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光学测年技术30周年:探索过去的利器

导读: 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。

  OFweek光学网讯: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。

  从地貌动力、气候变化、土壤发育,到人类演化与过去几十万年的扩张,以及更晚的考古发现,光学测年的研究成果已经解决了跨越多个学科的诸多问题。例如,光学测年揭示,早在7万年前,南非的早期智人就已经开始使用象形标志、佩戴饰品、并且能够革新技术,并在6万年前扩张到整个区域——这比现代人进入欧洲要早了约1.5万年。光学测年技术在证实人类于5万年前抵达澳洲的研究中也扮演了关键角色,这项研究还表明最后的“巨兽”(曾在这片大陆上漫步的巨型有袋类动物、爬行动物和不能飞的鸟)在人类踏足后不久便消失殆尽。这些巨兽消失在一个日益干旱的时期,但之前该地区还经历过很长一段气候更加干旱的时期。

  方法与设备上的进步继续推动着光学测年的发展。许多石英颗粒的物理性质不宜使用单片再生剂量法。此外,矿物颗粒埋藏前晒退不充分、新老沉积物相互混合也可能导致测年结果的偏差。矿物颗粒个体是光学测年的基本单位。利用单片再生剂量法对单个砂级矿物颗粒进行测量,便可检测出上述两种因素的影响。这种处理降低了测量多个颗粒光释光信号的不确定性,有助于提高光学测年的精度。

  尽管如此,光学测年还存在着其他的局限,足够研究人员忙活一阵子了。一个重要的局限性就是时间跨度。光学测年的最大年限取决于光敏陷阱能捕获的最大电子量,以及在环境温度下光敏陷阱的长期稳定性。光学测年的应用很大程度上限制在过去20万年内。亨特利等人为将光学测年的年限提高至80万年做出了不少努力,但大都没有成功。但是,随着近期识别石英、长石更长期光学测年信号技术的出现,光学测年有望得到新的发展。如果这些技术被证实是精确可靠的,那么光学测年在早更新世(距今260万年至80万年的地质时期)地球与人类历史研究中的应用前景将会是一片光明。

  研究者正在绘制完整沉积物与人工制品剖面上矿物颗粒个体光学年龄的分布图。相比目前分离样品、提取颗粒、测量信号的测年方法,获取空间测年结果的能力将会是一个不小的进步,因为传统分离样品式的方法会导致样品环境信息的缺失。通过光学测年获得的基本信息,将会同地质学其他分支中的单晶测年、生物学中的单细胞分析一样丰富可靠。

  光学测年的新领域还包括利用光释光信号进行地貌长期剥露与山脉演化的研究,以及利用机器人设备对火星上的矿物进行现场测年,这也将会把光学测年技术带入太空。这些应用极具挑战性,但以过去30年的发展为鉴,我们相信在50周年纪念日前,光学测年会照亮这个星球更长久的历史——当然,没准也会照亮其他星球的过去。

责任编辑:Pual
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