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  • CN 62-1072/P 
  • ISSN 1000-0240 
  • 创刊于1979年
  • 主管单位:中国科学院
  • 主办单位:中国科学院寒区旱区
  •                  环境与工程研究所
  •                  中国地理学会
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冰川冻土, 2021, 43(3): 756-766 doi: 10.7522/j.issn.1000-0240.2021.0017

冰川沉积释光测年: 采样策略与测试选择

欧先交,, 曾兰华,, 陈仁容, 姚盼

嘉应学院 地理科学与旅游学院,广东 梅州 514015

Luminescence dating of glacial sediments: sampling strategies and measuring choices

OU Xianjiao,, ZENG Lanhua,, CHEN Renrong, YAO Pan

School of Geography and Tourism,Jiaying University,Meizhou 514015,Guangdong,China

通讯作者: 曾兰华,副教授,主要从事自然地理研究. E-mail:cockroachflower@126.com

编委: 周成林

收稿日期: 2021-04-29   修回日期: 2021-05-24   网络出版日期: 2021-07-29

基金资助: 国家自然科学基金项目.  42071088
广东省普通高校人文社会科学省市共建重点研究基地招标课题项目.  19KYKT08
嘉应学院科研项目.  2019KJY06

Received: 2021-04-29   Revised: 2021-05-24   Online: 2021-07-29

作者简介 About authors

欧先交,副教授,主要从事自然地理研究.E-mail:ouxianjiao@163.com , E-mail:ouxianjiao@163.com

摘要

释光测年是可对冰川地貌进行直接定年的一种测年技术,已被广泛应用于冰川沉积测年中,推动了第四纪冰川研究的深入发展。但冰川沉积释光测年还没有达到标准化的程度,实际应用中仍有不少问题需要探究,其中最受关注的是冰川沉积物释光信号晒退不完全的问题,即样品在埋藏前因曝光机会有限导致信号没有归零或仅部分归零。冰川沉积释光信号晒退程度与地貌部位和沉积环境密切相关。冰川沉积释光采样需注意几个方面:(1)详细的地貌学和沉积学调查及对采样点的选择;(2)较适合释光测年的冰水沉积和冰缘风成沉积采集及其与冰川作用期次的联系;(3)冰碛夹层中的冰水砂透镜体的选取;(4)冰碛垄采样时垂直与水平方向上的考量;(5)岩石释光测年的发展使砾石成为当前第四纪冰川释光测年采样的一种选择。室内进行释光等效剂量测试时,也有几个关键的选择:(1)粗颗粒石英光释光测年是末次冰期以来冰川作用的首选方法;(2)如果样品年代老于石英测年上限,或者石英不适合测试,则可考虑钾长石后红外高温释光测年方法;(3)单颗粒、小测片和岩石释光埋藏测年技术可以鉴别样品的晒退情况,是目前最适合冰川沉积释光测年的几种选择;(4)如有条件,尝试用不同矿物、不同粒径、不同方法进行测试对比和交叉检验。要获得第四纪冰川释光测年的最佳年代学结果,地貌学、沉积学和年代学的结合是非常必要的。

关键词: 第四纪冰川 ; 冰川沉积 ; 释光测年 ; 晒退 ; 单颗粒技术 ; 岩石释光测年技术

Abstract

As one of the few dating techniques which able to date glacial landforms directly, luminescence dating has been widely applied on glacial sediments, which in turn promoted great development of Quaternary glaciation. However, so far there is not a standardized protocol for glacial sediment luminescence dating, and thus lots of investigations are required in practical application. The most concerned issue is incomplete bleaching or partial bleaching of luminescence signal, i.e., the signal was not completely zeroed due to insufficient exposure prior to burial. For glacial sediments, the degree of bleaching of luminescence signal is closely related to geomorphological position and sedimentary environment. When sample glacial sediments for luminescence dating, several issues should be paid attention to: 1) Detailed geomorphological and sedimentological surveys, and selection of sampling sites; 2) Melt water deposits and periglacial eolian deposits, which are more suitable for luminescence dating than tills, but their relationship with glaciation has to be considered firstly; 3) Selection of glaciofluvial lens in moraines, which are currently considered as the best choice for determining chronology of Quaternary glaciation; 4) Vertical and horizontal distance consideration when sampling on moraines; 5) thanks to the development of rock luminescence dating, cobble is now one of the options for sampling for dating glacial landforms. There are also several key choices for laboratory luminescence (equivalent dose) measurement: 1) Sand size (coarse grain) quartz OSL dating is currently the preferred method for determining chronology of glaciation since the Last Glacial. 2) If the sample is older than the upper dating limit of quartz, or quartz is not suitable for measurement, K-feldspar elevated temperature post-IR infrared stimulated luminescence (post-IR IRSL) would be a good choice. 3) Single grain, small aliquot and rock luminescence burial dating technique have the potential to identify the bleaching condition, thus are most recommended options for glacial sediments at present. 4) If possible, try to use different minerals, different grain size, different methods for comparison and cross checking. Combination of geomorphology, sedimentology and chronology is strongly suggested to achieve the best luminescence ages of Quaternary glaciation.

Keywords: Quaternary glaciation ; glacial sediment ; luminescence dating ; bleach ; single grain dating ; rock luminescence dating

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本文引用格式

欧先交, 曾兰华, 陈仁容, 姚盼. 冰川沉积释光测年: 采样策略与测试选择[J]. 冰川冻土, 2021, 43(3): 756-766 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2021.0017

OU Xianjiao, ZENG Lanhua, CHEN Renrong, YAO Pan. Luminescence dating of glacial sediments: sampling strategies and measuring choices[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2021, 43(3): 756-766 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2021.0017

0 引言

第四纪冰川研究进入以技术测年为主要特征的时代120多年以来,可对冰川地形直接进行定年的测年技术,如宇宙成因核素(cosmogenic radionuclide, CRN)、释光(optically stimulated luminescence, OSL)、电子自旋共振(electron spin resonance, ESR)等的不断改进和更新及广泛应用,推进了第四纪冰川研究的发展。但由于技术或地质地貌等的复杂原因,不同测年技术应用于冰川地貌测年仍存在诸多亟待解决或探索的问题,其中一些业已成为限制第四纪冰川研究深入发展的卡脖子问题。

作为第四纪冰川最主要测年手段之一的释光测年面临的挑战也不少。如:样品释光信号的不完全晒退、石英释光信号特征差、灵敏性低、难以找到均质的采样剖面、含水量估算困难等等2-9。由于这些问题的存在,冰川沉积释光测年流程还没有达到标准化,更未达到商业化规模测试的程度。不管是野外还是室内的工作仍需具体情况具体分析。野外采样时要谨慎选择采样点和采样部位;室内测试也要根据不同的样品选择不同的测定技术与流程。

针对冰川沉积释光信号不完全晒退问题,近20多年来国内外众多的学者开展了不少卓有成效的探索3-17。本文在近年来的冰川沉积释光测年进展,包括我们在青藏高原及周边工作的基础上,总结冰川沉积释光信号晒退规律、释光测年采样和测试的选择策略及注意事项,供第四纪冰川及相关研究同行参考。

1 释光测年基本原理

自然界有很多天然的计时器,基于不同计时器发展了不同的测年技术。释光测年技术(Luminescence dating)是基于矿物颗粒累积辐射能随时间增长的原理发展起来的。沉积物中的矿物颗粒(如石英、长石等)被掩埋(即埋藏/沉积)之后,不断接受来自周围环境,包括沉积物中的U、Th和K等放射性物质的衰变所产生的α、β和γ射线,以及宇宙射线等的辐射(图1),这会导致矿物晶体里的电子发生电离,形成自由电子,然后被晶格陷阱俘获形成俘获电子。辐射能以这种形式被储存下来,在没有达到饱和前随时间增加而增长。经过加热或者光照,俘获电子逃离晶格陷阱与空穴陷阱结合,累积的辐射能以光的形式被激发出来(图1);当矿物重新被埋藏之后,辐射能又会重新累积。在实验室中,对矿物进行加热或光照射激发累积的辐射能,测量所释放的光子数量,即释光信号强度(与辐射能成正比),从而可以计算累积的辐射剂量。累积的辐射剂量除以年剂量率可得到埋藏年代。年剂量率可以通过测试α、β和γ辐射强度(或者通过测试U、Th和K的含量间接计算),加上宇宙射线的贡献,再综合考虑含水量等因素计算得出。关于释光技术的详细介绍,可参考相关综述论文18-19及其中的参考文献。

图1

图1   释光测年原理示意图(改自文献[20])

Fig.1   Schematic principle of luminescence dating (redrafted from Reference [20])


2 冰川沉积释光测年的挑战

2.1 冰川沉积的曝光概率与晒退问题

释光测年中有一个重要的假设:矿物颗粒在沉积之前的最后一次曝光时,所有的辐射能/释光信号已被完全晒退或者清空,即计时器归零。但实际上,很多沉积物很难满足这种假设,冰川沉积就是其中一种。由于潜在的释光信号晒退不完全问题,冰川沉积被列为释光测年领域最具挑战的沉积类型之一221

释光信号能否完全归零,取决于颗粒在搬运、沉积过程中是否充分曝光。冰川在重力及自身压力作用下运动,在此过程中对地表不断产生侵蚀。冰蚀作用产生的岩屑物质、冰川谷两侧山坡上因融冻风化、雪崩等作用造成的坠落堆积物、来自大气的降尘等,都在冰川的搬运下最终沉积形成各种冰川沉积地形。根据搬运过程中岩屑物质在冰川部位的不同,可以将其分为冰面、冰内和冰下岩屑。在搬运过程中,冰面岩屑理论上能充分曝光,释光信号有可能被晒退/归零;冰内和冰下岩屑没有机会见光,因此释光信号没办法被晒退71722。不过,冰内、冰下和并冰面等位置并不是一成不变的,搬运过程中碎屑的位置有可能相互转换,沿冰内剪切面上升至冰面的冰下和冰内岩屑也有曝光的机会。

冰川消融时,将其携带的所有碎屑倾泻下来,在冰川两侧、末端或者外围堆积形成侧碛垄、终碛垄、中碛垄、蛇形丘、冰砾阜、冰碛丘陵、冰水扇、冰水阶地等各种冰川地貌。在冰川消融过程中,冰面融出碛见光的机会很大,其余部分曝光的机会较小,因此,大家对冰碛物的晒退情况普遍不看好371217。冰川接触沉积如蛇形丘、冰砾阜等也有报道称晒退情况不佳23。冰川中的细粒碎屑物质在融出后被融水搬运一段距离,在冰川外围宽阔的河道或冰湖中堆积,统称冰水沉积。一些细粒物质被风吹起并沉积为冰缘砂、黄土或黄土状沉积物。这些搬运距离较远的冰水和冰缘风成沉积的曝光几率大大增加37。已有研究表明,越是远端的冰水沉积,曝光几率越大37141624-28。周尚哲等29通过冰川沉积学的定性分析和野外观察,将不同类型冰川沉积的曝光几率分成了几个等级,总体上,冰水沉积的曝光几率最高,冰川接触沉积次之,冰川直接堆积的冰碛物最差。

实际上,冰川沉积过程和曝光情况非常复杂,这种复杂性增加了释光测年的不确定性。例如:冰川扩张会裹挟改造之前堆积于其外围的各种类型的沉积物,造成二次甚至多次搬运和堆积,这个过程中这些沉积物几乎没有机会见光,即便是这些沉积物曝光完全,测定的年龄有可能是前一次沉积事件。

大家认为冰水沉积信号晒退较好也是相对的。冰川融水往往比较浑浊,尤其是山地冰川融水处于高能环境,有流速快、高输沙量、混浊等特点,光线在融水中衰减很快2530。此外,能量较高的短波被反射和吸收最快,在水中随深度增加光线的波峰逐渐向长波偏离31,能量渐低。因此,融水携带的碎屑的释光信号可能不完全晒退或者晒退不均匀7162330

青藏高原地区的自然环境对于第四纪冰川释光测年来说利弊共存。有利条件是:冰川消融主要发生在光照较强的夏季和白天,这对沉积物信号晒退是有利的;高原地区海拔高,紫外线强,阳光辐射能量高,故晒退效率高;冰面岩屑占比较大;古冰川的规模比现代大大扩张,冰川沉积的搬运距离较远,晒退几率增大。不利条件是:融水高能、浑浊,不利于光线对融水中颗粒的晒退;高原地区地质地貌较为复杂,坡积、崩塌、泥石流等多发,冰川谷地的沉积来源复杂。野外采样时有必要考虑这些因素的潜在影响。

2.2 冰川沉积释光测年的其他挑战

冰川沉积释光测年中除了信号晒退问题外,还有其他一些不能忽视的问题,如地质时期含水量的波动、年剂量率的变化、石英的释光特征差及其灵敏性低等2-9。冰川沉积物地质历史时期含水量处于不断变化之中,这是没有办法准确估计的。而含水量的变化会影响颗粒吸收辐射的效率进而影响剂量率和年代,1%的含水量波动可以导致年代计算结果发生约1%的偏差3。因此,含水量的估算也成为冰川沉积释光测年误差的重要来源之一。冰川沉积通常不如风成沉积均匀,冰川直接沉积的冰碛更是如此。在测试剂量率时,很难提取具有代表性的样品,由此也会对剂量率的准确估算造成困难。冰水沉积和冰缘风成沉积较为均匀,相对更适合释光测年。与风成沉积相比,冰川沉积搬运距离较短,经历的曝光-埋藏的循环较少,这将导致石英颗粒释光特征较差以及信号灵敏性较低等问题,这些又会增加等效剂量测试的不确定性,从而导致年代的不确定性增大。

3 冰川沉积释光测年采样策略

3.1 年轻冰川沉积测年及其启示

对现代同类样品或者年轻样品的测试是检验冰川沉积在埋藏之前其释光信号能否被晒退归零的非常有效的方法。研究表明,年轻冰川沉积释光信号在沉积前存在被完全晒退的可能,但也有不少样品存在不同程度的释光残余信号5911142426-28,并且,不同研究地点或者同一地点不同样品,年代高估程度差异很大。

笔者在天山乌鲁木齐河源大西沟和罗卜道沟5,以及川西雀儿山硬普沟9也做了年轻冰川沉积测年尝试。结果显示,有些年轻冰川沉积物的年代被高估,但程度随地貌部位和沉积环境不同而不同(图2)。总体上,采自冰水沉积和侧碛垄的样品年代高估较低,但采自终碛垄、冰碛丘陵、地表冰碛(ground moraine)、现代冰下岩屑样品等高估较严重。乌鲁木齐河源现代冰水样品年代高估2 ka左右,小冰期侧碛垄上冰水透镜体年代高估约1.3 ka。几个侧碛垄上的冰碛物样品的年代高估在0~3.7 ka之间。现代底碛中的冰水透镜体样品年代高达20.6 ka,表明底碛中的冰水沉积曝光很不理想。这也提示我们冰水沉积的释光信号晒退情况需要具体情况具体分析,冰下和冰内环境的冰水沉积见光机会也可能不多,而气下环境冰水沉积有长时间曝光从而晒退的机会。硬普沟年轻冰川沉积测试结果表明,现代冰川前方约40 m和约700 m的现代和新冰期冰水沉积样品以及小冰期侧碛垄脊上的样品晒退相对较好,年代高估在几百年以内。相反,乌鲁木齐河源冰下岩屑、终碛垄、底碛(包括其间的冰水透镜体)和冰碛丘陵的样品年代高估较严重,在3.7~29.6 ka之间。冰碛丘陵中的次生黄土样品的年代高估也比预想的高(7.7 ka和10.4 ka)。硬普沟现代地表冰碛垄和新冰期低矮终碛垄样品的年代高估也高达约15~17 ka。冰内和冰下的剪切和研磨作用有可能导致释光信号被归零32-33,其机制如同乌鲁木齐河源地区的石英ESR信号也可以被冰下压碎和研磨作用归零类似34。不过,我们在天山乌鲁木齐河源1号冰川西支末端下方采集的现代冰下岩屑(底碛)样品显示出极高的年代高估(29.6 ka),说明冰川的剪切、研磨和压碎等作用可能对释光信号的归零影响很小。由于仅有一个样品,这个结论仍有待更多的研究检验。

图2

图2   不同地貌部位、沉积类型样品的年代高估(根据参考文献[5]和[9]改绘)

Fig.2   Age overestimation of samples from different geomorphological positions and depositional settings (modified from References [5] and [9])


天山乌鲁木齐河源区5与川西雀儿山9实证研究与其他学者的已有研究316共同表明,冰川沉积的释光信号晒退程度与地貌部位和沉积环境相关。一般而言,冰水沉积和风成沉积比冰碛物见光机会大,晒退较好,但也要具体情况具体分析。冰碛物中,侧碛垄,尤其是其上部的样品信号晒退的可能性相对较大,可能是其组成以冰面岩屑为主的缘故。对于终碛垄、地表冰碛和冰碛丘陵而言,碎屑的来源较为复杂,可能混合了冰下、冰内、冰面碎屑甚至非冰川沉积,其中很多碎屑没有机会见光。有些地表冰碛和冰碛丘陵可能在冰川退缩过程中形成,经历了很长一段时间的死冰环境。冰川消融后,碎屑原地沉积,冰内和冰下碎屑的见光机会很少。终碛垄中的碎屑在融出时可能有机会见光,但也有混入冰川谷地中先前堆积的其他沉积物的风险。因为冰川前进过程中,会将谷底中的先成沉积物重新搬运或者推挤形成终碛垄。

3.2 古冰川沉积物测年及其启示

除了对年轻冰川沉积进行直接测年检验,释光测年在古冰川沉积上应用时,也可以通过一些途径检验其适用性,例如与地貌地层关系或者其他测年技术对比等。如Owen等6在珠穆朗玛峰北坡绒布河谷的工作是采用释光和CRN技术对冰川沉积进行综合定年的一个代表。他们在研究地点采集了13个样品(冰碛物、冰碛相关的冰水沉积)进行光释光测年,结果和CRN的年龄在误差范围内非常接近。他们还尝试用了其中一个样品进行单颗粒测试,没有检测出不完全晒退。这些情况表明样品的信号归零较好,释光年代是可信的。

近年来我们在第四纪冰川沉积的释光测年适应性上也作了一些探讨10-1135-37。在天山乌鲁木齐河源大西沟,所获得的末次冰期冰碛的释光年代与地貌地层关系和已有的其他年代具有可比性37。下望峰冰碛的年代老于上望峰冰碛的年代;冰碛物的年代老于上覆黄土的年代;冰碛物的释光年代与CRN年代相近;冰碛上覆黄土的释光年代与黄土的14C年代在误差范围内相一致。在川西雀儿山的硬普沟35-36,末次冰期晚期的几道冰碛垄的释光年代与地貌地层关系相吻合;同一道垄上的释光年代非常接近。这些说明了释光技术测定这些地点冰川沉积的可行性。

值得注意的是,不管是天山的乌鲁木齐河源还是川西的硬普沟,末次冰期的样品很少发现年代被高估的现象36-37,但河源区不少年轻冰川沉积(新冰期、小冰期、现代的)样品年代出现严重高估59,有的甚至比末次冰期样品更老(图3)。这显然是与地貌地层关系相悖的。有可能的解释是:末次冰期冰川规模大大扩张(冰川较长),碎屑在冰川中搬运的距离较长,冰上、冰内和冰面不同部位有较多转换的机会,到达冰面则曝光的机会较大。而新冰期、小冰期和现代冰川规模小得多,碎屑从进入冰川到最后堆积,被搬运的距离很短,冰上、冰内碎屑到达冰面的机会少。因此年轻样品中出现年代高估的较多。可见,搬运距离越长,释光信号晒退程度越好的规律,不仅适用于冰水沉积37141624-28,也同样适用于冰碛物。

图3

图3   乌鲁木齐河源大西沟新老冰川沉积释光年代对比示意图(据文献[5]和[37]改绘)

Fig.3   Comparison of OSL ages of young and old glacial sediments from Daxi Valley, the source area of Urumqi River (modified from References [5] and [37])


最近,我们在藏东南的工作表明,部分末次冰期的冰碛垄的释光年代和地貌关系也不完全一致,出现不少年代倒置现象11。这个结果提醒我们,冰川沉积释光测年中的很多问题我们可能还不了解,还需要更多探索。

3.3 采样策略

鉴于冰川沉积释光测年的各种问题与挑战,样品采集是否合适非常关键。需确保在对研究区的地貌和沉积环境都了解清楚的基础上选择释光年代采样点,还要考虑以下几个问题:

(1)样品年代指示的沉积事件。释光测年测的是最后一次曝光至今的时间,即沉积事件的年代。采样前应对样品的年代指示意义有一定的认识,而不是完全寄希望于年代结果做推断。

(2)样品的曝光几率。这要求对沉积环境有清晰的判断。样品在埋藏前有机会充分曝光吗?冰水沉积和冰川风成沉积的晒退情况总体上比冰碛物要好,剖面也相对均匀,但首先要调查清楚它们与冰期的对应关系29。如果能找到冰碛垄中所夹的冰水砂透镜体,这将是最佳的释光测年样品,也是目前最被认可的选择。因为它与冰碛垄同时形成,可以指示冰期或者冰川波动事件。而且,冰水的信号晒退情况比冰碛物更好,其年代更能反映冰期时间。样品采集避免终碛垄、地表冰碛和冰碛丘陵,如果需要在冰碛垄上采样,建议选择侧碛垄。采样时尽量考虑搬运距离对信号晒退的影响,如同一道侧碛垄,下游位置更有可能采集到晒退较好的样品。垂直方向上则尽量靠近垄脊采样,一是可以避免坡积物,二是垄脊沉积物更有可能来自冰面岩屑,曝光几率大。

(3)样品释光年代的可靠性检验。主要有几种途径可进行对比或者检验:在同一个地貌体或者同一个剖面上采集若干个样品;在同一个地貌体的不同沉积相上采样;同时采集不同测年技术(释光、CRN、14C)的样品,或者不同释光方法(石英单颗粒、长石单颗粒、岩石释光测年等)进行测试;在新老关系清晰的冰川沉积序列的不同冰碛垄中依次采样。

(4)剖面/厚度选择。γ射线在沉积物中的作用距离约30 cm。要采集有代表性的剂量率的样品,最佳的采样剖面是以采样点为中心、30 cm为半径的球形空间都是均质沉积物,也即要求均质沉积物的厚度不小于60 cm。

(5)样品量。是否有足够的样品量?冰川沉积,尤其是冰碛物,所含释光测年所需的细砂、极细砂或粉砂粒级较少。要确保实验室中能提取出1~2 g测试所需粒级的纯净的石英或长石,野外采集的原始样品尽量在500~1 500 g以上。如果用砾石测年,则尽量采集15个以上拳头大小的砾石。

(6)其他。做详细的采样记录,包括采样时间、天气、地貌部位、采样深度、层位、沉积相、沉积构造和沉积结构、经纬度、海拔等。确保样品包裹严实,在运输过程中不会透光。含水量样品要确保密封,保证水分不流失。

4 冰川沉积释光测年技术新进展与测试选择

4.1 单颗粒技术

传统释光测年每个测片上粘有几十个至数百万个矿物颗粒,这就导致所有颗粒的剂量被均一化,难以评估样品的晒退情况,容易出现年代高估。为解决冰川沉积潜在的晒退不完全/不均匀问题,Duller2曾建议尽量减少测片上的颗粒,即用小测片乃至用一个颗粒(单颗粒)来测试等效剂量,然后用年代计算模型提取晒退良好的测片或颗粒用于等效剂量计算。我们曾将这种石英单颗粒技术应用于藏东南白玉沟冰碛垄测年15。该技术可以分辨晒退好或者差的样品,并且对于晒退差的样品可以提取出晒退好的颗粒用于年代确定(图4)。

图4

图4   藏东南白玉沟冰川沉积样品石英单颗粒等效剂量分布图(晒退不良(a)和晒退较好(b)的样品分别用最小年代模型和中值年代模型计算等效剂量15

Fig.4   Equivalent dose (De) distribution of quartz single grain dating of glacial samples from Baiyu Valley, SE Tibet (Des of poor bleached (a) and well bleached (b) samples were determined by minimum age model and central age model respectively15


由于冰川沉积中的石英颗粒灵敏度普遍较低,De测试结果离散度大,易导致较大的年代误差。并且,对于石英而言,95%以上的释光信号来自不到5%的颗粒的贡献,冰川沉积可能更少颗粒贡献信号1238。因此,提取信号足够高而又完全晒退的颗粒需要耗费大量机时。钾长石的红外释光信号(infra-red stimulated luminescence, IRSL)灵敏度要高得多,而且40%以上的钾长石会贡献释光信号38。近年来随着钾长石高温后红外释光(post-IR IRSL)测年技术的普及,已有人开始考虑用冰川沉积的钾长石进行单颗粒测试39。最近,Smedley等40对不完全晒退的末次冰期冰川沉积进行了石英和钾长石单颗粒测试的对比研究,她们认为研究区钾长石post-IR IRSL225信号的异常衰减可以忽略,且晒退程度和石英释光信号相当,所获得的年代也与石英释光年代相近,显示了钾长石单颗粒技术在解决冰川沉积测年上的潜力。

4.2 岩石释光埋藏年代测定技术

最近几年新发展的岩石释光测年技术41可用于测定砾石的埋藏年代,也是极有希望成为提高冰川沉积释光年代精度的新方法。与传统释光方法相比,该技术具有可甄别完全晒退的样品、避免复杂的年代计算模型、避免含水量估算导致巨大年代误差等几大优势,从而可大大减小测年误差及不确定性。该技术还拓展了释光测年的样品范围,为没有砂透镜体剖面出露的冰碛垄提供了测年可能。近年来该技术已被成功应用于冰川地貌42-43。我们也尝试将该技术应用于英国冰水沉积中的砾石测年44,发现没有晒退的砾石,其表面的释光信号就接近饱和,而完全晒退的砾石的表层2~7 mm可以获得一致的年代(图5)。同一剖面2个不同砾石[图5(b)和5(c)]也可以获得相近的年代结果,指示了砾石最后一次曝光的时间。

图5

图5   英国爱尔兰海东支古冰川沉积3个冰水砾石的释光年代-深度曲线44;每一个数据点代表不同深度岩石切片的年代,蓝色和红色分别为IRSL50和post-IR IRSL225年代;同一个砾石在表层2~7 mm深度范围内(2~7个岩片)IRSL50年代非常接近,形成所谓的“年代坪区”;反映砾石在埋藏前曝光充分,上部2~7 mm内IRSL50释光信号完全晒退;图中的实线指示这部分岩片的平均年龄

Fig.5   Luminescence age-depth profiles for three glaciofluvial cobbles from eastern sector of Irish Sea Ice Stream sediment44; Data points indicate luminescence ages of rock slices at different depth; Blue and red dots are IRSL50 and post-IR IRSL225 ages respectively; IRSL50 ages are consistent within the surface 2~7 mm (2~7 rock slices), which form age plateaus; This indicates that these cobbles had been exposed sufficiently and IRSL50 signal of the surface 2~7 mm had been completely bleached prior to burial; The solid lines show the average ages of rock slices at the plateau part


4.3 测试选择

(1) 石英还是钾长石?

很多研究已经证明,钾长石红外释光信号比石英光释光信号的晒退速度慢得多2245-46图6)。对喜马拉雅山Hunza河谷的冰川沉积中的石英和钾长石对比研究表明,钾长石的晒退较差,石英释光年代8更接近对应的宇生核素暴露年代47。我们在硬普沟也用多矿物IRSL(主要是长石的贡献)与石英OSL年代进行了对比,结果显示IRSL年代比OSL年代高估约0.3~6 ka9。此外,长石还有异常衰减的问题48,叠加在不完全晒退之上,可能使问题变得更复杂。目前,对于末次冰期以来的冰川沉积测年,石英仍然是较好的选择。不过,相对石英,长石具有饱和剂量高(可以测得更老,图7)、灵敏度高、释光信号特征较好等优点。在研究区石英特征较差、信号极低的情况下,可以尝试长石。另外,如果冰川地貌的年代老于石英的饱和上限(比如末次冰期之前),长石是更好的选择。

图6

图6   石英OSL和长石IRSL信号随模拟太阳灯曝光时间的变化45[图中quartz OSL为石英OSL信号;IR50为长石红外信号;pIRIR290为长石后红外信号;IR50(ph=250 ℃)为常规的预热250 ℃后的红外信号。晒退速度quartz OSL > IR50 (ph=250 ℃) > IR50 > pIRIR290]

Fig.6   Quartz OSL and feldspar IRSL signal against exposure time in a Hönle SOL2 solar simulator45 [Quartz OSL stands for quartz OSL signal; IR50 stands for feldspar IRSL50 signal; pIRIR290 stands for post-IR IRSL signal; IR50 (ph=250 ℃) stands for conventional IRSL50 signal with 250 ℃ preheat. Bleach rate: quartz OSL > IR50 (ph=250 ℃) > IR50 > pIRIR290]


图7

图7   石英和长石的生长曲线及其反映的饱和剂量对比49 [IRSL为多矿物细颗粒红外释光信号(实心三角),主要来自长石的贡献;OSL为63~90 μm石英颗粒释光信号(实心圆);小图显示的是同一个图,但是用的是对数坐标]

Fig.7   Comparison between growth curves and saturate doses of quartz and feldspar49 [IRSL stands for growth curve for IRSL signal of polymineral fine-grains (filled triangles), which dominated by signal from feldspar; OSL stands for growth curve for OSL signal of 63~90 μm quartz (filled circles); The inset shows the same data on a logarithmic scale]


(2) 大测片、中测片、小测片,还是单颗粒?

如前所述,冰川沉积释光测年最突出的潜在问题是曝光不完全,因此,只要单个颗粒的释光信号量足够,测试条件允许,可优先选择单颗粒测试。如果没有单颗粒设备,用小测片也是可以接受的。比如样品面积在1 mm2左右的小测片,上面包含约20个粗颗粒(200 μm)石英[图8(c)]2,如果按照5%的比例38,只有约1个颗粒贡献主要的释光信号,理论上相当于单颗粒测试。长石颗粒的信号一般足够应付单颗粒,参与贡献释光信号的颗粒也多得多38。如果用普通测片,则需将每个测片上的颗粒数量降至2~3个,才可达到单颗粒的效果。不过,这种测试的效率较低,需耗费大量机时。真正的单颗粒测试,一个测片上100个小孔[图8(d)],分别放置1个颗粒,用激光激发,一次可以测试100个颗粒,效率大大提升。对于大测片和中测片,一个测片上放置的颗粒数量过多[图8(a)和8(b)],所有颗粒的信号被均一化,不能检测样品的晒退好坏,对于冰川沉积容易导致年代高估。

图8

图8   Riso释光仪所用的测片照片,从左至右分别是大测片(a)、中测片(b)、小测片(c)和单颗粒测片(d),测片的直径为9.8 mm

Fig.8   Photos showing aliquots used in Riso TL/OSL Reader. From left to right: large aliquot (a), medium aliquot (b), small aliquot (c) and single grain aliquot (d), diameter of all the aliquots is 9.8 mm


(3) 砾石、粗颗粒(细砂、极细砂)还是细颗粒(粉砂)?

前文已提及,对于冰川沉积来说,石英单颗粒或小测片测试是目前比较理想的选择。如果要做单颗粒或者小测片,以区分不同晒退程度的颗粒,只能选择粗颗粒(细砂、极细砂)。细颗粒(粉砂)很难将很少量的颗粒甚至单个颗粒分开测试。理论上,细颗粒代表相对低能的水环境,浑浊度较低,透光性较好,晒退的可能性更大350。且细颗粒比粗颗粒搬运的距离可能更长,见光的机会更多3。但实际测试发现不少地方的粗颗粒和细颗粒差别不大甚至好于细颗粒751。Hu等13在巴松措的测年结果显示细颗粒晒退更好,可能原因是冰川中部分细颗粒来自大气降尘,在进入冰川前经历了充分曝光。他们建议对不同粒级的颗粒做测年对比,以检测样品的信号晒退程度。此外,得益于岩石释光测年技术的发展,砾石现在也可以用于释光测年。且砾石的晒退情况通过释光-深度曲线很容易确定,在甄别晒退程度不同的样品上比上述常规颗粒测试更具优势。此外,有些冰碛垄上很难找到砂质剖面采集传统释光样品,此时砾石可能是更好的选择。

5 结论与展望

冰川沉积释光测年面临的挑战仍然不少,最受关注的是其潜在的曝光不完全问题,还有不少问题也是亟待解决或需要引起足够重视的。野外采样时,冰碛垄中的冰水砂透镜体是目前认为的最佳的采集对象。冰水沉积和风成沉积相对冰碛物更适合释光测年,前提是要理清它们与冰碛地形之间的关系。侧碛垄上的冰碛物晒退情况相对其他冰碛垄更好,采样尽量接近垄脊和冰碛垄的下游段。另外,冰碛垄中的砾石也可采样用于测试。野外采样时,同一个沉积序列、同一个地貌体或者同一个剖面,可以采集多个释光样品或者不同释光方法的样品,这对于沉积过程复杂的冰川沉积的释光年代可靠性检验具有重要意义。

室内测试中,石英单颗粒技术是目前相对较成熟的技术,应是冰川沉积物释光测年的首选,退而求其次是石英小测片测试技术。如果研究区石英不适合释光测年或超出其测定上限,则可以尝试钾长石测试。钾长石后红外释光测年技术和岩石释光测年技术目前仍在发展阶段,应用于冰川沉积的潜力很大。多种释光方法结合更能准确反映样品的晒退情况,提高测年结果的可靠性。若条件许可,还可采用多种测年技术(CRN、14C等)进行交叉验证与综合定年。

地貌学和沉积学是释光样品采集与室内年代测定工作的基础。冰川地貌和冰川沉积非常复杂,且差异很大,相邻的谷地都有可能差别明显。本文讨论的主要是山地冰川沉积,所涉及的不同地貌和沉积类型的划分还很笼统,有待细化。未来除了寄希望于释光技术的进一步发展,对地貌环境和沉积亚相进行更加详细的区分和辨识,也将有助于选取晒退更佳、最有可能代表冰期事件的样品。

谨以此文,纪念李吉均院士!

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