광학 자극 발광 열시간 측정

Optically stimulated luminescence thermochronometry
OSL 신호는 석영 또는 장석에 갇힌 전자의 함수입니다.자연환경에서 이들 광물은 폐쇄온도 이하로 냉각되면서 전하를 저장합니다.도식 그림은 결정 스케일(A) 결정 부위 또는 공실을 보여주는 전형적인 결정 구조에서의 전자 포획 및 분리 과정을 보여준다(B) 전자-공 쌍 재결합 중 이온화 소스(C) 빛의 방출에 의해 조사될 때 원자가 띠가 깨지면서 전자-공 쌍이 분리된다.전자는 격자의 열진동에 의해 부위에서 나와 구멍과 재결합한다.이 공정은 발광 신호를 생성합니다.

광학자극발광(OSL) 열크로노메트리는 유효폐쇄온도를 [1]통해 냉각되면서[1][2] 석영 및/또는[3][4] 장석이 전하를 저장하기 시작한 시간을 측정하기 위해 사용되는 연대측정법이다.석영과 Na가 풍부한 K 장석의 폐쇄 온도는 각각 30-35 °C[1][5] 및 25 °C이다[4].석영과 장석이 땅 밑에 있을 때 뜨겁다.집중 침식과 같은 지질학적 과정이 지표면으로 [6]분출될 때 냉각됩니다.그것들이 식으면, 그들은 결정 격자 안에서 발생하는 전하를 가둬요.이러한 전하는 [7]광물이 폐쇄 온도 이하로 냉각됨에 따라 결정학적 결함이나 결정 격자의 빈 공간 내에 수용됩니다.

이들 전자의 분리 중에 발광체가 생성된다.[7]광물질로부터의 발광 또는 발광은 갇힌 전자 전하 [7]모집단에 비례한다고 가정한다.표준 OSL 방식으로 기록된 경과시간은 OSL 검출 [6][7]시스템에서 이러한 포착된 전하 수를 카운트하여 결정됩니다.OSL 연령은 석영 및/또는 [1]장석의 냉각 연령입니다.이 냉각 역사는 지질학적 [1][8]사건을 재구성하는 데 사용되는 광물의 열 역사에 대한 기록입니다.

4차 이하 기간(104~10년5)은 석영과 장석의 폐쇄 온도가 낮기 때문에 OSL이 바람직한 연대 측정[1][6] 기술인 지질 시대입니다.제4기는 특히 활동적인 산맥 내에서 극심한 지각 침식이 특징이며, 지각[8] 암석의 분출 속도가 높고 제4기 이하의 퇴적물이 형성된다.이전 기술(예: 아파타이트 핵분열 트랙, 지르콘 핵분열 트랙, (우라늄-토륨)/헬륨 연대 측정)은 특히 지난 30만 [1][7][9]년 동안의 지질학적 연령 기록을 적절하게 추적할 수 없었다.OSL 연대는 현재 지질학적 사건의 [1][8][10][11][12]냉각 연대를 이해하기 위해 성공적으로 적용된 유일한 연대 측정 방법입니다.

OSL 측정을 위한 전자 포획 및 분리 이론 개념

자연환경에서 석영 및/또는 장석의 결정격자는 방사성 [1][6]붕괴와 같은 방사선원으로부터[7] 방출되는 방사선에 의해 폭격된다.결정이 조사됨에 따라 결정학적 결함에 전하가 축적된다.전하 포집 과정은 석영과 [7]장석의 결정 격자 내에서 전자와 구멍 둘 다의 원자 규모의 이온 치환을 포함한다.전자 확산은 광물이 폐쇄 [5][13]온도 이하로 냉각될 때 이온화 방사선에 반응하여 발생합니다.

석영이나 장석 이득이 태양과 같은 자연 광원에 노출되면 갇힌 전하가 발광 [7]형태로 사라집니다.이 자연스러운 과정을 표백이라고 합니다.샘플을 가열할 수 있는 다른 모든 과정은 또한 열 표백으로 알려진 결정 격자에서 갇힌 전자를 탈출시킵니다.광물질의 광학적 표백은 [6][7]광물질에 갇힌 전하를 제거하기 때문에 OSL 열크로노메트리에 표백 시료를 사용하지 않도록 세심한 샘플링과 취급을 따라야 한다.광물질의 발광 연구를 위해 실험실에서 인공적으로 발광물을 생성하기 위해 이 두 가지 공정을 [7]채택했다.

트래핑 및 래핑 프로세스를 위한 동적 또는 속도 방정식

석영 및 장석 [2][14]결정의 포획 및 분리 과정을 설명하기 위해 광범위한 운동 모델이 개발되었습니다.이들 모델 중 두 가지는 석영 또는 장석의[7][9] 냉각 이력을 결정하는 데 특히 유용합니다. 이러한 모델을 일반 순서 운동[4] 모델 및 밴드 테일 [15][16]모델이라고 합니다.두 모델은 광물 발광의 특성을 나타내는 세 가지 주요 공정, 즉 포집 공정, 열 포집 공정 및 열 포집 공정을 고려 공정을 고려합니다.각 프로세스는 아래에서 설명하는 서로 다른 방정식에 의해 유도됩니다.이러한 모델은 광물의 냉각 이력을 결정하는 데 유용하며, 이는 포집[9] 공정에서 열적 포장과 열적 포장의 차이 합을 빼는 것을 포함합니다(즉, 포집 – (열적 포장과 열적 포장의 차이).

속도 방정식

트래핑 프로세스

이 과정은 광물이 [7]자연환경에서 전하를 얻는 속도를 기술한다.프로세스는 다음 방정식으로 정의됩니다.

서n~ {\은 광결정 내에 갇힌 전자의 비율(n)과 전체 저장 용량(N)입니다.은 단위시간당 저장되는 전하로 선량률(단위는 Gy/ky)이라고 합니다.o \ 는 광물의 최대 저장 용량에 해당하는 용량입니다.광물이 채워질 확률은 D와 (\})의 를 정의합니다.α는 1 이상의 지수 계수입니다.

열박리

이 방정식은 광물이 열에너지를 흡수할 때 광물질계에서 발광 형태로 전하가 어떻게 제거되는지를 기술합니다.이것이 일반 순서 운동 모델과 밴드 테일 모델 방정식이 다른 부분입니다.

1. 일반 차수의 운동[4] 모델 2.밴드 테일[15][16] 모델의 경우

보통보다 또는 1이하는 어디에 있s{s\displaystyle}주파수에서 두번째(s−1)에 측정할 때,β{\beta\displaystyle}은 운동 명령, E{E\displaystyle}은 활성화 에너지(eV)로 계산했을 때, E({\displaystyle E_{t}}와 Eb{\displaystyle E_{b}}이 활성화 보강판.은 기특히 광물의 결정 격자에서 전도 대역과 원자가 대역에 각각 해당된다. k는 볼츠만 상수(eV/K), T는 절대 온도(K)입니다.

아테르말 박리

이 방정식은 '무차별 페이딩'[17]으로 알려진 신호가 희미해질 때 기록된 발광에 대해 설명합니다.이것은 페이딩 실험[7] 중에 광물을 가열하지 않고 측정됩니다. 관계는 이 방정식으로 정의됩니다.

서 pδ(\ p는 결정의 재조합 중심 밀도를 나타내고 r은 재조합 중심과 전자 트랩 사이의 거리를 나타냅니다.

운동방정식에 의한 냉각이력 결정

OSL 검출 시스템의 스케치 다이어그램.일반적으로 사용되는 것은 자동 Ris \ 열발광 리더(예: TL-DA-20)입니다.적외선 및 파란색 LED(발광 다이오드)는 조사 대상 광물에 따라 광학 자극을 제공합니다.광전자 증배관은 광물이 방출하는 OSL 신호로서 입사광(연청색 광선)을 수집하여 전자 전하로 변환한다.

상기 4개의 방정식을 조합함으로써 하나의 미분방정식을 개발하여 발광률을 냉각속도로 변환한다.다음과 같은 것이 있습니다.

right)} 일반 순서 운동 모델용

방정식에 [9]관련된 모든 모수의 추정을 위해 동일한 일련의 실험실 실험이 수행되기 때문에 모든 모델을 사용할 수 있습니다.온도 시간 이력 또는 T-t 경로의 범위에 대해 된n~ 의 반전을 사용하여 냉각 [9]속도를 결정할 수 있습니다.실험실에서 수행된 충분한 수의 T-T 경로를 사용하여 확률 밀도 함수를 구축하면 [9]광물이 겪을 가능성이 가장 높은 냉각 이력을 결정하는 데 도움이 됩니다.

샘플 준비

지표면 또는 시추공에서 채취한 암반 샘플은 OSL [7]연대를 측정하기 위해 필요한 흙 재료입니다.광물(석영 및/또는 장석)은 일반적으로 고고학적 OSL 연대 [1][6]측정에서 사용된 절차와 유사하게 규제된 실험실 조명 시스템 하에서 암석 또는 침전물 샘플로부터 분리된다.광원은 보통 발광 신호의 [7]리셋을 방지하기 위해 제어된 빨간색 조명 상태입니다.시료를 부드럽게 분쇄하여 [7]광물의 OSL 신호를 리셋할 수 있을 정도로 강한 열이 발생하지 않도록 합니다.찌그러진 시료는 체로 분리하여 미세화한다.OSL 측정에는 90~125미크론,[6] 100~200미크론 및 180~212미크론의[7][8] 다양한 값을 사용할 수 있습니다.선택된 입자는 HCl로 화학처리하여 탄산염을 소화하고 HO로 처리하여22 측정 시 OSL 신호의 민감도를 오염시킬 수 있는 유기물을[7] 제거합니다.밀도가 각각 2.62gcm−3 미만, 2.68gcm−3 미만인 장석과 석영을 다른 중질광물과 [7]농도분리한다.석영 중의 지르콘, 아파타이트, 장석 및 OSL 신호를 오염시킬 수 있는 알파 입자 조사 입자 가장자리를 불산(HF)[2][6][7]에 식각하여 제거한다.

OSL 신호 검출 시스템

OSL 에이징은 일반적으로 자동 Ris \ 열발광 리더(예: TL-DA-20)를 사용하여 측정합니다.레이저 다이오드(LED)를 통해 방출되는 광학 자극을 가진 내부 베타 소스(예: 90Sr/Y)를 포함합니다.또한 리더에는 자극 발광 신호를 전송하기 위한 감지 필터가 있습니다.이 측정 중에 미네랄 입자(석영 또는 장석)는 접착제(일반적으로 실리콘 스프레이)를 사용하여 히터 스트립(스테인리스틸 디스크)에 접착됩니다.광원에 [6]의해 미네랄 알갱이가 자극된다.이 빛은 발광 [6]다이오드 시리즈입니다.이 충격은 전자를 자극하고,[7] 전자는 갇혀서 결정에서 재결합하기 시작합니다.이 과정에서 OSL 신호는 광전자 증배관에 [6]수집되거나 기록된다.광전자 증배관은 모든 입사 광자(즉, 빛)를 전자 전하로 변환한다.이것은 조사 대상 광물의 발광(빛)을 측정하는 방법의 기본 원리이다.

OSL 연령 결정

그림 A는 알쿼트에서 방출되는 OSL 신호의 붕괴 곡선을 나타냅니다.그림 B는 Single Aliquot Regenerative(SAR) 기술을 사용한 OSL 신호의 감도 보정을 보여줍니다.신호는 광전자 증배관(OSL 카운터)에 기록됩니다.OSL 신호는 OSL 검출 시스템에 연결된 컴퓨팅 시스템에 표시됩니다.자연 선량 OSL 민감도(NL / NT)는 빨간색 원으로 표시됩니다.SAR 선량이 도입되지 않았기 때문에 자연 선량은 수직 축에 직접 표시된다.재생 선량 신호(Ri / RT)는 빨간색 원으로 나타내며, 재생 선량 곡선은 라벨에 표시된 선량 신호(파란색 원 5개)를 통과하는 선이다.등가선량( E{E}})을 결정하려면 자연 OSL 신호에서 수평으로 선을 그어 회생 곡선으로 가로채야 합니다.가로채기 지점의 수평값은 등가선량( E{}})에 해당합니다.단위는 회색(Gy).

샘플의 OSL 경과시간을 판단하려면 ({R 및 등가선량({})을 사용합니다.선량은 [6]광물이 흡수하는 자연방사선이나 에너지의 양이다.선량률은 [6][7]단위시간당 자연적으로 발생하는 이온화 선원에서 흡수되는 유효 방사선이다.

연령은 등가선량비( E{\ D_와 선량률( R{\을 아래 식에 따라 구한다.

서\A는 나이(yr)이고 \는 회색(Gy)으로 측정됩니다.1 Gy는 1 J.kg−1(kg당 줄)에 해당하며 은 Gy−1[6] year입니다.

선량률 결정

광물의 한 입자에 대하여 석영 또는 장석 [6]입자의 직접 질량 분광 분석으로 우라늄, 칼륨, 토륨의 농도를 측정하여 ({을 결정할 수 있다.Ge-Gamma, INAA, X선 플루렌스체 및 ICP-MS 또는 ICP-OES는 사용할 [6]수 있는 분광계이다.선량률을 결정하는 다른 방법으로는 (1)과부하 우주 선량률 추정, (2) 함수량 감쇠법 및 (3) 불균형 선량률 보정법이 [6]있다.평균 선량률은 일반적으로 선량률을 [6]대표하여 계산된다.

등가 선량 결정

등가 선량( E{은 선량 응답 곡선에서 선량 응답이 결정되는 것으로도 알려져 있다(그림 B [7]참조).단일알리쿼트재생(SAR) 프로토콜은 [18]등가선량을 결정하는 데 일반적으로 사용되는 방법이다.프로토콜에는 OSL 신호(그림 A 참조)의 실험실 측정이 포함되며, 이 신호는 알려진 베타 선량(초 단위)에서 광학적으로 자극된 후 알쿼트에 의해 방출된다.자동화된 Ris \ Thermal Luminesence Reader에서 베타 선원은 90Sr/Y일 수 있습니다. SAR 프로토콜에서 석영과 장석의 측정 차이는 주로 시간 당 필요한 열 정도와 자극원에 따라 달라집니다.

첫 번째 단계에는 자연 발광 신호(즉, 자연 선량)가 온전한 경우 10초 동안 약 160 - 130 °C([18]장석의 경우) 또는 160 - 300 °C([19]석영의 경우)로 예열한 자연 선량(그림 B 참조)의 결정이 포함된다.이것은 광물의 불안정한 신호를 제거하기 위해 행해집니다.예열 후 125°C(장석용)에서 40초 또는 125°C(장석용)에서 100초(장석용) 동안 어떤 광물(OSL 검출 시스템 참조)에 따라 적외선 발광 다이오드(장석용) 또는 청색 발광 다이오드(석영용)에L 의해 알쿼트를 광학적으로 자극하고 광전자 증배기에 기록한다.두 번째 단계에서는 알쿼트에 고정된 알려진 테스트 선량(베타 선량)[20]이 조사된다.알쿼트는 160°C 미만의 온도에서 예열됩니다.IRSL 신호 측정은 125°C(장석의 경우)에서 40초 또는 125°C([18][19][20]석영의 경우)에서 100초 동안 광학 자극을 받은 후 시험 선량 IRSL 응답(NT)으로 간주됩니다.이 단계에서 알콜은 완전히 [20]표백된다.그 [20]후 표백 후 재생 시험 선량을 시작한다.

위에서 설명한 것과 동일한 절차를 따르지만 OSL 신호의 민감도 보정을 위해 다양한 온도에서 재생 선량 범위가 제공됩니다(그림 B 참조).회생선량 측정에서는 신호응답(Ri)을 측정하는 동안 알쿼트에 160~130°C, 장석 또는 석영 각각 160~300°C의 예열 전 기존 선량을 조사한다.소정의 시험선량은 알쿼트에 조사하여 160℃ 미만의 온도에서 알쿼트를 예열한다.알쿼트는 광학적으로 동일한 속도로 자극되며 IRSL 신호(RT)가 측정됩니다.이 단계는 제로 테스트 [20]선량을 포함한 다양한 재생 선량 범위에 대해 반복됩니다.각 테스트 동안 모든 OSL 신호는 광전자 증배관에 기록되며 OSL 계수는 OSL 신호 곡선(첫 번째 그래프)[20]에 표시된 바와 같이 초 단위로 OSL 노출 시간에 대해 플롯된다.

민감도 보정의 경우 N은L 자연 OSL 신호를 나타내는 N에 대해T 플롯되고 R 대T R은 재생i 선량 시험을 나타낸다(그림 B 참조).단계에서 실험실 선량이 제공되지 않기 때문에 자연 선량은 수직 축을 따른다.재생 선량 측정은 각 단계에서 주어진 선량에 따라 달라집니다.등가 선량(E {은 재생 선량 곡선을 사용하여 자연 선량에서 절편할 선(그림 B의 빨간색 불연속선)을 그려 구한다.곡선과의 절편 지점은 수평 축의 값을 판독하여 등가 선량을 나타냅니다(그림 [18]B 참조).수평축의 해당 선량 값은 해당 선량( E }})[20]에 대해 기록됩니다.

적용들.

뉴질랜드 남알프스 와타로아 퍼스 유역 지역을 따라 수집된 샘플로부터 추정된 OSL 연령의 개략적인 설명.지형 프로파일은 모든 샘플링 위치를 연결하는 선을 나타냅니다.추정 OSL 경과시간은 파란색 동그라미로 표시되어 있습니다.OSL 시대의 변화는 암석 냉각의 역사부터 와타로아 퍼스 집수 구역의 계곡 계통의 변화를 묘사하고 있다.

일반 응용 프로그램

OSL은 모든 저온(50°C 미만) 구조 및 퇴적 과정에 적용됩니다.이러한 연구는 주로 제4기 이하의 기간에 포착되며, 여기에는 집중적인 하천 및/또는 빙하 침식, 암석 발굴 및 활성 구조 지역의 [1][8]지형 진화가 포함된다.다른 응용 프로그램에는 빙하 퇴적물, 석호 퇴적물, 폭풍 해일 퇴적물, 해안선 이동 이력을 포함한 호수 퇴적물, 하천 침식 퇴적물,[6] 황토 퇴적물 기록이 포함된다.예를 들어, 정상 단층 평면의 미끄러짐 속도도 모델링할 수 있으며, 지표면의 빙하 또는 강하 침식 속도도 모델링할 수 있으며, 4차 이하의 [8]기간 내에 퇴적물이 발견되었을 때 모델링할 수 있다.

활성 구조학 영역에서 OSL 연대 측정의 적용은 지구 [1][8]표면을 향한 암석 분출의 열 이력과 속도를 추적하는 데 매우 유용합니다.냉각 숙성이 가까워질수록 조사 [1]대상 암반 유닛의 침식 및/또는 배출 속도가 높아진다.OSL 석영 또는 장석의 나이를 알면 얻어진 나이는 기존의 열역학 방정식과 결합됩니다.열역학적 역사를 재구성하기 위한[8][21] 페큐브.

OSL 연령(도표 참조), 냉각 연령, 고도 데이터는 암석의 분출 속도 또는 시간에 [1]따른 릴리프 시스템의 진화를 해석하기 위해 표본과 고도 데이터가 수집된 수평 거리에 대해 표시된다.예를 들어 OSL 연대는 4차 이하의 시간 척도(10~10년5)에서4 일부 급속하게 침식되는 활성 영역의 냉각 이력을 결정하는 데 적용되었습니다.뉴질랜드[1] 남알프스의 와타로아 퍼스 유역 지역과 히말라야 [8]동부의 남체 바르와 갸랄라 페리 돔이 그 예입니다.남체 바르와 갸날라 페리 돔에서는 하천 침식이 만연했고[8], 와타로아 퍼스 유역에서는 [1]빙하 침식이 주된 활동 과정이었다.두 연구 모두 OSL 열연대학적 [1][8]연령의 반전에 의해 구제 시스템의 호기 및 진화 속도가 추정되었다.

「 」를 참조해 주세요.

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