Isolation of Quartz Grains for Optically Stimulated Luminescence (OSL) Dating of Quaternary Sediments for Paleoenvironmental Research

Liliana C. Marin; Steven  L. Forman; Victoria T. Todd; Connor Mayhack; Ashley Gonzalez; Peng Liang

doi:10.3791/62706

JoVE Journal > Environment

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

환경과학

Выделение зерен кварца для оптически стимулированной люминесценции (OSL) Датирование четвертичных отложений для палеоэкологических исследований

Published: August 02, 2021

doi:

10.3791/62706

Liliana C. Marin¹, Steven L. Forman¹, Victoria T. Todd¹, Connor Mayhack¹, Ashley Gonzalez¹, Peng Liang²

¹Geoluminescence Dating Research Laboratory, Dept. of Geosciences,Baylor University, ²School of Earth Sciences,Zhejiang University

Summary

Этот протокол предназначен для выделения зерен кварца по размеру для люминесцентного датирования отложений. Описаны физическое очищение и химическое пищеварение путем последовательного замачивания в_H2O_2,HCl, HF и HCl снова для выделения зерен кварца. Чистота кварца измеряется с помощью микроскопической оценки, рамановской спектроскопии и коэффициента истощения ИК.

Abstract

Датирование оптически стимулированной люминесценции (OSL) количественно определяет время, прошедшее с момента осаждения минеральных зерен и экранирования от дополнительного воздействия света или тепла, что эффективно сбрасывает часы люминесценции. Систематика датирования OSL основана на дозиметрических свойствах распространенных минералов, таких как кварц и полевой шпат. Приобретенная люминесценция с воздействием естественного ионизирующего излучения после захоронения обеспечивает возраст осаждения для многих четвертичных осадочных систем, охватывающий последние 0,5 млн лет. В этом материале подробно описываются процедуры разделения чистых зерен кварца известного диапазона размеров частиц для облегчения люминесцентного анализа с помощью небольших или одиночных аликвот. В частности, приводятся протоколы для получения необходимых данных и интерпретаций для эффективного датирования OSL кернов наземных отложений или проб пробирок от воздействия. Эти керны, длиной 5-20 м в секциях 1,2 м, разделены вдоль и коронно вырезаны, оставляя 80% объема керна нетронутым, что облегчает отбор проб светозащитных отложений для OSL, датируемых глубоко в керне. Затем образцы отложений подвергают серии физических разделений для получения определенного интервала размера зерна (например, 150-250 мкм). Магнитные минералы удаляются во влажном и сухом состояниях с помощью магнитов. Серия химических сбраживаний начинается с замачивания в_H2_O2 для удаления органического вещества, за которым следует воздействие HCl для удаления карбонатных минералов с последующим разделением плотности. Затем зерна вымачивают в HF в течение 80 мин, а затем в HCl для получения исключительно кварцевых зерен. Минералогическая чистота (>99%) экстракта кварца количественно определяется с помощью зерновой петрографической оценки и рамановской спектроскопии. Повторение этой процедуры выделения кварца может быть необходимо с осадком, который содержит <15% зерен кварца. Возбуждение очищенных зерен кварца светодиодным синим и инфракрасным светом позволяет рассчитать коэффициенты быстрого и ИК-истощения, которые являются метриками для оценки доминирования люминесцентных выбросов от кварца.

Introduction

Геохронология оптически стимулированной люминесценции (OSL) дает время от последнего воздействия света или тепла после эрозии отложений, осаждения и захоронения; и дальнейшее воздействие света или тепла. Таким образом, естественные осадочные процессы или события нагрева (>300 °C) снижают ранее унаследованный сигнал люминесценции до стабильно низкого уровня. За последние два десятилетия были достигнуты значительные успехи в датировании люминесценции, такие как одиночная аликвота и анализ зерен конкретных минеральных зерен, таких как кварц. Эти основанные на экспериментах протоколы датирования с синими или зелеными диодами могут эффективно компенсировать изменения чувствительности, вызванные в лаборатории, в результате чего возраст OSL за последний период составляет около 500 ка ^1,2,3.

Силикатные минералы, такие как кварц и калийный полевой шпат, имеют различные дефекты кристаллического решетчатого заряда; некоторые образуются в момент кристаллизации минералов, а другие вследствие последующего воздействия ионизирующего излучения, в результате чего образуется геохронометрический потенциал. Эти дефекты представляют собой вероятные места хранения электронов с энергиями глубины ловушки ~1,3-3 эВ. Субпопуляция содержащихся электронов в решетчато-зарядовых дефектах зерен кварца является источником для диагностики времени люминесцентных излучений с возбуждением синим светом. Таким образом, это свечение излучения увеличивается со временем, выше уровня солнечного или теплового сброса с воздействием ионизирующего излучения в период захоронения. Этот сигнал снижается до низкого, определяемого уровня («обнуляется») с последующим воздействием солнечного света с эрозией отложений, переносом и осаждением. Этот «цикл» люминесценции происходит в большинстве осажденных сред на Земле и других планетах. Таким образом, OSL датировка осадочных зерен кварца обеспечивает возраст осаждения, отражающий время, прошедшее с момента последнего воздействия света с осаждением и захоронением (рисунок 1).

Люминесцентное датирование – это дозиметрический метод, который дает оценки возраста для отдельных минеральных зерен, таких как кварц, из эоловых, речных, озерных, морских и коллювиальных отложений, связанных с перечислимыми контекстами для геоморфных, тектонических, палеонтологических, палеоклиматических и археологических исследований 2,4,5,6,7. Датирование OSL также оценивается для ограничения поверхностных процессов на других планетах, особенно на Марсе ^8,9. Часто наиболее используемым минералом в OSL датировке на Земле является кварц, отражающий его естественное изобилие, присущую чувствительность в качестве геохронометра, стабильность сигнала и быструю сброс при воздействии солнечного света (от секунд до минут)4,10,11,12. Однако точность датирования OSL ставится под угрозу, если кварцевый экстракт нечист, особенно если он загрязнен калием и другими полевыми шпаргами, которые могут иметь люминесцентные выбросы в десять-сто раз ярче, чем кварц, и могут дать возраст заниженных¹³. Поэтому абсолютная (>99%) чистота для экстрактов зерен кварца из отложений имеет решающее значение для точного датирования OSL. Таким образом, основное внимание в этом вкладе уделяется предоставлению подробных процедур выделения высокоочищенных кварцевых зерен, отделенных от различных полиминеральных отложений. Это требует интеграции знаний по минералогии, кристаллохимии; оптическая и рамановская визуализация для эффективного применения лабораторных протоколов для отображения возраста OSL на зернах кварца из тщательно отобранных пластов из извлеченных осадочных кернов. Осадочные керны были собраны методом толчкового и ударного отбора, который извлекал неповрежденные осадки на глубину до 20-25 м.

Чувствительный ко времени сигнал OSL сбрасывается относительно быстро с минутами до часов воздействия солнечного света. Геологический сигнал OSL накапливается с этого уровня солнечного сброса. Хотя osL-выбросы кварца значительно варьируются, отражая первоначальную кристаллическую структуру, решетчатые примеси, сенсибилизацию с циклами сброса люминесценции¹⁴ (рисунок 1). Таким образом, существует врожденная изменчивость дозочувствительности кварца, и протоколы датирования должны быть разработаны для конкретного минералогического и осадочного происхождения. К счастью, появление протоколов регенеративной дозы одной аликвоты (SAR) для кварца ^1,2 дало систематику для устранения изменчивости выбросов OSL и метрики для оценки лабораторных изменений в кажущейся чувствительности OSL. Зерна осадка функционируют как долговременные радиационные дозиметры, когда они скрыты от дальнейшего светового облучения, а сигнал люминесценции служит мерой радиационного облучения в период захоронения. Доза излучения, эквивалентная естественному люминесцентному излучению изолированных зерен кварца, называется эквивалентной дозой (D_e: в серых, Gy), которая является числителем уравнения возраста OSL (уравнение 1). Знаменателем является мощность дозы (D_r: Grays/yr.), определяемая внесением α, β и γ излучения, происходящего от радиоактивного распада дочерних изотопов в ^{235 U, 238}U, ²³²Th серии распада, ⁴⁰K, и с меньшим вкладом от распада ⁸⁵Rb и космических и галактических источников.

Возраст OSL (год) = (Уравнение 1)

Где D_α = альфа-доза D_β = бета-доза D_γ = гамма-доза D_c = космическая доза и w = коэффициент ослабления воды.

Другим методом для вас и определения Th в лаборатории или области является гамма-спектрометрия, с вариантом германия, способным количественно оценить вас и изотопное неравновесие Th с соответствующей корректировкой мощности дозы. Бета- и гамма-компоненты мощности дозы окружающей среды необходимо модифицировать для массового затухания¹⁵. Однако существует фактически незначительная альфа-доза для зерен >50 мкм с наружными 10-20 мкм зерен, удаленных обработкой неразбавленным СН во время приготовления. Критическим компонентом в оценке мощности дозы является количественная оценка космической и галактической дозы в течение периода захоронения, которая рассчитывается для конкретных точек на Земле с поправками на долготу, широту, высоту, глубину захоронения и плотность вышележащих отложений^16,17.

Отложения, которые содержат >15% кварца, обычно относительно просты для отделения фракции кварца высокой чистоты. Однако отложения с <15% кварцем часто требуют дополнительного времени для обеспечения необходимой минералогической чистоты для датирования OSL. Для этого анализа требуется около 500-1000 зерен кварца, но часто тысячи зерен разделяются для дублирования анализов, архивирования для расширения калибровочной библиотеки и будущих достижений. Минералогический состав образцов отложений первоначально оценивается, зерно за зерном, путем петрографического анализа с помощью бинокулярного микроскопического (10-20x) и связанного с ним анализа воображения. Минералогия отдельных зерен дополнительно проверяется рамановской спектроскопией для измерения спектров зерен с использованием лазера возбуждения (455 нм, 532 нм, 633 нм или 785 нм) и статистического сравнения излучения зерен с известными минеральными спектрами из базы данных системы RRUFF¹⁸.

После того, как визуальный и спектральный контроль является удовлетворительным, чистота сигнала OSL дополнительно проверяется с использованием автоматизированной системы считывателя люминесценции. Три-пять аликвот образца подвергаются инфракрасному возбуждению (ИК = 1,08 Вт при 845 нм ± 4 нм), которое преимущественно стимулирует минералы полевого шпата, и это излучение сравнивают с излучением возбуждением синего света (Bl = 470 нм ± 20 нм), что преимущественно стимулирует кварц. Если соотношение IR/Bl ≥ 5%, тест показывает загрязнение полевым шпатом и кислотное переваривание повторяется. Если соотношение ИК/Bl <5%, то образцы считаются фракцией кварца удовлетворительно для датирования.

Протоколы регенерации одной аликвоты (SAR) на зернах кварца являются часто используемым подходом в osL-датировании отложений с процедурами, адаптированными для конкретного образца, места исследования или области. Воспроизводимость этих протоколов определяется путем введения зернам кварца известной бета-дозы (например, 30 Гр) и оценки того, какая предварительная обработка тепла восстанавливает эту известную дозу (рисунок 2). На практике определение D_e с помощью протоколов SAR включает расчет соотношения между естественной люминесценцией и люминесценцией от известной тестовой дозы (L_n/T_n ratio), которое сравнивается с эмиссией люминесценции для регенеративных доз, деленной на люминесценцию от той же тестовой дозы (L_x/T_x) (рисунок 2). ). Для компенсации изменений чувствительности к кварцевого зерна (зерен) была разработана коррекция, последовательно применяемая испытательная доза (например, 5 Гр) при измерении через циклы SAR. Часто выбросы OSL увеличиваются на >5% с каждым последующим циклом SAR, хотя и при одинаковой дозе (например, 5 Гр)⁷.

Не менее сорока аликвот кварца или 500 зерен анализируются с помощью считывающей системы TL/OSL, с возбуждением синего света. Генерируемые данные люминесценции анализируются программным обеспечением, связанным с системой считывания Risø TL/OSL-DA-20. Значения D_e и D_r и возрастные оценки рассчитываются с использованием калькулятора дозы и возраста люминесценции (LDAC)¹⁷. Эта платформа применяет статистические модели для определения значений эквивалентной дозы (D_e) и отображения соответствующего возраста OSL с ограниченными ошибками.

Извлеченный светозащитный образец из керна готовят по двум причинам: 1) для получения минералогической фракции зерен кварца чистотой >99% и 2) для выделения зерен определенной размерной фракции, например, 150-250 мкм, для оценки экологического D_r для OSL датировки¹⁷. Во многих осадочных условиях кварцевые зерна распространены; но смешанные с другими силикатными и несиликатными минералами, фрагментами горных пород и органическим веществом. Ранее процедуры были кратко изложены, указав некоторые конкретные шаги и реагенты, необходимые для выделения чистых зерен кварца в контексте OSL, датируемого 13,19,20,21,22,23. Этот вклад в значительной степени выиграл от этих предыдущих подходов. В этой статье излагаются пересмотренные и более подробные протоколы с использованием петрографической визуализации и рамановской технологии для мониторинга минералогии зерна и получения высокочистых (>99%) кварцевых экстрактов для люминесцентного датирования. Эти протоколы выделения кварца были разработаны после подготовки сотен образцов из различных геологических сред в Северной и Южной Америке, Евразии, Китае и Африке, Исследовательской лаборатории геолюминесцентного датирования Бейлора, отражая аналитический опыт более тридцати лет, и не являются окончательными методами с подходящими вариациями, используемыми другими лабораториями. Это не статические протоколы, и изменения и дополнения для улучшения приветствуются.

Protocol

ПРИМЕЧАНИЕ: В настоящем разделе представлены процедуры отделения почти чистой (>99%) фракции кварца от полиминеральных отложений, взятых из длинного (15-20 м) осадочного керна, и в равной степени применимы к отдельным трубчатым образцам, собранным из обнажений23. Эта методология была разделена на три компонента: (1) вскрытие, описание и интерпретация осадочных сред осадочных сред для помещения результирующего возраста OSL в палеоэкологический контекст, (2) извлечение небольшого образца осадочных пород OSL из керна без воздействия окружающего света и (3) Разделение мономинералогического кварцевого экстракта при определенной размерной фракции (например, 150-250 мкм). Первый этап проводится в условиях окружающего освещения. Второй и третий компоненты выполняются с подсветкой натриевой паровой лампой, эквивалентными светодиодами или лампами с красно-оранжевым фильтром. Испытания показали, что эти безопасные условия освещения с выбросами, сосредоточенными на 589 нм с примерно 1-0,5 Вт/м2 на поверхности стенда, не вызывают непреднамеренного сброса во время подготовки зерна. 1. Вскрытие, описание и интерпретация осадочных кернов (рисунок 3) ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте электрическую пилу диаметром около четверти (0,5-радиальное положение) окружности сердечника, чтобы открыть их вдоль. Выполните этот «коронный» разрез керна вместо половинного разреза, чтобы сохранить более неосвещенный осадок для датирования OSL и другого анализа без ущерба для тщательного визуального осмотра, отбора проб и описания керна. Регистрируйте и оценивайте седиментологические и педологические особенности керна.Оценить вариации седиментологических признаков, таких как изменения размера частиц, осадочные и диагенетические структуры, залегание, если оно видно, цвета Манселла24, основа для границ единицы25 и идентификация последовательностей пластов. Установить макропедологические особенности, включая карбонатные, аргиллические и куммлические морфологии; рубление и связанное с этим обозначение горизонта; и следы окаменелостей. Возьмите 1-2 г осадка шпателем, поместите его в кислотостойкий стакан объемом 50 мл для оценки содержания карбоната газометрически.Поместите стакан в хорошо вентилируемую коробчатую печь (40 °C) на срок не менее 8 ч, чтобы высушить образец, затем взвесьте на прецизионных весах и аннотируйте вес для каждого образца в лабораторной книге. Добавьте 30 мл 15% HCl к образцу, поместите его непокрытым в вытяжной шкаф и дайте ему вступить в реакцию в течение не менее 30 минут. Добавляйте кислоту до тех пор, пока реакция не будет завершена.ВНИМАНИЕ: HCl кислота всегда должна использоваться внутри вытяжного шкафа, с открытой створкой не более четверти. При обращении с HCl требуется лабораторное покрытие, химически стойкие перчатки, защитные очки и щит. Поместите эту смесь в вытяжной капюшон на 8 часов, покрытый герметиком из восковой бумаги. Реакция HCl с Ca/MgCO3 является экзотермической. Таким образом, поместите стакан в керамическую чашу объемом 300 мл, заполненную 100 мл холодной водопроводной воды, чтобы охладить реакцию и уловить разлив реакции. Промыть образец 100 мл деионизированной воды (DIW), тщательно окунуть супернатант, чтобы он погрузился без потери осадка. Верните образец в духовку (40 °C) в течение не менее 24 ч до высыхания; взвесьте и запишите значение. Количественная оценка разницы масс между высушенными в печи образцами до и после замачивания в 15% HCl для оценки содержания карбоната (%). Удалите 0,5-1,0 г отложений для анализа размера частиц через каждые 5-10 см вниз по ядру. Поместите каждый образец осадка в кислотостойкий стакан объемом 100 мл. Маркируйте образцы в стаканах соответствующим образом. Просеивайте отложения через сетку 2000 мкм. Отбросьте осадок >2000 мкм (больше песка). Продолжают процесс с остатком осадка <2000 мкм. Добавьте 30 мл 15% HCl для удаления карбоната из образца. Повторите шаги 1.1.3.1-1.1.3.5 Удалить органическое вещество, используя 30 мл 12% H2O2 и дать ему постоять в течение >12 ч; не нагревать.ВНИМАНИЕ: H2O2 способствует быстрому окислению, является коррозионным и может быть очень вредным для глаз, кожи и дыхательной системы. Лабораторное пальто, химически стойкие перчатки, защитные очки и щит требуются при обращении с реагентами класса H2O2. ДобавлениеH2 O2к осадку, содержащему органическое вещество, является экзотермической реакцией. Быстрое повышение температуры пропорционально обилию органического вещества, распространяемого в образце. Добавление DIW может быть необходимо для поддержания температуры реакции <40 °C. Продолжайте добавлятьH2O2 и одновременно контролируйте температуру реакции. Оставьте смесь внутри вытяжного шкафа в течение 8 ч, покрытого герметиком из восковой бумаги. Поместите стакан в керамическую чашу объемом 300 мл, заполненную 100 мл холодной водопроводной воды, чтобы охладить реакцию и уловить разлив реакции. Определите размеры зерен для каждого образца с помощью лазерного дифракционного анализатора размеров частиц и классифицируйте диапазон размеров зерен по шкале Вентворта26,27. Оцените данные и итеративно ресамплируйте, используя более тонкий интервал (2-5 см), чтобы лучше охарактеризовать контакты единиц или отпечаток педогенеза (см. Рисунок 4). Интерпретируйте осадочные и стратиграфические разрезы.Используйте результирующие журналы седиментологии, стратиграфии, педологии, гранулометрии и процентного содержания карбонатов для определения единиц осаждения и педосадиментарных фаций, наблюдаемых в кернах. Набросок соответствующих осадочных участков для каждого керна (рисунок 4). Интерпретация осадочной и экологической информации на основе комплексной оценки описания физического керна и гранулометрии, содержания карбонатов, микроморфологии и анализа фаций. Обсудите интерпретацию осадочной среды с другими членами исследовательской группы. Определить конкретные уровни глубины кернов, подлежащих отбору проб для OSL, чтобы расшифровать события осаждения7. 2. Соберите образец OSL (рисунок 5) ПРИМЕЧАНИЕ: Основные секции переносятся в лабораторию люминесценции для отбора проб для датирования OSL в условиях безопасного освещения. Смочите сердцевину с помощью DIW с помощью бутылки для сжатия, чтобы обеспечить сцепление осадка. Определите область отбора проб, забив шпателем круг диаметром 2 см от центральной точки торца сердечника. Соскоблите верхний 1 см легкого осадка с помощью вспомогательного ножа. Поместите этот осадок в маркированную керамическую испарительную посуду для высыхания в течение не менее 8 ч в коробочной печи при 40 °C. Измельчите и гомогенизируйте этот высушенный образец осадка для содержания U, Th, K и Rb для расчета мощности дозы.ПРИМЕЧАНИЕ: В качестве примера присвойте образцу последовательный лабораторный номер (например, BG4966) для маркировки на каждом контейнере, который содержит любую производную от исходного образца (например, BG4966 <200 мкм). Свяжите этот номер BG с электронным лабораторным журналом, зарегистрированным совместно с полем образца или номером отправки. Включите другую информацию, такую как основное число, год сбора, обозначение диска (например, диск B) и глубина. Маркировка подвыборок в лаборатории является критически важной задачей и должна выполняться с точностью для поддержания цепочки хранения образцов. Извлеките (10-30 г) светозащитный осадок аккуратно шпателем из круглого, забивного центрального участка керна. Поместите экстракт в маркированный полиэтиленовый стакан объемом 250 мл. Очистите этот образец физически и химически, чтобы выделить фракцию кварца для датирования люминесценции.ПРИМЕЧАНИЕ: Выполняйте отбор проб керна в одном направлении (обычно сверху вниз) и по одному за раз, чтобы избежать ошибок отбора проб и загрязнения. Обрабатывайте образцы индивидуально, в числовом порядке, чтобы поддерживать цепочку поставок. Заполните оставшуюся полость образца в сердечнике шариком алюминиевой фольги, чтобы обозначить положение образца и предотвратить разрушение боковины расщепленного сердечника. Смочите сердцевину с помощью DIW с помощью распылительного флакона, заверните в пластик и запечатайте сердцевину для архивирования. 3. Извлечение мономинералогического кварца (рисунок 6) ПРИМЕЧАНИЕ: Весь персонал до начала процедур в лаборатории должен носить средства индивидуальной защиты (СИЗ), которые включают в себя тяжелый и непроницаемый лабораторный халат, сопровождаемый нитрильными одноразовыми перчатками и очками, а также пылевые маски. Эти СИЗ дополняются тяжелыми перчатками из ПВХ и фартуком длиной в тело, акриловым лицевым щитком и многоразовыми силиконовыми водонепроницаемыми бахилами для обуви при использовании растворителей в полную силу для пищеварения. Удалить органическое вещество: медленно добавить 30 мл 25% H2O2 до 30-60 г осадка в полиэтиленовый стакан объемом 250 мл для удаления органического вещества. Хорошо перемешайте стеклянным стержнем, чтобы облегчить реакцию. ДобавитьН2О2до тех пор, пока не произойдет видимого шипения с высвобождениемСО2; дайте ему постоять внутри вытяжного шкафа не менее 12 ч.ВНИМАНИЕ: Выполните эту процедуру под вытяжным кожухом. H2O2 способствует быстрому окислению, является коррозионным и может быть очень вредным для глаз, кожи и дыхательной системы. Лабораторное пальто, химически стойкие перчатки, защитные очки и щит требуются при обращении с реагентами класса H2O2. ДобавлениеH2 O2к осадку, содержащему органическое вещество, является экзотермической реакцией. Быстрое повышение температуры пропорционально обилию органического вещества, распространяемого в образце. Добавление DIW может быть необходимо для поддержания температуры реакции <40°C. Продолжайте добавлятьH2O2 и одновременно контролируйте температуру реакции. Дайте смеси остаться под вытяжным кожухом в течение 12 ч, покрытой восковым герметиком. Поместите стакан в керамическую чашу объемом 300 мл, заполненную 100 мл холодной водопроводной воды, чтобы охладить реакцию и уловить разлив реакции.ПРИМЕЧАНИЕ: Если содержание органического вещества составляет >3%, образцу может потребоваться 1-3 дня замачивания вH2O 2, чтобы полностью вступить в реакцию с органическим углеродом. Следите за экзотермическим теплом и добавляйте DIW, чтобы поддерживать его ниже 40 °C. Не нагревайте образец выше 40 °C. Более высокие температуры могут привести к частичному сбросу сигнала люминесценции, а изменения чувствительности наносят ущерб дозиметрическим измерениям. Промыть образец пять раз 100 мл DIW, чтобы удалить оставшиесяH2O2 и галогениды, присутствующие в осадке. Оседая в течение 30-60 мин, декантируйте супернатант в раковину с проточной водой. Позаботьтесь о том, чтобы сохранить осадок на дне стакана во время декантирования. Медленно добавляют 30 мл 15% HCl на каждые 5 г осадка в стакане 250 мл для реакции с Ca/MgCO3 , распространяемым в образце. Первоначально добавляют ≤ 1 мл для оценки шипения и модуляции дальнейших добавок HCl для контроля лучшей реакции. Хорошо перемешайте стеклянным стержнем, чтобы облегчить завершение реакции. При необходимости добавьте еще HCl до тех пор, пока не произойдет видимого шипения с высвобождением CO2.ВНИМАНИЕ: Используйте HCl внутри вытяжного шкафа, с открытой створкой не более четверти. При работе с этой и другими кислотами требуется лабораторное пальто, химически стойкие перчатки, защитные очки и щит. Реакция HCl с Ca/MgCO3 является экзотермической. Добавление DIW может быть необходимо для поддержания температуры реакции <40 °C. Продолжайте добавлять HCl и одновременно контролируйте температуру реакции. Оставьте смесь внутри вытяжного шкафа в течение 8 ч, покрытого восковой бумагой. Поместите стакан в керамическую чашу объемом 300 мл, заполненную 100 мл холодной водопроводной воды, чтобы охладить реакцию и уловить разлив реакции.Вымойте образец со 100 мл DIW пять раз и тщательно декантируйте, чтобы удалить избыток (разбавленный) HCl в раковину с текучей водой. Высушите осадок на ночь в коробочной печи при 40 °C. Удалите магнитные, парамагнитные и диамагнитные минералы.ПРИМЕЧАНИЕ: Большинство отложений содержат <10% магнитных минералов. Выполняют магнитное минеральное удаление осадка в сухом состоянии с помощью неодимовых магнитов или во влажном состоянии с использованием диспергатора Na-пирофосфата (Na4P2O7·10H2O) раствора (0,3%). Удаление магнитных и связанных с ними минералов необходимо, так как эти компоненты конкурируют с ВЧ травлением кварца и растворением других силикатных минералов.Оберните неодимовый магнит длиной ~2,5 см нейлоновой сетчатой втулкой длиной 38 мкм для удаления сухих отложений магнитных минералов. Поместите обернутый магнит на внешнюю стенку стакана и двигайтесь круговыми движениями, чтобы привлечь магнитные минералы. Медленно переместите магнит в верхнюю часть стакана, чтобы извлечь минералы в керамическую посуду объемом 20 мл. Снимите магнит и отсоедините магнитные минералы, прикрепленные к нейлоновой втулке. Повторяйте шаги 3.4.1-3.4.3 до полного удаления магнитных зерен; обычно после 5 – 6 повторов. Чтобы удалить магнитные зерна в растворе на водной основе, поместите осадок в стеклянный стакан объемом 250 мл с ~ 100 мл 0,3% раствора Na-пирофосфата и тщательно перемешайте до тех пор, пока осадок не будет хорошо дезагрегирован. Поместите стакан на конфорку со встроенной магнитной мешалкой; установить скорость перемешивания на уровне 800 об/мин при лабораторной температуре окружающей среды. Погрузите магнитные стержни и перемешайте осадок в течение 5 мин. Снимите стержни, чтобы очистить притянутые магнитные зерна, потерев тканью или другим магнитом перед возвращением магнитов в раствор. Повторять до тех пор, пока магнитные минералы не будут извлечены; может потребоваться до пяти повторов.ПРИМЕЧАНИЕ: Бинокулярный микроскопический осмотр образца рекомендуется для оценки состояния магнитного удаления минералов. Вместе сухое и влажное магнитное удаление минералов обычно эффективно >95%. Отделите определенную фракцию размером с зерно.ПРИМЕЧАНИЕ: Диапазон размеров частиц кварцевых зерен, подлежащих разделению, основан на ранее определенном распределении частиц по размерам для каждого образца (см. этап 1.1.5). Общие диапазоны размеров частиц для разделения зерен кварца составляют 500-450 мкм, 450-355 мкм и 355-250 мкм для среднего песка, 250-150 мкм и 150-100 мкм для мелкодисперсного песка и 100-63 мкм для очень мелкодисперсного песка.Вырежьте квадраты размером 15 см х 15 см из рулонов нейлоновой сетки двух размеров (например, 150 мкм и 250 мкм) для изоляции размером частиц с использованием мокрого просеивания одноразовыми сетками. Обрамите разрезанную сетку круглой пластиковой направляющей внутреннего диаметра 10 см. Например, для нацеливания на мелкодисперсный песок фракции 150-250 мкм используйте две обрамляющие сетки последовательно: 250 мкм в первую и 150 мкм в секунду. Маркировка трех стаканов с номером лабораторного образца (BGXXXX) и предельными значениями просеивания; >150 >250 мкм и 250-150 мкм (вставка рисунок 6А). Плотно поместите круговую просеивающую направляющую с обрамленной сеткой, например, сначала используйте 250 мкм (более крупный размер зерна) на ободок стакана 1 л (диаметр 10,5 см). Ситовой образец в целевом диапазоне размеров частиц, например, 250-150 мкм. Установите 1-литровый стакан с 250 мкм сетчатой направляющей сверху; готовы к просеиванию. Добавьте ~100 мл 0,3% раствора Na-пирофосфата в стакан объемом 250 мл, который содержит немагнитный осадок, полученный на стадии 3.4.7, и тщательно перемешайте стеклянной дорогой, чтобы облегчить диспергирование частиц. Продолжайте вручную вращать дисперсную осадочную смесь и медленно заливайте через сетку 250 мкм. Осадок частиц размером 250 мкм) для возможного будущего анализа. Установите сетку 150 мкм на новый сухой 1-литровый стакан. Возьмите дисперсную осадочную смесь стадии 3.5.7, продолжайте кружиться в руке и медленно заливайте через сетку 150 мкм. Осадок частиц размером <150 мкм проходит через сетку в нижний стакан. Архивируйте осадок для возможного будущего анализа. Осадок, оставшийся на 150 сетке, представляет собой целевую размерную фракцию, 150-250 мкм, для датирования OSL. Высушите осадки в коробочной печи на ночь при температуре 40 °C. Изолируйте зерна кварца от размера 250-150 мкм отдельно (вставка Рисунок 6B).ПРИМЕЧАНИЕ: Эта процедура включает в себя два разделения плотности с использованием нетоксичного тяжелого жидкого политульфрамата натрия (SPT-Na).6 (Н2W12O40) _H2O) при плотности 2,6 г/куб.см и 2,7 г/куб.см. Смешайте порошок с DIW, чтобы получить эту тяжелую жидкость. Чтобы приготовить 100 мл тяжелой жидкости плотностью 2,6 г/куб.см, добавьте 205,5 г SPT к 54,5 мл DIW. Принимая во внимание, что для получения 100 мл более тяжелой жидкости плотностью 2,7 г/куб.см добавьте 217,5 г ППТ к 52,7 мл DIW. Оцените плотность тяжелой жидкости с помощью предварительно откалиброванных шариков плотности и ареометра.ВНИМАНИЕ: Используйте только DIW для приготовления тяжелых жидкостей, потому что водопроводная вода содержит растворенные ионы, которые реагируют и изменяют состав порошка SPT. Чтобы получить однородный раствор нужной плотности, добавьте порошок SPT в воду, а не в счетчик.Маркировка двух стаканов по 100 мл с номером образца, добавляющим «2,6» к другому стакану. Держите стакан объемом 1 л готовым для сбора тяжелой жидкости, вымытой из образца с помощью DIW. Тщательно смешайте 80-70 мл 2,6 г/см3 тяжелой жидкости с сухой фракцией осадка, полученной на стадии 3.5.8. Перелейте смесь в хорошо маркированный баллон объемом 100 мл. Накройте верхнюю часть восковым герметиком, чтобы избежать испарения. Поместите цилиндр внутрь вытяжного капота, чтобы он оставался нетронутым и защищенным от света. Подождите не менее 1 ч, чтобы образец разделился на две заметно отличающиеся зоны. Более высокие плавающие, более легкие минералы часто обогащаются K-полевым шпатом и na-богатыми плагиоклазами, а более низкие более тяжелые зерна богаты кварцем и другими более тяжелыми минералами.ПРИМЕЧАНИЕ: Время разделения с использованием тяжелой жидкости 2,6 г/куб.см для частиц меньшего размера, 4 ч. Поместите пластиковую воронку и поместите одноразовый бумажный фильтр на стакан емкостью 250 мл. Процедите раствор плотно прилеганием. Медленно и осторожно декантируйте плавающий осадок тяжелой жидкости весом 2,6 г/см3 через фильтр, с взвешенными зернами, захваченными на фильтре. Бережно сохраняйте нижнюю зону осевших зерен. Дайте жидкости пройти через фильтр; мойте DIW по мере необходимости. Перенесите промытый легкий осадок на стакан с маркировкой «номер образца <2,6», поместив бумажный фильтр в стакан и тщательно промыв его DIW. Выбросьте фильтр после смывания всех зерен. Вымойте образец пять раз с помощью DIW, чтобы удалить остатки тяжелой жидкости. Высушите осадки в духовке на ночь при температуре <40 °C. Храните эту богатую полевым шпатом фракцию для будущих анализов. Положите новую фильтровальную бумагу на пластиковую воронку и плотно поместите ее на стеклянный стакан объемом 1 л. Декантировать нижние осевшие минеральные зерна в градуированном цилиндре раствором 2,6 г/см3 . Затем вымойте цилиндр с помощью DIW, используя бутылку для брызг. Перенесите промытый «тяжелый» осадок в стакан с маркировкой «номер образца >2,6». Поместите бумажный фильтр в стакан и тщательно вымойте DIW. Выбросьте фильтр после смывания всех зерен. Трижды вымойте образец в раковине с помощью DIW. Высушите осадки в печи на ночь при <40 °C для дальнейшего разделения плотности с использованием тяжелой жидкости 2,7 г/куб. см. Продолжайте с разделением кварца с тяжелой жидкостью 2,7 г/куб.см. Смешайте сухой «тяжелый» отдельно от стакана с маркировкой «номер образца >2,6» с 70-80 мл тяжелой жидкости 2,7 г/куб.см. Медленно и осторожно декантируйте плавающий осадок (богатый кварцем) на пару воронка-фильтр на стакане объемом 1 л. Тщательно вымойте плавающий образец на фильтре с помощью DIW и соберите промывку в стакан ниже. Перенесите промытый осадок на фильтре в полипропиленовый стакан объемом 250 мл с маркировкой «номер образца + для HF». Поместите бумажный фильтр в стакан и тщательно вымойте DIW; выбросьте фильтр после смывания всех зерен. Поместите новый бумажный фильтр на пластиковую воронку и поместите его на новый стеклянный стакан объемом 1 л. Добавьте DIW в цилиндр, где произошло разделение плотности 2,7 г/куб.см, декантируйте и промывайте DIW до тех пор, пока нижние отделенные зерна не будут полностью перенесены в фильтр. Повторите шаги 3.6.10-3.6.12 и заархивируйте эту самую тяжелую фракцию. Травление зерен кварца погружением в фтористоводородную кислотуПРИМЕЧАНИЕ: Эта процедура имеет две основные цели: 1) растворить любые оставшиеся минералы, кроме кварца; 2) Травить наружные 10-20 мкм зерен кварца, пораженные альфа-излучением28.ВНИМАНИЕ: Концентрированная фтористоводородная кислота (HF) является высокотоксичной и опасной жидкостью. Специальная подготовка и уход необходимы для использования HF из-за высокой кожной и легочной токсичности. Персонал лаборатории должен быть знаком с паспортами безопасности ВЧ-материалов. Всегда обрабатывайте ВЧ внутри операционного лабораторного вытяжного шкафа, рядом с жидкостью для промывания глаз и душевой станцией безопасности. Никогда не работайте с HF в одиночку. Перед обработкой HF убедитесь, что не просроченный 2,5% гель-антидот глюконата кальция находится под рукой. Перед обработкой HF необходимо носить следующие СИЗ: длинные брюки и рукава, обувь с закрытым носком, тяжелое лабораторное пальто, кислотостойкий фартук, толстые нитриловые перчатки (10-20 мил), перчатки из ПВХ или неопрена, которые покрывают руки, запястья и предплечья, пылевая маска, очки, акриловый лицевой щиток и силиконовые водонепроницаемые чехлы для обуви.Подготовьте таймер на 80 минут и нарежьте герметик из восковой бумаги, чтобы покрыть стакан емкостью 250 мл. Включите как DIW, так и обычные краны для воды у раковины и имейте под рукой бутылку DIW в качестве меры предосторожности. Наденьте соответствующие СИЗ для использования HF кислоты. Поместите в вытяжной вытяжной шкаф для тяжелых условий эксплуатации 250 мл с образцом, полученным на этапе 3.6.14; опустите створку почти до закрытия, чтобы быть безопасной и удобной для работы. Добавьте ВЧ в стакан с шагом насоса (20 мл) на каждые 2 г кварца и накройте стакан герметиком из восковой бумаги.ПРИМЕЧАНИЕ: Для повышения безопасности используйте дозатор для бутылок СН, который подает заданные объемы кислоты, например, 20 мл / насос, для контроля количества и направления доставки кислоты. Пластиковые контейнеры высокой плотности используются с HF, потому что эта кислота реагирует со стеклом и вытравливает его. Запустите 80-минутный таймер и снимите HF-PPE. Имейте в виду, чтобы снова надеть СИЗ, чтобы очистить образец за 5 минут до завершения времени. Вымойте образец пять раз под капотом. Наполните стакан DIW, чтобы разбавить кислоту и декантировать ее в спутниковый контейнер, используемый для отходов HF. Извлеките образец из вытяжного шкафа и промыть образец еще три раза с помощью DIW у раковины, сохраняя открытыми как DIW, так и обычные краны для воды, чтобы еще больше разбавить любой оставшийся HF. Декантируйте и переместите образец в стеклянный стакан объемом 250 мл, добавьте ~150 мл 0,3% Раствор Na-пирофосфата (Na4P2O7 ·10H2O) в осадок и поместите стакан в ванну для ультразвука на 20 минут, чтобы полностью дезагрегировать зерна и частицы. Промыть образец еще пять раз DIW на раковине, чтобы удалить Na-пирофосфат. Декантировать и маркировать стакан “Имя образца” для HCl”. Погружайте минеральные зерна, оставшиеся после СН-переваривания (стадия 3.7.9), в концентрированный HCl.ВНИМАНИЕ: Концентрированный HCl (~ 36%) считается токсичной и коррозионной жидкостью, которая может вызвать химические ожоги при контакте и повреждение глаз при брызгании, а также травмы рта, горла, пищевода и желудка при попадании в организм. Работники должны быть ознакомлены с паспортами безопасности материалов HCl. Всегда обрабатывайте концентрированный HCl внутри рабочего вытяжного шкафа, рядом с душевой станцией для промывания глаз и безопасного душа. Никогда не работайте с HCl в одиночку. Перед началом переваривания осадка с HCl обязательно наденьте СИЗ, перечисленные в шаге 3.7.ПРИМЕЧАНИЕ: Как и в случае с концентрированным HF, безопаснее использовать дозатор для бутылок для контроля количества и направления сброса. Используйте стеклянную тару при работе с HCl. Перед снятием СИЗ вымойте перчатки водой с мылом, а после снятия СИЗ вымойте руки и предплечья.Подготовьте восковой герметик, чтобы покрыть стакан образцом, погруженным в кислоту. Включите как DIW, так и обычные краны для воды у раковины и имейте под рукой бутылку DIW в качестве меры предосторожности. Наденьте кислотные СИЗ. Поместите стеклянный стакан объемом 250 мл с образцом, полученным на этапе 3.7.9, внутрь вытяжного шкафа. Опустите створку почти до закрытия, чтобы быть безопасной и удобной для работы. Добавьте HCl в образец с шагом насоса (20 мл) на каждые 5 г кварца, а затем накройте стакан восковой герметизирующей бумагой. Удалите кислотные СИЗ. Оставьте образец для переваривания HCl на 8 ч в вытяжном шкафу. Нанесите кислотные СИЗ перед очисткой HCl. Вымойте образец пять раз под капотом; декант супернатанта в контейнер спутника для сбора отходов HCl. Промыть образец еще три раза с помощью DIW у раковины, сохраняя открытыми как DIW, так и обычные водопроводные краны для дальнейшего разбавления. Обязательно продолжайте носить необходимые СИЗ. Повторно просейте отложения через наименьшую предварительную сетку (например, 150 мкм) для удаления трещиноватых и разбитых зерен. Декантировать и маркировать стакан «Название образца для OSL» и сушить осадки в печи в течение не менее 8 ч при <40 °C для оценки чистоты кварцевой сепарации этого готового продукта. Количественная оценка отдельной чистоты кварцаИспользуйте рассекающую иглу, чтобы поместить 200-400 минеральных зерен на стеклянную горку и осмотреть под 10x или 20x бинокулярным и / или петроскопическим микроскопом для идентификации зерновых минералов. Количественно оцените процент зерен кварца по точечному подсчету и запишите минералогию 100 отдельных зерен. Если подвыборка демонстрирует >1% некварцевых минералов и является нежелательным минералом с высоким выходом фотонов (например, K-полевой шпат) или остается неидентифицированным, подскажите образец для рамановской спектроскопии. Используйте рамановскую спектроскопию и связанное с ней изображение для подтверждения минералогии зерна и идентификации минералов, нераспознанных при микроскопическом осмотре. Используйте синий луч шириной 5 мкм и 100-зерновыми точечными подсчетами для оценки процентной чистоты кварца и идентификации неизвестных зерновых минералов. Оценка спектров чистоты кварца с помощью инфракрасной стимуляцииПодготовьте пять сверхмалых аликвот кварцевых отделений для ИК-стимуляции, встряхнув зерна на круглый алюминиевый диск (диаметр 1 см). Каждая аликвота обычно содержит приблизительно 20-100 зерен кварца, соответствующих круглому диаметру 1 мм или менее, приклеенному (с кремнием) к диску. Загрузите диски на образец карусели для стимуляции ИК-светодиодами (845 нм ± 4 нм), поставляемыми автоматизированной системой считывателя TL/OSL, и сравните его с возбуждением синего света (470 нм ± 20 нм), которое является предпочтительным для кварца. Убедитесь, что соотношение между IRSL и излучением синего света кварцевых зерновых аликвот составляет <5%. В этом случае образец готов к дальнейшему анализу. В противном случае образец требует дополнительной очистки с помощью HF (шаг 3.7).

Representative Results

Описанные лабораторные процедуры направлены на улучшение разделения чистых зерен кварца (размером от 700 до 50 мкм), необходимых для датирования OSL без непреднамеренного сброса света в лаборатории (рисунок 1). Чистый кварц отдельный, минералогически и оптически, является необходимым условием для применения процедур датирования SAR и TT-OSL (рисунок 2). Эти процедуры разъясняют необходимые шаги для эффективного понимания и отбора проб сплошных кернов отложений, избегая зон педогенеза и диагенеза, извлечения неосвещенных отложений из кернов (рисунок 3 и рисунок 4); выделить зерна кварца для протоколов датирования OSL, чтобы ограничить сроки осаждения отложений в прошлом около 500 ка (рисунок 5). Минералогия зерен неподготовленного образца и подготовленных отдельных веществ непрерывно оценивается в процессе подготовки для выявления загрязняющей минералогии и активной оценки процесса удаления нежелательных минералов (рис. 6 и фиг.7). Минералогическая чистота кварца определяется для подмножества зерен (100-400) с помощью бинокулярного микроскопического контроля (10-20x) и рамановской спектроскопии. Использование этой технологии и предварительных знаний имеет жизненно важное значение для оценки и подтверждения необходимой чистоты (>99%) кварцевых сепараторов для датирования OSL (рисунок 8). Процесс разделения кварца начинают с удаления органического вещества сH2O2 и последующей продувки Ca/MgCO3 с замачиванием в HCl. Впоследствии размерная фракция обозначается просеиванием одноразовой нейлоновой сеткой (например, 150 и 250 мкм), что необходимо для расчета значений мощности дозы (в мГр/г) (вставка на фиг.6А). Чистота кварцевого отделения усиливается двумя плотностными разделениями при 2,6 и 2,7 г/куб.см, ограничивающей плотностью кварца (вставка на рисунке 6В). Последующее замачивание крупногабаритных зерен в HF в течение 80 мин удаляет некварцевые минералы. Эта обработка также вытравливает наружные 10-20 мкм зерен для удаления пораженной области альфа-дозы, упрощая расчет мощности дозы (рисунок 6). Чистота кварца никогда не предполагается, но оценивается с помощью бинокулярного микроскопического осмотра и рамановских измерений в конце разделения зерна. Разделение плотности и/или обработка HF могут быть повторены для избавления от отдельных загрязняющих зерен, если репрезентативная аликвота содержит >1% некварцевых зерен, особенно минералы полевого шпата (рисунок 7). Процедуру очистки кварца повторяли до четырех раз с содержанием кварца 20, характерным для чистого кварца (рисунок 8). Рисунок 1: Процессы с датированием OSL. (A) Минеральные зерна приобретают OSL при воздействии ионизирующего излучения. (B) Зерно OSL сбрасывается солнечным светом при эрозии/транспортировке. c) воздействие ионизации при погребении; приобретенная люминесценция. (D) Воздействие света сбрасывает OSL при эрозии/транспортировке. (E) Зерна повторно закапываются, а OSL приобретается под воздействием ионизирующего излучения. F) Показывает отбор проб без воздействия света. За результирующей измеренной естественной OSL следует нормализующая тестовая доза (Ln/Tn), которая приравнивается к кривой регенеративной дозы для получения эквивалентной дозы (De). Эта цифра была изменена по сравнению с Forman, S.L. et al.7. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. Рисунок 2: Оптические стимулирующие люминесценции – протоколы регенерации одной аликвоты (OSL-SAR) для зерен кварца. А) эквивалентная доза с использованием протоколов SAR; естественный OSL составляет Ln/Tn, а регенеративная доза – Lx/Tx; изменения чувствительности корректируются путем введения тестовой дозы (например, 5 Гр). (B) Обобщенный протокол SAR. Эта цифра была изменена по сравнению с Forman, S.L. et al.7. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. Рисунок 3: Блок-схема, описывающая шаги, необходимые для вскрытия, описания и интерпретации восстановленного осадочного керна. На этом рисунке показано извлечение осадочного керна с использованием ударного корера с последующим вскрытием, очисткой, описанием и изучением керна для получения оптимального образца для датирования OSL. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. Рисунок 4: Пример типичного бревна осадочного и стратиграфического участка керна. Единицы измерения и педосадиментарные фации определяются с использованием седиментологии, стратиграфии, педологии, гранулометрии и карбонатного процента. Горизонты почв, найденные в стратиграфической колонке сверху вниз: A: Поверхностный органически богатый горизонт, B: подпочвенный со слабой структурой и цветом (Bw) и погребенный горизонт Btb с накоплением глины, Btkb с вторичным карбонатом кальция и накоплением глины и Bkb с накоплением вторичного карбоната кальция. Доминирующий размер частиц осадочных единиц показан на нижней горизонтали со средним песком (MS), мелким песком (FS), очень мелким песком (VFS) и илом (Si). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. Рисунок 5: Блок-схема шагов, необходимых для сбора образца OSL из осадочного керна. На этом рисунке представлена блок-схема с основными шагами, предпринятыми для подготовки кварцевого отдельного для датирования OSL. Протоколы начинаются с извлечения полиминерального осадка из светозащитных участков ядра в светобезопасной лаборатории OLS. Они продолжают добычу мономинералогической фракции кварца, включая удаление органического вещества перекисью, карбонатов с HCl и магнитных минералов с помощью ручных магнитов. Разделение удельной фракции пескоразмерного осадка производится просеиванием; Разделение минералов менее плотных и тяжелых, чем кварц, производится с использованием плотности жидкостей (ρ = 2,6 г/куб.см и 2,7 г/куб.см). Заключительные этапы очистки требуют погружения осадка в HF и HCl полной силы для выделения кварца из любого другого минерала во фракции. Чистота раздельного оценивается бинокулярным контролем, РАМАН-спектроскопией и дальнейшей проверкой IRSL (инфракрасного) излучения. Цель состоит в том, чтобы получить образец с чистотой ≥99%. Для этого необходимо, чтобы некоторые из шагов были повторены. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. Рисунок 6: Блок-схема, изображающая все этапы, необходимые для получения нетронутого кварца отдельно от образца осадка из керна. Эта чистая фракция кварца будет использоваться для анализа OSL-SAR для оценки возраста. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. Рисунок 7: Сравнение двух образцов, собранных в двух разных областях: Белые пески (первый ряд) и Монголия (второй ряд). Столбец A показывает необработанные образцы под бинокулярным микроскопом, собранные в полевых условиях. В колонке B показаны отдельные фракции для каждого обработанного образца под бинокулярным микроскопом. Столбец C показывает соответствующие результаты спектроскопии RAMAN. Образец из Белых песков содержит сульфаты (в основном гипс), галогениды и очень мало кварца (колонка А). Соответственно, отдельная фракция (63-100 мкм) для обработанного образца в колонке B показывает, что он содержит в основном кварц, все еще с некоторыми остатками гипса, как показано спектроскопией RAMAN в колонке C. Соотношение между OSL IR и синим откликами для этого образца составляет 9%, подтверждая, что он нуждается во втором разделении по плотности при 2,6 г / куб. см, что, возможно, удалит более легкий гипс (2,36 г / куб. см) из более тяжелого кварца. Напротив, монгольский образец (колонка А) изначально очень богат полевыми шпатами, преимущественно К-полевым шпатом. После прохождения процедур очистки показан обильный кварц, выделенный в 100-150 мкм отдельно (столбцы B и C), что дает удовлетворительное соотношение IR/Bl 3,7%. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. Рисунок 8: Сравнение быстрого соотношения для натурального в трех образцах, которые представляют различные степени чистоты фракции кварца. (А) Идеальное распределение быстрого соотношения в нетронутом эоловом образце из Ред-Ривер с быстрым соотношением = 72. Контрастные фигуры (рисунок 8B,C) имеют менее быстрый компонент с синей светодиодной стимуляцией, которая ниже 20. (B) Образец с неполным разделением кварца и плагиоклаз. Компоненты L2 и L3 составляют значительный % компонента L1 (см. уравнение 2). (C) Кривая блеска для полевого кварца с доминирующим средним компонентом (L2). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Discussion

Минералогическая чистота кварца имеет решающее значение для датирования OSL. Тем не менее, спектральная чистота кварца не менее важна и обычно усиливается при тщательной концентрации зерен кварца. В идеале, кварцевые зерна при стимуляции синим светодиодом (470 нм ± 20 нм) в течение 40 с должны излучать ≥ 90% люминесценции в течение первых ~ 0-2,5 с стимуляции, называемой быстрым компонентом, с < 10% излучения света между ~ 2,5 и ~ 15 с (средний компонент) и конечным низким уровнем излучения после ~ 15 с (медленный компонент) (рисунок 8). Предпочтительным является люминесцентное излучение, в котором доминирует быстрый компонент, поскольку оно быстро сбрасывается на солнечную энергию (в секундах) и показывает высокую чувствительность к применяемому β излучению в лаборатории, улучшая определение эквивалентной дозы. Важной метрикой для оценки доминирования быстрых компонентов для OSL датирования кварца является расчет «быстрого соотношения»^29,30 с примером, показанным уравнением 2 и на рисунке 8. Быстрое соотношение >20 для кривой блеска кварца считается надежным люминесцентным излучением, подходящим для OSL^{датировки 29} (см. Рисунок 8A). Отделители, которые имеют загрязнение K-полевыми шпаргами и плагиоклазой или полевыми включениями, часто дают быстрые соотношения <10 (см. Рисунок 8B, C) и непригодны для протоколов кварцевого датирования SAR.

Быстрое соотношение (уравнение 2)

Где L1: Быстрое излучение компонентов в течение ~0-2,5 с
L2: Средняя эмиссия компонентов ~ 2,5-15 с L3: Медленная эмиссия компонентов ~ 15-40 с

Важным испытанием на спектральную чистоту изолированных зерен кварца является реакция аликвот на инфракрасное возбуждение от светодиодов (845 нм ± 4 нм). Большинство зерен кварца дают низкое или незначительное люминесцентное излучение с ИК-стимуляцией при или в пределах нескольких сотен подсчетов фоновых выбросов. Была разработана метрика для оценки выбросов на основе ИК, называемая коэффициентом истощения ИК, которая рассчитывается как коэффициент SAR (L_x / T_x) для облученных (5-10 Гр) зерен кварца, стимулируемых ИК-светодиодами, а затем синими светодиодами. В частности, отношение ИК-люминесценции, деленное на синие излучения, должно составлять <5%, что указывает на спектрально чистую фракцию кварца, поддающуюся датированию OSL (рисунок 8A). Тем не менее, есть случаи, когда минералогически чистые зерна кварца могут давать ошибочные люминесцентные излучения с ИК-стимуляцией. Этот ИК-сигнал может отражать прилипшие литические фрагменты или полевые включения в кварце. В таких случаях зерна кварца должны быть датированы протоколами³¹ полевого шпата. Эти протоколы с модификациями могут быть использованы для разделения и подтверждения чистоты других минералов для датирования OSL, таких как k-полевой шпат, плагиоклаза, оливин и пироксен для других планетарных применений.

Способность выделять >99% кварца отдельно и подтверждать чистоту на уровне зерен является необходимым условием для точного датирования люминесценции. Датирование однозерновых и сверхмалых аликвот (10-50 зерен) требует дополнительной проверки того, что люминесцентные выбросы всех зерен были от кварца. В свою очередь, применение термотрансферных подходов, которые могут дать достоверный возраст OSL до одного миллиона лет, основано на чистых кварцевых сигналах от минеральных зерен⁶. Мономинералогический кварцевый отдельный является основополагающим для применения протоколов OSL-SAR, который обеспечивает последовательность возрастов для расшифровки истории осаждения эоловых и речных систем для позднего четвертичного^{периода} 1,2,32,33 (рисунок 1 и рисунок 2). Загрязнение кварцевых аликвот ошибочными зернами K-полевого шпата или полевыми включениями в кварце или прилипшем литийском фрагменте дает смешанный дозиметрический сигнал и, склонный к аномальному затуханию, часто дает заниженные значения⁴. Однако чистый кварцевый отдел не обеспечивает абсолютно спектральную чистоту и соответствующие выбросы для кварцевого датирования. Эффективное датирование OSL требует тщательной и полной изоляции зерен кварца и связанных с OSL метрик для проверки чистого кварца, разделенного минералогически и спектрально ^2,33,34.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Поддержка Исследовательской лаборатории геолюминесцентного датирования была предоставлена Университетом Бейлора и грантами Национального научного фонда (GSS-166023), National Geographic (#9990-1) и Atlas Sand. Открытия и обучение в этой лаборатории были улучшены нашими многочисленными сотрудниками, студентами и посетителями, которые принесли новые перспективы, идеи и подходы.

Materials

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

References

Murray, A. S., Wintle, A. G. The single aliquot regenerative dose protocol: Potential for improvements in reliability. Radiation Measurements. 37 (4-5), 377-381 (2003).
Wintle, A. G., Murray, A. S. A review of quartz optically stimulated luminescence characteristics and their relevance in single-aliquot regeneration dating protocols. Radiation Measurements. 41, 369-391 (2006).
. RISO Luminescence Analyst, Version 4.57 Available from: https://users.aber.ac.uk/ggd (2021)
Aitken, M. J. . An introduction to optical dating: the dating of Quaternary sediments by the use of photon-stimulated luminescence. , (1998).
Duller, G. A. T., Wintle, A. G. A review of the thermally transferred optically stimulated luminescence signal from quartz for dating sediments. Quaternary Geochronology. 7 (1), 6-20 (2012).
Brown, N. D., Forman, S. L. Evaluating a SAR TT-OSL protocol for dating fine-grained quartz within Late Pleistocene loess deposits in the Missouri and Mississippi river valleys, United States. Quaternary Geochronology. 12, 87-97 (2012).
Forman, S. Luminescence Dating in Paleoseismology. Encyclopedia of Earthquake Engineering. , 1371-1378 (2015).
Lepper, K., McKeever, S. W. S. An objective methodology for dose distribution analysis. Radiation Protection Dosimetry. 101 (1-4), 349-352 (2002).
Tsukamoto, S., Duller, G. A. T., Wintle, A. G., Muhs, D. Assessing the potential for luminescence dating of basalts. Quaternary Geochronology. 6, 61-70 (2011).
Li, S. H., Chen, G. Studies of thermal stability of trapped charges associated with OSL from quartz. Journal of Physics D-Applied Physics. 34 (4), 493-498 (2001).
Fu, X., Li, S. H., Li, B. Optical dating of aeolian and fluvial sediments in north Tian Shan range, China: Luminescence characteristics and methodological aspects. Quaternary Geochronology. 30, 161-167 (2015).
Hu, G., Li, S. -. H. Simplified procedures for optical dating of young sediments using quartz. Quaternary Geochronology. 49, 31-38 (2019).
Porat, N. Use of magnetic separation for purifying quartz for luminescence dating. Ancient TL. 24 (2), 33-36 (2006).
Mejdahl, V. Thermoluminescence dating of sediments. Radiation Protection Dosimetry. 17, 219-227 (1986).
Fain, J., Soumana, S., Montret, M., Miallier, D., Pilleyre, T., Sanzelle, S. Luminescence and ESR dating-Beta-dose attenuation for various grain shapes calculated by a Monte-Carlo method. Quaternary Science Reviews. 18, 231-234 (1999).
Prescott, J. R., Hutton, J. T. Cosmic ray contributions to dose rates for luminescence and ESR dating: large depths and long-term time variations. Radiation Measurements. 23, 497-500 (1994).
Peng, L., Forman, S. L. LDAC: An excel-based program for luminescence equivalent dose and burial age calculations. Ancient TL. 37, 2 (2019).
Lafuente, B., Downs, R. T., Yang, H., Stone, N. The power of databases: the RRUFF project. Highlights in Mineralogical Crystallography. , 1-30 (2015).
Wintle, A. G. Luminescence dating: laboratory procedures and protocols. Radiation Measurements. 27, 769-817 (1997).
Aitken, M. J. . Thermoluminescence Dating. , (1985).
Porat, N., Faerstein, G., Medialdea, A., Murray, A. S. Re-examination of common extraction and purification methods of quartz and feldspar for luminescence dating. Ancient TL. 33 (1), 22-30 (2015).
Andò, S. Gravimetric Separation of Heavy Minerals in Sediments and Rocks. Minerals. , 15 (2020).
Nelson, M., Rittenour, T., Cornachione, H. Sampling methods for luminescence dating of subsurface deposits from cores. Methods and Protocols 2. 88, 1-15 (2019).
Munsell Color. . Munsell Soil Color Charts: with Genuine Munsell Color Chips. , (2010).
USDA Natural Resources Conservation Service Soils. . Keys to soil taxonomy. 20, (2014).
User Manual. Malvern Instruments Ltd Available from: https://www.malvernpanalytical.com/en/products/product-range/mastersizer-range/mastersizer-3000 (2013)
Wentworth, C. K. A scale of grade and class terms for clastic sediments. Journal of Geology. 30 (5), 377-392 (1922).
Mejdahl, V., Christiansen, H. H. Procedures used for luminescence dating of sediments. Boreas. 13, 403-406 (1994).
Madsen, A. T., Duller, G. A. T., Donnelly, J. P., Roberts, H. M., Wintle, A. G. A. Chronology of hurricane landfalls at Little Sippewisset Marsh, Massachusetts, USA, using optical dating. Geomorphology. 109, 36-45 (2009).
Durcan, J. A., Duller, G. A. T. The fast ratio: A rapid measure for testing the dominance of the fast component in the initial OSL signal from quartz. Radiation Measurements. 46, 1065-1072 (2011).
Wang, Y., Chen, T., Chongyi, E., An, F., Lai, Z., Zhao, L., Liu, X. -. J. Quartz OSL and K-feldspar post-IR IRSL dating of loess in the Huangshui river valley, northeastern Tibetan plateau. Aeolian Research. 33, 23-32 (2018).
Murray, A., Olley, J. Precision and accuracy in the optically stimulated luminescence dating of sedimentary quartz: A status review. Geochronometria. 21, 1-16 (2002).
Murray, A. S., Wintle, A. G. Luminescence dating of quartz using an improved single-aliquot regenerative-dose protocol. Radiation Measurements. 32 (1), 57-73 (2000).
Timar-Gabor, A., Wintle, A. G. On natural and laboratory generated dose response curves for quartz of different grain sizes from Romanian loess. Quintenary Geochronology. 18, 34-40 (2013).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite This Article

Marin, L. C., Forman, S. L., Todd, V. T., Mayhack, C., Gonzalez, A., Liang, P. Isolation of Quartz Grains for Optically Stimulated Luminescence (OSL) Dating of Quaternary Sediments for Paleoenvironmental Research. J. Vis. Exp. (174), e62706, doi:10.3791/62706 (2021).