Denne protokol er til isolering af kvartskorn efter størrelse til luminescensdatering af sedimenter. Skitseret er fysisk rensning og kemisk fordøjelse ved blødning sekventielt iH2O2, HCI, HF og HCI igen for at isolere kvartskorn. Kvartsrenheden kvantificeres med mikroskopisk vurdering, Raman-spektroskopi og IR-udtømningsforhold.
Optisk stimuleret luminescens (OSL) datering kvantificerer tiden siden mineralkorn blev deponeret og afskærmet fra yderligere lys- eller varmeeksponering, hvilket effektivt nulstiller luminescensuret. Systematikken af OSL-datering er baseret på de dosimetriske egenskaber af almindelige mineraler, som kvarts og feldspat. Den erhvervede luminescens med eksponering for naturlig ioniserende stråling efter begravelse giver en aflejringsalder for mange kvaternære sedimentære systemer, der spænder over de sidste 0,5 Ma. Dette bidrag beskriver procedurerne for adskillelse af rene kvartskorn med et kendt udvalg af partikelstørrelser for at lette luminescensanalyse med små eller enkeltkornede alikvoter. Specifikt gives protokoller for de nødvendige data og fortolkninger til effektiv OSL-datering af jordbaserede sedimentkerner eller prøverør fra eksponeringer. Disse kerner, 5-20 m lange i sektioner på 1,2 m, deles på langs og kroneskår, hvilket efterlader 80% af kernevolumenet uforstyrret, hvilket letter prøveudtagning af lysbeskyttet sediment til OSL-datering dybt inde i kernen. Sedimentprøver udsættes derefter for en række fysiske adskillelser for at opnå et bestemt kornstørrelsesinterval (f.eks. 150-250 μm). Magnetiske mineraler fjernes i våd og tør tilstand ved hjælp af magneter. En række kemiske fordøjelser starter med blødning iH2O2for at fjerne organisk materiale efterfulgt af HCI-eksponering for at fjerne karbonatmineraler efterfulgt af densitetsseparation. Derefter gennemblødes kornene i HF i 80 minutter og efter i HCI for udelukkende at fremstille kvartskorn. Den mineralogiske renhed (>99%) af kvartsekstraktet kvantificeres med kornpetrografisk vurdering og Raman-spektroskopi. Det kan være nødvendigt at gentage denne kvartsisoleringsprocedure med sediment, der indeholder <15% kvartskorn. Excitation af de rensede kvartskorn ved LED-afledt blåt og IR-lys muliggør beregninger af de hurtige og IR-udtømningsforhold, som er målinger til vurdering af dominansen af luminescensemissioner fra kvarts.
Optisk stimuleret luminescens (OSL) geokronologi giver tiden fra det sidste lys eller varmeeksponering efter sedimenterosion, aflejring og begravelse; og yderligere udsættelse for lys eller varme. Naturlige sedimentære processer eller opvarmningshændelser (>300 °C) reducerer således det tidligere nedarvede luminescenssignal til et konsekvent lavt niveau. I de sidste to årtier har der været betydelige fremskridt inden for luminescensdatering, såsom enkelt aliquot og kornanalyse af specifikke mineralkorn, som kvarts. Disse eksperimentbaserede dateringsprotokoller med blå eller grønne dioder kan kompensere effektivt for følsomhedsændringer induceret i laboratoriet, hvilket gør OSL-aldre for de sidste ca. 500 ka 1,2,3.
Silikatmineraler såsom kvarts og kaliumfeldspat har varierende krystalgitterladningsdefekter; nogle dannet på tidspunktet for mineralkrystallisation og andre på grund af efterfølgende eksponering for ioniserende stråling, hvilket resulterer i geokronometrisk potentiale. Disse defekter er sandsynlige steder for elektronlagring med fældedybdeenergier på ~ 1,3-3 eV. En delpopulation af indeholdte elektroner i gitterladningsdefekter af kvartskorn er en kilde til tidsdiagnostiske luminescensemissioner med excitation ved blåt lys. Således øges denne luminescensemission med tiden, over sol- eller varmenulstillingsniveauet med udsættelse for ioniserende stråling i begravelsesperioden. Dette signal reduceres til et lavt, definerbart niveau (“nulstillet”) med efterfølgende udsættelse for sollys med sedimenterosion, transport og aflejring. Denne luminescens “cyklus” forekommer i de fleste aflejringsmiljøer på Jorden og andre planeter. OSL-datering af sedimentære kvartskorn giver således en aflejringsalder, der afspejler den tid, der er gået siden den sidste lyseksponering med aflejring og begravelse (figur 1).
Luminescensdatering er en dosimetrisk baseret teknik, der giver aldersestimater for udvalgte mineralkorn, som kvarts, fra eolian, fluviale, lacustrine, marine og kolluviale sedimenter forbundet med opregnelige sammenhænge for geomorf, tektonisk, paleontologisk, paleoklimatisk og arkæologisk forskning 2,4,5,6,7. OSL-datering evalueres også for at begrænse overfladeprocesser på andre planeter, især på Mars 8,9. Ofte er det mest anvendte mineral i OSL-datering på Jorden kvarts, hvilket afspejler dets naturlige overflod, en iboende følsomhed som et geokronometer, signalstabilitet og hurtig nulstilling med udsættelse for sollys (sekunder til minutter)4,10,11,12. Nøjagtigheden af OSL-datering kompromitteres imidlertid, hvis kvartsekstraktet er urent, især hvis det er forurenet med kalium og andre feldspater, som kan have luminescensemissioner ti til hundrede gange lysere end kvarts og kan give alder underestimater 13. Derfor er den absolutte (>99%) renhed for ekstrakter af kvartskorn fra sediment afgørende for nøjagtig OSL-datering. Fokus for dette bidrag er således at tilvejebringe detaljerede procedurer til isolering af højt rensede kvartskorn adskiller sig fra en række polymineralske sedimenter. Dette kræver integration af viden om mineralogi, krystalkemi; optisk og Raman-billeddannelse, for effektivt at anvende laboratorieprotokoller, for at gengive OSL-aldre på kvartskorn fra omhyggeligt udtagne lag fra hentede sedimentkerner. Sedimentkernerne blev opsamlet ved hjælp af en push and percussion coring metode, som hentede intakt sediment ned til en dybde på 20-25 m.
OSL-tidsfølsomt signal nulstilles relativt hurtigt med minutter til timers udsættelse for sollys. Det geologiske OSL-signal akkumuleres fra dette solnulstillingsniveau. Selvom OSL-emissionerne af kvarts er betydeligt variable, hvilket afspejler den oprindelige krystallinske struktur, gitter urenheder, sensibilisering med luminescens nulstilling cyklusser14 (figur 1). Der er således iboende variation i kvartsens dosisfølsomhed, og dateringsprotokoller skal udformes for specifik mineralog og sedimentær herkomst. Heldigvis gav fremkomsten af enkelt aliquot regenerative (SAR) dosisprotokoller for kvarts 1,2 systematik for at afhjælpe variabilitet i OSL-emissioner og målinger til evaluering af laboratorieændringer i tilsyneladende OSL-følsomhed. Sedimentkorn fungerer som langsigtede strålingsdosimetre, når de skjules for yderligere lyseksponering, hvor luminescenssignalet tjener som et mål for strålingseksponering i begravelsesperioden. Strålingsdosis, der svarer til den naturlige luminescensemission af isolerede kvartskorn, kaldes den ækvivalente dosis (De: i grå, Gy), som er tælleren i OSL-aldersligningen (ligning 1). Nævneren er dosishastigheden (Dr: Grays/yr.), defineret ved at bidrage med α, β og γ stråling, der stammer fra det radioaktive henfald af datterisotoper i henfaldsserien 235 U, 238U, 232Th, 40K, og med mindre bidrag fra henfaldetaf 85Rb og kosmiske og galaktiske kilder.
OSL alder (år) = (ligning 1)
Hvor, Dα = alfadosis Dβ = betadosis Dγ = gammadosis Dc = kosmisk dosis og w = vanddæmpningsfaktor.
En anden metode til U- og Th-bestemmelse i laboratoriet eller feltet er gammaspektrometri, hvor Germanium-varianten er i stand til at kvantificere U- og Th-isotopisk uligevægt med passende justeringer af dosishastigheden. Beta- og gammakomponenterne i miljødosishastigheden skal ændres til massedæmpning15. Der er imidlertid en effektivt ubetydelig alfadosis for korn >50 μm med de ydre 10-20 μm korn fjernet ved behandling med ufortyndet HF under tilberedningen. En kritisk komponent i dosishastighedsvurdering er kvantificeringen af den kosmiske og galaktiske dosis i begravelsesperioden, som beregnes for specifikke punkter på Jorden med justeringer for længdegrad, breddegrad, højde, gravdybde og tæthed af overliggende sediment16,17.
Sedimenter, der indeholder >15% kvarts, er normalt relativt ligetil til at adskille en kvartsfraktion med høj renhed. Imidlertid kræver sedimenter med <15% kvarts ofte ekstra tid for at sikre den nødvendige mineralogiske renhed til OSL-datering. Ca. 500-1000 kvartskorn er nødvendige for denne analyse, men ofte adskilles tusindvis af korn til duplikatanalyser, arkivering for at udvide et kalibreringsbibliotek og fremtidige fremskridt. Den mineralogiske sammensætning af sedimentprøver vurderes oprindeligt, korn for korn, ved petrografisk analyse gennem en kikkertmikroskopisk (10-20x) og tilhørende billedanalyse. Mineralogien af individuelle korn testes yderligere af Raman-spektroskopi for at måle kornspektre ved hjælp af en excitationslaser (455 nm, 532 nm, 633 nm eller 785 nm) og statistisk sammenligne kornemissioner med kendte mineralspektre fra RRUFF System Database18.
Når den visuelle og spektrale inspektion er tilfredsstillende, kontrolleres renheden af OSL-signalet yderligere ved hjælp af et automatiseret luminescenslæsersystem. Tre til fem aliquoter af prøven udsættes for infrarød excitation (IR = 1,08 watt ved 845 nm ± 4 nm), som fortrinsvis stimulerer feldspatmineraler, og denne emission sammenlignes med emissioner ved excitation af blåt lys (Bl = 470 nm ± 20 nm), som fortrinsvis stimulerer kvarts. Hvis forholdet IR/Bl ≥ 5%, indikerer testen, at feldspatforurening og syrefordøjelser gentages. Hvis forholdet IR/Bl <5%, anses prøverne for kvartsfraktion tilfredsstillende til datering.
Single aliquot regenerering (SAR) protokoller på kvartskorn er en ofte anvendt tilgang i OSL-dateringssedimenter med procedurer, der er skræddersyet til en bestemt prøve, et undersøgelsessted eller et område. Reproducerbarheden af disse protokoller bestemmes ved at give kvartskorn en kendt betadosis (f.eks. 30 Gy) og evaluere, hvilken varmeforbehandling der genvinder denne kendte dosis (figur 2). I praksis indebærer bestemmelse af en De med SAR-protokollerne beregning af et forhold mellem den naturlige luminescens og luminescensen fra en kendt testdosis (L n/Tn-forhold), som sammenlignes med luminescensemissionerne for regenerative doser divideret med luminescensen fra den samme testdosis (L x/Tx) (figur 2 ). En korrektion, en konsekvent anvendt testdosis (f.eks. 5 Gy), er blevet udtænkt for at kompensere for kvartskorn (r) følsomhedsændringer ved måling gennem SAR-cyklusser. Ofte stiger OSL-emissionerne med >5 % for hver efterfølgende SAR-cyklus, dog med samme dosis (f.eks. 5 Gy)7.
Mindst fyrre aliquoter kvarts eller 500 korn analyseres med TL / OSL-læsersystem med excitation af blåt lys. De genererede luminescensdata analyseres af software tilknyttet Risø TL/OSL-DA-20 læsersystemet. Værdierne og aldersestimaterne for De og Dr beregnes ved hjælp af Luminescens Dose and Age Calculator (LDAC)17. Denne platform anvender statistiske modeller til at bestemme ækvivalente dosisværdier (De) og gengive tilsvarende OSL-alder med begrænsede fejl.
Den ekstraherede lysafskærmede prøve fra en kerne fremstilles af to grunde: 1) For at opnå en mineralogisk fraktion af kvartskorn med en renhed på >99% og 2) At isolere korn af specifik størrelsesfraktion, f.eks. 150-250 μm, til vurdering af miljøet Dr for OSL datering17. I mange sedimentære indstillinger er kvartskorn almindelige; men blandet med andre silikat- og ikke-silikatmineraler, stenfragmenter og organisk materiale. Tidligere blev procedurer kort skitseret, hvilket indikerer nogle specifikke trin og reagenser, der er nødvendige for at isolere rene kvartskorn i forbindelse med OSL datering af 13,19,20,21,22,23. Dette bidrag har haft stor gavn af disse tidligere tilgange. Dette papir skitserer reviderede og mere detaljerede protokoller ved hjælp af petrografisk billeddannelse og Raman-teknologi til at overvåge kornmineralogi og gengive meget rene (>99%) kvartsekstrakter til luminescensdatering. Disse kvartsisoleringsprotokoller er udviklet efter at have forberedt hundredvis af prøver fra forskellige geologiske miljøer i Amerika, Eurasien, Kina og Africain, Baylor Geoluminescence Dating Research Laboratory, der afspejler analytisk erfaring over tredive år, og er ikke endelige metoder med passende variationer, der anvendes af andre laboratorier. Disse er ikke statiske protokoller, og ændringer og tilføjelser til forbedring er velkomne.
Kvarts mineralogisk renhed er kritisk for OSL-datering. Imidlertid er kvartsspektral renhed lige så vigtig og forbedres normalt med den omhyggelige koncentration af kvartskorn. Ideelt set bør kvartskorn under blåt LED-lys (470 nm ± 20 nm) stimulering i 40 s udsende ≥ 90% af luminescensen inden for de første ~ 0-2,5 s stimulering, betegnet den hurtige komponent, med < 10% af lysemission mellem ~ 2,5 og ~ 15 s (medium komponent) og en endelig lavemissionspost ~ 15 s (langsom komponent) (figur 8). En luminescensemission domineret af en hurtig komponent foretrækkes, fordi den hurtigt nulstilles sol (på få sekunder) og viser høj følsomhed over for påført β stråling i laboratoriet, hvilket forbedrer ækvivalente dosisbestemmelser. En vigtig metrik til vurdering af dominansen af hurtige komponenter til OSL-datering af kvarts er beregningen af et “hurtigt forhold”29,30 med et eksempel vist ved ligning 2 og i figur 8. Et hurtigt forhold på >20 for kvartsglanskurve betragtes som en robust luminescensemission, der er egnet til OSL-datering29 (se figur 8A). Separater, der har forurening med K-feldspat og plagioklase eller feldspatiske indeslutninger, giver ofte hurtige forhold på <10 (se figur 8B, C) og er uegnede til SAR-kvartsdateringsprotokoller.
Hurtigt forhold (ligning 2)
Hvor L1: Hurtig komponentemission for ~0-2,5 s
L2: Medium komponentemission ~ 2,5-15 s L3: Langsom komponentemission ~ 15-40 s
En vigtig test af spektralrenheden af isolerede kvartskorn er aliquoternes respons på infrarød excitation fra lysdioder (845 nm ± 4 nm). De fleste kvartskorn giver en lav eller ubetydelig luminescensemission med IR-stimulering ved eller inden for et par hundrede tællinger af baggrundsemissioner. Der er udviklet en metrik til vurdering af IR-baserede emissioner, kaldet IR-udtømningsforholdet, som beregnes som et SAR-forhold (L x / Tx) for bestrålede (5-10 Gy) kvartskorn stimuleret med IR-lysdioder og derefter blå lysdioder. Specifikt bør forholdet mellem IR-luminescens divideret med blå emissioner være <5%, hvilket indikerer en spektralt ren kvartsfraktion, der er tilgængelig for OSL-datering (figur 8A). Der er dog tilfælde, hvor mineralogisk rene kvartskorn kan give vildfarne luminescensemissioner med IR-stimulering. Dette IR-signal kan afspejle klæbende litiske fragmenter eller feldspatiske indeslutninger i kvarts. I sådanne tilfælde skal kvartskorn dateres ved hjælp af feldspat protokoller31. Disse protokoller med modifikationer kan bruges til at adskille og bekræfte renheden af andre mineraler til OSL-datering, såsom k-feldspat, plagioclase og olivin og pyroxen til andre planetariske applikationer.
Evnen til at isolere en >99% kvartsseparat og bekræfte renheden på kornniveauet er en forudsætning for nøjagtig luminescensdatering. Enkeltkornet og ultra-lille aliquot (10-50 korn) datering kræver yderligere verifikation af, at luminescensemissionerne for alle korn var fra kvarts. Til gengæld er anvendelsen af termiske overførselsmetoder, der kan give troværdige OSL-aldre op til en million år, baseret på rene kvartssignaler fra mineralkorn6. En mono-mineralogisk kvarts separat er grundlæggende for anvendelse af OSL-SAR-protokoller, som giver en sekvens af aldre til dechifrering af deponeringshistorien for eoliske og fluviale systemer for den sene kvartære 1,2,32,33 (figur1 og figur 2). Forurening af kvarts aliquots med de vildfarne K-feldspatkorn eller feldspatiske indeslutninger i kvarts eller klæbende litisk fragment giver et blandet dosimetrisk signal og tilbøjelig til uregelmæssig fading giver ofte undervurderer4. En ren kvartsadskillelse sikrer imidlertid ikke absolut spektral renhed og passende emissioner til kvartsdatering. Effektiv OSL-datering kræver omhyggelig og fuldstændig isolering af kvartskorn og OSL-tilknyttede målinger for at verificere en ren kvarts adskilt mineralogisk og spektralt 2,33,34.
The authors have nothing to disclose.
Støtte til Geoluminescence Dating Research Laboratory er blevet leveret af Baylor University og tilskud fra National Science Foundation (GSS-166023), National Geographic (# 9990-1) og Atlas Sand. Opdagelse og læring i dette laboratorium blev forbedret af vores mange samarbejdspartnere, studerende og besøgende, der har bragt nye perspektiver, ideer og tilgange.
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 |