Перспективы использования термолюминесцентного метода для определения возраста четвертичных отложений Текст научной статьи по специальности «Физика»

^ь 47

1977

Г. И. ХЮТТ, А. В. РАУКАС

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕРМОЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО МЕТОДА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОЗРАСТА ЧЕТВЕРТИЧНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ

Определение физического (Зубаков, 1974) возраста отложений относится к числу наиболее сложных проблем современной геологии. В наши дни стратиграфические схемы без хронологической основы в единицах астрономического времени составляются уже редко. Поэтому поиски новых, более совершенных методов датирования заслуживают пристального внимания.

В последние годы при определении возраста разнотипных четвертичных отложений наряду с традиционными геохронологическими методами широкое применение получил термолюминесцентный (ТЛ) метод. По предварительным оценкам ТЛ метод датирования позволяет производить определение возраста отложений в интервале от 20 тыс. до 1,5 млн. лет (Шелкопляс, 1974), т.е. охватывает 'почти весь четвертичный период.

Как известно, величина ТЛ — функция очень многих параметров, оценка влияния которых на природные минералы весьма затруднена, часто даже невыполнима экспериментально (Таращан, 1974). Помимо этого, в сложно построенном разрезе четвертичные отложения представлены различными генетическими типами, ТЛ свойства которых далеко неодинаковы.

Достоверность результатов датирования по любой методике определяется степенью ее теоретической разработки. Используемый в настоящее время в стране метод ТЛ датирования геологических объектов к сожалению не учитывает даже наиболее общие особенности процесса ТЛ и требует серьезной доработки для достижения необходимой геологам точности определения физического возраста.

Ниже излагаются наиболее существенные для ТЛ датирования моменты процесса ТЛ и приводится анализ имеющихся в современной отечественной и зарубежной литературе методик ТЛ датирования.

ПРОЦЕСС ТЕРМОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ

Люминесценция, т. е. свечение ненакаленных тел, часто используется как метод изучения самого светящегося тела: испускаемый веществом свет служит важным источником сведений, характеризующих состав и строение вещества, а также происходящие в нем процессы.

ТЛ как частный случай люминесценции — сложный физический процесс и состоит в освобождении путем нагрева запасенной веществом энергии в виде люминесцентного свечения.

Запасание энергии в результате действия предварительной радиации происходит .на так называемых уровнях захвата, роль которых играют собственные и примесные дефекты кристалла.

На рис. 1, а с помощью зонной схемы иллюстрируются механизмы возбуждения (/) и запасания энергии (//).

¥

Рис. 1. Схема процесса термолюминесценции

а — процессы возбуждения (/), запасания (//) светосуммы; б — высвечивания запасенной свето-суммы.

I — основной канал рекомбинации канала утечки светосуммы; II — туннельные переходы; III — безызлучательные переходы; IV — уход через мелкие уровни захвата; V —изменение спектрального состава свечения

Время существования электрона (или дырки) на уровне захвата зависит от ряда параметров:

1 Р'

Т=Ро 1-ш' <1>

где Ь — время жизни электрона на ловушке, Е — глубина уровня захвата, Р0 — частотный фактор, к — константа Больцмана, Т — температура сохранения.

Величина частотного фактора для различных по природе кристаллов меняется ,в пределах 104—10'3. Для получения разумного в геологических масштабах времени сохранения запасенной светосуммы (~106 лет) Р0 должен быть — 10®, но в каждом минерале частотный фактор для актуального уровня захвата должен быть найден экспериментально, ибо этот параметр (вместе с Е) является одним из существенных для выбора рабочего уровня захвата.

ОСНОВНОЙ ПРИНЦИП ТЛ ДАТИРОВАНИЯ И ВОЗМОЖНОСТИ ЕГО ПРАКТИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ

Величина ТЛ пропорциональна числу электронов, запасенных на соответствующем уровне захвата, что, в свою очередь, пропорционально полученной кристаллом радиоактивационной дозе. Доза характеризуется временем облучения и количеством 'радиоактивных примесей.

Эти представления дали возможность Ф. Даниельсу, Ч. Бойду и Д. Саундерсу (1953) сформулировать основной принцип ТЛ датирования:

аккумулированная доза (рад)

возраст =-;—;—г-

г скорость запасания (рад/год)

Аккумулированная доза определяется путем сравнения искусственной и естественной ТЛ.

Однако на практике различные факторы существенно усложняют процедуру датирования. Основная трудность состоит в том, что ТЛ — функция общей дефектности решетки. Как видно на рис. 1, б, где показаны возможные механизмы высвечивания запасенной светосуммы,. помимо основного канала рекомбинации (I), возможны туннельные

переходы (II), безызлучательные переходы (III), постоянный уход запасенной светосуммы через более мелкие уровни захвата (IV) и изменение спектрального состава свечения с температурой (V). Эти каналы утечки информации, несмотря на достаточную глубину рабочего уровня захвата, могут существенно снижать запасенную светосумму. Помимо этого, в зависимости от различных фациальных условий формирования отложений, плотность дефектов в кристалле (число центров захвата и центров свечения в 1 см3 вещества) может в значительной, степени различаться.

Таким образом, ТЛ образцов из отложений и горных пород разного генезиса и из различных горизонтов не имеет прямой возрастной корреляции.

ХАРАКТЕРИСТИКА РАДИАЦИОННОГО ОБЛУЧЕНИЯ И ГОДИЧНОЙ ДОЗЫ

В состав осадочных пород входит ряд радиоактивных примесей: U238 (т=4,498-109 лет), U235 (t=7,108- 108 лет), U234 (t=2,522-105 лет), Th232 (т = 139 • 1010 л ет), а также К40 (т= 1,2 • 108 лет).

Кварц, полевой шпат и ¡некоторые другие минералы обычно свободны от радиоактивных примесей и играют роль природных ТЛ дозиметров, запасающих светосумму под влиянием облучения.

К40 является источником радиации, в ряду радиоактивного распада U и Th основную долю составляют а-частицы. В таблице представлен:

Типичный годичный баланс доз от различных радиоактивных примесей, род/год

Элемент а ß V

и 0,860 0,039 0,036

Th 0,855 0,026 0,063

К — 0,086 0,026

Общая 1,715 0,151 0,125

типичный годичный баланс доз. Эффективность возбуждения ТЛ различными видами облучения различна и определяется чувствительностью кристалла. Так отношение ТЛ на данную поглощенную дозу от а-частиц и ТЛ от той же поглощенной дозы от (3-частиц (/(-число), составляет в среднем 0,1 (Fleming, 1971). Таким образом, с учетом: этой поправки эффективная доза от р-частиц становится сравнимой с а-дозой.

Ниже приведены эффективные годичные дозы облучения для захороненной древней керамики по Айткену (Aitken, 1970) (/(=0,15):

Источник дозы облучения Доза, рад/год

Эффективная a-доза о 225

(3-доза от U и T/i 0,052

Р-доза от К40 0,131

у-доза из почвы о 077

Космический компонент о 015

Общая доза 0,500

Определение годичной дозы связано с рядом трудностей. Так например, грунтовые воды разбавляют содержание радиоактивных приг

месей и обусловливают сезонные колебания уровня радиоактивности. Известно также, что в цепочке распада урана содержится газовая эманация радона с периодом полураспада 3,84 дня и инертное химическое вещество, которое обеспечивает высокую подвижность радиоизотопов.

Итак, возраст отложений — функция чувствительности кристалла, аккумулированной кристаллом суммарной дозы и годичной скорости запасания всех видов радиации. Учитывая сказанное, основной принцип датирования может быть модифицирован следующим образом:

_S_

А= sav« + We+Y •

где А — возраст; 5 — светосумма, обусловленная естественной ТЛ; 5с и 5е+т — светосумма, обусловленная искусственной ТЛ при облучении дозой в один ряд от а или (Р+т) -источников; Va, Vp+T — годичные дозы каждого вида радиации.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЯ АБСОЛЮТНОГО ВОЗРАСТА ДРЕВНЕЙ КЕРАМИКИ И ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

При разработке конкретных методик ТЛ датирования должна быть учтена геометрия радиации объекта. Так, известно, что пробег а-частиц в керамике составляет «22 ц (Han, RaJph, 1971) и р-частиц ~1 мм (Fleming, 1971), в то время как у-излучение обладает большой проникающей способностью. Таким образом, выбор размера частиц минеральной фракции определяет тот вид радиационного облучения, который будет доминирующим в создании ТЛ.

Для датирования древней керамики существует ряд методик, разработанных Оксфордской школой исследователей. Некоторые из них, при доработке, могут быть использованы и в геологии. Известна методика включений (Fleming, 1970), основанная на выделении кварцевой ■фракции с размерами зерен ~100 ц. Производится учет лишь р+у-до-зы, поскольку для таких крупных частиц a-радиация создает лишь по верхностную активизацию.

Методика мелких зерен основана на выделении фракции зерен 1 — 5 ц., причем полагается, что радиоактивация обусловлена в основном a-частицами. Следует отметить, что световыход при данной методике существенно ослаблен, поскольку вместе с зернами кварца попадают глинистые частицы.

Наибольшую точность обеспечивает нашедшая в последние годы применение методика вычитания (Fleming, Stoneham, 1971). Из образца выделяются как крупнозернистая фракция, так и мелкозернистая. При вычислении возраста учитывается разность ТЛ от мелкой и крупной фракции. В данном случае полагается, что мелкая фракция запасает светосумму под влиянием всех трех видов радиации, а крупная лишь чувствительна к р+у-облучению. Таким образом, разность в светосуммах обеих фракций полностью обусловлена a-радиацией, фактором внутренним для керамики, и потому наименее зависимым от колебаний состояния окружающей среды. Отпадает также необходимость учета (р+у)-Дозы, имеющейся в методике включений и связанных с дозиметрическими измерениями в месте захоронения, что значительно усложняет процедуру датирования.

Во всех случаях измерения ТЛ проводились в атмосфере, свободной от кислорода во избежание ложной компоненты ТЛ (Aitken, Fleming,

е. а., 1968). Учитывалась также поправка иа нелинейность дозовой зависимости кварца в области малых доз и специальные усилия прилагались для выбора рабочей области кривой ТЛ, где можно было бы не считаться с уходом запасенной светосуммы.

По последним данным потери на уход светосуммы с пика ТЛ с Tmai«360°C составляют 40% (Alldred, Fleming, 1974). Для каждого образца определялась чувствительность к а и (5-радиации. Все эти уточняющие процедуры обеспечили точность датирования методикой вычитания ±12%, что на наш взгляд предельно для ТЛ метода.

Нашедший в последние годы применение в СССР (ИГН АН УССР, МГУ) способ датирования геологических объектов (Шелкопляс, 1974; Судакова, Ильичев, 1974) основывается на измерениях естественной ТЛ полиминеральной фракции с размером зерен —100 ц. При этом учитывается лишь годичная а-доза. Для зерен такого размера а-излучение является лишь поверхностно активирующим.

Учет p+7-дозы, играющей существенную роль при возбуждении ТЛ, не производится.

Аккумулированная доза определяется из градуировочной кривой дозной зависимости ТЛ, причем искусственное возбуждение производится ^-радиацией, дальнейшей поправки на различную ТЛ чувствительность образца к у- и а-радиа-ции не делается. Измерения ТЛ проводятся в воздухе. В указанных исследовательских центрах гарантирована точность метода ±15% (Шелкопляс, 1974). Однако, учитывая вышеизложенное, совершенно очевидно, что указанная точность при такой методике ни в коем случае не может быть достижима.

На рис. 2 приводятся кривые естественной ТЛ кварцевой фракции с размерами зерен 100—140 ц в вакууме (а), в воздухе (б), а также полиминеральной фракции в вакууме (в). Четко наблюдается зависимость морфологии кривой ТЛ от атмосферы прогрева и минерального состава пробы.

ОСОБЕННОСТИ ТЛ ДАТИРОВАНИЯ ЧЕТВЕРТИЧНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ

Для древней керамики имеется точная информация о том, что термолюминесцентные часы были поставлены на нуль в момент последнего обжига керамического изделия. В геологии установление стирания прогенетической светосуммы и возможность определения момента накопления отложений определенного генетического типа является при ТЛ датировании первостепенной задачей.

Известно, что процессы физической дезинтеграции и ультрафиолетовое излучение Солнца способствуют стиранию запасенной светосуммы. Однако весьма трудно установить, до каких значений в природных условиях происходит стирание прогенетической светосуммы.

6 Заказ ЛЬ 4320

100

ZOO

300

Ш

\305K в

/ згок ^ g /

J (~\320К — а вон / /

П

100

300

Ш

ТН

Рис. 2. Кривые естественной ТЛ, полученные в Институте геологии АН ЭССР

а — кварца в вакууме (2), фоновое свечение (/); 6 — полиминеральной фракции в воздухе; в — полиминеральной фракции в вакууме. Свечение выделяется жидкостным фильтром СиЭО«

До сих пор большое количество датировок получено для лёссовых отложений, генезис которых, как известно, трактуется по-разному. Различие генезиса (эоловый, аллювиальный, пролювиальный и т. д.) лёссов, по-видимому, по-разному должно отражаться и на их ТЛ свойствах. К сожалению, соответствующих сравнительных исследований пока не проведено.

Аналогичные проблемы существуют и при использовании ТЛ метода для датирования ледниковых отложений, в частности морен. Кроме указанных выше экзогенных факторов, влияющих на стирание свето-суммы минералов, весьма существенным может быть высокое давление ледниковых покровов (Судакова, Ильичев, 1974). Но морены могут накапливаться в субаэральных и субаквальных условиях, под движущимися и омертвевшими льдами, перед фронтом ледника и в результате его поверхностной абляции. Различные экзогенные факторы, а также давление (роль которого экспериментально не исследована) и здесь должны проявляться по-разному. Кроме того, ледник в процессе движения непрерывно обогащается материалом подстилающих пород, ТЛ свойства которых существенно различаются. Проблема еще более усложняется, если одновременно датированию подвергаются водно-ледниковые (флювиогляциальные и лимногляциальные) отложения.

Достаточно сложна проблема отбора проб для ТЛ датирования. Если образцы отбираются из естественных обнажений (В. Н. Шелко-пляс рекомендует зачистку стенки лишь на глубину 0,5 м), то не исключена возможность «загрязнения» образцов радиацией, подземными и дождевыми водами, а также другими агентами.

При буровом методе отбора проб также возможно действие факторов, стирающих возрастную светосумму (нагрев и измельчение породы). Необходимо также учитывать возможную неоднородность одно-возрастных пород — отсюда надобность в многократном отборе проб из данного горизонта. Если к вышесказанному добавить также трудности получения отдельных гранулометрических фракций для ТЛ анализа (механическая сепарация может также влиять на величину запасенной светосуммы), то можно себе представить, какая трудоемкая и сложная задача стоит перед исследователями и как далек от завершенности существующий способ ТЛ датирования геологических объектов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Цель данного сообщения — обратить внимание исследователей на существенные погрешности используемого способа ТЛ датирования в геологии и трудности, связанные с определением физического возраста разнородных четвертичных отложений.

Авторы ни в коей мере не отрицают возможности применения этого метода. ТЛ датирование в совокупности с другими физико-химическими и стратиграфическими методами, несомненно, может дать весьма плодотворные результаты. При определении возраста древней керамики оксфордской школой исследователей (1970—1974 гг.) достигнута точность метода ±10—15%. При учете указанных выше усложняющих факторов близкие результаты можно, по-видимому, ожидать и при определении возраста геологических объектов. Для достижения этой цели необходимо усовершенствовать не только измерительную аппаратуру, но более глубоко изучить ТЛ свойства исследуемых объектов, а также механизм формирования самих четвертичных отложений.

ЛИТЕРАТУРА

Даниельс Ф., Бойд Ч., Саундерс Д. Термолюминесценция как средство научного исследования.— УФ.Н, 1953, т. 51, вып. 2.

Евсеев А. В., Ильичев В. А. Абсолютный возраст погребенных почв и этапы почвообразования по данным С14 и термолюминесцентным анализам.— Докл. АН СССР, 1974, т. 214, № 6.

Судакова Н. Г., Ильичев В. А. Возраст морен Ярославского Поволжья.— В кн.: Инженерно-геологическое изучение морен. Ярославль, 1974.

Таращан А. Н. Исследование люминесценции минералов. Автореф. докт. дис. М., 1974.

Шелкопляс В. Н, Термолюминесцентный метод и его применение для стратиграфии плейстоценовых субаэральных отложений. Автореф. докт. дис. Киев, 1974.

Шелкопляс В. Н. Термолюминесцентный возраст пород лёссовой формации Украины.— В кн.: Геохронология СССР, т. 3. Л., 1974.

Aitken М. J. Dating by archaeomagnetic and thermoluminescent methods.— Phil. Trans. Roy. Soc. London, 1970, A, 269.

Aitken M. J., Zimmerman D. W., Fleming S. J. Thermoluminescent dating of ancient pottery.—Nature, 1968, 219, N 5153.

Alldred J. C., Fleming S. J. The effects of anomalous fading and supralinearity on the thermoluminescent dating of ceramics.— Proc. Fourth Intern. Conf. on. Luminescence Dosimetry. Krakow, Poland, 1974.

Fleming S. J. Thermoluminescent dating refinement of the quartz inclusion method.— Archaeometry, 1970, 12/2.

Fleming S. J. Thermoluminescent dating principles and application.— Naturwissenschaften, 1971, 58.

Fleming S. J., Stoneham D. New techniques of thermoluminescent dating of ancient pottery. I. The substration method.— Proc. Third Intern. Conf. on Luminescence Dosimetry. Riso, Danish, 1971.

Han M. C., Ralph E. K. Some uncertainties in thermoluminescence dating.— Proc. Third Intern. Conf. on Luminescence Dosimetry, Riso, Danish, !1'971.