На чем основано термолюминесцентное датирование
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:
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:
Термолюминесцентный и калий-аргоновый метод датировки
Термолюминесцентный и калий-аргоновый метод датировки.
Термолюминесцентный метод датировки связан с измерением световой энергии, излучаемой при нагревании определённых объектов минерального происхождения, которые когда-то уже подвергались нагреванию. Некоторые распространённые минералы (стекло, глина, керамика и др.) с течением времени накапливают энергию ионизирующего излучения, а затем, при резком нагреве, отдают её в виде светового излучения (вспышек света). Чем старше образец, тем больше вспышек будет зафиксировано. Энергия испускаемого света говорит о том, когда произошло нагревание.
Термолюминесцентный метод датировки применяется по отношению к обожжённым глиняным черепкам, глиняным статуэткам, древним печам и т.д. В идеальных условиях, метод позволяет датировать образцы возрастом от 100 до 80 тыс. лет с погрешностью в 7-15 %. С точки зрения физического обоснования сам метод считается достаточно точным и надёжным. Однако необходимо принимать во внимание ряд важных факторов. К примеру, в результате данного анализа определяется не просто дата изготовления образца, а дата его последнего нагрева до высокой температуры. А это могли быть как обжиг, так и пожар или просто долгое нахождение образца на открытом солнцу месте. Всё это, к сожалению, свидетельствует о неоднозначности получаемых результатов.
Калий-аргоновый метод. Изотоп калия-40 имеет двойную цепь распада в аргон-40 и кальций-40. Измерения калия заменены измерением изотопа аргона-39, который образуется из изотопа калия-39 при облучении образца в ядерном реакторе по реакции 39К — 39Аг. Метод позволяет судить о том, была ли изотопная система в минерале «закрыта», то есть происходили ли, например, потери радиогенного аргона или нет. Теоретически калий-аргоновый метод рассчитан на датировку от 10 тыс. лет до 117 млн лет.
Этим методом проще всего датировать вулканические породы, излившиеся в интервале, скажем, от первых миллионов лет назад до первых сотен миллионов лет назад. При датировании более древних и более молодых образцов есть заметные проблемы, с которыми столкнулись исследователи при тестировании этого метода.
Калий-аргоновым методом проводилось датирование пяти потоков андезитовой лавы с горы Нгаурухо в Новой Зеландии.
Хотя было известно, что лава один раз текла в 1949 г., три раза — в 1954-м и ещё один раз — в 1975-м, но калий-аргоновый метод показал возрасты лавы в диапазоне от 0,27 до 3,5 млн лет(!).
В Австралии проводилось датирование некоторых деревьев, найденных в третичных базальтах и явно погребённых лавой этих базальтов, поскольку сохранились следы обугливания. Возраст древесины, по данным радиоуглеродного анализа, составил 45 тыс. лет, в то время как возраст базальта по данным калий-аргонового метода — 45 млн лет! (!)
Калий-аргоновым методом проводилось датирование пяти потоков андезитовой лавы. Вулкан Нгаурухо в Новой Зеландии
Радий-урановый и радий-актиниевый методы тоже оказались применимы лишь к очень малому количеству археологических объектов. С одной стороны, этими методами можно пользоваться в пределах 300 тыс. лет, но точность их в этом диапазоне не превышает 4-10 тыс. лет. Согласитесь, что такая погрешность для истории слишком велика. Ведь даже разброс в 300 лет, полученный, скажем, по образцу солдатского сапога времён правления Петра I, заставит нас допустить, что петровская армия могла воевать с применением, как минимум, автоматов Калашникова. Другой метод датировки археологических находок по изотопам уранового ряда (ториевый) основывается на скорости радиоактивного распада урана-234 и превращения его в протактиний-231, а затем в торий-230. Этот метод позволяет устанавливать возраст событий, имевших место от нескольких тысячелетий до 350 тыс. лет назад. Однако, опять-таки, слишком большой разброс в показателях и малая чувствительность к небольшим промежуткам времени делают его малопригодным для датировки большинства археологических объектов.
Термолюминесцентный метод
ТЕРМОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ МЕТОД датирования (TL) основан на измерении количества электронов, захваченных электронными ловушками в том или ином, преимущественно в стекле, глине и кремнистых породах. Земную поверхность постоянно бомбардируют различные космические частицы, и электроны из этого потока могут захватываться кристаллической решеткой вещества в местах, называемых электронными ловушками. Норма такого захвата известна, поскольку известна радиоактивность данного вещества. При нагревании вещества до 500° С электронные ловушки опустошаются, а сами электроны рекомбинируют в виде световой энергии.
Суть термолюминесцентного датирования состоит в измерении излучения датируемого образца и вычислении скорости заполнения электронных ловушек. (С наибольшей точностью ее можно вычислить, если известна излучательная способность грунта, из которого взят исследуемый образец). Затем образец нагревают до 500° С и измеряют его ищлучение; оно равно сумме величин световой энергии, порожденной термолюминесценцией, и свечения, обусловленного накопленным тепловым воздействием на образец. В результате нагревания ловушки опустошаются. После этого образец вновь нагревают; излучаемый при этом свет вызван только нетепловым свечением. Вычитание второго показателя из первого дает величину термолюминесценции, а ряд дополнительных вычислений позволяет сопоставить его с датой последнего нагревания этого образца до 500° С. Этот метод успешно применяется для определения времени изготовления керамической посуды и стекла, а также нагревания камней и глиняных полов в очажных ямах. Временной интервал для объектов, поддающихся датированию по термолюминесценции, тот же, что и для радиоуглеродного метода, – примерно от 80 000 до н.э. до 1500 н.э.
Использованы материалы энциклопедии «Мир вокруг нас».
Он включает в себя такие методы, как оптически стимулированная люминесценция (OSL), инфракрасная стимулированная люминесценция (IRSL) и термолюминесцентное датирование (TL). «Оптическое датирование» обычно относится к OSL и IRSL, но не к TL.
СОДЕРЖАНИЕ
Условия и точность
Существует два разных метода датировки OSL: многократная аликвотная доза и однократная регенеративная доза (SAR). При тестировании с несколькими аликвотами одновременно стимулируется несколько песчинок, и полученная сигнатура люминесценции усредняется. Проблема с этим методом заключается в том, что оператор не знает отдельных значений, которые усредняются, и поэтому, если в образце есть частично предварительно отбеленные зерна, он может дать завышенный возраст. В отличие от метода множественных аликвот, метод SAR проверяет возраст захоронения отдельных песчинок, которые затем наносятся на график. Смешанные отложения можно идентифицировать и учитывать при определении возраста.
История
Идея использования люминесцентного датирования в археологическом контексте была впервые предложена в 1953 году Фаррингтоном Дэниелсом, Чарльзом А. Бойдом и Дональдом Ф. Сондерсом, которые считали, что термолюминесцентный отклик черепков глиняной посуды может датировать последний случай нагрева. Экспериментальные испытания археологической керамики, проведенные несколькими годами позже, в 1960 году, Грёглер и др. В течение следующих нескольких десятилетий исследования термолюминесценции были сосредоточены на нагретой керамике и керамике, обожженных кремнях, обожженных отложениях в очагах, камнях для печей из обожженных курганов и других нагретых предметах.
В 1963 году Эйткен и др. отметили, что ловушки ТЛ в кальците могут быть обесцвечены как солнечным светом, так и теплом, и в 1965 году Шелкопляс и Морозов первыми применили ТЛ для датирования ненагретых отложений. На протяжении 70-х и начала 80-х годов все более широкое распространение получило TL-датирование светочувствительных ловушек в геологических отложениях как наземного, так и морского происхождения.
Оптическое датирование с использованием оптически стимулированной люминесценции (OSL) было разработано в 1984 году Дэвидом Хантли и его коллегами. Hütt et al. заложил основу для датирования калиевых полевых шпатов с помощью инфракрасной стимулированной люминесценции (IRSL) в 1988 году. Традиционный метод OSL основан на оптической стимуляции и переносе электронов из одной ловушки в дырки, расположенные в другом месте решетки, что обязательно требует наличия двух дефектов поблизости близость, а значит, это деструктивный прием. Проблема в том, что близлежащие центры захвата электронов / дырок страдают от локализованного туннелирования, со временем уничтожая их сигнал; именно этот вопрос в настоящее время определяет верхний возрастной предел для знакомств OSL
Физика
возраст = (общая поглощенная доза облучения) / (мощность дозы облучения)
Минералы
Измеряемые минералы обычно представляют собой зерна кварца или калиевого полевого шпата размером с песок или неразделенные зерна размером с ил. У каждого из них есть свои преимущества и недостатки. Для кварца обычно используются синие или зеленые частоты возбуждения и измеряется ближнее ультрафиолетовое излучение. Для калиевого полевого шпата или зерен размером с ил обычно используется возбуждение в ближней инфракрасной области (IRSL) и измеряется фиолетовое излучение.
Сравнение с радиоуглеродным датированием
Другое использование
Одним из преимуществ люминесцентного датирования является то, что его можно использовать для подтверждения подлинности артефакта. В надлежащих условиях низкой освещенности можно использовать образец в десятки миллиграммов.
Возрастной диапазон
Возрастной диапазон методов датирования люминесценции простирается от нескольких лет (Montret et al., 1992) до более одного миллиона лет (Fattahi M., Stokes S., 2001).