释光年代学实验室

       释光测年实验室室始建于1994年,是我国首家释光测年实验室。目前实验室拥有3套Daybreak 2200型光释光测量仪、2套1100型热释光测量仪、1台Daybreak801E辐照仪、1台Daybreak801辐照仪、1套常规RisøTL/OSL-DA-20C/D释光测量系统、1套单颗粒RisøTL/OSL-DA-20C/D释光测量系统、3套Daybreak583厚源alpha-计数仪、1台实验室高纯锗GEM70P4-95型gamma谱仪、1台DigiDART-LF型便携式NaI伽玛谱仪等设备。

       实验室目前开展了释光测年应用与测年方法的研究,并立足地震科学事业,形成了实验室的研究特色。实验室系统开展了大量的变形地貌面、古地震探槽、地震相关物质(如喷砂、堰塞塘冲积物等)释光测年的应用和方法研究,在构造相关释光测年方面积累了大量的经验。除此以外,还积极探索释光测年在构造地貌研究中的其它可能应用,包括近期正在进行的释光低温热年代研究和释光暴露年代研究。

       在完成自身的科研任务之余,作为开放实验室,释光测年实验室承担了大量的国内外科研和工程协作任务。自2010年以来,国内外共有40多人次访问或在实验室进行样品处理和测量工作。这些合作者主要来自中国地震局地质研究所、中国地质大学、北京大学、防灾科技大学、地震灾害防御中心、中国科学院地质与地球物理研究所、中国地质科学院、浙江师范大学,黑龙江地震工程研究院等国内单位,以及加州大学圣巴巴拉分校、以色列地调局释光测年实验室、麻省理工学院、丹麦科学技术大学等。截至目前,实验室已完成协作样品达1000余个,部分数据已发表于近30篇国际国内论文中。

释光测年原理:

       释光测年(Optical Dating )是以晶体矿物的电离辐射损伤效应为基础的一种测年方法。晶体矿物,如石英和长石,受到围岩或沉积物中U,Th,40K,Rb等放射性元素衰变及宇宙射线的辐照时,晶格所吸收的能量部分以受激被俘获电子的形式积累于其能带结构中的亚稳态能级(常被称为电子陷阱)中。这些被俘获电子在陷阱中的寿命由Arrhenius方程决定。经长时间辐照后,晶格中俘获电子的数量将决定于陷阱电子的俘获速率,辐照时间,陷阱电子的热稳定性。若在环境温度下,陷阱电子寿命超过样品的期待年龄10倍以上,那么在该时间尺度上可以忽略陷阱电子的逃逸。在热激发或光激发(红外,可见光或紫外)的条件下,这些储能陷阱电子将摆脱陷阱束缚,与晶格中发光中心附近的带正电的空穴复合,以发光或声子的方式释放能量,这种发光即被称为热释光(Thermoluminescence, TL)或光释光(Optically Stimulated Luminescence, OSL)。根据实验室激发光源的不同,光释光测年又可分为红外释光(Infrared stimulated luminescence,简称IRSL)测年、绿光释光(Green light stimulated luminescence, GLSL)测年和蓝光释光(Blue light stimulated luminescence, BLSL)测年。

        如上所述,若陷阱储能电子逃逸可忽略,结晶矿物释光信号强度与该矿物(经过光晒退或高温焙烧过)埋藏后接受的辐照剂量密切相关。通过实验室辐照已知释光信号强度间的定量关系。基于该定量关系,可以根据经历了样品的天然释光信号强度反算样品在自然埋藏中接受的辐照剂量,即等效剂量(ED)。等效剂量(ED)又称古剂量(P),即被测样品产生天然积存释光所需要的辐射剂量(单位Gy)。

        由于半衰期非常长,在百万年的时间尺度上,环境中U,Th和40K等核素浓度可认为恒定。通过实验室测量相应核素的浓度,可得到这些核素单位时间所提供的辐射剂量,称为剂量率(D,单位mGy/a或Gy/ka)。

年龄(A)=等效剂量(ED)/剂量率(D)

       样品的释光年龄可通过上式确定。用于释光测年的矿物必须满足以下3个基本条件:

       ①被测矿物在沉积埋藏时已被充分曝光或高温焙烧过;

       ②被测矿物的释光信号具有很好的热稳定性,即在常温下不发生衰减;

       ③被测矿物被埋藏后处于恒定的环境辐射场中,其接受的环境剂量率为常数。

       凡经过高温焙烧过的或阳光(自然光)充分晒退过的含有石英或长石等矿物的埋藏地质体和考古样品都可作释光测年,例如黄土、沙丘砂、古陶片、快速隆升的基岩等。鉴于石英的释光信号易饱和,长石的信号可能发生不规则衰退,一般释光测年只适用于<10—15万年的样品,在低环境剂量率情况下,可测上限可达几十万年。

采样要求:

       释光样品须满足埋藏前信号回零且处于恒定辐射场中的条件,因此采样时一定要注意影响这2个条件相关因素。

对于沉积物样品:

       1. 根据测年目的来选定取样层位或地质体。如确定一地质事件,最好在剖面上采集具上下时序的3个以上样品,以减少测定一个孤立样品时可能产生的不确定性。

       2. 采样层位应选择岩性均匀、沉积埋藏前已充分曝光的、厚度大于20-30厘米的风积层、冲积层、湖积物和海积层中的粉-细砂、粘土质粉-细砂或粘土,条件不允许时也可选择冲、洪积物中的粉-细砂、粘土质粉-细砂或粘土透镜体,以及坡积层理较清晰的粉-细砂、粘土质粉-细砂或粘土坡积物。

       3. 采样前应清除地表或边坡、陡坎40-50厘米深的表层土,即应挖进40-50厘米后才可采样。

       4. 等效剂量样品需约300克,采样须避光。根据样品沉积结构最好选择不同取样方式,对于松散沉积物样品,一般采用尺寸长20cm 直径5-6cm的钢管打进采样层位,使样品充满容器,两端口用锡纸等不透光材料封住后用宽胶带封存,也可在遮光布下取样后避光包装密封;对于固结样品,最好能采集6×6×6 cm3块状样品,在野外用锡纸等不透光材料包装后用塑料袋密封。环境剂量率样品根据样品半径30cm范围内岩性是否均一,采用不同取样方式和取样量。如果岩性不均一,最好采用野外便携式gamma谱仪与室内元素分析或者高纯锗gamma谱仪相结合的方式进行测量,一般需要干样品量400-500g;如果岩性均一性较好,采用实验室元素分析方法,等效剂量样品去除的部分即可用于环境剂量测量,不需要单独采集环境剂量率样品。

       5. 对于钻孔岩芯样品,可采集长6-15 cm的整体块状圆岩芯或半岩芯,在野外用锡纸等不透光材料包装后用塑料袋密封。

对于古陶片、古砖瓦等考古样品:

       采集沉积层中的古陶片、古砖瓦等考古样品时,必须同时采集一些测试对象周围的土样,以供测定样品环境剂量率用。最好在半径为30 cm的范围内采集同一时代的古陶片、古砖瓦碎片3-6块作为平行样品,以减少测定一个孤立样品时可能产生的不确定性。这些平行样品最好具不同类型的结构,如粗陶、希陶、泥质陶、夹砂陶、黑陶和红陶等。每块碎片厚度应超过7 mm,长、宽(或直径)超过30 mm,尺寸大的更好,以保证样品内部beta剂量的完整。

       此外,应注意:含水状态对计算环境剂量率及年龄有较大影响,采集的样品尽可能维持原状,密封包装,以减少水分丢失。同时应记录所采层位与地下水位的关系(位于地下水位之上还是之下)。

送样时,应附上送样单(见附件1),包括1) 样品野外编号;2) 取样地点;3) 记录样品产出的地理坐标(经、纬度)及海拔高度;4) 样品名称及类型;5)样品性状;6) 样品包装;7) 样品周围环境(半径30cm内)岩性是否均匀、是否受放射性污染;8) 样品埋深(距地表)及与当地地下水位的关系;9) 样品所在层位和地层剖面或柱状图,采样点地层岩性、沉积相及构造位置;10) 样品测年意义及估计年代等。

实验室主要仪器照片:

Daybreak801E辐照仪


Daybreak2200(0116)释光测量仪


Riso2单颗粒释光测量仪



高纯锗gamma谱仪测量仪


便携式gamma谱仪测量仪


主要成员:陈杰、刘进峰、杨会丽、覃金堂

联 系 人 :杨会丽   (联系方式:010-62009432   yhl@ies.ac.cn)


主要发表论文成果:

1.Liu Jin Feng, Chen J., Yin J. H., Lu Y. C., Murray A., Chen L. C., Thompson J., and Yang H. L., 2010. OSL and AMS14C Dating of the Penultimate Earthquake at the Leigu Trench along the Beichuan Fault, Longmen Shan, in the Northeast Margin of the Tibetan Plateau. Bulletin of the Seismological Society of America, 100(5B): 2681–2688, doi: 10.1785/0120090297.

2.Ran Yongkang, L. Chen, J. Chen, H. Wang, G. Chen, J. Yin, J. Liu, X. Shi, C. Li, X. Xu. 2010. Paleoseismic evidence and repeat time of large earthquakes at three sites along the Longmenshan fault zone. Tectonophysics491 , 141-153.

3.Chen Yixin, Yingkui Li, Yue Zhang, Mei Zhang, Jingchun Zhang, Chaolu Yi, Gengnian Liu. Late Quaternary deposition and incision sequences of the Golmud River and their environmental implications. Quaternary International, 2011,236(1-2): 48-56

4. Yuan Dao-Yang, Jean-Daniel Champagnac, Wei-PengGe. Late Quaternary right-lateral slip rates of faults adjacent to lake Qinghai, northeastern margin of the Tibetan Plateau. Geological Society of America Bulletin, 2011,123(9-10): 2016-2030

5.Jiang Hanchao, Mao Xue,XuHongyan, Thompson Jessica, Wang Ping, Ma Xiaolin. Last glacial pollen record from Lanzhou (Northwestern China) and possible forcing mechanisms for the MIS 3 climate change in Middle to East Asia. Quaternary Science Reviews, 2011, 30(5/6), 769-781.

6.Wang Ping, Jiang, Hanchao, Yuan, D.Y., Liu, X.W., Zhang, B. Optically stimulated luminescence dating of sediments from the Yellow River terraces in Lanzhou: tectonic and climatic implications. Quaternary Geochronology, 2010, 5(2/3): 181-186.

7. Zhang J. and D. Cunninggham. Polyphasetranspressional development of a NNE-striking basement-cored anticline in the Xining Basin, northeastern Qinghai–Tibetan Plateau. Geological Magazine, 2013, 150(4): 626-638

8.Yang X.P., B. Zhua, X. Wang, C. Lib, Z. Zhou, J. Chen, X. Wang, J. Yin, Y. Lu. 2008. Late Quaternary environmental changes and organic carbon density in the Hunshandake Sandy Land, eastern Inner Mongolia, China. Global and Planetary Change 61, 70–78.

9. Yang Hui-li, Jie Chen, J. A. Thompson, Jing-feng Liu. 2012. Optical dating of the 12 May 2008, Ms 8.0 Wenchuanearthquake related sediments: tests of zeroing assumptions. Quaternary Geochronology, 10: 273-279. doi:10.1016/j.quageo. 2012.02. 022.

10. Jinfeng Liu, Andrew S. Murray ,Mayank Jain , Jan-Pieter Buylaert c, Yanchou Lu , Jie Chen. 2012. Developing a SAR TT-OSL protocol for volcanically-heatedaeolian quartz from Datong (China). Quaternary Geochronology. 10: 308-313. doi:10.1016/j.quageo. 2012.02.008

11.Tao Li, Jie Chen, Jessica A. Thompson, Douglas W. Burbank, and Weipeng Xiao.2012. Equivalency of geologic and geodetic rates in contractionalorogens: New insights from the Pamir Frontal Thrust. GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS. 39:l15305.

12. Tao Li, Jie Chen, Jessica A. Thompson, Douglas W. Burbank and Xiaodong Yang.2013. Quantification of three-dimensional folding using fluvial terraces: A case study from the Mushi anticline, northern margin of the Chinese Pamir. JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH: SOLID EARTH.118:4628-4647.

13.HanchaoJiang,XueMao,HongyanXu, HuiliYang,XiaolinMa,NingZhong,Yanhao Li.2014. Provenance and earthquake signature of the last deglacialXinmocun lacustrine sediments at Diexi, East Tibet. Geomorphology. 204:518-831. 

14. HongyanXu, Hanchao Jiang, Song Yu, Huili Yang, Jie Chen. implications for two historical earthquakes in AD 638 and 952. 2014. Quaternary International. DOI: 10.1016/j.quaint. 2014. 09. 045

15. Jintang Qin, Jie Chen, James Barrett Salisbury. Photon transferred TL signals from potassium feldspars and their effects on post-IR IRSL measurements. 2015. Journal of Luminescence. 160: 1-8.

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17. 刘进峰,陈杰,尹金辉,卢演俦,陈立春. 2010. 龙门山映秀-北川断裂带擂鼓探槽剖面古地震事件测年研究. 地震地质, 32(2):191-199.

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21. 杨会丽, 陈杰, 冉勇康, 刘进峰, 王昌盛, 李峰. 2011. 汶川8.0级地震小鱼洞地表破裂带古地震事件的光释光测年. 地震地质, 33(2):402-412.

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28. 冉勇康,王虎,杨会丽,徐良鑫.2014. 中国大陆古地震研究的关键技术与案例解析(4)-古地震定年技术的样品采集和事件年代分析. 36(4):939-955.