault surface (b); Granite breccia's surface A with rock varnish and the original surface B without rock varnish (c)

图 2 IRSL信号自岩块暴露面(实验晒退面)向内的变化,(a)砂岩;(b)花岗岩;(c)花岗角砾岩有岩石漆覆盖的A面;(d)花岗角砾岩无岩石漆的B面(每个点为3个岩片测量值的平均) Fig. 2 Variation of the IRSL signal intensity with depth into the sandstone surface (a), granite surface (b), granite breccia surface A with rock varnish (c) and surface B without rock varnish (d)(Each data point is an average of at least three aliquots)

不同朝向的晒退实验,实验样品选用两块黑云母花岗岩小岩块(图 1a)。同一时间朝上、朝北光强度差别相对较大(如:北京10月份中午,朝上面接收的光强度约为朝北面的10倍),则暴露面选择朝上与朝北(背阴)放置,在阳光下晒退不同时间。

岩石表面覆盖物(岩石漆)屏蔽作用实验选择从内蒙自治区雅布赖山基岩断层面采集的一块表面附着岩石漆的花岗角砾岩岩块(约11 cm×10 cm×5 cm)(图 1b1c)。将该岩块的一半保留岩石漆(A)、另一半去掉岩石漆出露原始面(B)(图 1c),由于样品在野外暴露过程信号已晒退,因此在北京大学钴源实验室接受2000 Gy剂量辐照。为避免辐照后样品信号被晒退,辐照前将样品用锡纸和胶带封裹。实验前将该样品的A、B面除去锡箔纸后,信号检测发现其岩石A、B面自表面向内IRSL信号都为饱和状态(图 2c图 2d)同样将样品暴露面朝上置于楼顶晒退一定时间,测量自暴露面向内的信号变化。

阳光下,岩块晒退时间为实验日期内昼长时间的总和。实验后,通过自砂岩与花岗岩表层向内采用水钻钻取直径约10 mm的岩芯[13~15]。而花岗角砾岩易碎,采用切割岩柱的方式获得自表层向内的系列样品,岩柱尺寸为7 mm×7 mm×60 mm。暗室内,将岩芯、岩柱在切片机上连续切割成厚度为0.7 mm的岩片备测,存在0.3 mm厚度的损耗。为了减少单根岩柱测试数据的不确定性,同一样品均测试3根岩芯的岩片。

岩片直接放在释光测量仪的载样盘上进行测量,岩片朝向实验晒退面的一侧在切片时做了标记,有标记面的一侧统一朝上放置。样品光释光信号的测量、再生剂量的辐照均在丹麦产Risø TL/OSL-DA-20型释光测量仪上完成。激发光源选择红外光(波长:875 nm,最大功率:150 mW/cm2),因岩片是由石英与长石等矿物混合组成,钾长石有IRSL信号且信号亮度高[16]。测量时激发光源光强为最大功率的90 %,测试流程均采用50 ℃下红外激发的实验流程[17~18](表 1),光释光信号通过EMI 9235QA型光电倍增管(PMT)检测,在激发光源和PMT之间附加Schott BG3和BG39滤光片组合。辐照源为Risø TL/OSL-DA-20型自动测量系统机载β源。

表 1 红外释光(IRSL)的实验流程[17~18] Table 1 IRSL signal measurement procedure[17~18]
2 结果与讨论

信号检测结果发现,本文所选砂岩、花岗岩和花岗角砾岩实验样品均有较强的IRSL信号(图 3),信号快速衰减且残余的本底信号值较低,黑云母花岗岩和花岗角砾岩具有相似的信号衰减特征(图 3插图)。

图 3 砂岩(黑色)、黑云母花岗岩(红色)、花岗角砾岩(蓝色)的IRSL信号衰减曲线 花岗岩、花岗角砾岩光子计数对应左边Y轴,砂岩光子计数对应右边Y轴;内插图为光子计数归一化的衰减曲线 Fig. 3 IRSL decay curves of sandstone(black), granite(red)and granite breccia(blue). IRSL signals from inner slices from granite and granite breccia corresponding to left Y-axis, IRSL signals of sandstone corresponding to right Y-axis. The inset is the normalized IRSL decay curves
2.1 岩性

砂岩、花岗岩晒退不同时间后,自暴露面向内的IRSL信号变化趋势如图 4所示。砂岩随曝光时间延长,岩块内部IRSL信号晒退深度逐渐增大(图 4a),此趋势在拐点深度[19](释光信号拟合曲线一阶导数峰值所对应的深度值)的变化曲线上表现更直观(图 4a内插图),例如:在晒退约1663 h,拐点深度为2.09 mm。但曝光时间由约736 h增加到1663 h后,晒退程度基本一致,均是第二个测片深度(2 mm)之内信号被晒退到较低的水平,晒退影响深度X(即自岩石表面到接近信号饱和平均值的第一个点对应的深度范围)都不足5 mm。

图 4 阳光晒退不同时间后,砂岩(a)和花岗岩(b)自暴露面向内的IRSL信号强度变化 晒退影响深度为X和晒退归零深度为Y;内插图是砂岩和花岗岩曝光不同时间的晒退拐点深度的变化 Fig. 4 Normalized IRSL profiles with depth into surfaces of sandstone (a) and granite (b) after the different exposed time, X is saturation depth and Y is resetting depth. The inset is variation of the inflection depth versus time

随曝光时间从0.5 h延长至约5114 h,花岗岩岩块信号晒退归零深度Y(释光信号晒退完全或基本接近本底水平的深度范围)由约1 mm(即,第一个测片指示的深度)逐渐加深至约7 mm(图 4b),信号拟合曲线逐渐向岩块内部推移,曲线拐点深度也从2.55 mm逐渐增大到9.27 mm。但曝光约5114 h和1200 h相比,晒退归零深度仅由约6 mm增加到约7 mm,差别明显减小(图 4b),两条拟合曲线之间的间距也相对较小。信号拟合曲线向内部推移的速率明显减缓,在拐点深度值的变化曲线上表现为,表层8 mm内曲线斜率较大,而晒退深度> 8 mm后,曲线斜率明显变缓。

从晒退不同时间后的信号变化趋势对比看,砂岩和花岗岩有相似的信号衰减规律,短时间(0.5 h)曝光表层岩片即可表现出快速的晒退现象(约95 %的IRSL信号可被晒退),晒退时间越长,信号晒退深度越大;而当信号被晒退达到一定深度或晒退时间较长(如约1200 h)时,无论是砂岩还是花岗岩,信号拟合曲线向内部推移的速率明显减缓。在拐点深度曲线上表现为,晒退时间低于1200 h时曲线斜率较大,而随曝光时间继续增大时,曲线斜率明显变缓。但不同岩性的岩块表层的释光信号晒退程度区别较大,浅色花岗岩的晒退速率明显高于深色砂岩。比如,当晒退时间约1200 h后,花岗岩岩块表层约6 mm厚度内的信号已经基本归零(图 4b),而晒退约1663 h后砂岩岩块表层仅2 mm厚度内的信号被晒退到较低的水平。实验结果表明,岩性不同,岩石表层光释光信号晒退的区别较大。

2.2 样品朝向(朝上、朝北)

相同的花岗岩岩块暴露面选择不同朝向(朝上、朝北),置于阳光下曝光约5114 h,信号晒退曲线如图 5所示。两条曲线的形态特征基本相似,晒退归零深度值Y基本一致,均约7 mm。与朝北岩块的信号曲线相比,朝上一面的信号拟合曲线更靠岩块内侧,其曲线拐点深度约为9.3 mm,比朝北面的深度值大0.8 mm。由于使用相同岩性,则可固定同一光透系数μ值,利用公式(1)拟合获得朝上面晒退曲线中的 t值为523,朝北面为291。曝光相同时间,晒退面朝上的光晒退速率值大,说明岩石暴露面朝上比朝北接收的光子通量(φ0)大,表层的光释光信号更易晒退。

图 5 黑云母花岗岩自不同朝向(朝上、朝北)暴露面向内的IRSL信号强度变化 其中,Y为晒退归零深度,内插图为曝光相同时间后晒退拐点深度的对比 Fig. 5 Normalized IRSL profiles with depth into biotite-granite rock surfaces of different orientation(upward and northward facing)after the different exposed time. Y is the resetting depth. The inset is variation of the inflection depth versus time
2.3 岩石表面覆盖物(岩石漆)

花岗角砾岩岩块有、无岩石漆覆盖的表面内部信号晒退对比结果如图 6所示。经短时间(40 h)曝光,有、无岩石漆岩石表层的IRSL信号晒退有明显差异;无岩石漆覆盖的晒退面表层信号晒退速率明显高于有岩石漆的晒退面;对应晒退曲线的拐点深度大0.8 mm(图 6a)。但是,随着曝光时间增长至约2416 h后,虽然无岩石漆比有岩石漆覆盖的岩块表层信号晒退深度稍大,但两者的晒退曲线已无明显差异,对应拐点深度值也近似相同,仅差0.3 mm(图 6b)。实验结果说明,岩石暴露面短时间(40 h)曝光,岩石漆对自然光产生屏蔽作用,使岩石表层光释光信号晒退速率明显减小;随着曝光时间的增长(超过2416 h),影响程度渐趋减弱。

图 6 阳光下曝光不同时间40 h(6a)和2416 h(6b),花岗角砾岩自暴露面(有、无岩石漆)向内的IRSL信号强度变化 内插图分别为曝光相同时间后有无岩石漆的晒退拐点深度值对比 Fig. 6 Normalized IRSL profiles with depth into granite breccia surfaces(with or without rock varnish)after the different exposed time(40 h and 2416 h). The inset is variation of the inflection depth versus time

根据上述3个实验结果表明,获得某岩石暴露年龄,正确选择待测及已知年龄样品是关键。保证待测样品与已知年龄样品来自同一区域、岩性相同且采样面的朝向一致,因此视两个样品的年龄计算模型中参数光晒退速率和光透系数μ值相同,从而计算出岩石暴露年龄。但当岩石表面有覆盖物(如:岩石漆)时,亦需考虑覆盖物对岩石表层光释光信号晒退的影响程度。如雅布赖山基岩断层面大面积覆盖有较厚的岩石漆,且基岩暴露面风化严重且层层剥落,很难判断其原始的暴露面,因此目前仍不能应用此方法计算其暴露年龄。

另外,虽然本文实验发现样品采样面朝向、样品表面覆盖物(岩石漆)对信号晒退有一定程度的影响,但晒退时间(如2416 h、5114 h)相比一般地质样品所经历的百年、千年或更长时间尺度的暴露年龄来讲实在太短,因此判断这些因素对上述长时间尺度的地质样品暴露年龄测定的影响程度,还需要较长时间尺度的已知年龄样品进一步验证。

3 结论

本研究选择砂岩、花岗岩、花岗角砾岩通过阳光晒退实验初步探讨了岩性、采样面朝向、表面覆盖物(岩石漆)对释光信号晒退的影响。实验结果表明如下:

(1) 砂岩、花岗岩一定深度内释光信号有相似的阳光晒退规律,岩石表层IRSL测试信号可被光快速晒退,且曝光时间越长,晒退归零深度越大;与深色砂岩相比,浅色的花岗岩有更高的晒退速率,因此认为此类深色砂岩适于暴露时间较长的岩石定年,而花岗岩更适于年轻样品,较短的暴露时间即可满足埋藏年龄的测试要求。

(2) 花岗岩采样面不同朝向(朝上、朝北)在阳光下曝光相同时间(约5114 h)后,朝上暴露面接收的光子通量较大,说明采样面朝向对信号晒退速率有一定的影响。

(3) 阳光下暴露相对较短的时间(40 h),样品表面覆盖物(岩石漆)对信号晒退影响明显,但随着时间的延长(约2416 h),这种影响程度渐趋减弱。

致谢: 丹麦奥胡斯大学Andrew Murray教授、Reza Sohbati博士对本研究予以讨论和启发,北京大学周力平教授给予本工作积极鼓励,中国地质大学(北京)陈岳龙教授和李大鹏副教授对实验结果有益的讨论,俞晶星博士野外协助采集雅布赖样品,李建平老师帮助在北京大学辐照样品;审稿专家和编辑部杨美芳老师提出了建设性的修改意见,在此一并深表感谢。

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Factors that influence luminescence dating of rock surfaces
Cui Furong1,2, Liu Jinfeng1, Bao Chuang3, Chen Jie1     
(1 State Key Laboratory of Earthquake Dynamics, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029;
2 School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083;
3 Key Laboratory of Crustal Dynamics, Institute of Crustal Dynamics, China Earthquake Administration, Beijing 100085)

Abstract

Optically Stimulated Luminescence(OSL) age-dating has been successfully applied to determine the exposure ages of rock surfaces. This technique is widely applicable in the fields of geology, geomorphology, climatology, and archaeology. The OSL dating method can accurately measure the age of bedrock and gravel exposed after a particular geological event. However, it is important to study factors that may affect the bleaching rate of the Infrared Stimulated Luminescence(IRSL) at 50℃ signal from a rock surface, including sample lithology, sampling surface orientation, and whether the rock surface has a patina(rock varnish). To analyze the effects of these factors, we performed a series of rock surface bleaching experiments on reddish-brown argillaceous feldspar sandstone, grey biotite granite, and granite breccia. The results show that the IRSL signal at certain depths beneath sandstone or granite rock surfaces can be quickly reset by exposure to sunlight. The longer the bleaching time, the deeper the bleaching depth. Furthermore, the bleaching rate of the IRSL signal in lighter granite is much higher than in darker sandstone. The sampling surface orientation(i.e., upward or northward facing) has no significant effect on the resetting depth of the IRSL signal. After sunlight exposure for ca.5114 hours, however, the IRSL luminescence-depth profiles within granite show that the effective luminescence decay rate() and the inflection depth from the rock surface of bleaching inflection are higher for an upward-facing surface than for a north-facing surface, thereby indicating that rock surface orientation exerts an influence on age-dating results after ca.5114 h of exposure. For a short exposure time(40 h), the presence of a rock varnish may have a shielding effect and significantly reduce the bleaching rate of the IRSL signal, whereas a rock surface without rock varnish has a deeper bleaching depth. The shielding effect of the rock varnish decreases when the surface exposure time increases to ca.2416 h. This study advances our understanding of IRSL signal bleaching within rock surfaces, and provides a useful theoretical basis for the selection of appropriate rock surfaces for sampling to improve the accuracy of OSL age-dating.
Key words: rock surface dating     OSL dating     IRSL bleaching rate     IRSL bleaching depth