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Isolamento de Grãos de Quartzo para Datação por Luminescência Opticamente Estimulada (OSL) de Sedimentos Quaternários para Pesquisa Paleoambiental

Published: August 2, 2021 doi: 10.3791/62706
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 2
1Geoluminescence Dating Research Laboratory, Dept. of Geosciences, Baylor University, 2School of Earth Sciences, Zhejiang University

Summary

Este protocolo é para o isolamento de grãos de quartzo por tamanho para datação por luminescência de sedimentos. Delineada são a limpeza física e as digestão química, por imersão sequencial em H 2 O2, HCl, HF e HCl novamente para isolar grãos de quartzo. A pureza do quartzo é quantificada com avaliação microscópica, espectroscopia Raman e razão de depleção de IR.

Abstract

A datação por luminescência opticamente estimulada (OSL) quantifica o tempo desde que os grãos minerais foram depositados e protegidos da exposição adicional à luz ou ao calor, o que efetivamente redefine o relógio de luminescência. A sistemática da datação OSL é baseada nas propriedades dosimétricas de minerais comuns, como quartzo e feldspato. A luminescência adquirida com exposição à radiação ionizante natural após o enterro fornece uma idade deposicional para muitos sistemas sedimentares quaternários, abrangendo os últimos 0,5 Ma. Esta contribuição detalha os procedimentos para separar grãos de quartzo puro de uma faixa conhecida de tamanhos de partículas para facilitar a análise de luminescência com alíquotas de grãos pequenos ou únicos. Especificamente, são dados protocolos para os dados e interpretações necessários para a datação OSL eficaz de núcleos de sedimentos terrestres ou tubos de amostra de exposições. Esses núcleos, de 5 a 20 m de comprimento em seções de 1,2 m, são divididos longitudinalmente e cortados por coroa, deixando 80% do volume do núcleo intacto, o que facilita a amostragem de sedimentos protegidos contra a luz para datação OSL nas profundezas do núcleo. As amostras de sedimentos são então submetidas a uma série de separações físicas para obter um certo intervalo de tamanho de grão (por exemplo, 150-250 μm). Os minerais magnéticos são removidos em estados úmidos e secos usando ímãs. Uma série de digestão química começa com a imersão em H 2 O2para remover a matéria orgânica, seguida pela exposição ao HCl para remover minerais de carbonato, seguida pela separação da densidade. Posteriormente, os grãos são embebidos em HF por 80 min e depois em HCl para renderizar apenas grãos de quartzo. A pureza mineralógica (>99%) do extrato de quartzo é quantificada com avaliação petrográfica de grãos e espectroscopia Raman. A repetição deste procedimento de isolamento de quartzo pode ser necessária com sedimentos que contenham <15% de grãos de quartzo. A excitação dos grãos de quartzo purificados pela luz azul e IR derivada de LED permite cálculos das taxas de depleção rápida e IR, que são métricas para avaliar a dominância das emissões de luminescência do quartzo.

Introduction

A geocronologia da luminescência opticamente estimulada (OSL) produz o tempo a partir da última exposição à luz ou ao calor após a erosão, deposição e enterramento dos sedimentos; e maior exposição à luz ou ao calor. Assim, processos sedimentares naturais ou eventos de aquecimento (>300 °C) reduzem o sinal de luminescência herdado anteriormente a um nível consistentemente baixo. Nas últimas duas décadas, houve avanços substanciais na datação por luminescência, como alíquota única e análise de grãos de grãos minerais específicos, como o quartzo. Esses protocolos de datação baseados em experimentos com diodos azuis ou verdes podem compensar efetivamente as mudanças de sensibilidade induzidas em laboratório, tornando as idades da OSL para o passado cerca de 500 ka 1,2,3.

Minerais de silicato, como quartzo e feldspato de potássio, têm defeitos variados de carga de rede cristalina; alguns se formaram no momento da cristalização mineral e outros devido à exposição subsequente à radiação ionizante, resultando em potencial geocronométrico. Esses defeitos são locais prováveis de armazenamento de elétrons com energias de profundidade de armadilha de ~1,3-3 eV. Uma subpopulação de elétrons contidos em defeitos de carga reticulada de grãos de quartzo é uma fonte para emissões de luminescência diagnósticas no tempo com excitação pela luz azul. Assim, essa emissão de luminescência aumenta com o tempo, acima do nível solar ou de redefinição de calor com a exposição à radiação ionizante durante o período de sepultamento. Este sinal é reduzido a um nível baixo e definível ("zerado") com subsequente exposição à luz solar com erosão, transporte e deposição de sedimentos. Este "ciclo" de luminescência ocorre na maioria dos ambientes deposicionais na Terra e em outros planetas. Assim, a datação OSL de grãos de quartzo sedimentar proporciona uma idade deposicional, refletindo o tempo decorrido desde a última exposição à luz com deposição e sepultamento (Figura 1).

A datação por luminescência é uma técnica de base dosimetria que produz estimativas de idade para grãos minerais selecionados, como quartzo, de sedimentos eólicos, fluviais, lacustres, marinhos e coluviais associados a contextos enumeráveis para pesquisas geomórficas, tectônicas, paleontológicas, paleoclimáticas e arqueológicas 2,4,5,6,7. A datação OSL também está sendo avaliada para restringir os processos de superfície em outros planetas, particularmente em Marte 8,9. Muitas vezes, o mineral mais utilizado na datação OSL na Terra é o quartzo, refletindo sua abundância natural, sensibilidade inerente como geocronômetro, estabilidade do sinal e rápida redefinição com exposição à luz solar (segundos a minutos)4,10,11,12. No entanto, a precisão da datação OSL é comprometida se o extrato de quartzo for impuro, particularmente se contaminado por potássio e outros feldspatos, que podem ter emissões de luminescência dez a cem vezes mais brilhantes que o quartzo e podem produzir subestimações de idade13. Portanto, a pureza absoluta (>99%) para extratos de grãos de quartzo de sedimentos é fundamental para a datação precisa de OSL. Assim, o foco desta contribuição é fornecer procedimentos detalhados para isolar grãos de quartzo altamente purificados separados de uma variedade de sedimentos poliminerais. Isso requer integração de conhecimentos de mineralogia, química de cristais; imagens ópticas e Raman, para aplicar efetivamente protocolos de laboratório, para renderizar idades OSL em grãos de quartzo a partir de estratos cuidadosamente amostrados de núcleos de sedimentos recuperados. Os núcleos de sedimentos foram coletados por um método de empurrão e percussão, que recuperou sedimentos intactos até uma profundidade de 20-25 m.

O sinal sensível ao tempo OSL é redefinido de forma relativamente rápida com minutos a horas de exposição à luz solar. O sinal geológico OSL se acumula a partir deste nível de redefinição solar. Embora, as emissões de OSL do quartzo sejam consideravelmente variáveis, refletindo a estrutura cristalina original, as impurezas da rede, a sensibilização com ciclos de redefinição de luminescência14 (Figura 1). Assim, há uma variabilidade inerente na sensibilidade à dose de quartzo, e protocolos de datação precisam ser desenvolvidos para proveniência mineralógica e sedimentar específica. Felizmente, o surgimento de protocolos de dose regenerativa de alíquota única (SAR) para quartzo 1,2 produziu sistemática para corrigir a variabilidade nas emissões de OSL e métricas para avaliar mudanças laboratoriais na sensibilidade aparente de OSL. Os grãos de sedimento funcionam como dosímetros de radiação de longo prazo quando ocultos de uma maior exposição à luz, com o sinal de luminescência servindo como uma medida de exposição à radiação durante o período de enterro. A dose de radiação que é equivalente à emissão de luminescência natural de grãos de quartzo isolados é referida como a dose equivalente (De: em cinzas, Gy), que é o numerador da equação de idade OSL (Equação 1). O denominador é a taxa de dose (Dr: Grays/ano), definida pela contribuição α, β e radiação γ, originária do decaimento radioativo de isótopos filhos nas séries de decaimento 235 U, 238 U, 232Th, 40K, e com menores contribuições do decaimento de 85Rb e fontes cósmicas e galácticas.

Idade OSL (ano) = Equation 1 (Equação 1)

Onde, Dα = dose alfa Dβ = dose beta Dγ = dose gama Dc = dose cósmica e w = fator de atenuação da água.

Outro método para você e determinações Th no laboratório ou no campo é a espectrometria gama, com a variante germânio capaz de quantificar o desequilíbrio isotópico de Th com ajustes adequados à taxa de dose. Os componentes beta e gama da taxa de dose ambiental precisam ser modificados para atenuação da massa15. No entanto, existe uma dose alfa efetivamente insignificante para grãos >50 μm com os 10-20 μm externos de grãos removidos por tratamento com IC não diluída durante a preparação. Um componente crítico na avaliação da taxa de dose é a quantificação da dose cósmica e galáctica durante o período de sepultamento, que é calculada para pontos específicos da Terra com ajustes para longitude, latitude, elevação, profundidade de sepultamento e densidade de sedimentos sobrejacentes16,17.

Sedimentos que contêm >15% de quartzo são geralmente relativamente simples para separar uma fração de quartzo de alta pureza. No entanto, sedimentos com quartzo <15% geralmente exigem tempo adicional para garantir a pureza mineralógica necessária para a datação OSL. Aproximadamente 500-1000 grãos de quartzo são necessários para esta análise, mas muitas vezes milhares de grãos são separados para análises duplicadas, arquivamento para expandir uma biblioteca de calibração e avanços futuros. A composição mineralógica das amostras de sedimentos é inicialmente avaliada, grão por grão, por análise petrográfica através de uma análise binocular microscópica (10-20x) e de imagem associada. A mineralogia de grãos individuais é testada ainda por espectroscopia Raman para medir espectros de grãos usando um laser de excitação (455 nm, 532 nm, 633 nm ou 785 nm) e comparar estatisticamente as emissões de grãos com espectros minerais conhecidos do RRUFF System Database18.

Uma vez que a inspeção visual e espectral é satisfatória, a pureza do sinal OSL é verificada ainda mais, utilizando um sistema automatizado de leitor de luminescência. Três a cinco alíquotas da amostra são expostas à excitação infravermelha (IR = 1,08 watts a 845 nm ± 4 nm), que estimula preferencialmente os minerais feldspato, e essa emissão é comparada às emissões por excitação da luz azul (Bl = 470 nm ± 20 nm), que estimula preferencialmente o quartzo. Se a relação IR/Bl ≥ 5%, o ensaio indica a contaminação por feldspato e a digestão ácida se repete. Se a relação IR/Bl <5%, então as amostras são consideradas fração de quartzo satisfatoriamente para datação.

Os protocolos de regeneração de alíquota única (SAR) em grãos de quartzo são uma abordagem frequentemente usada em sedimentos de datação OSL com procedimentos adaptados para uma amostra específica, um local de estudo ou uma área. A reprodutibilidade desses protocolos é determinada dando aos grãos de quartzo uma dose beta conhecida (por exemplo, 30 Gy) e avaliando qual pré-tratamento térmico recupera essa dose conhecida (Figura 2). Na prática, a determinação de um D e com os protocolos SAR envolve o cálculo de uma razão entre a luminescência natural e a luminescência a partir de uma dose de ensaio conhecida (relação Ln/Tn), que é comparada com as emissões de luminescência para doses regenerativas divididas pela luminescência da mesma dose de ensaio (L x/Tx) (Figura 2 ). Uma correção, uma dose de teste consistentemente aplicada (por exemplo, 5 Gy), foi concebida para compensar as mudanças de sensibilidade do(s) grão(s) de quartzo com a medição através de ciclos SAR. Muitas vezes, as emissões de OSL aumentam em >5% a cada ciclo SAR sucessivo, embora recebam a mesma dose (por exemplo, 5 Gy)7.

Pelo menos quarenta alíquotas de quartzo ou 500 grãos são analisadas com sistema leitor TL/OSL, com excitação de luz azul. Os dados de luminescência gerados são analisados por software associado ao sistema leitor Risø TL/OSL-DA-20. Os valores de D e Dr e as estimativasde idade são calculados por meio da Luminescence Dose and Age Calculator (LDAC)17. Esta plataforma aplica modelos estatísticos para determinar valores de dose equivalente (D e)e renderizar a idade OSL correspondente com erros restritos.

A amostra extraída blindada contra a luz de um núcleo é preparada por dois motivos: 1) Para obter uma fração mineralógica de grãos de quartzo com uma pureza de >99%, e 2) Para isolar grãos de fração de tamanho específico, por exemplo, 150-250 μm, para avaliação do Dr ambiental para datação OSL17. Em muitos ambientes sedimentares, os grãos de quartzo são comuns; mas misturado com outros minerais de silicato e não-silicato, fragmentos de rocha e matéria orgânica. Anteriormente, os procedimentos foram brevemente delineados, indicando algumas etapas específicas e reagentes necessários para isolar grãos de quartzo puro no contexto da datação OSL 13,19,20,21,22,23. Esta contribuição beneficiou grandemente destas abordagens anteriores. Este artigo descreve protocolos revisados e mais detalhados usando imagens petrográficas e tecnologia Raman para monitorar a mineralogia de grãos e renderizar extratos de quartzo altamente puros (>99%) para datação por luminescência. Esses protocolos de isolamento de quartzo foram desenvolvidos após a preparação de centenas de amostras de diversos ambientes geológicos nas Américas, Eurásia, China e África, o Baylor Geoluminescence Dating Research Laboratory, refletindo a experiência analítica ao longo de trinta anos, e não são métodos definitivos, com variações adequadas usadas por outros laboratórios. Estes não são protocolos estáticos, e modificações e adições para melhoria são bem-vindas.

Protocol

NOTA: Esta seção apresenta os procedimentos para separar uma fração de quartzo quase pura (>99%) de sedimentos poliminerais retirados de um núcleo de sedimentos longos (15-20 m) e são igualmente aplicáveis a amostras individuais em tubo coletadas de afloramentos23. Esta metodologia foi dividida em três componentes: (1) Abertura, descrição e interpretação do núcleo de sedimentos de ambientes sedimentares para colocar a idade OSL resultante em um contexto paleoambiental, (2) Recuperação de uma pequena amostra de sedimento OSL de um núcleo sem exposição à luz ambiente e (3) Separação de um extrato de quartzo monomineralógico em uma fração de tamanho específico (por exemplo, 150-250 μm). A primeira etapa é realizada sob condições de luz ambiente. O segundo e o terceiro componentes são realizados com iluminação por uma lâmpada de vapor de sódio, LEDs equivalentes ou lâmpadas com um filtro vermelho a laranja. Os testes mostraram que essas condições de luz seguras com emissões centradas em 589 nm com cerca de 1-0,5 W / m2 na superfície do banco não causam reinicialização inadvertida durante as preparações de grãos.

1. Abrir, descrever e interpretar núcleos de sedimentos (Figura 3)

NOTA: Use uma serra elétrica em cerca de um quarto de diâmetro (posição 0,5-radiana) da circunferência do núcleo para abri-los longitudinalmente. Execute este corte do núcleo da "coroa" em vez de um meio corte para preservar sedimentos expostos mais não iluminados para datação OSL e outras análises sem comprometer a inspeção visual cuidadosa, a amostragem e a descrição do núcleo.

  1. Registrar e avaliar as características sedimentológicas e pedológicas de um núcleo.
    1. Avaliar a variação de características sedimentológicas como mudanças de tamanho de partículas, estruturas sedimentares e diagenéticas, leito se visível, cores de Munsell24, base para limites unitários25 e identificação de sequências de estratos.
    2. Determinar características macropedológicas, incluindo morfologias carbonáticas, argilosas e chumlínicas; rubificação e designação de horizonte associado; e vestígios fósseis.
    3. Tome 1-2 g do sedimento com uma espátula, coloque-o em um copo resistente a ácido de 50 mL para avaliar o teor de carbonato gasometricamente.
      1. Colocar o copo num forno bem ventilado (40 °C) durante, pelo menos, 8 h para secar a amostra, pesar numa balança de precisão e anotar o peso de cada amostra no livro de laboratório.
      2. Adicione 30 mL de HCl a 15% à amostra, coloque-a descoberta dentro de um exaustor e deixe reagir por pelo menos 30 minutos. Adicione ácido até que a reação esteja completa.
        CUIDADO: O ácido HCl deve sempre ser usado dentro de um exaustor, com a faixa não mais do que um quarto aberta. Um jaleco, luvas resistentes a produtos químicos, óculos de segurança e um escudo são necessários ao manusear HCl. Coloque esta mistura em um exaustor por 8 h coberto por um selante de papel de cera. A reação do HCl com Ca/MgCO3 é exotérmica. Assim, coloque o copo em uma tigela de cerâmica de 300 mL cheia com 100 mL de água fria da torneira para resfriar a reação e capturar o derramamento da reação.
      3. Lave a amostra com 100 mL de água deionizada (DIW), decante cuidadosamente o sobrenadante para afundar sem perder o sedimento.
      4. Devolver a amostra à estufa (40 °C) durante, pelo menos, 24 h até secar; pesar e registrar o valor.
      5. Quantificar a diferença de massa entre as amostras secas em estufa antes e depois da imersão em HCl a 15% para avaliar o teor de carbonato (%).
    4. Remova 0,5-1,0 g de sedimentos para análise de tamanho de partícula a cada 5-10 cm abaixo do núcleo. Coloque cada amostra de sedimento em um copo resistente a ácidos de 100 mL. Rotule as amostras em copos em conformidade.
    5. Peneire os sedimentos através de uma malha de 2000 μm. Descarte o sedimento >2000 μm (maior que a areia). Continue o processo com o sedimento restante <2000 μm.
    6. Adicionar 30 mL de HCl a 15% para remover o carbonato da amostra. Repita as etapas 1.1.3.1-1.1.3.5
    7. Retirar a matéria orgânica com 30 mL de 12% H 2 O2e deixar repousar por >12 h; não aqueça.
      CUIDADO: H 2 O2promove oxidação rápida, é corrosivo e pode ser muito prejudicial para os olhos, pele e sistema respiratório. Um jaleco, luvas resistentes a produtos químicos, óculos de segurança e um escudo são necessários ao manusear o reagente de grau H 2 O2. A adição de H 2O2 a sedimentos contendo matéria orgânica é uma reação exotérmica. O rápido aumento da temperatura é proporcional à abundância de matéria orgânica disseminada na amostra. A adição de DIW pode ser necessária para manter a temperatura de reação <40 °C. Continue a adicionar H 2O2 e monitore a temperatura de reação simultaneamente. Deixe a mistura permanecer dentro de um exaustor por 8 h coberto por um selante de papel de cera. Coloque o copo em uma tigela de cerâmica de 300 mL cheia com 100 mL de água fria da torneira para resfriar a reação e capturar o derramamento da reação.
    8. Determinar tamanhos de grãos para cada amostra com um analisador de tamanho de partícula de difração a laser e classificar a faixa de tamanhos de grãos de acordo com a escala de Wentworth26,27.
    9. Avalie os dados e reamostrar iterativamente usando espaçamento mais fino (2-5 cm) para caracterizar melhor os contatos da unidade ou a impressão da pedogênese (ver Figura 4).
  2. Interpretar as seções sedimentares e estratigráficas.
    1. Use os registros resultantes de sedimentologia, estratigrafia, pedologia, granulometria e porcentagem de carbonato para definir as unidades deposicionais e fácies pedossedimentares observadas nos núcleos.
    2. Elaborar as respectivas seções sedimentares para cada núcleo (Figura 4).
    3. Interpretar as informações sedimentares e ambientais com base em uma avaliação integrada da descrição do núcleo físico e granulometria, teor de carbonato, micromorfologia e análise de fácies. Discutir a interpretação de ambientes sedimentares com outros membros do grupo de pesquisa.
    4. Determinar níveis de profundidade específicos dos núcleos a serem amostrados para datação OSL para decifrar eventos deposicionais7.

2. Coletar amostra de OSL (Figura 5)

NOTA: As seções centrais são transferidas para o laboratório de luminescência para amostragem para datação OSL em condições de luz seguras.

  1. Umedeça a face central com DIW usando uma garrafa de compressão para garantir a coesão dos sedimentos.
  2. Defina a área de amostragem marcando com uma espátula um círculo de 2 cm de diâmetro a partir do ponto central da face central.
  3. Raspe o 1 cm superior de sedimento exposto à luz com uma faca utilitária. Colocar este sedimento num prato de evaporação cerâmico rotulado para secar durante, pelo menos, 8 h num forno de caixa a 40 °C. Pulverizar e homogeneizar esta amostra de sedimento seco para o teor de U, Th, K e Rb para cálculos de taxa de dose.
    NOTA: Por exemplo, atribua à amostra um número de laboratório consecutivo (por exemplo, BG4966) para rotular em cada recipiente que abriga qualquer derivado da amostra original (por exemplo, BG4966 <200 μm). Vincule esse número BG ao registro eletrônico do laboratório, co-registrado com o campo de amostra ou o número de envio. Inclua outras informações, como o número principal, o ano coletado, a designação da unidade (por exemplo, a unidade B) e a profundidade. A rotulagem de subamostras no laboratório é uma tarefa crítica e deve ser feita com exatidão para manter a cadeia de custódia da amostra.
  4. Extraia (10-30 g) o sedimento protegido contra a luz cuidadosamente com uma espátula da área central circular do núcleo. Coloque o extrato em um copo de polietileno de 250 mL marcado. Limpe esta amostra física e quimicamente para isolar uma fração de quartzo para datação por luminescência.
    NOTA: Execute a amostragem do núcleo em uma direção (geralmente de cima para baixo) e uma de cada vez para evitar erros de amostragem e contaminação. Processar as amostras individualmente, em ordem numérica, para manter a cadeia de custódia.
  5. Preencha a cavidade de amostra restante no núcleo com uma bola de folha de alumínio para designar a posição da amostra e evitar o colapso da parede lateral do núcleo dividido. Umedeça a face central com DIW usando um frasco de spray, envolva em plástico e sele o núcleo para arquivamento.

3. Extrair quartzo monomineralógico ( Figura 6 )

NOTA: Todo o pessoal antes de iniciar os procedimentos no laboratório é obrigado a usar equipamentos de proteção individual (EPI), que incluem um jaleco de laboratório pesado e impermeável, acompanhado por luvas e óculos descartáveis nitrílicos e máscaras de poeira. Este EPI é complementado com luvas pesadas de PVC e avental longo do corpo, protetor facial acrílico e tampas de sapato impermeável de silicone reutilizáveis ao usar solventes com força total para digestão.

  1. Remover matéria orgânica: Adicionar lentamente 30 mL de 25% H 2 O2a 30-60 g do sedimento em um copo de polietileno de 250 mL para remover a matéria orgânica. Mexa bem com uma haste de vidro para facilitar a reação. Adicionar H 2 O 2 até que não haja efervescência visível com a libertação de CO2; deixe descansar dentro do exaustor por pelo menos 12 h.
    CUIDADO: Execute este procedimento sob um exaustor. H 2O2 promove oxidação rápida, é corrosivo e pode ser muito prejudicial para os olhos, pele e sistema respiratório. Um jaleco, luvas resistentes a produtos químicos, óculos de segurança e um escudo são necessários ao manusear o reagente de grau H 2 O2. A adição de H 2O2 a sedimentos contendo matéria orgânica é uma reação exotérmica. O rápido aumento da temperatura é proporcional à abundância de matéria orgânica disseminada na amostra. A adição de DIW pode ser necessária para manter a temperatura de reação <40° C. Continue a adicionar H2 O2 e monitore a temperatura de reação simultaneamente. Deixe a mistura permanecer sob um exaustor por 12 h coberto por um selante de cera. Coloque o copo em uma tigela de cerâmica de 300 mL cheia com 100 mL de água fria da torneira para resfriar a reação e capturar o derramamento da reação.
    NOTA: Se o teor de matéria orgânica for de >3%, a amostra pode exigir 1-3 dias de imersão em H 2O2 para reagir plenamente com o carbono orgânico. Monitore o calor exotérmico evoluído e adicione DIW para mantê-lo abaixo de 40 °C. Não aqueça a amostra acima de 40 °C. Temperaturas mais altas podem causar redefinição parcial do sinal de luminescência e alterações de sensibilidade prejudiciais às medições dosimétricas.
  2. Lavar a amostra cinco vezes com 100 mL de DIW para remover qualquer H2O2 remanescente e haletos presentes no sedimento. Depois de se contentar por 30-60 min, decante o sobrenadante na pia com a água correndo. Tome cuidado para preservar o sedimento no fundo do copo durante a decantação.
  3. Adicionar lentamente 30 mL de HCl a 15% para cada 5 g de sedimento em um copo de 250 mL para reagir com o Ca/MgCO3 disseminado na amostra. Inicialmente, adicione ≤ 1 mL para avaliar as efervescências e modular novas adições de HCl para controlar uma melhor reação. Mexa bem com uma haste de vidro para facilitar a conclusão da reação. Adicione mais HCl, se necessário, até que não haja efervescência visível com a liberação de CO2.
    CUIDADO: Use HCl dentro de um exaustor, com a faixa não mais do que um quarto aberta. Um jaleco, luvas resistentes a produtos químicos, óculos de segurança e um escudo são necessários ao manusear este e outros ácidos. A reação do HCl com Ca/MgCO3 é exotérmica. A adição de DIW pode ser necessária para manter a temperatura de reação <40 °C. Continue a adicionar HCl e monitore simultaneamente a temperatura de reação. Deixe a mistura permanecer dentro de um exaustor por 8 h coberto por papel de cera. Coloque o copo em uma tigela de cerâmica de 300 mL cheia com 100 mL de água fria da torneira para resfriar a reação e capturar o derramamento da reação.
    1. Lave a amostra com 100 mL de DIW cinco vezes e decante cuidadosamente para remover o excesso (diluído) de HCl em uma pia com a água correndo.
    2. Secar o sedimento durante a noite em forno de caixa a 40 °C.
  4. Remova os minerais magnéticos, paramagnéticos e diamagnéticos.
    NOTA: A maioria dos sedimentos contém <10% de minerais magnéticos. Realizar a remoção magnética mineral do sedimento em estado seco usando ímãs de neodímio ou estado úmido usando a solução dispersante Na-pirofosfato (Na4P 2 O7·10H2O) (0,3%). A remoção de minerais magnéticos e associados é necessária, pois esses componentes competem com a gravação HF de quartzo e a dissolução de outros minerais de silicato.
    1. Envolva um ímã de neodímio de ~2,5 cm de comprimento com uma manga de malha de nylon de 38 μm para remoção de sedimentos secos de minerais magnéticos.
    2. Coloque o ímã enrolado na parede externa do copo e mova-se em um movimento circular para atrair minerais magnéticos.
    3. Mova o ímã lentamente para o topo do copo para extrair os minerais em um prato de cerâmica de 20 mL. Remova o ímã e desprenda os minerais magnéticos ligados à manga de nylon.
    4. Repita os passos 3.4.1-3.4.3 até remover completamente os grãos magnéticos; geralmente após 5 a 6 repetições.
    5. Para remover os grãos magnéticos em uma solução à base de água, coloque o sedimento em um copo de vidro de 250 mL com ~100 mL de solução de Na-pirofosfato a 0,3% e mexa bem até que o sedimento esteja bem desagregado.
    6. Coloque o copo sobre uma placa quente com um agitador magnético embutido; ajustar a velocidade de agitação a 800 RPM à temperatura ambiente de laboratório. Submerja as hastes magnéticas e mexa o sedimento por 5 min.
    7. Remova as hastes para limpar os grãos magnéticos atraídos esfregando com um pano ou outro ímã antes de retornar os ímãs à solução. Repita até que nenhum mineral magnético seja recuperado; até cinco repetições podem ser necessárias.
      NOTA: Uma inspeção microscópica binocular da amostra é aconselhada para avaliar o status da remoção magnética de minerais. Juntos, a remoção de minerais magnéticos secos e úmidos é geralmente >95% eficaz.
  5. Separe uma fração específica do tamanho de um grão.
    NOTA: A gama de dimensões de partículas dos grãos de quartzo a separar baseia-se na distribuição granulométrica previamente determinada para cada amostra (ver passo 1.1.5). Faixas de tamanho de partícula comuns para separar grãos de quartzo são 500-450 μm, 450-355 μm e 355-250 μm para areia média, 250-150 μm e 150-100 μm para areia fina e 100-63 μm para areia muito fina.
    1. Corte 15 cm x 15 cm quadrados de rolos de malha de nylon de dois tamanhos (por exemplo, 150 μm e 250 μm) para isolamento de tamanho de partícula usando peneiramento úmido com malhas descartáveis.
    2. Emoldura a malha cortada em uma guia circular de plástico de 10 cm de diâmetro interno. Por exemplo, para atingir a fração de areia fina 150-250 μm, use duas malhas de enquadramento sequencialmente: 250 μm primeiro e 150 μm segundo.
    3. Rotular três copos com o número da amostra de laboratório (BGXXXX) e limites de peneiramento; >150 >250 μm e 250-150 μm ( Inserção Figura 6A).
    4. Coloque a guia de peneiramento circular firmemente com malha emoldurada, por exemplo, primeiro, use 250 μm (tamanho de grão mais grosso) sobre uma borda de béquer de 1 L (10,5 cm de diâmetro).
    5. Peneire a amostra para a faixa de tamanho de partícula alvo, por exemplo, 250-150 μm. Configure um copo de 1 L com guia de malha de 250 μm na parte superior; pronto para peneirar.
    6. Adicionar ~100 ml de solução a 0,3% de Na-pirofosfato a um copo de 250 ml que contenha o sedimento não magnético obtido no passo 3.4.7 e agitar bem com uma estrada de vidro para facilitar a dispersão das partículas.
    7. Continue a girar manualmente a mistura de sedimentos dispersos e despeje lentamente através da malha de 250 μm. O sedimento de partículas <250 μm de tamanho passa através da malha para o copo abaixo e é o alvo para uma maior separação de tamanho. Arquivar o sedimento remanescente na malha (>250 μm) para possível análise futura.
    8. Configure a malha de 150 μm sobre um novo copo seco de 1 L. Pegue a mistura de sedimentos dispersos da etapa 3.5.7, continue a girar na mão e despeje lentamente através da malha de 150 μm. O sedimento de partículas <150 μm de tamanho passa através da malha para o copo abaixo. Arquive o sedimento para possíveis análises futuras. O sedimento remanescente na malha 150 é a fração de tamanho alvo, 150-250 μm, para datação OSL.
    9. Secar os sedimentos em forno de caixa durante a noite a 40 °C.
  6. Isole grãos de quartzo do tamanho de 250-150 μm separadamente (Inset Figura 6B).
    NOTA: Este procedimento inclui duas separações de densidade usando o líquido pesado não tóxico Politungstato de Sódio (SPT-Na6 (H2W12O40) _H2O) nas densidades 2,6 g/cc e 2,7 g/cc. Misture o pó com DIW para constituir este líquido pesado. Para preparar 100 mL do líquido pesado com densidade de 2,6 g/cc, adicione 205,5 g de TSP a 54,5 mL de DIW. Considerando que, para preparar 100 mL do líquido mais pesado com uma densidade de 2,7 g/cc, adicione 217,5 g de SPT a 52,7 mL de DIW. Avalie a densidade do líquido pesado com esferas de densidade pré-calibradas e um hidrômetro.
    CUIDADO: Use apenas DIW para preparar líquidos pesados porque a água da torneira contém íons dissolvidos que reagem e alteram a composição do pó de SPT. Para gerar uma solução homogênea da densidade desejada, adicione o pó de SPT à água e não ao contador.
    1. Rotular dois copos de 100 ml com o número da amostra adicionando "<2,6" a um copo e ">2,6" ao outro béquer. Mantenha um copo de 1 L pronto para recolher o líquido pesado lavado da amostra com DIW.
    2. Misturar cuidadosamente 80-70 ml de 2,6 g/cm 3 de líquido pesado com a fracção seca do sedimento obtida no passo 3.5.8. Despeje a mistura em um cilindro graduado de 100 mL bem rotulado. Cubra a parte superior com um selante de cera para evitar a evaporação. Coloque o cilindro dentro de um exaustor para permanecer intacto e protegido da luz. Aguarde pelo menos 1 h para permitir que a amostra se separe em duas zonas marcadamente diferentes. Os minerais flutuantes mais altos e mais leves são frequentemente enriquecidos em plagioclases ricas em K-feldspato e Na, e os grãos mais pesados mais baixos são ricos em quartzo e outros minerais mais pesados.
      NOTA: Os tempos de separação utilizando o líquido pesado de 2,6 g/cc para partículas mais pequenas, <100 μm, podem demorar >4 h.
    3. Coloque um funil de plástico e coloque um filtro de papel descartável sobre um copo de 250 mL. Filtre a solução com um ajuste apertado.
    4. Decantar o sedimento flutuante do líquido pesado de 2,6 g/cm3 através do filtro lenta e cuidadosamente, com grãos suspensos capturados no filtro. Preserve cuidadosamente a zona inferior dos grãos assentados. Deixe o líquido passar pelo filtro; lave com DIW conforme necessário.
    5. Transferir o sedimento leve lavado para o copo rotulado como "número da amostra <2.6", colocando o filtro de papel no copo e lavando cuidadosamente com DIW. Descarte o filtro depois de lavar todos os grãos.
    6. Lave a amostra cinco vezes com DIW para remover vestígios de líquido pesado.
    7. Secar os sedimentos no forno durante a noite a <40 °C. Armazene esta fração rica em feldspato para análises futuras.
    8. Coloque um novo papel de filtro no funil de plástico e coloque-o firmemente em um copo de vidro de 1 L. Decantar os grãos minerais assentados inferiores no cilindro graduado com solução de 2,6 g/cm3 . Em seguida, lave o cilindro com DIW usando uma garrafa de esguicho.
    9. Transferir o sedimento "pesado" lavado para o copo rotulado com o "número da amostra >2.6". Coloque o filtro de papel no copo e lave cuidadosamente com DIW. Descarte o filtro depois de lavar todos os grãos.
    10. Lave a amostra três vezes na pia com DIW.
    11. Secar os sedimentos no forno durante a noite a <40 °C para posterior separação da densidade utilizando líquido pesado de 2,7 g/cc.
    12. Continue com a separação de quartzo com um líquido pesado de 2,7 g/cc. Combinar o "pesado" seco separado do copo rotulado "número da amostra >2,6" com 70-80 mL de líquido pesado de 2,7 g/cc.
    13. Decantar o sedimento flutuante (rico em quartzo) em um par de filtro de funil sobre um copo de 1 L lenta e cuidadosamente. Lave bem a amostra flutuante no filtro com DIW e recolha a lavagem no copo abaixo.
    14. Transfira o sedimento lavado no filtro para um copo de polipropileno de 250 mL rotulado com o "número da amostra + para HF". Coloque o filtro de papel no copo e lave cuidadosamente com DIW; descarte o filtro depois de lavar todos os grãos.
    15. Coloque um novo filtro de papel no funil de plástico e coloque ambos em um novo copo de vidro de 1 L. Adicionar DIW ao cilindro onde ocorreu a separação de densidade de 2,7 g/cc, decantar e lavar com DIW até que os grãos separados inferiores sejam transferidos completamente para o filtro. Repita as etapas 3.6.10-3.6.12 e arquive essa fração mais pesada.
  7. Grave os grãos de quartzo imergindo em ácido fluorídrico
    NOTA: Este procedimento tem dois objetivos principais: 1) dissolver quaisquer minerais remanescentes que não o quartzo; 2) Gravar os 10-20 μm externos de grãos de quartzo, afetados pela radiação alfa28.
    CUIDADO: O ácido fluorídrico concentrado (HF) é um líquido altamente tóxico e perigoso. Treinamento e cuidados especiais são necessários para o uso da IC devido à alta toxicidade dérmica e pulmonar. O pessoal do laboratório deve estar familiarizado com as Fichas de Dados de Segurança do Material HF. Sempre manuseie HF dentro de um exaustor de laboratório operacional, perto de uma estação de chuveiro de lavagem dos olhos e segurança. Nunca trabalhe apenas com HF. Certifique-se de que o antídoto em gel de gluconato de cálcio a 2,5% não expirado esteja à mão antes de manusear a IC. Os seguintes EPIs devem ser usados antes do manuseio de HF: calças e mangas compridas, sapatos fechados, jaleco de laboratório pesado, avental resistente a ácidos, luvas de nitrilo grosso (10-20 mil), luvas de PVC ou neoprene que cobrem as mãos, pulsos e antebraços, máscara de poeira, óculos, protetor facial acrílico e capas de sapato impermeável de silicone.
    1. Prepare um temporizador para 80 min e corte o selante de papel de cera para cobrir um copo de 250 mL.
    2. Ligue as torneiras de água DIW e regulares na pia e tenha uma garrafa de DIW à mão como precaução de segurança.
    3. Coloque o EPI apropriado para usar ácido HF.
    4. Colocar um copo de polipropileno resistente de 250 ml com a amostra obtida na fase 3.6.14 no interior do exaustor; abaixe a faixa para perto do fechamento para ser seguro e confortável para o trabalho. Adicionar HF ao copo por incrementos de bomba (20 mL) para cada 2 g de quartzo e cobrir o copo com selante de papel de cera.
      NOTA: Para maior segurança, use um dispensador de garrafa HF que forneça volumes definidos de ácido, por exemplo, 20 mL / bomba, para controlar a quantidade e a direção da entrega de ácido. Recipientes de plástico de alta densidade são usados com HF porque este ácido reage com e etches vidro.
    5. Inicie o temporizador de 80 minutos e remova o HF-EPI. Lembre-se de usar o EPI novamente para limpar a amostra 5 minutos antes do término do tempo.
    6. Lave a amostra cinco vezes sob o capô. Encha o copo com DIW para diluir o ácido e decantá-lo em um recipiente satélite usado para resíduos de HF.
    7. Remova a amostra do exaustor e lave-a mais três vezes com DIW na pia, mantendo o DIW e as torneiras de água regulares abertas para diluir ainda mais qualquer HF restante.
    8. Decantar e mover a amostra para um copo de vidro de 250 mL, adicionar ~150 mL de solução de Na-pirofosfato a 0,3% (Na4P 2 O7 ·10H2O) ao sedimento ecolocar o copo em um banho de sonicator por 20 min para desagregar completamente os grãos e partículas.
    9. Lave a amostra mais cinco vezes com DIW em uma pia para remover o Na-pirofosfato. Decantar e rotular o copo "Nome da amostra" para HCl".
  8. Imergir os grãos minerais remanescentes após a digestão da IC (etapa 3.7.9) em HCl concentrado.
    CUIDADO: HCl concentrado (~ 36%) é considerado um fluido tóxico e corrosivo que pode causar queimaduras químicas ao contato e danos oculares se espirrado, e lesões na boca, garganta, esôfago e estômago se ingerido. Os trabalhadores devem estar familiarizados com as Fichas de Dados de Segurança de Material HCl. Sempre manuseie HCl concentrado dentro de um exaustor operacional, perto de uma estação de chuveiro de lavagem dos olhos e segurança. Nunca trabalhe apenas com HCl. Antes de iniciar a digestão do sedimento com HCl, certifique-se de usar o EPI listado na etapa 3.7.
    NOTA: Tal como acontece com o HF concentrado, é mais seguro usar um dispensador de garrafas para controlar a quantidade e a direção da descarga. Use recipientes de vidro ao trabalhar com HCl. Antes de retirar o EPI, lave as luvas com água e sabão e, após retirar o EPI, lave as mãos e os antebraços.
    1. Prepare o selante de cera para cobrir o copo com a amostra imersa no ácido.
    2. Ligue as torneiras de água DIW e regulares na pia e tenha uma garrafa de DIW à mão como precaução de segurança.
    3. Coloque o EPI ácido.
    4. Colocar o copo de vidro de 250 ml com a amostra obtida na fase 3.7.9 no interior do exaustor. Abaixe a faixa para perto do fechamento para ficar seguro e confortável para trabalhar. Adicionar HCl à amostra por incrementos de bomba (20 mL) para cada 5 g de quartzo e, em seguida, cobrir o copo com papel selante de cera.
    5. Remova o EPI ácido.
    6. Deixe a amostra para digestão de HCl por 8 h no exaustor.
    7. Coloque o EPI ácido antes de limpar o HCl.
    8. Lave a amostra cinco vezes sob o capô; sobrenadante decantante no recipiente satélite para coletar resíduos de HCl.
    9. Lave a amostra mais três vezes com DIW na pia, mantendo as torneiras de água DIW e regulares abertas para posterior diluição. Certifique-se de continuar usando os EPIs necessários.
  9. Repeneirar os sedimentos através da menor malha anterior (por exemplo, 150 μm) para remover grãos fraturados e quebrados.
  10. Decantar e rotular o copo "Nome da amostra para OSL" e secar os sedimentos no forno durante, pelo menos, 8 h a <40 °C para avaliar a pureza da separação de quartzo deste produto acabado.
  11. Quantificar a pureza separada do quartzo
    1. Use uma agulha dissecante para colocar 200-400 grãos minerais em uma lâmina de vidro e inspecione sob um microscópio binocular e/ou petroscópico de 10x ou 20x para identificar minerais de grãos. Quantifique a porcentagem de grãos de quartzo por contagem pontual e registre a mineralogia de 100 grãos individuais. Se uma subamostra apresentar >1% de minerais não quartzosos e for um mineral indesejado com alta saída de fótons (por exemplo, K-feldspato) ou permanecer não identificado, sinalize a amostra para espectroscopia Raman.
    2. Use espectroscopia Raman e imagem associada para confirmar a mineralogia de grãos e identificar minerais não reconhecidos sob inspeção microscópica. Use um feixe azul com uma largura de 5 μm e contagens de pontos de 100 grãos para avaliar a pureza percentual do quartzo e identificar os minerais de grãos desconhecidos.
  12. Avaliar os espectros de pureza do quartzo por estimulação infravermelha
    1. Prepare cinco alíquotas ultrapequenas de quartzo separadas para estimulação IR agitando grãos em um disco de alumínio circular (1 cm de diâmetro). Cada alíquota geralmente contém aproximadamente 20-100 grãos de quartzo correspondentes a um diâmetro circular de 1 mm ou menos aderido (com silício) a um disco.
    2. Carregue os discos em um carrossel de amostras para estimulação por LEDs IR (845 nm ± 4 nm) fornecidos por um sistema automatizado de leitura TL/OSL e compare-o com a excitação da luz azul (470 nm ± 20 nm), que é preferencial para o quartzo.
    3. Garantir que a relação entre as emissões de IRSL e luz azul das alíquotas de grãos de quartzo seja de <5%. Se for esse o caso, a amostra está pronta para uma análise mais aprofundada. Caso contrário, a amostra requer limpeza adicional com HF (etapa 3.7).

Representative Results

Os procedimentos laboratoriais descritos estão focados em melhorar a separação de grãos de quartzo puro (tamanho de 700 a 50 μm) necessários para a datação OSL sem redefinição de luz inadvertida no laboratório (Figura 1). Um quartzo puro separado, mineralógica e opticamente, é um pré-requisito para a aplicação dos procedimentos de datação SAR e TT-OSL (Figura 2). Esses procedimentos explicam as etapas necessárias para o entendimento e amostragem efetivos dos núcleos contínuos de sedimentos, evitando zonas de pedogênese e diagênese, recuperando sedimentos não expostos à luz dos núcleos (Figura 3 e Figura 4); isolar grãos de quartzo para protocolos de datação OSL para restringir o tempo de deposição de sedimentos no passado cerca de 500 ka (Figura 5). A mineralogia dos grãos da amostra não preparada e das separações preparadas é avaliada continuamente através do processo de preparo para identificar a mineralogia contaminante e avaliar ativamente o processo de remoção de minerais indesejados (Figura 6 e Figura 7). A pureza mineralógica do quartzo é determinada para grãos subconjuntos (100-400) através de inspeção microscópica binocular (10-20x) e por espectroscopia Raman. O uso dessa tecnologia e o conhecimento pré-requisito são vitais para avaliar e confirmar a pureza necessária (>99%) das separações de quartzo para datação OSL (Figura 8).

O processo de separação do quartzo é iniciado com a remoção da matéria orgânica com H2 O2 e, em seguida, a subsequente purga de Ca/MgCO3 com imersão em HCl. Posteriormente, uma fração de tamanho é designada por peneiramento com malha de nylon descartável (por exemplo, 150 e 250 μm), que é necessária para calcular os valores da taxa de dose (em mGy/y) (inserção da Figura 6A). A pureza do quartzo separado é aumentada por duas separações de densidade a 2,6 e 2,7 g/cc, a densidade delimitadora do quartzo (Figura 6B inserção). A subsequente imersão de grãos dimensionados em HF por 80 min remove minerais não quartzosos. Este tratamento também inclui os 10-20 μm externos de grãos para remover a área afetada pela dose alfa, simplificando os cálculos da taxa de dose (Figura 6). A pureza do quartzo separado nunca é assumida, mas avaliada através de inspeção microscópica binocular e medições baseadas em Raman no final da separação de grãos. As separações de densidade e/ou o tratamento de IC podem ser repetidos para eliminar os grãos contaminantes separados se uma alíquota representativa contiver >1% de grãos não quartzosos, particularmente minerais feldspato (Figura 7). O procedimento de purificação do quartzo foi repetido até quatro vezes com teores de quartzo de <15% para renderizar curvas de brilho com uma relação rápida de >20, característica do quartzo puro (Figura 8).

Figure 1
Figura 1: Processos com datação OSL. (A) Grãos minerais adquirem OSL com exposição à radiação ionizante. (B) O OSL de grãos é redefinido pela luz solar com erosão / transporte. (C) Exposição à ionização com sepultamento; luminescência adquirida. (D) A exposição à luz repõe a OSL com erosão/transporte. (E) Os grãos são re-enterrados, e OSL é adquirida com a exposição à radiação ionizante. (F) Mostra a amostragem sem exposição à luz. O OSL natural medido resultante é seguido por uma dose de teste normalizante (L n / Tn) que é equiparada à curva de dose regenerativa para produzir uma dose equivalente (De). Este número foi modificado de Forman, S. L. et al.7. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: Luminescência Óptica Estimulante - Protocolos de Regeneração de Alíquota Única (OSL-SAR) para grãos de quartzo. (A) Dose equivalente utilizando protocolos SAR; o OSL natural é L n/Tn, e a dose regenerativa é L x/Tx; as alterações de sensibilidade são corrigidas administrando uma dose de teste (por exemplo, 5 Gy). (B) Protocolo SAR generalizado. Este número foi modificado de Forman, S. L. et al.7. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: Diagrama de fluxo descrevendo as etapas necessárias para abrir, descrever e interpretar um núcleo de sedimento recuperado. Esta figura mostra a recuperação do núcleo do sedimento usando o corer de percussão, seguido pela abertura, limpeza, descrição e estudo do núcleo para obter a amostra ideal para datação OSL. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4: Exemplo de um log típico de uma seção sedimentar e estratigráfica do núcleo. Unidades e fácies pedossedimentares são definidas usando sedimentologia, estratigrafia, pedologia, granulometria e porcentagem de carbonato. Os horizontes de solos encontrados na coluna estratigráfica de cima para baixo são: A: Horizonte superficial rico em orgânicos, B: subsolo com estrutura e cor fracas (Bw) e horizonte B enterrado Btb com acúmulo de argila, Btkb com carbonato de cálcio secundário e acúmulo de argila e Bkb com acúmulo de carbonato de cálcio secundário. O tamanho de partícula dominante das unidades sedimentares é mostrado na horizontal inferior com areia média (MS), areia fina (FS), areia muito fina (VFS) e lodo (Si). Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 5
Figura 5: Diagrama de fluxo para as etapas necessárias para coletar uma amostra OSL de um núcleo de sedimento. Esta figura apresenta um diagrama de fluxo com os principais passos seguidos para preparar um quartzo separado para datação OSL. Os protocolos começam com a extração de um sedimento polimineral de áreas protegidas contra a luz do núcleo no laboratório OLS seguro para a luz. Eles continuam com a extração da fração monomineralógica de quartzo, compreendendo a remoção de matéria orgânica com peróxido, carbonatos com HCl e minerais magnéticos usando ímãs manuais. A separação da fração específica de sedimento do tamanho da areia é feita por peneiramento; a separação de minerais menos densos e mais pesados que o quartzo é feita usando líquidos de densidade (ρ = 2,6 g/cc e 2,7 g/cc). As etapas finais da limpeza requerem imersão do sedimento em HF e HCl com força total para isolar o quartzo de qualquer outro mineral na fração. A pureza do separado é avaliada por inspeção binocular, espectroscopia RAMAN e verificação adicional das emissões IRSL (Infravermelho). O objetivo é obter uma amostra com uma pureza ≥99%. Não fazer isso requer que algumas das etapas sejam repetidas. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 6
Figura 6: Fluxograma que descreve todas as etapas necessárias para obter um quartzo intocado separado de uma amostra de sedimento de um núcleo. Esta fração de quartzo limpa será utilizada para análises OSL-SAR para avaliação da idade. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 7
Figura 7: Comparação de duas amostras coletadas em duas áreas diferentes: White Sands (primeira linha) e Mongólia (segunda linha). A coluna A mostra amostras brutas sob o microscópio binocular, conforme coletadas em campo. A coluna B mostra as frações separadas para cada amostra processada, sob o microscópio binocular. A coluna C mostra os resultados da espectroscopia RAMAN correspondentes. A amostra de White Sands contém sulfatos (principalmente gesso), halogenetos e muito pouco quartzo (coluna A). Correspondentemente, a fração separada (63-100 μm) para a amostra processada em uma Coluna B mostra que ela contém principalmente quartzo, ainda com alguns vestígios de gesso, como mostrado pela Espectroscopia RAMAN na Coluna C. A razão entre as respostas OSL IR e azul para esta amostra é de 9%, confirmando que ela precisa de uma segunda separação em densidade a 2,6 g/cc, o que possivelmente removerá o gesso mais leve (2,36 g/cc) do quartzo mais pesado. Em contraste, a amostra mongol (Coluna A) é inicialmente muito rica em feldspatos, predominantemente K-feldspato. Após passar pelos procedimentos de limpeza, apresenta abundante quartzo isolado na separação de 100-150 μm (Colunas B e C), resultando em uma relação IR/Bl satisfatória de 3,7%. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura. 

Figure 8
Figura 8: Comparação da razão rápida para o natural em três amostras que representam diferentes graus de pureza da fração de quartzo. (A) A distribuição ideal da razão rápida em uma amostra eólica intocada do Rio Vermelho, com relação rápida = 72. Figuras contrastantes (Figura 8B,C) têm um componente menos rápido com estimulação LED azul, que é inferior a 20. (B) Uma amostra com separação incompleta de quartzo e plagioclase. Os componentes L2 e L3 são uma % significativa do componente L1 (ver Equação 2). (C) Uma curva de brilho para baixo para quartzo feldspático, com um componente médio dominante (L2). Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussion

A pureza mineralógica de quartzo é fundamental para a datação OSL. No entanto, a pureza espectral de quartzo é igualmente importante e geralmente é reforçada com a concentração cuidadosa de grãos de quartzo. Idealmente, grãos de quartzo sob luz LED azul (470 nm ± 20 nm) de estimulação por 40 s devem emitir ≥ 90% da luminescência dentro dos primeiros ~0-2,5 s de estimulação, denominado componente rápido, com < 10% de emissão de luz entre ~2,5 e ~15 s (componente médio), e um posto final de baixa emissão ~15 s, (componente lento) (Figura 8). Uma emissão de luminescência dominada por um componente rápido é preferida porque é rapidamente redefinida solar (em segundos) e mostra alta sensibilidade à radiação β aplicada em laboratório, aumentando as determinações de dose equivalente. Uma métrica importante para avaliar a dominância de componentes rápidos para datação OSL de quartzo é o cálculo de uma "razão rápida"29,30 com um exemplo mostrado pela Equação 2 e na Figura 8. Uma relação rápida de >20 para a curva descendente de brilho de quartzo é considerada uma emissão de luminescência robusta adequada para a datação OSL29 (ver Figura 8A). As separações que têm contaminação com K-feldspatos e inclusões plagioclásicas ou feldspáticas produzem frequentemente rácios rápidos de <10 (ver Figura 8B,C) e são inadequadas para protocolos de datação por quartzo SAR.

Razão Rápida Equation 2 (Equação 2)

Onde L1: Emissão rápida de componentes para ~0-2,5 s
L2: Emissão de componente médio ~2.5-15 s L3: Emissão de componente lento ~ 15-40 s

Um teste importante sobre a pureza espectral de grãos de quartzo isolados é a resposta das alíquotas à excitação infravermelha de LEDs (845 nm ± 4 nm). A maioria dos grãos de quartzo produz uma emissão de luminescência baixa ou insignificante com estimulação IR em ou dentro de algumas centenas de contagens de emissões de fundo. Uma métrica foi desenvolvida para avaliar as emissões baseadas em IR, chamada de razão de depleção de IR, que é calculada como uma razão SAR (L x / Tx) para grãos de quartzo irradiados (5-10 Gy) estimulados com LEDs IR e, em seguida, LEDs azuis. Especificamente, a razão de luminescência IR dividida pelas emissões azuis deve ser de <5%, o que indica uma fração de quartzo espectralmente pura passível de datação OSL (Figura 8A). No entanto, existem casos em que grãos de quartzo mineralogicamente puros podem produzir emissões de luminescência errantes com estimulação IR. Este sinal IR pode refletir fragmentos líticos aderentes ou inclusões feldspáticas em quartzo. Nesses casos, os grãos de quartzo devem ser datados por protocolos defeldspato 31. Esses protocolos com modificações podem ser usados para separar e confirmar a pureza de outros minerais para datação OSL, como k-feldspato, plagioclase e olivina e piroxena para outras aplicações planetárias.

A capacidade de isolar um quartzo >99% separado e confirmar a pureza no nível do grão é um pré-requisito para a datação precisa da luminescência. A datação de alíquota de grão único e ultrapequeno (10-50 grãos) requer verificação adicional de que as emissões de luminescência de todos os grãos eram de quartzo. Por sua vez, a aplicação de abordagens de transferência térmica que podem produzir idades OSL credíveis até um milhão de anos baseia-se em sinais de quartzo puro de grãos minerais6. Um quartzo monomineralógico separado é fundamental para a aplicação dos protocolos OSL-SAR, que fornece uma sequência de idades para decifrar a história deposicional dos sistemas eólico e fluvial para o Quaternário tardio 1,2,32,33 (Figura1 e Figura 2). A contaminação das alíquotas de quartzo pelos grãos errantes de K-feldspato ou inclusões feldspáticas em quartzo ou fragmento lítico aderente produz um sinal dosimétrico misto e propenso a desbotamento anômalo muitas vezes produz subestimações4. No entanto, uma separação de quartzo puro não garante absolutamente a pureza espectral e as emissões apropriadas para a datação por quartzo. A datação OSL eficaz requer um isolamento cuidadoso e completo dos grãos de quartzo e das métricas associadas ao OSL para verificar um quartzo puro separado mineralógica e espectralmente 2,33,34.

Disclosures

O Baylor University Geoluminescence Dating Research Laboratory, dentro do Departamento de Geociências e o pessoal associado não têm quaisquer conflitos de interesse ou interesse financeiro que possam afetar o design de experimentos ou análises, protocolos, resultados da pesquisa ou atividades educacionais realizadas no laboratório. Este laboratório, incluindo toda a tecnologia e software, é usado exclusivamente para realizar pesquisas, descobertas, educação e orientação.

Acknowledgments

O apoio do Laboratório de Pesquisa de Datação de Geoluminescência foi fornecido pela Baylor University e bolsas da National Science Foundation (GSS-166023), National Geographic (#9990-1) e Atlas Sand. A descoberta e o aprendizado neste laboratório foram aprimorados por nossos muitos colaboradores, alunos e visitantes que trouxeram novas perspectivas, ideias e abordagens.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
10 mL pipette VWR 53044-139
100 mL graduate cylinder VWR 24774-692
100% China bristles brush Subang
2' Macro MC7 PVC Liner Macro-Core 46125
Analytical balance Sartorius 1207 MP2 2107
Bransonic Ultrasonic cleaner VWR 97043-958
Calgonate Hydrofluoric Acid Burn Relief Gel, Calgonate VWR CALGEL25 101320-858
Concentrated (48–51%) hydrofluoric acid (HF) VWR BDH3042
Core MC7 Soil Sampling System Macro-Core 216883
Deionized water (DIW) Baylor University DIW Faucet
Geoprobe Enviroprobe 6620DT
Hydrochloric acid 36.5–38.0% ACS, VWR Chemicals BDH VWR BDH3032-3.8LP
Hydrogen peroxide  (H2O2) 25% VWR Chemicals BDH BDH7814-3
Hydrogen peroxide 12% VWR Chemicals BDH BDH7814-3
Inductively coupled plasma mass spectrometry-ICP-MS ALS Laboratories, Reno, NV ME-MS81d
Laser diffraction particle size analyzer Malvern Mastersizer 3000 Malvern Panalytical Mastersizer 3000
Lead hydrometer with range 2.00–3.00 g/cm3 Thomas Scientific 13K065
LOW PRESSURE SODIUM 35W CLEAR Sodium Vapor Lamp for Thomas Duplex Safelights Interlighht WW-5EGX-9
Magnetic rods and wands Alnico V Magnet Magnetic wands #21R584. Magnetic Stir Bar #21R590
Magnetic Stirrer Stainless Steel Magnetic Mixer with stir bar. Max Stirring Capacity 3000 ml INTLLAB MS-500
Magnetic Stirrer Stainless Steel Magnetic Mixer with stir bar. Max Stirring Capacity 3000 mL INTLLAB MS-500
Magnetic Stirrer Stainless Steel Magnetic Mixer with stir bar. Max Stirring Capacity 3000 mL INTLLAB MS-500
MC5 PVC Liner Macro-Core 600993
MC5 Soil Sampling System (LWCR) Macro-Core 204218
Neodymium magnets MIKEDE 24100000
Nylon mesh Gilson Company, INC 500 μ= NM-B #35  450 μ= NM-1 #40-10 350 μ= NM-B #45 250 μ= NM-B #60 150 μ= NM-2 #100-10 100 μ= NM-C #140  63 μ= NM-C #230 45 μ= NM-3 #325-10  38 μ= NM-D #400
Optifix Dispensers, MilliporeSigma HCl bottle dispenser VWR EM-10108048-1. Serial F93279E
Optifix Dispensers, MilliporeSigma HF bottle dispenser VWR EM-10108048-1. Serial 005499
Plastic beaker VWR 89172
Powdered POLY-GEE Brand Sodium Polytungstate (SPT-Na6 (H2W12O40) _H2O) Geoliquids, INC. SPT001
Premier binocular microscope VWR SMZ-05/Stereo Zoom Microscope/EA
Quartz Griffin Beakers, Chemglass VWR 89028
REDISHIP Protector Premier Hood VWR   89260-056
RISø TL/OSL DA-20 Risø National Laboratory, Denmar TL/OS-DA-2
Rockwell F80 Sonicrafter electric saw Rockwell RK5121K
Spectroscopy analyzer: DXR Raman microscope Thermoscientific DXR Raman microscope IQLAADGABFFAHCMBDI
Squirt bottle VWR 10111
Tetrasodium diphosphate decahydrate 99.0–103.0%, crystals, BAKER ANALYZED ACS, J.T. Baker (Na4P2O7 10H2O) > 95%, VWR JT3850-1
Thomas Duplex Super SafeLight Sodium Photographic Darkroom Light USA Freestyle Model: 42122

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References

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Ciências Ambientais Edição 174 quartzo separação mineral datação quaternária luminescência opticamente estimulada OSL ambientes deposicionais
Isolamento de Grãos de Quartzo para Datação por Luminescência Opticamente Estimulada (OSL) de Sedimentos Quaternários para Pesquisa Paleoambiental
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Marin, L. C., Forman, S. L., Todd, V. T., Mayhack, C., Gonzalez, A., Liang, P. Isolation of Quartz Grains for Optically Stimulated Luminescence (OSL) Dating of Quaternary Sediments for Paleoenvironmental Research. J. Vis. Exp. (174), e62706, doi:10.3791/62706 (2021).

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