Die Geochronologie der optisch stimulierten Lumineszenz (OSL) liefert die Zeit von der letzten Licht- oder Wärmeeinwirkung nach Sedimenterosion, Ablagerung und Bestattung; und weitere Einwirkung von Licht oder Hitze. So reduzieren natürliche sedimentäre Prozesse oder Erwärmungsereignisse (>300 °C) das bisher vererbte Lumineszenzsignal auf ein konstant niedriges Niveau. In den letzten zwei Jahrzehnten gab es erhebliche Fortschritte in der Lumineszenzdatierung, wie die Einzelaliquot- und Kornanalyse bestimmter Mineralkörner wie Quarz. Diese experimentbasierten Datierungsprotokolle mit blauen oder grünen Dioden können im Labor induzierte Empfindlichkeitsänderungen effektiv kompensieren, so dass OSL-Alter für die letzten ca. 500 ka 1,2,3 beträgt.
Silikatminerale wie Quarz und Kaliumfeldspat haben unterschiedliche Kristallgitterladungsdefekte; Einige bildeten sich zum Zeitpunkt der Mineralkristallisation und andere aufgrund der anschließenden Exposition gegenüber ionisierender Strahlung, was zu einem geochronometrischen Potential führte. Diese Defekte sind wahrscheinliche Orte der Elektronenspeicherung mit Fallentiefenenergien von ~1,3-3 eV. Eine Subpopulation von enthaltenen Elektronen in Gitterladungsdefekten von Quarzkörnern ist eine Quelle für zeitdiagnostische Lumineszenzemissionen mit Anregung durch blaues Licht. Daher steigt diese Lumineszenzemission mit der Zeit über das Solar- oder Wärmerückstellniveau bei Exposition gegenüber ionisierender Strahlung während der Bestattungszeit an. Dieses Signal wird auf ein niedriges, definierbares Niveau reduziert ("zeroed") mit anschließender Sonneneinstrahlung mit Sedimenterosion, Transport und Ablagerung. Dieser Lumineszenz-"Zyklus" tritt in den meisten Ablagerungsumgebungen auf der Erde und anderen Planeten auf. So liefert die OSL-Datierung von sedimentären Quarzkörnern ein Ablagerungsalter, das die Zeit widerspiegelt, die seit der letzten Lichtexposition mit Ablagerung und Vergraben vergangen ist (Abbildung 1).
Die Lumineszenzdatierung ist eine dosimetrische Technik, die Altersschätzungen für ausgewählte Mineralkörner wie Quarz aus äolischen, fluvialen, lakustrinen, marinen und kolluvialen Sedimenten liefert, die mit unzähligen Kontexten für geomorphe, tektonische, paläontologische, paläoklimatische und archäologische Forschung verbunden sind 2,4,5,6,7. Die OSL-Datierung wird auch ausgewertet, um Oberflächenprozesse auf anderen Planeten, insbesondere auf Mars 8,9, einzuschränken. Oft ist das am häufigsten verwendete Mineral in der OSL-Datierung auf der Erde Quarz, der seine natürliche Häufigkeit, eine inhärente Empfindlichkeit als Geochronometer, Signalstabilität und schnelles Zurücksetzen bei Sonneneinstrahlung (Sekunden bis Minuten) widerspiegelt4,10,11,12. Die Genauigkeit der OSL-Datierung wird jedoch beeinträchtigt, wenn der Quarzextrakt unrein ist, insbesondere wenn er durch Kalium und andere Feldspate kontaminiert ist, die zehn- bis hundertfach hellere Lumineszenzemissionen als Quarz aufweisen können und das Alter unterschätztergeben können 13. Daher ist die absolute Reinheit (>99%) für Extrakte von Quarzkörnern aus Sedimenten entscheidend für eine genaue OSL-Datierung. Daher liegt der Fokus dieses Beitrags auf detaillierten Verfahren zur Isolierung hochreiner Quarzkorntrennungen aus einer Vielzahl polymineralischer Sedimente. Dies erfordert die Integration von Kenntnissen der Mineralogie, Kristallchemie; optische und Raman-Bildgebung, um Laborprotokolle effektiv anzuwenden, um OSL-Alter auf Quarzkörnern aus sorgfältig beprobten Schichten aus gewonnenen Sedimentkernen zu rendern. Die Sedimentkerne wurden durch eine Push- und Perkussionsbohrmethode gesammelt, bei der intaktes Sediment bis in eine Tiefe von 20-25 m geborgen wurde.
Das zeitkritische OSL-Signal wird relativ schnell mit Minuten bis Stunden Sonneneinstrahlung zurückgesetzt. Das geologische OSL-Signal akkumuliert sich aus diesem solaren Reset-Level. Obwohl die OSL-Emissionen von Quarz erheblich variabel sind, spiegeln sie die ursprüngliche kristalline Struktur, Gitterverunreinigungen, Sensibilisierung mit Lumineszenz-Rücksetzzyklenwider 14 (Abbildung 1). Daher gibt es inhärente Variabilität in der Dosisempfindlichkeit von Quarz, und Datierungsprotokolle müssen für spezifische mineralogische und sedimentäre Herkunft entwickelt werden. Glücklicherweise führte das Aufkommen von SAR-Dosisprotokollen (Single Aliquot Regenerative (SAR) für Quarz 1,2 zu einer Systematik zur Korrektur der Variabilität der OSL-Emissionen und Metriken zur Bewertung von Laboränderungen der scheinbaren OSL-Empfindlichkeit. Sedimentkörner fungieren als Langzeit-Strahlendosimeter, wenn sie vor weiterer Lichteinwirkung verborgen sind, wobei das Lumineszenzsignal als Maß für die Strahlenbelastung während der Bestattungszeit dient. Die Strahlendosis, die der natürlichen Lumineszenzemission isolierter Quarzkörner entspricht, wird als Äquivalentdosis (De: in Grautönen, Gy) bezeichnet, die der Zähler der OSL-Altersgleichung ist (Gleichung 1). Der Nenner ist die Dosisleistung (Dr: Grays/Jahr), definiert durch den Beitrag α, β und γ Strahlung, die aus dem radioaktiven Zerfall von Tochterisotopen in der 235 U, 238 U, 232Th Zerfallsreihe, 40K stammt und mit geringeren Beiträgen aus dem Zerfall von 85Rb und kosmischen und galaktischen Quellen.
OSL-Alter (Jahre) =
(Gleichung 1)
Dabei gilt: Dα = Alpha-Dosis Dβ = Beta-Dosis Dγ = Gammadosis Dc = kosmische Dosis und w=Wasserdämpfungsfaktor.
Eine weitere Methode für Sie und Th-Bestimmungen im Labor oder im Feld ist die Gammaspektrometrie, wobei die Germanium-Variante in der Lage ist, das Isotopenungleichgewicht von U und Th mit geeigneten Anpassungen der Dosisleistung zu quantifizieren. Die Beta- und Gammakomponenten der Umweltdosisleistung müssen für die Massendämpfungmodifiziert werden 15. Es gibt jedoch eine effektiv unbedeutende Alpha-Dosis für Körner >50 μm, wobei die äußeren 10-20 μm der Körner durch Behandlung mit unverdünntem HF während der Zubereitung entfernt werden. Eine kritische Komponente bei der Dosisleistungsbewertung ist die Quantifizierung der kosmischen und galaktischen Dosis während der Bestattungsperiode, die für bestimmte Punkte auf der Erde mit Anpassungen für Längengrad, Breitengrad, Höhe, Bestattungstiefe und Dichte des darüber liegenden Sedimentsberechnet wird 16,17.
Sedimente, die >15% Quarz enthalten, sind in der Regel relativ einfach, um eine hochreine Quarzfraktion abzutrennen. Sedimente mit <15% Quarz benötigen jedoch oft zusätzliche Zeit, um die erforderliche mineralogische Reinheit für die OSL-Datierung sicherzustellen. Für diese Analyse werden ungefähr 500-1000 Quarzkörner benötigt, aber oft werden Tausende von Körnern für doppelte Analysen, die Archivierung zur Erweiterung einer Kalibrierbibliothek und zukünftige Fortschritte getrennt. Die mineralogische Zusammensetzung der Sedimentproben wird zunächst Korn für Korn durch petrographische Analyse durch eine binokularmikroskopische (10-20x) und zugehörige Bildanalyse beurteilt. Die Mineralogie einzelner Körner wird weiter mittels Raman-Spektroskopie getestet, um Kornspektren mit einem Anregungslaser (455 nm, 532 nm, 633 nm oder 785 nm) zu messen und die Kornemissionen statistisch mit bekannten Mineralspektren aus der RRUFF System Database18 zu vergleichen.
Sobald die visuelle und spektrale Inspektion zufriedenstellend ist, wird die Reinheit des OSL-Signals unter Verwendung eines automatisierten Lumineszenz-Lesesystems weiter überprüft. Drei bis fünf Aliquots der Probe werden einer Infrarotanregung (IR = 1,08 Watt bei 845 nm ± 4 nm) ausgesetzt, die bevorzugt Feldspatmineralien stimuliert, und diese Emission wird mit Emissionen durch Blaulichtanregung (Bl = 470 nm ± 20 nm) verglichen, die bevorzugt Quarz stimuliert. Wenn das Verhältnis IR/Bl 5% ≥%, zeigt der Test eine Feldspatkontamination und wiederholte Säureaufschlüsse. Wenn das Verhältnis IR/Bl <5%, dann gelten die Proben als Quarzfraktion zufriedenstellend für die Datierung.
Single Aliquot Regeneration (SAR) -Protokolle auf Quarzkörnern ist ein häufig verwendeter Ansatz in OSL-Datierungssedimenten mit Verfahren, die auf eine bestimmte Probe, ein Untersuchungsgebiet oder ein Gebiet zugeschnitten sind. Die Reproduzierbarkeit dieser Protokolle wird bestimmt, indem Quarzkörnern eine bekannte Betadosis (z. B. 30 Gy) verabreicht wird und bewertet wird, welche Wärmevorbehandlung diese bekannte Dosis zurückgewinnt (Abbildung 2). In der Praxis beinhaltet die Bestimmung einer De mit den SAR-Protokollen die Berechnung eines Verhältnisses zwischen der natürlichen Lumineszenz und der Lumineszenz aus einer bekannten Testdosis (L n/T n-Verhältnis), das mit den Lumineszenzemissionen für regenerative Dosen dividiert durch die Lumineszenz aus derselben Testdosis (L x/Tx) verglichen wird (Abbildung 2 ). Eine Korrektur, eine konsequent angewendete Testdosis (z. B. 5 Gy), wurde entwickelt, um Änderungen der Quarzkornempfindlichkeit bei der Messung durch SAR-Zyklen zu kompensieren. Oft steigen die OSL-Emissionen mit jedem aufeinanderfolgenden SAR-Zyklus um >5% an, obwohl die gleiche Dosis (z. B. 5 Gy) verabreicht wird7.
Mindestens vierzig Aliquots von Quarz oder 500 Körner werden mit dem TL / OSL-Lesesystem mit Blaulichtanregung analysiert. Die erzeugten Lumineszenzdaten werden von einer Software analysiert, die mit dem Lesesystem Risø TL/OSL-DA-20 verbunden ist. Die De und Dr Werte und Altersschätzungen werden mit dem Lumineszenzdosis- und Altersrechner (LDAC)17 berechnet. Diese Plattform wendet statistische Modelle an, um die Werte der Äquivalentdosis (De) zu bestimmen und das entsprechende OSL-Alter mit eingeschränkten Fehlern darzustellen.
Die extrahierte lichtabgeschirmte Probe aus einem Kern wird aus zwei Gründen vorbereitet: 1) Um eine mineralogische Fraktion von Quarzkörnern mit einer Reinheit von >99% zu erhalten, und 2) Um Körner mit spezifischer Größenfraktion, z. B. 150-250 μm, zur Beurteilung der Umwelt-Dr für OSL-Datierung17 zu isolieren. In vielen sedimentären Umgebungen sind Quarzkörner üblich; aber gemischt mit anderen Silikat- und Nichtsilikatmineralien, Gesteinsfragmenten und organischen Stoffen. Zuvor wurden die Verfahren kurz skizziert, die einige spezifische Schritte und Reagenzien aufzeigten, die erforderlich sind, um reine Quarzkörner im Zusammenhang mit der OSL-Datierung 13,19,20,21,22,23 zu isolieren. Dieser Beitrag hat von diesen früheren Ansätzen stark profitiert. Dieser Artikel skizziert überarbeitete und detailliertere Protokolle unter Verwendung petrographischer Bildgebung und Raman-Technologie zur Überwachung der Getreidemineralogie und zur Herstellung hochreiner (>99%) Quarzextrakte für die Lumineszenzdatierung. Diese Quarzisolationsprotokolle wurden nach der Vorbereitung von Hunderten von Proben aus verschiedenen geologischen Umgebungen in Amerika, Eurasien, China und Afrika, dem Baylor Geoluminescence Dating Research Laboratory, entwickelt, das die analytische Erfahrung über dreißig Jahre widerspiegelt, und sind keine endgültigen Methoden, mit geeigneten Variationen, die von anderen Labors verwendet werden. Dies sind keine statischen Protokolle, und Änderungen und Ergänzungen zur Verbesserung sind willkommen.