后紫光红外激发光(pVIRSL)测年新方案在多矿物细粒与粗粒样品中的普适性应用研究

《Quaternary Research》：Application of a post-violet IR single-aliquot regenerative-dose (pVIR-SAR) protocol for natural polymineral fine and coarse-grain samples

本文推荐：针对混合矿物样品测年中矿物分离繁琐、信号干扰严重的问题，研究人员开发了后紫光红外单片再生剂量(pVIR-SAR)测年方案。研究表明，该方案可直接用于火山灰、陶器及河流沉积物等多矿物细粒(4-11 μm)和粗粒(90-150 μm)样品测年，所得年龄与已有年龄控制结果一致，且pVIRSL信号具有更优的晒退性和更低的不稳定衰减率，为简化前处理流程、提升测年可靠性提供了新途径。

　　

在第四纪地质学、考古学等研究领域，精确测定沉积物或文物的埋藏年龄至关重要。释光测年技术通过测量矿物最后一次曝光以来累积的辐射剂量，成为解决这一问题的有力工具。然而，自然界中的沉积物通常是石英、长石等多种矿物的混合体，传统测年方法往往需要繁琐的物理或化学分离流程来获取单一矿物（如纯石英或纯长石），这不仅耗时耗力，对于样品量少或颗粒细小的样本更是挑战重重。此外，不同矿物的释光信号相互干扰，例如石英的蓝绿光释光(BLSL/GLSL)易受长石及其包裹体的污染，而长石的红外激发光(IRSL)又存在显著的不稳定衰减(athermal fading)问题，影响年龄准确性。因此，开发一种能够直接用于混合矿物样品、避免复杂分离过程、且信号稳定的测年方法，成为该领域的一个重要研究方向。

为了解决上述问题，由Monika Devi、Malika Singhal、Parth Khanduri、Naveen Chauhan和Ashok Kumar Singhvi组成的研究小组，在《Quaternary Research》上发表了一项创新性研究。他们基于此前在钾长石中发现的“后紫光红外激发光(pVIRSL)”信号，开发了相应的后紫光红外单片再生剂量(pVIR-SAR)测年方案，并首次系统性地将其应用于来自不同地质背景的天然多矿物细粒和粗粒样品，验证了该方案在避免矿物分离情况下的有效性和可靠性。

研究人员为验证pVIR-SAR方案的普适性，选取了13个具有独立年龄控制的天然样品，包括火山灰、陶器以及河流沉积物，其预期年龄范围从500年至68千年。关键实验技术主要包括：1. 样品前处理（盐酸和过氧化氢去除碳酸盐和有机物，细粒样品采用斯托克斯沉降法分离，粗粒样品通过筛分和氢氟酸蚀刻以去除α辐照表层）；2. 在Ris? TL/OSL DA-20释光测量仪上进行光释光测量，使用紫光激光二极管和红外发光二极管进行激发，并在特定紫外-蓝光窗口检测信号；3. 应用pVIR-SAR、IR-SAR (50°C)和pIRIR-SAR (290°C)等多种单片再生剂量协议进行等效剂量(D_e)测定；4. 评估信号的不稳定衰减率(g值)、实验室残留剂量、剂量恢复比率以及α效率(a值)；5. 利用高纯锗探测器分析放射性核素含量，并使用剂量率计算软件在无限基质假设下计算年剂量率。

pVIRSL信号对长石的特异性

研究首先证实，在混合矿物样品中，pVIRSL信号几乎完全来源于长石。如图1所示，在给予相同剂量后，石英和不锈钢空碟的pVIRSL信号强度与背景噪声相当，而钾长石和钠长石则显示出强烈的信号。这表明，在测年过程中，先行的紫光刺激能有效晒退石英的自然释光信号，同时将长石深能阱中的电荷光转移至其对红外敏感的主能阱，从而使得后续的红外刺激能够选择性地探测来自长石的信号。

等效剂量估计与年龄结果

pVIR-SAR方案在所有样品中都获得了信噪比良好的剂量响应曲线。对于细粒样品（火山灰、陶器、河流沉积），pVIRSL年龄与基于IRSL或pIRIRSL的独立年龄控制结果在误差范围内一致。例如，火山灰样品PRL23-03的pVIR年龄为28±3 ka，与其上下层沉积物的pIRIR年龄（29±1 ka和34±2 ka）吻合。对于河流粗粒样品MHK-09-12和MHK-09-13，pVIR年龄（68±6 ka和66±6 ka）也与石英BLSL年龄一致。然而，对于另外两个河流粗粒样品PRL23-08和PRL23-09，其粗粒组分的pVIR年龄（66±4 ka和117±10 ka）和pIRIR年龄（96±8 ka和156±14 ka）均显著高于石英BLSL年龄（31±2 ka和59±3 ka），表明其中的长石颗粒可能未得到充分晒退。值得注意的是，同一样品的细粒组分pVIR年龄（39±1 ka和76±3 ka）则与石英年龄更为接近，支持了细粒颗粒在河流环境中通常更容易被充分晒退的观点。

不稳定衰减、残留剂量与晒退性

pVIRSL信号表现出比IRSL和pIRIRSL更低的平均不稳定衰减率。在11个细粒样品中，有6个样品的pVIRSL g值≤1.1%/十年，无需进行年龄校正。相比之下，多数样品的IRSL和pIRIRSL信号g值更高。钠长石样品的pVIRSL g值接近零（0.1±0.2%/十年），证实了该信号的稳定性。

pVIRSL的实验室残留剂量（2.11-10.0 Gy）显著低于pIRIRSL的残留剂量（5.5-34.4 Gy），降低了30-70%，表明pVIRSL在日光下能被更快速地晒退。剂量恢复测试结果显示，pVIR-SAR方案的剂量恢复比率在0.94至1.06之间，接近理想值1，证明了方案的可靠性。

α效率

α效率的测量结果显示，其数值因样品和信号而异。对于大多数样品，α效率的顺序为IRSL < pVIRSL < pIRIRSL，表明pIRIRSL信号对应的电荷陷阱密度可能更高。然而，在含有锶长石的陶器样品中，这一顺序出现反转，暗示热处理可能改变了电荷陷阱的分布。

研究结论与意义

本研究成功验证了pVIR-SAR测年方案在多矿物细粒和粗粒样品中的应用潜力。主要结论如下：1. pVIRSL信号对长石具有高度特异性，可有效避免石英等其他矿物的信号干扰。2. 该方案适用于多种沉积环境（火山、河流）和材料（陶器）的测年，年龄范围覆盖约500年至68千年，结果与地质推断和已有年龄控制相符。3. 与pIRIRSL信号相比，pVIRSL具有更优的晒退特性（更低的实验室残留剂量）和更低的不稳定衰减率，减少了年龄校正的不确定性。4. 对于部分河流样品，细粒组分的pVIRSL年龄比粗粒组分更接近独立年龄控制结果，提示在河流沉积物测年中，细粒组分可能因更易晒退而更具优势。5. α效率因样品和信号类型而异，提示在实际应用中需谨慎选择或测量该参数，而非简单采用假定值。

这项研究的意义在于，pVIR-SAR方案为释光测年提供了一种避免繁琐矿物分离过程的有效工具，特别适用于样品量有限或难以进行矿物分离的情况（如细粒沉积物、岩石切片等）。其良好的晒退性和较低的信号衰减特性，使其在解决河流沉积物等不完全晒退环境的测年问题上展现出潜力，有望成为石英BLSL测年（尤其适用于石英灵敏度低的地区）和传统长石IRSL/pIRIRSL测年的一种可靠替代或补充方案。