光学测年技术30周年:探索过去的利器
30年前,光学测年技术被首次提出,从此彻底革新了人类对过去50万年所发生事物的研究。在本文中,两位光学测年技术的实践者将评价光学测年的影响,并展望其未来。 30周年纪念日通常会和珍珠联系起来(译注:如结婚30周年称珍珠婚),而珍珠的金字招牌就是通过反射、折射、衍射所产生的璀璨光泽。2015年是国际光年,在这一年里庆祝光学测年技术的诞生再合适不过了。恰好是在30年前,大卫•亨特利(David Huntley)与其同事在《自然》上撰文,首次提出了光学测年技术。文章作者提出,光学测年是一种测定风力或水力搬运的矿物颗粒在被埋藏前(如在沉积地貌中)最后一次接受太阳光晒退的时间的方法。自此之后,光学测年技术自此成为全世界科学家必备的工具,使得为距今50万年内、甚至更久远的时间里所发生的地质、生物、考古事件定年成为可能——远远突破了放射性碳测年5万年的测年局限,也不需要像放射性碳测年那样进行后期校准。 光学测年利用了石英、长石等常见矿物中光敏电子陷阱的物理性质,这些电子陷阱相当于原子级别“时间胶囊”。一旦接受阳光照射,矿物颗粒的光敏电子陷阱就会被立刻清空,而在不见光的埋藏环境中,由于不断接收周围环境的辐射,光敏电子陷阱又会以稳定的速率重新填充(图1)。在实验室中估算矿物颗粒过去吸收的辐射剂量,再除以它们吸收周围环境电离辐射的速率,便可计算出矿物颗粒最后一次接受阳光晒退的时间。 亨特利,与安•温特尔(Ann Wentle)一道,曾在开发另一种可靠的测年方法中起到关键性的作用,即针对未受热沉积物的热释光测年法。该方法的技术和光学测年密切相关,不同之处在于荧光陷阱是由加热矿物颗粒而清空的。在这个过程中,光学惰性陷阱和光敏陷阱中的电子都会被逐出。与之相反,光学测年法是直接作用于后者的。亨特利等人通过使用高能氩离子激光器发出的绿光从石英颗粒中激发较弱的光释光(OSL)信号。然后他们将该信号与在实验室中接受辐射的矿物颗粒产生的光释光(OSL)信号相比较,来估算过去的辐射量,继而估算出颗粒埋藏的时间。 a.矿物颗粒在被空气、水搬运或是覆在地表时暴露在阳光下。被矿物晶格中光敏陷阱捕获的电子被光照逐出,回到它们正常的原子位。b.当矿物颗粒被埋藏、不再接受光照,周围环境的辐射会使电子偏离其正常电子位,从而被电子陷阱捕获。c.如果将颗粒采集起来(避免光照),在实验室中用红外线或可见光(绿光或蓝光)照射,就会清空电子陷阱,产生光释光(OSL)信号。光释光信号经光电倍增管放大,利用光子计数系统测量。用来计算矿物颗粒埋藏时间的历史辐射剂量,是利用在实验室中会产生相同强度光释光信号的等效辐射量来估算的。通过滤波器将光释光信号与无关辐射及激发光线分离开。 这一方法很快就被另一支团队用类似的激光器运用到实践中,但光学测年真正推广开来,还是在长石对红外线极为敏感这一现象被发现之后。这一发现把使用便捷的红外发光二极管(LED)带进了光学测年技术中来。到20世纪90年代末,这项技术已经发展成熟,成为第四纪(最新的地质时期,开始于距今260万年前)沉积物测年的有力工具,帮助人们探明了人类活动时期沙丘及其他地貌的演化,特别是在澳洲和欧洲地区。 2000年之后,光学测年的应用开始激增。在接下来的十年里,测定埋藏剂量的“单片(single-aliquot)”法得到了发展——这一想法最早也是由亨特利及其同事提出的。接下来,在以下几项进展的推动下,光学测年开始被全世界的实验室采用:单片再生剂量(single-aliquot regenerative-dose,SAR)法的出现(该方法对单个或部分矿物颗粒分别进行重复的光释光测量,从而得出单个沉积物样品埋藏剂量的多个独立估算值);光释光数据统计方法的运用;高亮度LED与紧凑型固态激光器相结合来激发石英、长石颗粒光信号的专业自动化仪器。 |