На чем основано оптическое датирование
Оптическое датирование
Оптическое датирование — физический метод датировки, основанный на определении момента времени, когда минерал в последний раз находился на свету. Используется в геологии и археологии.
Типичный диапазон определяемых возрастов — от нескольких сотен до 100 000 лет. Метод надёжен, когда используются подходящие методы с надлежащей калибровкой. Возрасты вне этого диапазона также могут быть определены, но с меньшей надёжностью. Погрешность определения возраста при оптимальных условиях составляет около 5%.
Критический момент в оптическом методе датирования — было ли достаточным экспонирование дневным светом минеральных гранул прежде, чем они были засыпаны. Большинство эоловых отложений, типа дюн и лёсса, а также некоторые делювиальные отложения удовлетворяют этому критерию.
Все минералы содержат следовые количества радиоактивных элементов, включая уран, торий, рубидий и калий. Они медленно распадаются в течение долгого времени, и испускаемое ими ионизирующее излучение поглощается другими элементами почвенных отложений, в частности, кварцем и полевым шпатом. Возникающие радиационные повреждения сохраняются в виде дефектов кристаллической решётки, которые являются «электронными ловушками». Если облучить образец синим, зелёным или инфракрасным светом, кристалл будет люминесцировать, поскольку сохранённая в дефектах энергия будет высвобождаться в виде света. Интенсивность люминесценции изменяется в зависимости от поглощённой дозы радиации, накопленной в течение времени, пока образец находился в темноте. Радиационные повреждения накапливаются со скоростью, определяемой количеством радиоактивных элементов в образце. Экспозиция дневным светом сбрасывает накопленную в дефектах решётки энергию, и таким образом можно определить время, в течение которого образец находился в темноте.
Иногда используются другие названия метода — «оптически стимулируемое люминесцентное датирование» (ОСЛ-датирование) и «фотолюминесцентное датирование» (ФЛ-датирование).
Содержание
История
Оптическое датирование было изобретено Дэвидом Хантли и коллегами в 1984 на физическом факультете Университета Саймона Фрейзера в Британской Колумбии (Канада). Метод вскоре стал использоваться лабораторией Мартина Эйткена в Оксфорде (Англия), но в течение многих лет применялся только этими двумя группами. Теперь во всём мире существуют многочисленные лаборатории, использующие оптическое датирование, хотя большинство их находятся в Европе.
Физика
Оптическое датирование — один из нескольких методов, в которых возраст вычисляется как отношение полной поглощённой дозы излучения к мощности поглощённой дозы. Мощность поглощённой дозы определяется по содержанию радиоактивных элементов (K, U, Th и Rb) в образце и его окружении и мощности дозы от космических лучей. Мощность дозы находится обычно в диапазоне 0,5 — 5 грэй/1000 лет. Полная поглощённая доза радиации определяется путём возбуждения светом определённых минералов образца (обычно кварц или полевой шпат) и измерения испускаемого в результате света. Фотоны испускаемого света должны иметь более высокие энергии, чем возбуждающие фотоны, чтобы избежать фона от обычной фотолюминесценции. Возраст образца, в котором минеральные гранулы были экспонированы дневным светом в течение хотя бы нескольких секунд, сбрасывается в ноль; при возбуждении светом он уже не будет испускать никаких фотонов такого рода. Чем старше образец, тем больше света он испускает.
Минералы
Измеряемые минералы — это обычно кварц или полевой шпат с гранулами размера песчинок, либо неразделённые гранулы размера пылинок. У обоих вариантов есть преимущества и недостатки. Для кварца обычно используется синий или зелёный возбуждающий свет и измеряется эмиссия в близком ультрафиолете. Для полевого шпата или пылевидных гранул обычно используется возбуждение в ближнем инфракрасном спектре и измеряется фиолетовая эмиссия.
Оптическое датирование
Оптическое датирование — физический метод датировки, основанный на определении момента времени, когда минерал в последний раз находился на свету. Используется в геологии и археологии. Иногда используются другие названия метода — оптически стимулируемое люминесцентное датирование (ОСЛ-датирование) и фотолюминесцентное датирование (ФЛ-датирование).
Типичный диапазон определяемых возрастов — от нескольких сотен до 100 000 лет. Способ надёжен, когда используются подходящие методы с надлежащей калибровкой. Возрасты вне этого диапазона также могут быть определены, но с меньшей надёжностью. Погрешность определения возраста при оптимальных условиях составляет около 5%. Критический момент в оптическом методе датирования — было ли достаточным экспонирование дневным светом минеральных гранул прежде, чем они были засыпаны. Большинство эоловых отложений, типа дюн и лёсса, а также некоторые делювиальные отложения удовлетворяют этому критерию.
Оптическое датирование было изобретено Дэвидом Хантли и коллегами в 1984 году на физическом факультете Университета Саймона Фрейзера в Британской Колумбии (Канада). Метод вскоре стал использоваться лабораторией Мартина Эйткена в Оксфорде (Англия), но в течение многих лет применялся только этими двумя группами. Теперь во всём мире существуют многочисленные лаборатории, использующие оптическое датирование, хотя большинство из них находятся в Европе.
Все минералы содержат следовые количества радиоактивных элементов, включая уран, торий, рубидий и калий. Они медленно распадаются в течение долгого времени, и испускаемое ими ионизирующее излучение поглощается другими элементами почвенных отложений, в частности, кварцем и полевым шпатом. Возникающие радиационные повреждения сохраняются в виде дефектов кристаллической решётки, которые являются акцепторными электронными ловушками. Если облучить образец синим, зелёным или инфракрасным светом, кристалл будет люминесцировать, поскольку сохранённая в дефектах энергия будет высвобождаться в виде света. Интенсивность люминесценции изменяется в зависимости от поглощённой дозы радиации, накопленной в течение времени, пока образец находился в темноте. Радиационные повреждения накапливаются со скоростью, определяемой количеством радиоактивных элементов в образце. Экспозиция дневным светом сбрасывает накопленную в дефектах решётки энергию, и таким образом можно определить время, в течение которого образец находился в темноте.
Термолюминесцентное датирование
Содержание
основа
Запасенную энергию можно определить по разнице между двумя кривыми, определенными таким образом. Это зависит от интенсивности и продолжительности предыдущей накопленной энергии.
Археологическое приложение
Накопление сигнала скрытой люминесценции происходит за счет поступления энергии от распада естественных радиоактивных нуклидов ( 238 U, 232 Th, 40 K, 87 Rb), а также за счет космического излучения.
Во время процесса записи для создания артефакта часы TL были сброшены на «0». Затем снова начинается намеченная «зарядка». Чем старше образец, тем сильнее сигнал люминесценции, который можно наблюдать при повторном нагревании. Однако измерение снова сбросит часы TL.
Следующее должно быть включено в оценку:
До сих пор фальшивомонетчикам не удалось обойти этот метод определения возраста, поскольку очевидно, что невозможно «зарядить» свежеобожженную керамику искусственным излучением таким образом, чтобы имитировать временной ход ТЛ-излучения во время нагрева.
Связанные процедуры
Другие методы работают по тому же принципу, что и термолюминесцентное датирование, при котором снятие возбуждения из метастабильных состояний происходило не за счет нагрева материала, а за счет подачи энергии в виде фотонов. Эти фото- или радиолюминесцентные методы можно различить по частоте стимулирующего излучения, подаваемого извне:
Лаборатория оптически стимулированной люминесценции
Актуальность. Традиционным методом датирования и корреляции четвертичных отложений является радиоуглеродный метод. Однако возможности его применения ограничены малым хронологическим интервалом до 40–50 тыс. лет и высокими требованиями к условиям захоронения датируемого органического материала. В этой ситуации, практически единственной альтернативой датирования отложений с возрастом более 50 тыс. лет является метод оптически стимулированной люминесценции (ОСЛ).
Характеристика метода. ОСЛ метод датирования основан на оценке поглощённой дозы радиации за период захоронения осадка. При этом возраст рассчитывается путём деления поглощённой дозы на мощность (скорость накопления) дозы.
Одним из главных достоинств метода является широкое распространение пригодного для датирования материала. Этим материалом могут быть зерна кварца или полевых шпатов. Единственным ограничением является необходимое обнуление древней светосуммы, запасённой в минеральных зёрнах перед запуском счётчика. Последнее означает, что перед захоронением, время которого и определяется ОСЛ возрастом, обязательно «отбеливание» песчинок на свету. Отбеливание очевидно для субаэральных осадков, вполне реально для русловых, пойменных, прибрежных морских и т.п., но проблематично для глубоководных образований, переотлагавшихся исключительно за пределами освещённого мелководья, на глубинах более 15–30 м. Незначительные ошибки могут быть связаны со слабо контролируемыми диагенетическими изменениями влажности породы, миграцией нуклидов, нестабильностью сигнала.
Значения ОСЛ возраста обычно приводятся со стандартными отклонениями лабораторных измерений. Считается, что надёжность ОСЛ датирования по кварцу ограничена 100–150 тыс. лет. Датирование по полевым шпатам увеличивает интервал до 400–500 тыс. лет. При использовании ОСЛ метода, как и иных методов датирования, важна статистика. Для надежной оценки возраста песчаной пачки необходимо иметь минимум три ОСЛ даты, из которых по крайней мере две должны иметь близкие значения.
Необходимо учитывать, что точные ОСЛ даты гораздо ближе к астрономическим возрастам, чем радиоуглеродные. Последние для плейстоценовых пород дают оценку, уменьшенную на несколько тысяч лет по сравнению с календарным возрастом, а из-за нелинейности этого отклонения калибровка древних радиоуглеродных дат пока проблематична.
Опыт использования. В России ОСЛ метод стал впервые широко применяться в Арктике, когда в 1993 г. начались крупные международные исследования плейстоцена севера Евразии. Несмотря на прекрасные результаты и востребованность метода в геологии, археологии и других науках, изучающих антропоген, в России только сейчас появилась техническая база для датирования методом ОСЛ. Первая ОСЛ лаборатория в России создана на базе ФГБУ «ВСЕГЕИ» в октябре 2017 г.
Лаборатория ОСЛ производит следующие виды работ:
1) Датирование проб четвертичных пород по навескам кварцевых зёрен (фракции 180-250, 90-180, 63-90 мкм) с применением протокола измерений SAR (Single Aliquot Regeneration).
2) Датирование проб четвертичных пород по навескам зёрен калиевых полевых шпатов (фракции 180-250, 90-180, 63-90 мкм) с применением модифицированного SAR-протокола измерений post-IR IRSL (post-Infrared Infrared Stimulated Luminescence).
3) Датирование проб четвертичных пород по отдельным зёрнам кварца и полевого шпата (фракции 180-250, 90-180 мкм).
Для получения достоверных датировок необходимо соблюдать методику отбора проб.
При передаче образцов на датирование необходимо предоставить следующую информацию: координаты точки отбора пробы: широта, долгота, высота над у.м.; глубина отбора пробы от дневной поверхности, схемы и фотографии разрезов с нанесёнными точками отбора проб. При наличии желательно предоставить результаты минералогического и гранулометрического анализов пород, слагающих разрез.
— Шаблон таблицы для передачи образцов в лабораторию ОСЛ для датирования
— Пример заполнения таблицы для передачи образцов в лабораторию ОСЛ для датирования
Автоматизированная система ТЛ/ОСЛ датирования Risø TL/OSL Reader DA-20 C/D с модулем Single Grain OSL attachment для датирования отдельных зёрен минералов, устройством для радиолюминесцентного датирования Radio-luminescence (RL) attachment и модулем пульсационной люминесценции Pulsed OSL attachment.
Автоматизированная система ТЛ/ОСЛ датирования Risø TL/OSL Reader DA-20)
Низкофоновый полупроводниковый гамма-спектрометр на основе кристалла из чистого германия CANBERRA BE3825.
Низкофоновый полупроводниковый гамма-спектрометр CANBERRA BE3825
Виды и стоимость работ
Стоимость ОСЛ датирования в лаборатории оптико-стимулированной люминесценции ФГБУ «ВСЕГЕИ» составляет 50 000 рублей за один образец, без НДС. Датирование проводится по зернам кварца с использованием протоколов SAR (Single Aliquot Regeneration) и POSL SAR (pulsed optical stimulated luminiscense). При недостаточном количестве зерен кварца в образце или их плохих люминесцентных характеристиках или запредельных значениях палеодозы, выполняется дополнительное датирование по зёрнам полевых шпатов c использованием протокола post-IR IRSL (post-Infrared Infrared Stimulated Luminescence). Срок исполнения заказа составляет от 3 до 9 месяцев, в зависимости от загруженности лаборатории. При необходимости, возможно выполнение срочного датирования за 1–3 месяца. В последнем случае стоимость датирования составляет 60 000 руб. за образец.
В указанную стоимость включена химическая пробоподготовка образца, измерение палеодозы на ТЛ/ОСЛ анализаторе Risø TL/OSL-DA-20C/D, определение мощности дозы с использованием низкофонового спектрометра гамма-излучения на основе кристалла из чистого германия Canberra BE 3825/DSA-LX и расчет возраста образца. В случае недостаточного количества зёрен кварца или калиевых полевых шпатов для дальнейшего анализа, Заказчик либо предоставляет дополнительный материал для анализа, либо оплачивает химическую пробоподготовку образца в размере 30% от общей стоимости датирования.
Термолюминесцентное датирование
Те́рмолюминесце́нтное датирование — физический метод датирования объектов минерального происхождения путём измерения энергии, излученной в результате нагрева образца (термолюминесценции).
Содержание
Общее описание метода
Термолюминесцентный метод датирования (ТМД) основан на способности некоторых материалов (стекло, глина, керамика, полевой шпат, алмазы, кальциты и др.) с течением времени накапливать энергию ионизирующего излучения, а затем, при нагреве, отдавать её в виде светового излучения (вспышек света). Чем старше образец, тем больше вспышек будет зафиксировано. Если образец в какой-то момент подвергался сильному нагреву или длительному солнечному облучению (отбеливанию), первоначальный накопленный сигнал стирается, и отсчет времени следует вести именно с этого эпизода.
Для калибровки метода оценивается радиационный фон в данной местности и локальная интенсивность космических лучей.
В идеальных условиях метод позволяет датировать образцы возрастом от нескольких сотен до примерно 1 млн лет с погрешностью около 10 %, которая в некоторых случаях может быть значительно уменьшена. [1]
Физика
Под воздействием внешнего радиационного фона (в том числе образующегося в ходе распада радиоактивных элементов горных пород, космического излучения) происходит образование свободных электронов и дырок и захват электронов на электронных ловушках. Наличие электронных ловушек связано с дефектами кристаллической решетки, всегда имеющимися в реальных кристаллах; чем больше дефектов в кристалле, тем больше электронов могут быть захвачено на ловушках. При нагревании до температуры около 500 °C захваченные электроны высвобождаются из ловушек, и происходит рекомбинация электронов и дырок в центре высвечивания с испусканием фотонов видимого излучения. [2] Это явление и называют термолюминесценцией.
История
Впервые это явление наблюдал Роберт Бойль в 1664 году, то есть ещё в XVII веке. В современной науке первое упоминание о его использовании встречается в работе Ф. Дэниелса (F. Daniels) [3] в 1953 году. Первые практические применения датированы 60-ми годам XX века. [4] [5] В последующие годы публикации по данной теме встречаются довольно часто. [6] [7]
Применение
С точки зрения применения, ТМД является более простым, чем например радиоуглеродный, а следовательно, и более дешёвым. Его применяют в геологии — в частности, для определения возраста известняков, [5] вулканических пород, импактитов, фульгуритов, лёсса, дюнного и акватического песка, алевритов. [1] В археологии применяется для датировки античной керамики [8] и других изделий из обожженной глины, таких как терракоты, [9] обжиговые печи, кирпич, а также обожженных кремневых орудий и камней очагов, искусственного стекла и шлаков. [1]
Используя свойства кристаллов накапливать ионизирующее излучение, их, в частности, используют в термолюминесцентных дозиметрах (англ.) для регистрации ионизирующих излучений.
Ограничения
С точки зрения физического обоснования, сам метод считается достаточно точным и надёжным. Однако необходимо принимать во внимание следующие факторы: