河岸的沙层剖面上,取样管被横着砸进新鲜断面,抽出后两端用黑布裹紧。管里的石英颗粒,上一次见到阳光可能是三万年前。从被埋住那一刻起,一场极安静的计时就开始了。
石英晶格里的缺陷,把电子扣成了库存
石英晶体里总有微量杂质和空位,它们在能带上形成局部陷阱。周围沉积物中的铀、钍、钾持续衰变,宇宙射线也从天上打下来,把电子从原子中撞出,一部分正好落进这些陷阱。
电子进去容易出来难,只能靠外界给能量。数量就这样一年年攒着,攒的速度取决于周围辐射有多强。所谓释光,是这些电子被放出来时逸出的微弱光子,不是矿物自己在发光。
见光或加热,库存清零,钟回到起点
颗粒在地表被搬运时,阳光把陷阱里的电子几乎全部赶空。石英清得很快,正午阳光下几十秒就掉到不足原值的百分之一;长石慢得多,要几分钟到几小时才清干净。
一旦被后来的沉积物盖住,光进不去,陷阱重新蓄电子。所以释光年龄记录的是埋藏时刻,对应的是沉积事件本身,而不是石英结晶的年龄。这正是它能给第四纪沉积定时、而同位素方法常常无从下手的理由。
年龄等于等效剂量除以年剂量
实验里用已知剂量的人工辐照去标定样品的信号强度,反推出埋藏期间一共吃了多少剂量,这个量叫等效剂量,单位是戈瑞。年剂量则来自样品铀钍钾含量与采样点宇宙射线的实测换算,单位是戈瑞每千年。
两者相除就是年龄。河流沙的年剂量多在 1–3 戈瑞每千年,等效剂量 30 戈瑞大致对应 1 万到 3 万年。石英信号在 100–200 戈瑞趋于饱和,上限因此落在 10 万到 20 万年之间。
长石信号更亮,代价是它自己会衰减
长石的释光比石英强一个量级,暗计数低,测量容易,理论上限可推到 30 万年。毛病是异常衰减:陷阱里的电子会缓慢隧穿逃逸,几万年里信号自行损失 10%–30%,不校正就系统性低估年龄。
常用对策是测高温红外释光,或用不同温度信号的比值做校正。石英没有这个毛病,代价是量程短。选石英还是长石,本质是在量程与可靠性之间做交换,没有一边全赢。
关键数据
下列数值为常见量级,实际取值随矿物、粒径、埋深与实验室流程变化。
- 石英释光信号在正午阳光下数十秒内衰减到 1% 以下
- 石英等效剂量饱和点约 100–200 戈瑞
- 石英的实用测年上限通常 10 万–20 万年
- 长石红外释光上限约 30 万年,须校正异常衰减
- 河流沙年剂量多在 1–3 戈瑞每千年
- 含水量由 10% 升到 20%,年剂量约降 10%
- 近地表宇宙射线剂量约 0.15 戈瑞每千年,深部可忽略
晒不彻底,年龄只会偏老,不会偏小
坡积、洪积、泥石流属于快速堆积,颗粒没晒够太阳就被埋掉,残留信号叠在新积累之上,年龄偏老,偏差可达几万年。识别办法是测单颗粒、看等效剂量的分布:分布越散,晒退越不彻底。
含水量历史、钾长石分布不均、铀钍在沉积后迁移,都会让年剂量算偏。本文判断:读一个释光年龄,先看剂量分布的离散度和采样深度,再问它是否落在该方法可靠的时间窗内。
参考文献
- Aitken M. J. An Introduction to Optical Dating. Oxford University Press, 1998. —— 光释光原理与实验流程。
- Huntley D. J. et al. Optical dating of sediments. Nature, 1985. —— 光释光测年的奠基论文。
- Murray A. S., Wintle A. G. The single aliquot regenerative dose protocol. Radiation Measurements, 2000. —— SAR 流程的标准化。