Люминесцентное датирование относится к группе методов определения того, как давно минеральные зерна в последний раз подвергались воздействию солнечного света или достаточного нагрева. Это полезно геологам и археологам, которые хотят знать, когда произошло такое событие. Он использует различные методы для стимуляции и измерения люминесценции.
Он включает в себя такие методы, как оптически стимулированная люминесценция (OSL), инфракрасная стимулированная люминесценция (IRSL) и термолюминесцентное датирование (TL). «Оптическое датирование» обычно относится к OSL и IRSL, но не к TL.
Все отложения и почвы содержат следовые количества радиоактивных изотопов таких элементов, как калий, уран, торий и рубидий. Со временем они медленно распадаются, и производимое ими ионизирующее излучение поглощается минеральными зернами в отложениях, такими как кварц и калиевый полевой шпат. Излучение заставляет заряд оставаться внутри зерен в структурно нестабильных «электронных ловушках». Захваченный заряд со временем накапливается со скоростью, определяемой количеством фонового излучения в том месте, где был захоронен образец. Стимулирование этих минеральных зерен с использованием света (синий или зеленый для OSL; инфракрасный для IRSL) или тепла (для TL) вызывает излучение люминесцентного сигнала, когда высвобождается накопленная нестабильная электронная энергия, интенсивность которой варьируется в зависимости от количества радиация, поглощенная при захоронении, и специфические свойства минерала.
Большинство методов люминесцентного датирования основаны на предположении, что минеральные зерна были достаточно «обесцвечены» во время датирования события. Например, для кварца достаточно короткого дневного света в диапазоне 1–100 секунд перед захоронением, чтобы эффективно «сбросить» часы OSL для датирования. Обычно, но не всегда, это касается эоловых отложений, таких как песчаные дюны и лёсс, а также некоторых отложений, отложенных водой. Возраст одиночного кварцевого OSL обычно может быть определен от 100 до 350 000 лет назад и может быть надежным при использовании подходящих методов и надлежащих проверок. Методы IRSL на основе полевого шпата могут расширить диапазон датировки до миллиона лет, поскольку полевые шпаты обычно имеют значительно более высокие уровни дозовой насыщенности, чем кварц, хотя в первую очередь необходимо будет решить проблемы, связанные с аномальным замиранием. Возраст может быть получен за пределами этих диапазонов, но к ним следует относиться с осторожностью. Неопределенность даты OSL обычно составляет 5-10% от возраста образца.
Существует два разных метода датировки OSL: многократная аликвотная доза и однократная регенеративная доза (SAR). При тестировании с несколькими аликвотами одновременно стимулируется несколько песчинок, и полученная сигнатура люминесценции усредняется. Проблема с этим методом заключается в том, что оператор не знает отдельных значений, которые усредняются, и поэтому, если в образце есть частично предварительно отбеленные зерна, он может дать завышенный возраст. В отличие от метода множественных аликвот, метод SAR проверяет возраст захоронения отдельных песчинок, которые затем наносятся на график. Смешанные отложения можно идентифицировать и учитывать при определении возраста.
Идея использования люминесцентного датирования в археологическом контексте была впервые предложена в 1953 году Фаррингтоном Дэниелсом, Чарльзом А. Бойдом и Дональдом Ф. Сондерсом, которые считали, что термолюминесцентный отклик черепков глиняной посуды может датировать последний случай нагрева. Экспериментальные испытания археологической керамики, проведенные несколькими годами позже, в 1960 году, Грёглер и др. В течение следующих нескольких десятилетий исследования термолюминесценции были сосредоточены на нагретой керамике и керамике, обожженных кремнях, обожженных отложениях в очагах, камнях для печей из обожженных курганов и других нагретых предметах.
В 1963 году Эйткен и др. отметили, что ловушки ТЛ в кальците могут быть обесцвечены как солнечным светом, так и теплом, и в 1965 году Шелкопляс и Морозов первыми применили ТЛ для датирования ненагретых отложений. На протяжении 70-х и начала 80-х годов все более широкое распространение получило TL-датирование светочувствительных ловушек в геологических отложениях как наземного, так и морского происхождения.
Оптическое датирование с использованием оптически стимулированной люминесценции (OSL) было разработано в 1984 году Дэвидом Хантли и его коллегами. Hütt et al. заложил основу для датирования калиевых полевых шпатов с помощью инфракрасной стимулированной люминесценции (IRSL) в 1988 году. Традиционный метод OSL основан на оптической стимуляции и переносе электронов из одной ловушки в дырки, расположенные в другом месте решетки, что обязательно требует наличия двух дефектов поблизости близость, а значит, это деструктивный прием. Проблема в том, что близлежащие центры захвата электронов / дырок страдают от локализованного туннелирования, со временем уничтожая их сигнал; именно этот вопрос в настоящее время определяет верхний возрастной предел для знакомств OSL
В 1994 году принципы оптического и термолюминесцентного датирования были распространены на поверхности из гранита, базальта и песчаника, такие как резные скалы из древних памятников и артефактов. Иоаннис Лиритзис, инициатор датировки люминесценции древних построек, показал это на нескольких случаях различных памятников.
Люминесцентное датирование - это один из нескольких методов, в которых возраст рассчитывается следующим образом:
возраст = (общая поглощенная доза облучения) / (мощность дозы облучения)
Мощность дозы излучения рассчитывается на основе измерений радиоактивных элементов (K, U, Th и Rb) в образце и его окрестностях, а также мощности дозы космического излучения. Мощность дозы обычно находится в диапазоне 0,5 - 5 грей / 1000 лет. Общая поглощенная доза излучения определяется путем возбуждения с помощью легких определенных минералов (обычно кварца или калиевого полевого шпата ), извлеченных из образца, и измерения количества испускаемого в результате света. Эти фотоны испускаемого света должны иметь более высокую энергию, чем фотоны возбуждения для того, чтобы избежать измерений обычной фотолюминесценции. Можно сказать, что образец, в котором все минеральные зерна были подвергнуты достаточному воздействию дневного света (секунды для кварца; сотни секунд для калиевого полевого шпата), имеет нулевой возраст; при возбуждении он не испускает таких фотонов. Чем старше образец, тем больше света он излучает до предела насыщенности.
Измеряемые минералы обычно представляют собой зерна кварца или калиевого полевого шпата размером с песок или неразделенные зерна размером с ил. У каждого из них есть свои преимущества и недостатки. Для кварца обычно используются синие или зеленые частоты возбуждения и измеряется ближнее ультрафиолетовое излучение. Для калиевого полевого шпата или зерен размером с ил обычно используется возбуждение в ближней инфракрасной области (IRSL) и измеряется фиолетовое излучение.
В отличие от датирования по углероду-14, методы люминесцентного датирования не требуют датирования современного органического компонента осадка; просто кварц, калиевый полевой шпат или некоторые другие минеральные зерна, которые были полностью обесцвечены во время датируемого события. Эти методы также не страдают от завышенной оценки дат, когда рассматриваемый осадок был смешан со «старым углеродом» или14 С дефицитных углеродом, который не является тем же изотопным отношением как атмосфера. Изучая хронологию озерных отложений засушливой зоны озера Улан на юге Монголии, Lee et al. обнаружил, что OSL и радиоуглеродные даты совпадают в некоторых образцах, но радиоуглеродные даты были на 5800 лет старше в других.
Установлено, что отложения разного возраста образовались эоловыми процессами. Западные ветры доставили приток14 С дефицитных углерода от соседних почв и палеозойских карбонатных пород, процесс, который также активен сегодня. Этот переработанный углерод изменил измеренные изотопные отношения, дав ложный возраст. Однако ветровое происхождение этих отложений было идеальным для датирования OSL, так как большая часть зерен была бы полностью обесцвечена под воздействием солнечного света во время транспортировки и захоронения. Ли и др. пришли к выводу, что при подозрении на перенос эоловых отложений, особенно в озерах в засушливой среде, метод датирования OSL превосходит метод датирования радиоуглеродным методом, поскольку он устраняет обычную проблему ошибки «старого углерода».
Одним из преимуществ люминесцентного датирования является то, что его можно использовать для подтверждения подлинности артефакта. В надлежащих условиях низкой освещенности можно использовать образец в десятки миллиграммов.
Возрастной диапазон методов датирования люминесценции простирается от нескольких лет (Montret et al., 1992) до более одного миллиона лет (Fattahi M., Stokes S., 2001).