Denne protokollen er for isolering av kvartskorn etter størrelse for luminescensdatering av sedimenter. Skissert er fysisk rensing og kjemisk fordøyelse ved å bløtlegge sekvensielti H 2 O2, HCl, HF og HCl igjen for å isolere kvartskorn. Kvartsrenheten kvantifiseres med mikroskopisk vurdering, Raman-spektroskopi og IR-uttømmingsforhold.
Optisk stimulert luminescens (OSL) datering kvantifiserer tiden siden mineralkorn ble avsatt og skjermet fra ytterligere lys- eller varmeeksponering, noe som effektivt tilbakestiller luminescensklokken. Systematikken ved OSL-datering er basert på de dosimetriske egenskapene til vanlige mineraler, som kvarts og feltspat. Den oppkjøpte luminescensen med eksponering for naturlig ioniserende stråling etter begravelse gir en avsetningsalder for mange kvartære sedimentære systemer, som spenner over de siste 0,5 Ma. Dette bidraget beskriver prosedyrene for separering av rene kvartskorn av et kjent utvalg av partikkelstørrelser for å lette luminescensanalyse med små eller enkeltkornede aliquoter. Spesielt er protokoller gitt for nødvendige data og tolkninger for effektiv OSL-datering av terrestriske sedimentkjerner eller prøverør fra eksponeringer. Disse kjernene, 5-20 m lange i 1,2 m seksjoner, er delt på langs og kroneskåret og etterlater 80% av kjernevolumet uforstyrret, noe som letter prøvetaking av lysbeskyttet sediment for OSL-datering dypt inne i kjernen. Sedimentprøver blir deretter utsatt for en rekke fysiske separasjoner for å oppnå et bestemt kornstørrelsesintervall (f.eks. 150-250 μm). Magnetiske mineraler fjernes i våte og tørre tilstander ved hjelp av magneter. En serie kjemiske fordøyelser starter med bløtlegging i H 2O2 for å fjerne organisk materiale, etterfulgt av HCl-eksponering for å fjerne karbonatmineraler, etterfulgt av tetthetsseparasjon. Deretter blir korn gjennomvåt i HF i 80 minutter og etter i HCl for å gjengi utelukkende kvartskorn. Den mineralogiske renheten (>99%) av kvartsekstraktet er kvantifisert med korn petrografisk vurdering og Raman spektroskopi. Det kan være nødvendig å gjenta denne kvartsisolasjonsprosedyren med sediment som inneholder <15% kvartskorn. Eksitasjon av de rensede kvartskornene med LED-avledet blått og IR-lys tillater beregninger av de raske og IR-uttømmingsforholdene, som er beregninger for å vurdere dominansen av luminescensutslipp fra kvarts.
Optisk stimulert luminescens (OSL) geokronologi gir tiden fra siste lys- eller varmeeksponering etter sedimenterosjon, avsetning og begravelse; og ytterligere eksponering for lys eller varme. Dermed reduserer naturlige sedimentære prosesser eller oppvarmingshendelser (>300 °C) det tidligere arvelige luminescenssignalet til et konsekvent lavt nivå. I løpet av de siste to tiårene har det vært betydelige fremskritt innen luminescensdatering, for eksempel enkelt aliquot og kornanalyse av spesifikke mineralkorn, som kvarts. Disse eksperimentbaserte dateringsprotokollene med blå eller grønne dioder kan kompensere effektivt for følsomhetsendringer indusert i laboratoriet, noe som gjør OSL-alderen til de siste ca. 500 ka 1,2,3.
Silikatmineraler som kvarts og kaliumfeltspat har varierende krystallgitterladningsdefekter; noen dannet på tidspunktet for mineralkrystallisering og andre på grunn av etterfølgende eksponering for ioniserende stråling, noe som resulterer i geokronometrisk potensial. Disse feilene er sannsynlige steder for elektronlagring med felledybdeenergier på ~ 1,3-3 eV. En underpopulasjon av inneholdte elektroner i gitterladningsdefekter av kvartskorn er en kilde til tidsdiagnostiske luminescensutslipp med eksitasjon av blått lys. Dermed øker denne luminescensutslippet med tiden, over sol- eller varmetilbakestillingsnivået med eksponering for ioniserende stråling i begravelsesperioden. Dette signalet reduseres til et lavt, definerbart nivå (“nullstilt”) med påfølgende sollyseksponering med sedimenterosjon, transport og avsetning. Denne luminescens “syklusen” forekommer i de fleste avsetningsmiljøer på jorden og andre planeter. OSL-datering av sedimentære kvartskorn gir således en avsetningsalder som reflekterer tiden som er gått siden siste lyseksponering med avsetning og begravelse (figur 1).
Luminescensdatering er en dosimetrisk basert teknikk som gir aldersestimater for utvalgte mineralkorn, som kvarts, fra eolianske, fluviale, lacustrine, marine og koluviale sedimenter assosiert med oppregnbare sammenhenger for geomorf, tektonisk, paleontologisk, paleoklimatisk og arkeologisk forskning 2,4,5,6,7. OSL-datering blir også evaluert for å begrense overflateprosesser på andre planeter, spesielt på Mars 8,9. Ofte er det mest brukte mineralet i OSL-datering på jorden kvarts, noe som gjenspeiler dets naturlige overflod, en iboende følsomhet som geokronometer, signalstabilitet og rask tilbakestilling med sollyseksponering (sekunder til minutter) 4,10,11,12. Imidlertid blir nøyaktigheten av OSL-datering kompromittert hvis kvartsekstraktet er urent, spesielt hvis det er forurenset av kalium og andre feltspat, som kan ha luminescensutslipp ti til hundre ganger lysere enn kvarts og kan gi alder undervurderer13. Derfor er den absolutte (>99%) renheten for ekstrakter av kvartskorn fra sediment avgjørende for nøyaktig OSL-datering. Dermed er fokuset på dette bidraget å gi detaljerte prosedyrer for isolering av høyt rensede kvartskorn skiller seg fra en rekke polyminerale sedimenter. Dette krever integrering av kunnskap om mineralogi, krystallkjemi; optisk og Raman-avbildning, for effektivt å anvende laboratorieprotokoller, for å gjengi OSL-aldre på kvartskorn fra nøye samplede lag fra hentede sedimentkjerner. Sedimentkjernene ble samlet inn ved en skyve- og perkusjonskoringsmetode, som hentet intakt sediment ned til en dybde på 20-25 m.
Det tidsfølsomme signalet for OSL tilbakestilles relativt raskt med minutter til timer med eksponering for sollys. Det geologiske OSL-signalet akkumuleres fra dette soltilbakestillingsnivået. Selv om OSL-utslippene av kvarts er betydelig varierende, noe som reflekterer original krystallinsk struktur, gitter urenheter, sensibilisering med luminescens tilbakestilling sykluser14 (figur 1). Dermed er det iboende variasjon i dosefølsomheten til kvarts, og dateringsprotokoller må utarbeides for spesifikk mineralogisk og sedimentær opprinnelse. Heldigvis ga fremveksten av single aliquot regenerative (SAR) doseprotokoller for kvarts 1,2 systematikk for å rette opp variasjon i OSL-utslipp og beregninger for å evaluere laboratorieendringer i tilsynelatende OSL-følsomhet. Sedimentkorn fungerer som langsiktige strålingsdosimetre når de skjules for ytterligere lyseksponering, med luminescenssignalet som et mål på strålingseksponering i begravelsesperioden. Stråledosen som tilsvarer den naturlige luminescensemisjonen av isolerte kvartskorn omtales som ekvivalent dose (De: i gråtoner, Gy), som er telleren av OSLs aldersligning (ligning 1). Nevneren er dosehastigheten (Dr: Grays/yr.), definert ved å bidra med α, β og γ stråling, som stammer fra radioaktivt henfall av datterisotoper i 235 U, 238 U, 232Th decay-serien, 40K, og med mindre bidrag fra forfallet av 85Rb og kosmiske og galaktiske kilder.
OSL-alder (år) = (ligning 1)
Hvor Dα = alfadose Dβ = betadose Dγ = gammadose Dc = kosmisk dose og w=vanndempingsfaktor.
En annen metode for U- og Th-bestemmelse i laboratoriet eller feltet er gammaspektrometri, med Germanium-varianten i stand til å kvantifisere U og Th isotopisk ubalanse med passende justeringer av dosehastigheten. Beta- og gammakomponentene i miljødosehastigheten må modifiseres for massedemping15. Imidlertid er det en effektivt ubetydelig alfadose for korn >50 μm med ytre 10-20 μm korn fjernet ved behandling med ufortynnet HF under tilberedning. En kritisk komponent i doseratevurderingen er kvantifiseringen av den kosmiske og galaktiske dosen i begravelsesperioden, som beregnes for bestemte punkter på jorden med justeringer for lengdegrad, breddegrad, høyde, gravdybde og tetthet av overliggende sediment16,17.
Sedimenter som inneholder >15% kvarts er vanligvis relativt enkle for å skille ut en kvartsfraksjon med høy renhet. Imidlertid krever sedimenter med <15% kvarts ofte ekstra tid for å sikre nødvendig mineralogisk renhet for OSL-datering. Omtrent 500-1000 kvartskorn er nødvendig for denne analysen, men ofte separeres tusenvis av korn for dupliserte analyser, arkivering for å utvide et kalibreringsbibliotek og fremtidige fremskritt. Den mineralogiske sammensetningen av sedimentprøver vurderes innledningsvis, korn for korn, ved petrografisk analyse gjennom en kikkert mikroskopisk (10-20x) og tilhørende forestill analyse. Mineralogien til individuelle korn testes videre av Raman-spektroskopi for å måle kornspektra ved hjelp av en eksitasjonslaser (455 nm, 532 nm, 633 nm eller 785 nm) og statistisk sammenligne kornutslipp med kjente mineralspektra fra RRUFF System Database18.
Når den visuelle og spektrale inspeksjonen er tilfredsstillende, kontrolleres renheten til OSL-signalet ytterligere, ved hjelp av et automatisert luminescenslesersystem. Tre til fem aliquots av prøven er utsatt for infrarød eksitasjon (IR = 1,08 watt ved 845 nm ± 4 nm), som fortrinnsvis stimulerer feltspatmineraler, og dette utslippet sammenlignes med utslipp ved eksitering av blått lys (Bl = 470 nm ± 20 nm), som fortrinnsvis stimulerer kvarts. Hvis forholdet IR / Bl ≥ 5%, indikerer testen feltspatforurensning og syrefordøyelser gjentas. Hvis forholdet IR / Bl <5%, anses prøvene kvartsfraksjon tilfredsstillende for datering.
Single aliquot regeneration (SAR) protokoller på kvartskorn er en ofte brukt tilnærming i OSL-datering av sedimenter med prosedyrer skreddersydd for en bestemt prøve, et studiested eller et område. Reproduserbarheten av disse protokollene bestemmes ved å gi kvartskorn en kjent betadose (f.eks. 30 Gy) og evaluere hvilken varmeforbehandling som gjenoppretter denne kjente dosen (figur 2). I praksis innebærer bestemmelse av en De med SAR-protokollene beregning av et forhold mellom naturlig luminescens og luminescens fra en kjent testdose (L n / Tn-forhold), som sammenlignes med luminescensutslippene for regenerative doser dividert med luminescensen fra samme testdose (L x / Tx) (figur 2 ). En korreksjon, en konsekvent påført testdose (f.eks. 5 Gy), er utviklet for å kompensere for kvartskornfølsomhetsendringer med måling gjennom SAR-sykluser. Ofte øker OSL-utslippene med >5 % for hver påfølgende SAR-syklus, men får samme dose (f.eks. 5 Gy)7.
Minst førti aliquots kvarts eller 500 korn analyseres med TL / OSL-lesersystem, med eksitasjon av blått lys. Luminescensdataene som genereres analyseres av programvare tilknyttet Risø TL/OSL-DA-20 lesersystem. Verdiene og aldersestimatene De og Dr beregnes ved hjelp av LDAC-kalkulatoren (Luminescence Dose and Age Calculator)17. Denne plattformen bruker statistiske modeller for å bestemme ekvivalente doseverdier (De) og gjengi tilsvarende OSL-alder med begrensede feil.
Den ekstraherte lysskjermede prøven fra en kjerne fremstilles av to grunner: 1) For å oppnå en mineralogisk fraksjon av kvartskorn med en renhet på >99%, og 2) For å isolere korn med spesifikk størrelsesfraksjon, for eksempel 150-250 μm, for vurdering av miljø Dr for OSL-datering17. I mange sedimentære omgivelser er kvartskorn vanlige; men blandet med andre silikat- og ikke-silikatmineraler, bergartsfragmenter og organisk materiale. Tidligere ble prosedyrer kort skissert, noe som indikerer noen spesifikke trinn og reagenser som trengs for å isolere rene kvartskorn i sammenheng med OSL-datering 13,19,20,21,22,23. Dette bidraget har hatt stor nytte av disse tidligere tilnærmingene. Dette papiret skisserer reviderte og mer detaljerte protokoller ved hjelp av petrografisk avbildning og Raman-teknologi for å overvåke kornmineralogi og gjengi svært rene (>99%) kvartsekstrakter for luminescensdatering. Disse kvartsisolasjonsprotokollene er utviklet etter å ha forberedt hundrevis av prøver fra forskjellige geologiske miljøer i Amerika, Eurasia, Kina og Africain, Baylor Geoluminescence Dating Research Laboratory, som reflekterer analytisk erfaring over tretti år, og er ikke endelige metoder, med passende variasjoner som brukes av andre laboratorier. Dette er ikke statiske protokoller, og modifikasjoner og tillegg for forbedring er velkomne.
Kvarts mineralogisk renhet er kritisk for OSL-datering. Imidlertid er kvarts spektral renhet like viktig og forbedres vanligvis med forsiktig konsentrasjon av kvartskorn. Ideelt sett bør kvartskorn under blått LED-lys (470 nm ± 20 nm) stimulering i 40 s avgi ≥ 90% av luminescensen innen den første ~ 0-2,5 s stimuleringen, kalt den raske komponenten, med < 10% lysutslipp mellom ~ 2,5 og ~ 15 s (middels komponent), og en endelig lavutslippspost ~ 15 s, (langsom komponent) (figur 8). En luminescensutslipp dominert av en rask komponent foretrekkes fordi den raskt tilbakestilles av solen (i sekunder) og viser høy følsomhet for påført β stråling i laboratoriet, noe som forbedrer ekvivalente dosebestemmelser. En viktig beregning for å vurdere dominansen av raske komponenter for OSL-datering av kvarts er beregningen av et “raskt forhold”29,30 med et eksempel vist ved ligning 2 og i figur 8. Et raskt forhold på >20 for kvartsglanskurven regnes som et robust luminescensutslipp egnet for OSL-datering29 (se figur 8A). Separeringer som har forurensning med K-feltspat og plagioklas- eller feltspatinneslutninger gir ofte raske forhold på <10 (se figur 8B, C) og er uegnet for SAR-kvartsdateringsprotokoller.
Raskt forhold (ligning 2)
Hvor L1: Rask komponentutslipp for ~ 0-2,5 s
L2: Middels komponent utslipp ~ 2,5-15 s L3: Slow komponent utslipp ~ 15-40 s
En viktig test på spektral renhet av isolerte kvartskorn er responsen av aliquots til infrarød eksitasjon fra lysdioder (845 nm ± 4 nm). De fleste kvartskorn gir et lavt eller ubetydelig luminescensutslipp med IR-stimulering ved eller innenfor noen få hundre tellinger av bakgrunnsutslipp. En beregning er utviklet for å vurdere IR-baserte utslipp, kalt IR-uttømmingsforholdet, som beregnes som et SAR-forhold (L x / Tx) for bestrålte (5-10 Gy) kvartskorn stimulert med IR-lysdioder og deretter blå lysdioder. Spesielt bør forholdet mellom IR-luminescens delt på blå utslipp være <5%, noe som indikerer en spektralt ren kvartsfraksjon som er egnet for OSL-datering (figur 8A). Imidlertid er det tilfeller at mineralogisk rene kvartskorn kan gi villfarne luminescensutslipp med IR-stimulering. Dette IR-signalet kan reflektere adhevende litiske fragmenter eller feltspetiske inneslutninger i kvarts. I slike tilfeller bør kvartskorn dateres etter feltspatprotokoller31. Disse protokollene med modifikasjoner kan brukes til å separere og bekrefte renheten til andre mineraler for OSL-datering, som k-feltspat, plagioklas og olivin og pyroksen for andre planetariske applikasjoner.
Evnen til å isolere en >99% kvartsseparering og bekrefte renheten på kornnivå er en forutsetning for nøyaktig luminescensdatering. Enkeltkorns- og ultraliten aliquotdatering (10-50 korn) krever ytterligere verifisering av at luminescensutslippene av alle korn var fra kvarts. I sin tur er anvendelsen av termiske overføringsmetoder som kan gi troverdige OSL-aldre opp til en million år, basert på rene kvartssignaler fra mineralkorn6. En monomineralogisk kvartsskille er grunnleggende for anvendelse av OSL-SAR-protokoller, som gir en sekvens av aldre for å dechiffrere avsetningshistorien til eoliske og fluviale systemer for sen kvartær 1,2,32,33 (figur1 og figur 2). Forurensning av kvarts aliquots av villfaren K-feldspar korn eller feldspathic inneslutninger i kvarts eller adhering litisk fragment gir en blandet dosimetrisk signal og utsatt for avvikende falming gir ofte undervurderer4. En ren kvartsseparering sikrer imidlertid ikke absolutt spektral renhet og passende utslipp for kvartsdatering. Effektiv OSL-datering krever nøye og fullstendig isolering av kvartskorn og OSL-tilknyttede beregninger for å verifisere en ren kvartsseparering mineralogisk og spektralt 2,33,34.
The authors have nothing to disclose.
Støtte fra Geoluminescence Dating Research Laboratory har blitt gitt av Baylor University og tilskudd fra National Science Foundation (GSS-166023), National Geographic (# 9990-1) og Atlas Sand. Oppdagelse og læring i dette laboratoriet ble forbedret av våre mange samarbeidspartnere, studenter og besøkende som har brakt nye perspektiver, ideer og tilnærminger.
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 |