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电子自旋共振 (ESR) 测年实验室

时间:2015/5/8 15:08:36 作者: 来源:

电子自旋共振 (Electron Spin Resonance,简称ESR) 测年法是近40年来逐步发展起来的第四纪年代学方法。由于它的测年范围宽、测年物质种类多等优点,特别是对于老于20万年的早中更新世没有火山灰等定年物质的样品,有着特殊的优势,引起了第四纪研究者的关注。在中国地震局的“中国数字地震观测网络工程”项目的支持下,2005年365棋牌.apk.1.1收分_365棋牌加v送卡_365棋牌作弊软件已建立了完整的ESR测年实验室,有德国BRUKER公司生产的ESR测量谱仪、测定样品中铀、钍的Alpha计数仪、测量K含量的火焰光度计、便携式Gamma谱仪以及用于室内光晒退实验的太阳灯等实验仪器和设备 (图1-4) 。在与法国自然博物馆Falguères 博士以及复旦大学陈士明教授的合作下, ESR实验室可以进行从常温到低温的ESR信号测量。

 图1  德国BRUKER公司生产的ESR谱仪

 

图2  Honle   SOL2 UV Technology  太阳灯晒褪装置

 

图3  DAYBREAK 582/583 Alpha Counter计数仪

 

图4  OPTEC2BY2 Integral Nal & 296 Tube Assy Gamma 谱仪


测年原理

电子自旋共振(ESR),又叫电子顺磁共振(Electron Paramagnetie Resonance,简称EPR)。它是一种微波吸收技术,用来检测和研究含有未成对电子的顺磁性物质。 ESR是一种物理现象,它是电子自旋能级在外磁场的作用下发生塞曼分裂,同时在外加微波能量的激发下电子从低能级向高能级跃迁的共振现象。

ESR测年的基本原理就是利用电子自旋共振的方法直接测定样品自形成以来由于辐射损伤所产生的顺磁中心的数目, 即所接受的放射性射线辐照和本身的累积效应。 而这些顺磁中心的多少与时间 (年龄) 、样品及环境中放射性元素含量等相关。实验室中通过以下简单的公式获得ESR年龄: 

年龄 A (a)=古剂量 P (Gy) /  年剂量D (Gy/a) 

在实验室中测定P和D。年剂量D的测量与释光测年中的年剂量测量相同,它是由样品及周围环境中铀、钍和钾,以及宇宙射线、含水量等来决定。 古剂量是指在所测事件发生以来矿物所累积起来的ESR信号。 


ESR测年特点及应用领域

1、测年范围广,从距今几千年到几百万年,覆盖了整个第四纪的地质年代; 

2、测试是一种非破坏性的分析方法,对样品不存在损伤,样品可反复使用;

3、测定对象广泛,可以分成四大类,分别为:

? 淀结和结晶类:洞穴的碳酸盐沉积物、泉华、软体动物贝壳、珊瑚、牙齿、方解石脉。可以测定这类样品结晶和形成以来的年代。

? 受过构造运动作用:含石英的断层泥和滑动面上的物质。可以测定断层最新一次活动的时代。

? 烘烤物质:含石英的火山物质及烘烤层、人工烘焙物体。可以确定最后一次受热事件发生的时代。

? 阳光曝晒物:含石英的风成、水成的沉积物。可以测定沉积物最后一次曝光以来的时间。


采样要求

1、光晒褪沉积物 采样注意事项

1) 在同一剖面不同层位采样时,间距不宜过密,50cm以上为宜

2) 清理剖面,去除表层30cm覆盖土层

3) 对某一层位测年时尽量采集多个平行样,并在其上、下层位分别采样

4) 钢管采集砂样与TL要求相同

5) 块状样品取下后尽快用黑塑料袋包好,并用胶带严密缠裹

6) 如无法进行现场Gamma环境剂量率测定,应采集样品周围30cm内的土样(无需避光),密封后带回实验室分析

2、断层泥采样注意事项

1) 尽量在断层摩擦面1-2mm附近采样

2) 选取断层带的逆断层面或走滑断层面上采样

3) 选取最近一次断层活动位移大于50cm以上的区段采样

4) 采集地表断层泥样品时,需要考虑当地的上升剥蚀速率

5) 采样时必须区分断层泥的形成顺序,采集与最近一次活动有关的样品

6) 为了能够在后续工作中与TL测年数据进行对比,取样时剥去表层并采集新鲜剖面上的样品并避光保存 


主要成果:

近年来,随着对ESR法基本原理认识的深入和实验技术的提高,在测年信号心的热稳定性、晒退回零特性、辐射剂量-信号增长特性、测年可靠性等方面的研究均取得了较大进展,其成果均以学术论文形式发表在国内外相关专业期刊。其中近五年来发表的主要成果如下:

2014年

Liu, C.-R., Yin, G.-M., Deng, C.-L., Han, F., Song, W.-J., 2014. ESR dating of the Majuangou and Banshan Paleolithic sites in the Nihewan Basin, North China. Journal of human evolution.

Liu, C.-R., Yin, G.-M., Zhou, Y.-S., Gao, L., Han, F., Li, J.-P., 2014. ESR studies on quartz extracted from shallow fault gouges related to the ms 8.0 Wenchuan earthquake-China-implications for ESR signal resetting in quaternary faults. Quaternaire 25, 67-74.

2013年

HAN Fei, YIN Gongming, LIU Chunru and Jean-Jacques BAHAIN, 2013. The Potential of Direct Dating Late Cenozoic Fossils by Combined ESR/U-series Method. Acta Geologica Sinica (English Edition), 87(supp.): 859-860. 

Liu CR, Yin GM, Zhang HP, et al. 2013. ESR geochronology of the Minjiang river terrace at Wenchuan, eastern margin of Tibetan Plateau, China. Geochronometria, 40(4): 360-367.

Liu CR, Yin GM, Fang F, et al. 2013. ESR dating of the Donggutuo palaeolithic site in the Nihewan basin, Northern China. Geochronometria, 40(4): 348-354. 

尹功明, 王旭龙, 韩非, 2013. 宁夏沙坡头沙漠扩张的时代: 来自黄河阶地释光年龄证据. 第四纪研究, 33(2): 269-307.

尹功明, 江亚风, 俞刚, 韩非, 刘春茹, 2013. 晚第四纪以来香山-天景山断裂左旋走滑量研究. 地震地质, 35(3): 472-479.

刘春茹, 尹功明, Grün R, 2013.石英ESR测年信号衰退特征研究进展. 地球科学进展, 28(1), 24-30.

韩 非, 尹功明, 刘春茹,2013. Alpha辐射效率对ESR-铀系化石测年结果影响研究.核技术36 (11):110205-1-5

2012年

Fei Han, Jean-Jacques Bahain, éric Bo?da et al., 2012. Preliminary results of combined ESR-U series dating of fossil teeth from Longgupo cave, China, Quaternary Geochronology, 10, 436-442. 

Fei Han, Jean-Jacques Bahain, Gongming Yin, Chunru Liu, 2012. Combined ESR and U-series isochron dating of fossil tooth from Longgupo cave. Advances in ESR application, 29, 31.

刘春茹, 黄静, 李建平, 等. 2012. X射线荧光光谱法测定水系沉积物U、Th、K含量. 核技术, 35(11): 837-840.

韩 非, Jean-Jacques Bahain, 尹功明, 刘春茹, 2012. ESR-铀系联合分析与等时线法结合在考古遗址化石测年中的应用探索. 核技术, 35 (12): 923-928.

韩 非, 尹功明, 刘春茹, 李建平, 2012. 中国早更新世考古遗址电子自旋共振-铀系联合法牙齿化石测年问题研究.第四纪研究, 32 (3): 492-498.

2011年

Yin GM, Bahain JJ, Shen GJ, Tissoux H, Falguères C, Dolo JM, Han F, Shao QF, 2011. ESR/U-series study of teeth recovered from the palaeoanthropological stratum of the Dali Man site (Shanxi Province, China). Quaternary Geochronology 6(11): 98-105.

Chun-Ru Liu and Rainer Grün. 2011. Fluvio-mechanical resetting of the Al and Ti centres in quartz. Radiation Measurement, 46, 1038-1042.

刘春茹, 尹功明, 高璐, 韩非, 张会平, 2011. 第四纪沉积物ESR年代学研究进展. 地震地质, 32(2): 490-498. 

刘春茹, 尹功明, 高璐, 李建平, 林敏, 韩非. 2011. ESR测年研究中水成沉积物对不同人工辐照剂量率响应初探. 核技术, 34(2): 95-98.

韩 非, 尹功明, 刘春茹, 高璐, 2011. ESR-铀系法牙齿化石测年及其在中早更新世考古遗址年代学研究中的应用, 核技术, 34 (9):  651-657. 

韩 非, 尹功明, Jean-Jacques Bahain, Tristan Garcia, 刘春茹, 高 璐, 李建平, 2011. ESR牙齿珐琅质测年中不同拟合函数对古剂量测定的影响. 核技术, 34(2): 116-120.

2010年

Chun-Ru Liu, Gong-Ming Yin, Lu Gao, Jean-Jacques Bahain, Jian-Ping Li, Min Lin, Shi-Ming Chen. 2010. ESR dating of Pleistoncene archaeological localities of the Nihewan Bsain, North China-Preliminary results. Quaternary Geochronology, 5, 385-390.

F. Han, C. Falguères, J.-J. Bahain et al., 2010. Effect of deposit alterations on the dating of herbivorous teeth from Arago cave by the ESR–U-series method, Quaternary Geochronology, 5 (2-3), 376-380.