Люминесцентное датирование

Принцип действия метода иллюстрируется на рис.7.16. Материалы, содержащие радиоактивные изотопы, либо залегающие вблизи носителей таких изотопов, подвергаются слабому радиационному воздействию (α-распад ²³⁸U и ²³²Th, β- и γ-излучение при распаде ⁴⁰K). Под воздействием ионизирующей радиации появляются свободные электроны, которые накапливаются в "электронных ловушках" – дефектах кристаллической решетки силикатных минералов (кварца, полевого шпата). При нагревании или освещении дневным светом происходит обнуление радиационного счетчика (resetting, или засвечивание – bleaching): электронные ловушки опорожняются до некоторого остаточного уровня, и с этого уровня после прекращения воздействия тепла или света (например, при погребении осадка) начинается новое накопление сигнала. Люминесцентный сигнал (ЛС), накопленный к моменту отбора образца, называется естественным ЛС. Он пропорционален времени T, прошедшему с момента погребения или нагревания датируемого объекта.

Стратегия и методика опробования. Опробование должно происходить из гомогенного слоя не ближе 15-20 см от контакта с другими слоями, особенно содержащими крупные обломки породы. Это важно, поскольку радиационные свойства соседних слоев могут в разы отличаться от опробованного и влиять на палеодозу в районе контакта. Если образец нужен именно вблизи контакта, необходимо с помощью полевого гамма-спектрометра измерить радиационный фон в месте отбора образца. Затем в лаборатории сравнят его с интенсивностью излучения самого образца и внесут необходимую поправку в измеренную палеодозу.

Главный принцип отбора образцов – не допустить их освещения дневным светом. Образцы отбираются в металлические трубки диаметром 4-6 см и длиной 15-30 см. Ориентация образца (в отличие, например, от палеомагнитных исследований) значения не имеет. Трубка забивается в свежезачищенную стенку разреза. После извлечения из разреза концы трубки плотно закрываются, и она оборачивается черно пленкой для предотвращения засвечивания и сохранения естественной влажности. Засвеченный материал на обоих концах трубки используется для определения DR, неэкспонированный материал из середины образца – для определения ED. Если предполагается молодой возраст образцов (столетия), то для увеличения точности датирования рекомендуется отобрать образец современного материала аналогичного генезиса (например, если датируется молодой аллювий, это может быть подповерхностный песок из современной прирусловой отмели). По нему будет определяться уровень обнуления (bleaching) для введения соответствующих поправок. С увеличением возраста образца относительное значение этой поправки падает и ею можно пренебречь.

Лабораторная обработка включает нагревание образца (>500°) или экспонирование его свету. Кристаллическая решетка минералов начинает вибрировать, захваченные электроны высвобождаются из ловушек и вызывают световую эмиссию – люминесценцию. Интенсивность люминесценции измеряется путем преобразования излучаемых фотонов в электрические сигналы. Естественный ЛС сравнивается с "искусственным" сигналом, который получают из других примерно равных частей того же образца – аликвот (aliquot), предварительно обнуленных и затем искусственно облученных известным количеством радиации. Этот метод называется методом регенерации (regeneration method; его альтернатива – метод "добавочной дозы", additive-dose method). В результате определяют "эквивалентную дозу" радиации (equivalent dose – ED) – количество радиации, которое должен был получить образец, чтобы в нем накопилась данная величина естественного ЛС. Применяется и другое название – палеодоза радиации (palaeodoze), но оно считается менее корректным, т.к. измеряется не сама эта доза, а ее эквивалент.

Второй параметр, необходимый для вычисления T, это скорость накопления радиационной дозы (DR – doze rate, или ARD – annual radiation doze). При известной величине накопленной дозы и скорости ее накопления, время, в течение которого она накапливалась, вычисляет по простой формуле: T = ED/DR. Скорость накопления дозы вычисляют теоретически на основе измерений концентрации ²³⁸U, ²³²Th и ⁴⁰K в образце. Учитывается также вклад космической радиации. Космическое излучение у земной поверхности зависит от широты и абсолютной высоты (существуют стандартные таблицы для его определения). Часть космического излучения ("мягкое" излучение) поглощается в верхнем полуметре грунта, но другая часть – "жесткое излучение, состоящее, в основном, из мюонов – проникает значительно глубже. Это излучение приходится учитывать до значительных глубин разреза: даже на глубине 15 м регистрируется около 20% от его активности на поверхности; это вполне значимая величина по отношению к местным источникам радиации, но она легко учитывается благодаря наличию стандартных расчетных формул (Vandenberghe, 2004).

По способам высвобождения ЛС различают две разновидности метода: (1) путем нагревания образца – термолюминесцентный (ТЛ) метод, (2) путем освещения образца – метод оптически стимулированной люминесценции (ОСЛ).

Метод ТЛ метод бы впервые разработан в конце 1960-х гг в бывшем СССР (В.Н.Шелкопляс, Г.В. Морозов), с конца 1970-х гг активно развивался во многих странах. Сначала метод использовался преимущественно для датирования искусственных но затем стал использоваться и для разных типов рыхлых осадков для определения времени их захоронения. Однако тут выявилась главная проблема метода – разделение чувствительного и нечувствительного к свету ТЛ-сигнала (Forman, et al., 2000). Оказалось, что электронные ловушки различаются по степени чувствительности к освещению, причем некоторые не опорожняются при освещении совсем. В то же время, такие "нечувствительные" ловушки хорошо обнуляются при нагреве. В результате даже при 8-часовом экспонировании образца в нем остается слабый, но измеримый ТЛ-методом сигнал, т.е. измеренная ED будет выше, чем реально полученная осадком после захоронения. Для водных осадков, которые получают лишь краткое (<4 часов) экспонирование перед захоронением, TL-сигнал может более чем на 50% быть унаследованным от более древних этапов, т.е. полученная дата захоронения осадка будет вдвое и более древнее истинной.

Чтобы обойти эту проблему, для разных типов отложений предлагалось использовать индивидуальные поправочные коэффициенты (Власов, Куликов, 1988), однако определение этих коэффициентов носит излишне субъективный характер и не может учесть вариабельности условий седиментации внутри одного и того же типа отложений. Очевидный путь к решению проблемы – измерять ЛС, накопленный только светочувствительными электронными ловушками. Это привело к разработке ОСЛ метода. Тем не менее, метод ТЛ как более простой и дешевый, до сих пор успешно применяется для датирования обожженных материалов – керамики, кирпичей, черепицы, а также эоловых отложений, для которых можно заведомо предполагать длительное экспонирование перед захоронением.

Метод ОСЛ возник в 1980-е гг. Для высвобождения ЛС используют свет определенной длины волны, что позволяет учитывать сигнал только из светочувствительных электронных ловушек. Это позволяет успешно датировать отложения с кратким экспонированием свету (< 4 часов) и с освещением потенциально узким диапазоном длин световых волн (водные отложения). Наиболее надежный диапазон ОСЛ датирования – от 200-300 до 100 000 лет, менее надежно – до 300 000 лет и лишь в некоторых случаях возможно датирование до 500 00 лет (Forman et al., 2000). Предел датирования зависит от интенсивности естественной радиоактивости: чем она выше, тем быстрее заполняются электронные ловушки и материал достигает полного насыщения. Точность дат до 100 000 лет – обычно 5-10%, более древних – 10-20%. Разновидность метода – инфракрасная стимулированная люминесценция ИКСЛ (infrared stimulated luminescence IRSL). Она применяется только к полевым шпатам и имеет для них ряд преимуществ. В последнее десятилетие разработана усовершенствованная процедура измерения эквивалентной дозы, принятая теперь в большинстве лабораторий – метод регенерации по одной пробе (SAR – Single Aliquot Regeneration) (Murray, Wintle, 2000, 2003). Он состоит в проведении повторных измерений по одному аликвоту, в отличие от использования нескольких аликвотов в ТЛ методе. Это позволяет избежать проблем с внутренней вариабельностью образца, а также датировать образцы меньшего объема. Одно из перспективных направлений совершенствования ОСЛ метода – развитие измерений ЛС из единичных зерен кварца или полевого шпата, что позволит устанавливать, все ли зерна в образце имеют одинаковый люминесцентный возраст (Duller, 2004).

Влияние влажности грунта. Один из главных источников погрешности ОСЛ датирования кроется в значении влажности грунта, необходимом для расчетов. Влажность может меняться от 0 до значения полного насыщения, которое зависит от пористости грунта и обычно находится в пределах 20-40%. Влага поглощает часть радиации, которая должна была бы достигнуть минеральных зерен, и чем больше влажность, тем меньше будет скорость накопления радиационной дозы минералами при той же интенсивности радиации. При расчете DR закладывается величина средней влажности грунта за весь период облучения образца. Для засушливых обстановок это величина в первые проценты, она определяется по измеренной влажности образца. В гумидных обстановках многое зависит от региональных и локальных условий, глубины залегания образца. Влажность грунта, помимо сезонных колебаний, могла направленно меняться в прошлом из-за изменений климата и рельефа (например, врезание реки с образованием террасы или карьерная вскрыша приводят к понижению зеркала грунтовых вод), и оценить количественно все возможные варианты практически невозможно. Поэтому прибегают к приблизительным оценкам. В Западной Европе обычно используется значение, равное 0,80±0,20 от влажности насыщения, независимо от реальной влажности представленного в лабораторию образца (Vandenberghe, 2004). Если образец отобран из зоны постоянного насыщения грунтовых вод, берется верхний предел – значение, равное влажности насыщения. Для образцов из зоны аэрации учитывается мнение заказчика, изложенное в паспорте образца. Однако поскольку в большинстве случаев ничего определенного заказчик сказать не может, априори принимается значение 0,75-0,80 от влажности насыщения.

Потенциальную погрешность за счет неточности учета влажности следует иметь в виду при интерпретации дат: занижение влажности приводит к недооценке возраста, и наоборот; соотношением составляет 0,5%-1,5% возраста на 1% влажности. Например, если в расчетах использовалось значение влажности 30% (0,75 от 40% - влажности насыщения), а в реальности она была 40%, дата получится заниженной на ~6,5%, а если взято значение 20% вместо 10%, дата будет завышенной на ~10%. Вот пример того, как эта проблема учитывается при интерпретации ОСЛ дат. Американские исследователи (Waninger et al., 2008) датировали позднеплейстоценовые песчаные дюны в долине р.Огайо. Снизу вверх получилась следующая последовательность дат (в тыс. лет, ±1σ): 16,37 ±1,28, 17,54 ±1,68, 16,36 ±1.08, 17,45 ±1.38. Для расчета использовалась влажность образцов на момент отбора: 25%, 3,0%, 7,1% и 3,3% соответственно. Нижний образец явно лежит в пределах капиллярной каймы грунтовых вод. Хотя даты пересекаются в пределах интервалов стандартной погрешности и об инверсиях можно не говорить, авторы предполагают, что нижняя дата должна быть омоложена. Основанием к тому служат исторические сведения об изменении водного режима: в 1870-х гг территория в тыловой части дюны подверглась дренированию. Еще один поучительный вывод из этого исследования: из того же слоя, что и нижняя ОСЛ дата, ранее была получена радиоуглеродная (AMS) дата 46,0 тыс. л. из которой следовало, что дюны образовались в среднем висконсине (висконсин = валдай). ОСЛ датирование показало, что датированная органика была переотложенной, а дюны относятся к самому концу позднего висконсина.

Широкое внедрение ТЛ и ОСЛ методов в четвертичную геологию и геоморфологию позволило решить важные палеогеографические задачи и получить новую, часто неожиданную информацию. Так, вплоть до 1980-х гг считалось, что линейные дюны, составляющие дюнные поля Центральной Австралии, очень динамичны и в современном виде сложились лишь в голоцене, в результате установления аридных условий после плювиальной эпохи конца позднего плейстоцена. Применение люминесцентных методов позволило доказать, что это достаточно консервативные и весьма древние формы, в большинстве образовавшиеся еще до последнего ледникового максимума: пески в основании дюн датируются широким интервалом времени начиная с 70 тыс.л.н., а в ряде случаев и >100 тыс.л.н (Nanson et al., 1992; Fitzsimmons et al., 2007 и др.).

Другой пример – датирование ледниково-подпрудного озера на севере Восточно-Европейской равнины, о существовании которого говорит присутствие озерных отложений на огромных пространствах (так называемое Коми-озеро). Предполагалось, что оно относится к поздневалдайскому времени, когда ледник перегораживал сток северных рек, и образовавшееся озеро переливалось в р.Каму и далее в Каспий, что явилось причиной одной из его наиболее высоких трансгрессий – раннехвалынской (Квасов, 1979; Лавров, Потапенко, 1986 и др.). Однако в рамках международного проекта QUEEN (Quaternary Environment of the Eurasian North) было получено около 30 ОСЛ дат по отложениям озера Коми, которые показывают, что озеро существовало между 80-90 тыс.л.н. (Mangerud et al., 2004). Следовательно, в позднем валдае перелив Коми-озера в Каспий происходить не мог. В рамках того же проекта на основании преимущественно ОСЛ датирования под- и надморенных отложений, было показано, что в позднем валдае граница ледникового щита проходила значительно западнее Печоры, и ее стоку в океан ничто не препятствовало (Svendsen, 2004).

Поскольку в последнее десятилетие подавляющее число люминесцентных датировок производится более надежным ОСЛ методом, периодически возникает вопрос, как относиться к большому массиву ТЛ дат, произведенных в 1970-80-х гг. Однозначного ответа на этот вопрос нет. Сравнение старых ТЛ и новых ОСЛ дат по дюнным пескам Южной Африки и Центральной Австралии показало удовлетворительную сходимость (Munyikwa, 2005). Для других типов отложений соответствие ТЛ и ОСЛ исследователи предпочитают сейчас применять ОСЛ метод. Эксперимент по сопоставлению ТЛ и ОСЛ дат был проведен на примере лессовых отложений Польши и Украины и флювиогляциальных и озерно-ледниковых отложений Литвы (Fedorowicz, 2007). Для поздневислинских (висла = валдай) лессов ТЛ даты оказались равными или несколько более древними (до 50%), чем ОСЛ даты, для средне- и ранневислинских лессов ТЛ даты уже систематически древнее ОСЛ дат, в отдельных случаях в 2-3 раза (рис.7.17а). Наименее однозначные результаты получены по водно-ледниковым осадкам: различия достигают 3-4 и более раз, причем в обе стороны, хотя в большинстве случает ТЛ даты древнее ОСЛ дат (рис.7.17б). Этот пример еще раз показывает, что на единичные даты, каким бы методом они ни были сделаны, полностью полагаться нельзя, необходим контроль: (а) путем повторного датирования тех же слоев и разрезов, (б) путем применения альтернативных методов, (в) по стратиграфическим и геоморфологическим данным.

В районах с засушливым климатом, где возможности применения ¹⁴С метода ограничены ввиду плохой сохранности органического вещества в осадках, ОСЛ датирование выходит на первое место среди других методов геохронологии. Преимущество ОСЛ метода также в более высоком пределе датирования (200-300 тыс.л., в некоторых случаях до 500 тыс.л. против 40-50 тыс. л. у ¹⁴С метода). Поэтому в некоторых странах (например, в Австралии) исследователи предпочитают ОСЛ датирование радиоуглеродному. В России ОСЛ-лабораторий пока нет.