Люминесцентное датирование - Luminescence dating

Люминесцентное датирование относится к группе методов определения того, как давно минеральная зерна в последний раз подвергались воздействию солнечного света или достаточного нагрева. Полезно геологи и археологи кто хочет знать, когда произошло такое событие. Он использует различные методы для стимулирования и измерения свечение.

Он включает в себя такие методы, как оптически стимулированная люминесценция (OSL), инфракрасная стимулированная люминесценция (IRSL) и термолюминесцентное датирование (TL). «Оптическое датирование» обычно относится к OSL и IRSL, но не к TL.

Условия и точность

Все отложения и почвы содержат следовые количества радиоактивный изотопы таких элементов, как калий, уран, торий, и рубидий. Эти медленно разлагаться со временем и ионизирующего излучения они производят поглощаются минеральными зернами в отложениях, таких как кварц и калиевый полевой шпат. Излучение заставляет заряд оставаться внутри зерен в структурно нестабильных «электронных ловушках». Захваченный заряд со временем накапливается со скоростью, определяемой количеством фонового излучения в том месте, где был захоронен образец. Стимулирование этих минеральных зерен с помощью света (синего или зеленого для OSL; инфракрасный для IRSL) или тепла (для TL) вызывает излучение сигнала люминесценции при высвобождении накопленной нестабильной энергии электронов, интенсивность которой варьируется в зависимости от количества излучения, поглощенного во время захоронения, и конкретных свойств минерала.

Большинство методов люминесцентного датирования основываются на предположении, что минеральные зерна были достаточно «обесцвечены» во время датирования события. Например, для кварца достаточно короткого дневного света в диапазоне 1–100 секунд перед захоронением, чтобы эффективно «сбросить» часы OSL для датирования.[1] Обычно, но не всегда, так бывает с эолийский отложения, такие как песчаные дюны и лесс Возраст отдельных кварцевых отложений OSL обычно составляет от 100 до 350 000 лет назад и может быть надежным, если используются подходящие методы и проводятся надлежащие проверки.[2] Методы IRSL с полевым шпатом могут расширить диапазон датирования до миллиона лет, поскольку полевые шпаты обычно имеют значительно более высокие уровни дозовой насыщенности, чем кварц, хотя в первую очередь необходимо будет решить проблемы, связанные с аномальным замиранием.[1] Возраст может быть получен за пределами этих диапазонов, но к ним следует относиться с осторожностью. Неопределенность даты OSL обычно составляет 5-10% от возраста образца.[3]

Существует два разных метода датировки OSL: многократная аликвотная доза и однократная регенеративная доза (SAR). При тестировании с несколькими аликвотами одновременно стимулируется несколько песчинок, и полученная сигнатура люминесценции усредняется. [4]. Проблема с этой техникой заключается в том, что оператор не знает отдельные цифры, которые усредняются, и поэтому, если в образце есть частично предварительно отбеленные зерна, он может дать преувеличенный возраст. [4]. В отличие от метода множественных аликвот, метод SAR проверяет возраст захоронения отдельных песчинок, которые затем наносятся на график. Выявление смешанных отложений и их учет при определении возраста. [4] .

История

Концепция использования люминесцентного датирования в археологическом контексте была впервые предложена в 1953 году Фаррингтоном Дэниелсом, Чарльзом А. Бойдом и Дональдом Ф. Сондерсом, которые считали, что термолюминесцентная реакция черепков глиняной посуды может датировать последний случай нагрева.[5] Экспериментальные испытания археологической керамики, проведенные несколькими годами позже, в 1960 году, Грёглер и др.[6] В течение следующих нескольких десятилетий исследования термолюминесценции были сосредоточены на нагретой керамике и керамике, обожженных кремнях, обожженных отложениях в очагах, камнях для печей из обожженных курганов и других нагретых предметах.[3]

В 1963 году Эйткен и др. отметили, что ловушки TL в кальците могут быть обесцвечены солнечным светом, а также теплом,[7] а в 1965 г. Шелкопляс и Морозов первыми применили ТЭО для датирования неотапливаемых отложений.[8] На протяжении 70-х и начала 80-х годов стало более распространенным датирование светочувствительных ловушек в геологических отложениях как наземного, так и морского происхождения.[9]

Оптическое датирование с использованием оптически стимулированной люминесценции (OSL) было разработано в 1984 году Дэвидом Хантли и его коллегами.[10] Hütt et al. заложили основу для датирования калиевых полевых шпатов с помощью инфракрасной люминесценции (IRSL) в 1988 году.[11] Традиционный метод OSL основан на оптической стимуляции и переносе электронов от одной ловушки к дыркам, расположенным в другом месте решетки, что обязательно требует, чтобы два дефекта находились поблизости друг от друга, и, следовательно, это деструктивный метод. Проблема в том, что близлежащие центры захвата электронов / дырок страдают от локализованного туннелирования, со временем уничтожая их сигнал; именно этот вопрос в настоящее время определяет верхний возрастной предел для знакомств OSL

В 1994 году принципы оптики и термолюминесцентное датирование были расширены за счет включения поверхностей из гранита, базальта и песчаника, таких как резные скалы из древних памятников и артефактов. Иоаннис Лиритзис Инициатор датировки люминесценции древних построек показал это на нескольких случаях различных памятников.[12][13][14]

Физика

Люминесцентное датирование - это один из нескольких методов, в которых возраст рассчитывается следующим образом:

возраст = (общая поглощенная доза излучения) / (мощность дозы излучения) [12]

Мощность дозы облучения рассчитывается по измерениям радиоактивный элементы (K, U, Th и Rb) в образце и его окружении, а также мощность дозы излучения от космические лучи. Мощность дозы обычно находится в пределах 0,5 - 5 серые / 1000 лет. Общая поглощенная доза излучения определяется возбуждающими легкими определенными минералами (обычно кварц или же калиевый полевой шпат ), извлеченного из образца, и измерения количества излучаемого в результате света. В фотоны излучаемого света должны иметь более высокие энергии, чем фотоны возбуждения, чтобы избежать измерения обычных фотолюминесценция. Образец, в котором все минеральные зерна были подвергнуты достаточному воздействию дневного света (секунды для кварца; сотни секунд для калиевого полевого шпата), можно назвать нулевым возрастом; при возбуждении он не испускает таких фотонов. Чем старше образец, тем больше света он излучает до предела насыщенности.

Минералы

Минералы, которые измеряются, обычно представляют собой зерна кварца или калиевого полевого шпата размером с песок или неразделенные зерна размером с ил. У каждого из них есть свои преимущества и недостатки. Для кварца обычно используются синие или зеленые частоты возбуждения, а ближняя ультрафиолетовый эмиссия измеряется. Для калиевого полевого шпата или зерен размером с ил обычно используется возбуждение в ближней инфракрасной области (IRSL) и измеряется фиолетовое излучение.

Сравнение с радиоуглеродным датированием

В отличие от углерод-14 датирование методы люминесцентного датирования не требуют датирования современного органического компонента осадка; только кварц, калиевый полевой шпат или некоторые другие минеральные зерна, которые были полностью обесцвечены во время датируемого события. Эти методы также не страдают от завышенной оценки дат, когда рассматриваемый осадок был смешан со «старым углеродом» или 14
C-дефицитный углерод, изотопное соотношение которого отличается от атмосферного. В исследовании хронологии аридной зоны озерный отложения из Озеро Улан на юге Монголия, Ли и др. обнаружили, что OSL и радиоуглеродные даты совпадают в некоторых образцах, но радиоуглеродные даты были на 5800 лет старше в других.[15]

Установлено, что отложения разного возраста образовались эоловыми процессами. Западные ветры доставили приток 14
C-дефицит углерода из соседних почв и Палеозой карбонатные породы, процесс, который также активен сегодня. Этот переработанный углерод изменил измеренные изотопные отношения, дав ложный возраст. Однако ветровое происхождение этих отложений было идеальным для датировки OSL, так как большая часть зерен была полностью обесцвечена под воздействием солнечного света во время транспортировки и захоронения. Ли и др. пришли к выводу, что при подозрении на перенос эоловых отложений, особенно в озерах в засушливой среде, метод датирования OSL превосходит метод датирования радиоуглеродным методом, поскольку он устраняет обычную проблему ошибки «старого углерода».[15]

Другое использование

Одно из преимуществ люминесцентного датирования заключается в том, что его можно использовать для подтверждения подлинности артефакта. В надлежащих условиях низкой освещенности можно использовать образец в десятки миллиграммов.[16]

Примечания

  1. ^ а б Родс, Э. Дж. (2011). «Оптически стимулированное люминесцентное датирование отложений за последние 250 000 лет». Ежегодный обзор наук о Земле и планетах. 39: 461–488. Дои:10.1146 / аннурьев-земля-040610-133425.
  2. ^ Мюррей А.С. и Олли Дж. М. (2002). «Прецизионность и аккуратность оптически стимулированного люминесцентного датирования осадочного кварца: обзор состояния» (PDF). Геохронометрия. 21: 1–16. Получено 8 февраля, 2016.
  3. ^ а б Робертс, Р.Г., Джейкобс, З., Ли, Б., Янковски, Н.Р., Каннингем, А.К., и Розенфельд, А. (2015). «Оптическое датирование в археологии: тридцать лет в ретроспективе и великие задачи будущего». Журнал археологической науки. 56: 41–60. Дои:10.1016 / j.jas.2015.02.028.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  4. ^ а б c Джейкобс, З. и Робертс, Р. (2007). "Достижения в датировании оптически стимулированной люминесценции отдельных зерен кварца из археологических отложений". Эволюционная антропология. 16 (6): 218. Дои:10.1002 / evan.20150.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  5. ^ Дэниелс, Ф., Бойд, К.А., и Сондерс, Д.Ф. (1953). «Термолюминесценция как инструмент исследования». Наука. 117 (3040): 343–349. Дои:10.1126 / science.117.3040.343. PMID  17756578.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  6. ^ Грёглер Н., Хоутерманс Ф. Г. и Штауфер Х. (1960). "Über die datierung von keramik und ziegel durch thermolumineszenz". Helvetica Physica Acta. 33: 595–596. Получено 16 февраля, 2016.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  7. ^ Эйткен, М.Дж., Тайт, М.С. И Рид Дж. (1963). «Термолюминесцентное датирование: отчет о проделанной работе». Археометрия. 6: 65–75. Дои:10.1111 / j.1475-4754.1963.tb00581.x.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  8. ^ Шелкопляс, В. & Морозов, Г.В. (1965). «Некоторые результаты исследования четвертичных отложений термолюминесцентным методом». Материалы по четвертичному периоду Украины.. 7-й Международный конгресс четвертичной ассоциации, Киев: 83–90.
  9. ^ Уинтл, А.Г. и Хантли, Д.Дж. (1982). «Термолюминесцентное датирование отложений». Четвертичные научные обзоры. 1: 31–53. Дои:10.1016 / 0277-3791 (82) 90018-X.
  10. ^ Хантли, Д. Дж., Годфри-Смит, Д. И., и Теволт, М. Л. У. (1985). «Оптическое датирование отложений». Природа. 313 (5998): 105–107. Дои:10.1038 / 313105a0. S2CID  4258671.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  11. ^ Хютт Г., Яек И. и Чонка Дж. (1988). «Оптическое датирование: спектры стимуляции оптического отклика калиевого полевого шпата». Четвертичные научные обзоры. 7 (3–4): 381–385. Дои:10.1016/0277-3791(88)90033-9.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  12. ^ а б Лирицис, И. (2011). "Датирование поверхности по люминесценции: обзор". Геохронометрия. 38 (3): 292–302. Дои:10.2478 / s13386-011-0032-7.
  13. ^ Лирицис И., Полимерис С.Г., Захариас Н. (2010). «Датирование люминесценции поверхности« Домов Дракона »и ворот Армена в Стире (Эвбея, Греция)». Средиземноморская археология и археометрия. 10 (3): 65–81.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  14. ^ Лирицис, И. (2010). «Строфилас (остров Андрос, Греция): новое свидетельство кикладского периода заключительного неолита с помощью новых методов датирования с использованием люминесценции и гидратации обсидиана». Журнал археологической науки. 37 (6): 1367–1377. Дои:10.1016 / j.jas.2009.12.041.
  15. ^ а б Ли, М.К., Ли, Ю.И., Лим, Х.С., Ли, Дж. И., Чой, Д.Х., и Юн, Х.И. (2011). «Сравнение методов радиоуглеродного и OSL-датирования для керна позднечетвертичных отложений из озера Улан, Монголия». Журнал палеолимнологии. 45 (2): 127–135. Дои:10.1007 / s10933-010-9484-7. S2CID  128511753.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  16. ^ Лирицис, Иоаннис; Сингхви, Ашок Кумар; Перья, Джеймс К .; Вагнер, Гюнтер А .; Кадерайт, Аннетт; Захария, Николаос; Ли, Шэн-Хуа (2013), Лирицис, Иоаннис; Сингхви, Ашок Кумар; Перья, Джеймс К .; Вагнер, Гюнтер А. (ред.), "Проверка подлинности на основе люминесценции", Датирование люминесценции в археологии, антропологии и геоархеологии: обзор, SpringerBriefs in Earth System Sciences, Heidelberg: Springer International Publishing, стр. 41–43, Дои:10.1007/978-3-319-00170-8_5, ISBN  978-3-319-00170-8

Рекомендации

  • Эйткен, М. Дж. (1998). Введение в оптическое датирование: датирование четвертичных отложений с помощью фотонно-стимулированной люминесценции. Издательство Оксфордского университета. ISBN  0-19-854092-2
  • Грейлих С., Гласмахер У.А., Вагнер Г.А. (2005). «Оптическое датирование поверхностей гранитного камня». Археометрия. 47 (3): 645–665. Дои:10.1111 / j.1475-4754.2005.00224.x.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  • Хаберманн Дж., Шиллес Т., Кальхгрубер Р., Вагнер Г. А. (2000). «Шаги к датированию поверхности с использованием люминесценции». Измерения радиации. 32 (5): 847–851. Дои:10.1016 / с 1350-4487 (00) 00066-4.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  • Лирицис I (1994). «Новый метод датировки по термолюминесценции резного мегалитического каменного здания». Comptes Rendus de l'Académie des Sciences, Série II. 319 (5): 603–610.
  • Лирицис И., Гиберт П., Фоти Ф., Швоерер М. (1997). «Храм Аполлона (Дельфы) усиливает новый метод термолюминесцентного датирования». Геоархеология. 12 (5): 479–496. Дои:10.1002 / (sici) 1520-6548 (199708) 12: 5 <479 :: aid-gea3> 3.0.co; 2-x.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  • Лирицис I (2010). «Строфилас (остров Андрос, Греция): новое свидетельство кикладского финального неолита, датируемое новыми методами люминесценции и обсидиановой гидратации». J Археологическая наука. 37: 1367–1377. Дои:10.1016 / j.jas.2009.12.041.
  • Лирицис И., Сидерис К., Вафиаду А., Мицис Дж. (2008). «Минералогические, петрологические и радиоактивные аспекты некоторых строительных материалов из памятников Древнего Египта». Журнал культурного наследия. 9 (1): 1–13. Дои:10.1016 / j.culher.2007.03.009.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  • Моргенштейн М. Э., Луо С., Ку Т. Л., Фезерс Дж. (2003). «Урановые серии и люминесцентное датирование вулканических каменных артефактов». Археометрия. 45 (3): 503–518. Дои:10.1111/1475-4754.00124.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  • Родс Э. Дж. (2011). «Оптически стимулированное люминесцентное датирование отложений за последние 200 000 лет». Ежегодный обзор наук о Земле и планетах. 39: 461–488. Дои:10.1146 / аннурьев-земля-040610-133425.
  • Робертс Р. Г., Джейкобс З., Ли Б., Янковски Н. Р., Каннингем А. С., Розенфельд А. Б. (2015). «Оптическое датирование в археологии: тридцать лет в ретроспективе и великие задачи будущего». Журнал археологической науки. 56: 41–60. Дои:10.1016 / j.jas.2015.02.028.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  • Теокарис П. С., Лиритцис И., Галлоуэй Р. Б. (1997). «Датировка двух эллинских пирамид с помощью нового применения термолюминесценции». Журнал археологической науки. 24 (5): 399–405. Дои:10.1006 / jasc.1996.0124.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  • Уинтл А. Г., Мюррей А. С. (2006). «Обзор характеристик оптически стимулированной люминесценции кварца и их значение в протоколах датирования регенерации одной аликвоты». Измерения радиации. 41 (4): 369–391. Дои:10.1016 / j.radmeas.2005.11.001.