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

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Environment

Isolamento di grani di quarzo per la datazione a luminescenza stimolata otticamente (OSL) di sedimenti quaternari per la ricerca paleoambientale

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

Questo protocollo è per l’isolamento dei grani di quarzo per dimensione per la datazione della luminescenza dei sedimenti. Delineati sono la pulizia fisica e le digestioni chimiche immergendo sequenzialmente in H 2 O₂, HCl_,HF e HCl di nuovo per isolare i grani di quarzo. La purezza del quarzo viene quantificata con valutazione microscopica, spettroscopia Raman e rapporto di esaurimento IR.

Abstract

La datazione a luminescenza stimolata otticamente (OSL) quantifica il tempo trascorso da quando i grani minerali sono stati depositati e schermati dall’esposizione aggiuntiva alla luce o al calore, il che ripristina efficacemente l’orologio a luminescenza. La sistematica della datazione OSL si basa sulle proprietà dosimetriche di minerali comuni, come quarzo e feldspato. La luminescenza acquisita con l’esposizione a radiazioni ionizzanti naturali dopo la sepoltura fornisce un’età deposizionale per molti sistemi sedimentari quaternari, che coprono gli ultimi 0,5 milioni di anni fa. Questo contributo descrive in dettaglio le procedure per separare grani di quarzo puro di una gamma nota di dimensioni delle particelle per facilitare l’analisi della luminescenza con aliquote a grana piccola o singola. In particolare, vengono forniti protocolli per i dati e le interpretazioni necessari per un’efficace datazione OSL di carote di sedimenti terrestri o provette campione da esposizioni. Questi nuclei, lunghi 5-20 m in sezioni di 1,2 m, sono divisi longitudinalmente e tagliati a corona lasciando indisturbato l’80% del volume del nucleo, il che facilita il campionamento di sedimenti protetti dalla luce per la datazione OSL in profondità all’interno del nucleo. I campioni di sedimento vengono quindi sottoposti a una serie di separazioni fisiche per ottenere un certo intervallo granulometrico (ad esempio, 150-250 μm). I minerali magnetici vengono rimossi in stato umido e secco utilizzando magneti. Una serie di digestioni chimiche inizia con l’immersione in H2 O₂ per rimuovere la materia organica, seguita dall’esposizione all’HCl per rimuovere i minerali carbonatici, seguita dalla separazione della densità. Successivamente, i grani vengono immersi in HF per 80 minuti e successivamente in HCl per rendere esclusivamente grani di quarzo. La purezza mineralogica (>99%) dell’estratto di quarzo viene quantificata con la valutazione petrografica del grano e la spettroscopia Raman. Potrebbe essere necessario ripetere questa procedura di isolamento del quarzo con sedimenti che contengono il <15% di grani di quarzo. L'eccitazione dei grani di quarzo purificati mediante luce blu e IR derivata dai LED consente di calcolare i rapporti di esaurimento rapido e IR, che sono metriche per valutare la dominanza delle emissioni di luminescenza dal quarzo.

Introduction

La geocronologia della luminescenza stimolata otticamente (OSL) produce il tempo dall’ultima esposizione alla luce o al calore dopo l’erosione, la deposizione e l’interramento dei sedimenti; e ulteriore esposizione alla luce o al calore. Pertanto, i processi sedimentari naturali o gli eventi di riscaldamento (>300 °C) riducono il segnale di luminescenza precedentemente ereditato a un livello costantemente basso. Negli ultimi due decenni, ci sono stati progressi sostanziali nella datazione della luminescenza, come l’analisi delle singole aliquote e dei grani di specifici grani minerali, come il quarzo. Questi protocolli di datazione basati su esperimenti con diodi blu o verdi possono compensare efficacemente i cambiamenti di sensibilità indotti in laboratorio, rendendo le età OSL per gli ultimi circa 500 ka ^1,2,3.

I minerali silicati come il quarzo e il feldspato di potassio hanno diversi difetti di carica del reticolo cristallino; alcuni si sono formati al momento della cristallizzazione minerale e altri a causa della successiva esposizione a radiazioni ionizzanti, con conseguente potenziale geocronometrico. Questi difetti sono probabili posizioni di stoccaggio di elettroni con energie di profondità di intrappolamento di ~ 1,3-3 eV. Una sottopopolazione di elettroni contenuti nei difetti di carica reticolare dei grani di quarzo è una fonte di emissioni di luminescenza diagnostica temporale con eccitazione da luce blu. Pertanto, questa emissione di luminescenza aumenta con il tempo, al di sopra del livello di reset solare o di calore con l’esposizione alle radiazioni ionizzanti durante il periodo di sepoltura. Questo segnale viene ridotto a un livello basso e definibile (“azzerato”) con la successiva esposizione alla luce solare con erosione, trasporto e deposizione dei sedimenti. Questo “ciclo” di luminescenza si verifica nella maggior parte degli ambienti deposizionali sulla Terra e su altri pianeti. Pertanto, la datazione OSL dei grani di quarzo sedimentario fornisce un’età deposizionale, che riflette il tempo trascorso dall’ultima esposizione alla luce con deposizione e sepoltura (Figura 1).

La datazione della luminescenza è una tecnica basata sulla dosimetria che fornisce stime dell’età per grani minerali selezionati, come il quarzo, da sedimenti eolici, fluviali, lacustri, marini e colluviali associati a contesti enumerabili per la ricerca geomorfica, tettonica, paleontologica, paleoclimatica e archeologica 2,4,5,6,7. La datazione OSL è anche in fase di valutazione per vincolare i processi superficiali su altri pianeti, in particolare su Marte ^8,9. Spesso, il minerale più utilizzato nella datazione OSL sulla Terra è il quarzo, che riflette la sua abbondanza naturale, una sensibilità intrinseca come geocronometro, stabilità del segnale e rapido ripristino con l’esposizione alla luce solare (da secondi a minuti)4,10,11,12. Tuttavia, l’accuratezza della datazione OSL è compromessa se l’estratto di quarzo è impuro, in particolare se contaminato da potassio e altri feldspati, che possono avere emissioni di luminescenza da dieci a cento volte più luminose del quarzo e possono produrre età sottostimata¹³. Pertanto, la purezza assoluta (>99%) per gli estratti di grani di quarzo dai sedimenti è fondamentale per una datazione OSL accurata. Pertanto, l’obiettivo di questo contributo è quello di fornire procedure dettagliate per isolare i grani di quarzo altamente purificati separati da una varietà di sedimenti poliminerali. Ciò richiede l’integrazione di conoscenze di mineralogia, chimica dei cristalli; imaging ottico e Raman, per applicare efficacemente protocolli di laboratorio, per rendere le età OSL su grani di quarzo da strati accuratamente campionati da carote di sedimenti recuperati. I nuclei di sedimenti sono stati raccolti con un metodo di carotaggio a spinta e percussione, che ha recuperato sedimenti intatti fino a una profondità di 20-25 m.

Il segnale OSL sensibile al tempo viene ripristinato in tempi relativamente brevi con minuti o ore di esposizione alla luce solare. Il segnale geologico OSL si accumula da questo livello di reset solare. Tuttavia, le emissioni OSL del quarzo sono considerevolmente variabili, riflettendo la struttura cristallina originale, le impurità del reticolo, la sensibilizzazione con cicli di azzeramento della luminescenza¹⁴ (Figura 1). Pertanto, esiste una variabilità intrinseca nella sensibilità alla dose del quarzo e devono essere ideati protocolli di datazione per una specifica provenienza mineralogica e sedimentaria. Fortunatamente, l’emergere di protocolli di dose rigenerativa (SAR) a singola aliquota per il quarzo ^1,2 ha prodotto sistematiche per correggere la variabilità delle emissioni OSL e metriche per valutare i cambiamenti di laboratorio nella sensibilità apparente dell’OSL. I grani di sedimento funzionano come dosimetri di radiazioni a lungo termine quando nascosti da un’ulteriore esposizione alla luce, con il segnale di luminescenza che serve come misura dell’esposizione alle radiazioni durante il periodo di sepoltura. La dose di radiazione equivalente all’emissione di luminescenza naturale di grani di quarzo isolati è indicata come dose equivalente (D_e: in grigi, Gy), che è il numeratore dell’equazione dell’età OSL (equazione 1). Il denominatore è l’intensità di dose (D_r: Grays/anno), definita dalla radiazione α, β e γ contribuente, originata dal decadimento radioattivo degli isotopi figli nelle serie di decadimento 235 U, 238 U, ²³²Th, ⁴⁰K, e con contributi minori dal decadimento ^{di 85}Rb e sorgenti cosmiche e galattiche.

Età OSL (anno) = (Equazione 1)

Dove, D_α = dose alfa D_β = dose beta D_γ = dose gamma D_c = dose cosmica e w = fattore di attenuazione dell’acqua.

Un altro metodo per le determinazioni U e Th in laboratorio o sul campo è la spettrometria gamma, con la variante al germanio in grado di quantificare lo squilibrio isotopico U e Th con opportuni aggiustamenti dell’intensità di dose. Le componenti beta e gamma dell’intensità di dose ambientale devono essere modificate per l’attenuazione della massa¹⁵. Tuttavia, esiste una dose alfa effettivamente insignificante per i grani >50 μm con i 10-20 μm esterni di grani rimossi dal trattamento con HF non diluito durante la preparazione. Una componente critica nella valutazione dell’intensità di dose è la quantificazione della dose cosmica e galattica durante il periodo di sepoltura, che viene calcolata per punti specifici sulla Terra con aggiustamenti per longitudine, latitudine, elevazione, profondità di sepoltura e densità del sedimento sovrastante^16,17.

I sedimenti che contengono il >15% di quarzo sono di solito relativamente semplici per separare una frazione di quarzo di elevata purezza. Tuttavia, i sedimenti con quarzo al <15% spesso richiedono più tempo per garantire la purezza mineralogica necessaria per la datazione OSL. Per questa analisi sono necessari circa 500-1000 grani di quarzo, ma spesso migliaia di grani vengono separati per analisi duplicate, archiviazione per espandere una libreria di calibrazione e progressi futuri. La composizione mineralogica dei campioni di sedimento viene inizialmente valutata, granello per chicco, mediante analisi petrografica attraverso un microscopico binoculare (10-20x) e un'analisi immaginaria associata. La mineralogia dei singoli grani viene ulteriormente testata mediante spettroscopia Raman per misurare gli spettri dei grani utilizzando un laser di eccitazione (455 nm, 532 nm, 633 nm o 785 nm) e confrontare statisticamente le emissioni di grano con spettri minerali noti dal RRUFF System Database¹⁸.

Una volta che l’ispezione visiva e spettrale è soddisfacente, la purezza del segnale OSL viene ulteriormente controllata, utilizzando un sistema di lettura automatica della luminescenza. Da tre a cinque aliquote del campione sono esposte all’eccitazione infrarossa (IR = 1,08 watt a 845 nm ± 4 nm), che stimola preferenzialmente i minerali feldspati, e questa emissione viene confrontata con le emissioni per eccitazione della luce blu (Bl = 470 nm ± 20 nm), che stimola preferenzialmente il quarzo. Se il rapporto IR/Bl ≥ 5%, il test indica che la contaminazione da feldspato e le digestioni acide sono ripetute. Se il rapporto IR / Bl <5%, i campioni sono considerati frazione di quarzo in modo soddisfacente per la datazione.

I protocolli di rigenerazione a singola aliquota (SAR) sui grani di quarzo sono un approccio spesso utilizzato nei sedimenti di datazione OSL con procedure su misura per un campione specifico, un sito di studio o un’area. La riproducibilità di questi protocolli è determinata dando ai grani di quarzo una dose beta nota (ad esempio, 30 Gy) e valutando quale pretrattamento termico recupera questa dose nota (Figura 2). In pratica, la determinazione di un D e con i protocolli SAR comporta il calcolo di un rapporto tra la luminescenza naturale _e la luminescenza da una dose di prova nota (rapporto L n/T_n), che viene confrontato con le emissioni di luminescenza per le dosi rigenerative diviso per la luminescenza della stessa dose di prova (L x/T_x) (Figura 2 ). Una correzione, una dose di prova applicata in modo coerente (ad esempio, 5 Gy), è stata ideata per compensare le variazioni di sensibilità dei grani di quarzo con la misurazione attraverso cicli SAR. Spesso le emissioni di OSL aumentano del >5% con ogni successivo ciclo SAR, anche se con la stessa dose (ad esempio, 5 Gy)⁷.

Almeno quaranta aliquote di quarzo o 500 grani vengono analizzati con sistema di lettura TL/OSL, con eccitazione della luce blu. I dati di luminescenza generati vengono analizzati dal software associato al sistema di lettura Risø TL/OSL-DA-20. I valori D e D_r _e le stime dell’età sono calcolati utilizzando il Luminescence Dose and Age Calculator (LDAC)¹⁷. Questa piattaforma applica modelli statistici per determinare i valori di dose equivalente (D e)_e rendere l’età OSL corrispondente con errori vincolati.

Il campione estratto schermato dalla luce da un nucleo viene preparato per due motivi: 1) Ottenere una frazione mineralogica di grani di quarzo con una purezza del >99% e 2) Per isolare grani di frazione granulometrica specifica, ad esempio 150-250 μm, per la valutazione della D_r ambientale per la datazione OSL¹⁷. In molti ambienti sedimentari, i grani di quarzo sono comuni; ma mescolato con altri minerali silicati e non silicati, frammenti di roccia e materia organica. In precedenza, le procedure sono state brevemente delineate, indicando alcuni passaggi specifici e reagenti necessari per isolare grani di quarzo puro nel contesto della datazione OSL 13,19,20,21,22,23. Questo contributo ha tratto grande beneficio da questi approcci precedenti. Questo documento delinea protocolli rivisti e più dettagliati che utilizzano l’imaging petrografico e la tecnologia Raman per monitorare la mineralogia del grano e rendere estratti di quarzo altamente puri (>99%) per la datazione a luminescenza. Questi protocolli di isolamento del quarzo sono stati sviluppati dopo aver preparato centinaia di campioni provenienti da diversi ambienti geologici nelle Americhe, Eurasia, Cina e Africa, il Baylor Geoluminescence Dating Research Laboratory, che riflette l’esperienza analitica di oltre trent’anni, e non sono metodi definitivi, con variazioni adeguate utilizzate da altri laboratori. Questi non sono protocolli statici e le modifiche e le aggiunte per il miglioramento sono benvenute.

Protocol

NOTA: Questa sezione presenta le procedure per separare una frazione di quarzo quasi pura (>99%) dai sedimenti poliminerali prelevati da carotaggi di sedimenti lunghi (15-20 m) e sono ugualmente applicabili a singoli campioni simili a tubi raccolti da affioramenti23. Questa metodologia è stata suddivisa in tre componenti: (1) Apertura del nucleo di sedimenti, descrizione e interpretazione degli ambienti sedimentari per collocare l’età OSL risultante in un contesto paleoambientale, (2) Recupero di un piccolo campione di sedimento OSL da un nucleo senza esposizione alla luce ambientale e (3) Separazione di un estratto di quarzo mono-mineralogico in una frazione dimensionale specifica (ad esempio, 150-250 μm). Il primo passo è condotto in condizioni di luce ambientale. Il secondo e il terzo componente sono realizzati con l’illuminazione da una lampadina a vapori di sodio, LED equivalenti o lampadine con un filtro da rosso ad arancione. I test hanno dimostrato che queste condizioni di luce sicura con emissioni centrate su 589 nm con circa 1-0,5 W / m2 sulla superficie del banco non causano un reset involontario durante la preparazione del grano. 1. Aprire, descrivere e interpretare i nuclei di sedimenti (Figura 3) NOTA: Utilizzare una sega elettrica a circa un quarto di diametro (posizione di 0,5 radianti) della circonferenza del nucleo per aprirli longitudinalmente. Eseguire questo taglio del nucleo “corona” invece di un mezzo taglio per preservare più sedimenti non esposti alla luce per la datazione OSL e altre analisi senza compromettere un’attenta ispezione visiva, campionamento e descrizione del nucleo. Registrare e valutare le caratteristiche sedimentologiche e pedologiche di un nucleo.Valutare la variazione delle caratteristiche sedimentologiche come i cambiamenti delle dimensioni delle particelle, le strutture sedimentarie e diagenetiche, la lettiera se visibile, i colori di Munsell24, la base per i confini unitari25 e l’identificazione di sequenze di strati. Accertare le caratteristiche macro-pedologiche tra cui morfologie carbonatiche, argilliche e cummliche; rubificazione e designazione dell’orizzonte associato; e tracce fossili. Prendi 1-2 g del sedimento con una spatola, mettilo in un becher resistente agli acidi da 50 ml per valutare gasometricamente il contenuto di carbonati.Posizionare il becher in un forno a scatola ben ventilato (40 °C) per almeno 8 ore per asciugare il campione, quindi pesare su una bilancia di precisione e annotare il peso per ciascun campione nel libro di laboratorio. Aggiungere 30 ml di HCl al 15% di HCl al campione, posizionarlo scoperto all’interno di una cappa aspirante e lasciarlo reagire per almeno 30 minuti. Aggiungere acido fino a quando la reazione è completa.ATTENZIONE: l’acido HCl deve essere sempre utilizzato all’interno di una cappa aspirante, con l’anta non più aperta di un quarto. Un camice da laboratorio, guanti resistenti agli agenti chimici, occhiali di sicurezza e uno scudo sono necessari quando si maneggia HCl. Mettere questa miscela in una cappa aspirante per 8 ore coperta da un sigillante di carta cerata. La reazione di HCl con Ca/MgCO3 è esotermica. Quindi, posizionare il becher in una ciotola di ceramica da 300 ml riempita con 100 ml di acqua fredda per raffreddare la reazione e catturare la fuoriuscita di reazione. Lavare il campione con 100 ml di acqua deionizzata (DIW), decantare accuratamente il surnatante per affondare senza perdere il sedimento. Riportare il campione in forno (40 °C) per almeno 24 ore fino all’asciugatura; pesare e registrare il valore. Quantificare la differenza di massa tra i campioni essiccati in forno prima e dopo l’ammollo in HCl al 15% per valutare il contenuto di carbonati (%). Rimuovere 0,5-1,0 g di sedimenti per l’analisi granulometrica ogni 5-10 cm lungo il nucleo. Collocare ciascun campione di sedimento in un becher resistente agli acidi da 100 ml. Etichettare i campioni nei becher di conseguenza. Setacciare i sedimenti attraverso una maglia da 2000 μm. Scartare il sedimento >2000 μm (più grande della sabbia). Continuare il processo con il sedimento rimanente <2000 μm. Aggiungere 30 ml di HCl al 15% per rimuovere il carbonato dal campione. Ripetere i passaggi 1.1.3.1-1.1.3.5 Rimuovere la sostanza organica utilizzando 30 ml di H 2 O2 al 12% e lasciarla riposare per >12 ore; Non riscaldare.ATTENZIONE: H 2O2 favorisce una rapida ossidazione, è corrosivo e può essere molto dannoso per gli occhi, la pelle e il sistema respiratorio. Un camice da laboratorio, guanti resistenti agli agenti chimici, occhiali di sicurezza e uno scudo sono necessari quando si maneggia un reagente H 2 O2. L’aggiunta diH 2 O2 ai sedimenti contenenti materia organica è una reazione esotermica. Il rapido aumento della temperatura è proporzionale all’abbondanza di materia organica disseminata nel campione. L’aggiunta di DIW può essere necessaria per mantenere la temperatura di reazione <40 °C. Continuare ad aggiungere H 2O2 e monitorare contemporaneamente la temperatura di reazione. Lasciare che la miscela rimanga all’interno di una cappa aspirante per 8 ore coperta da un sigillante di carta cerata. Posizionare il becher in una ciotola di ceramica da 300 ml riempita con 100 ml di acqua fredda per raffreddare la reazione e catturare la fuoriuscita di reazione. Determinare le dimensioni dei grani per ciascun campione con un analizzatore di dimensioni delle particelle di diffrazione laser e classificare l’intervallo di dimensioni dei grani in base alla scala Wentworth26,27. Valutare i dati e ricampionare iterativamente utilizzando una spaziatura più fine (2-5 cm) per caratterizzare meglio i contatti unitari o l’impronta della pedogenesi (vedi Figura 4). Interpretare le sezioni sedimentarie e stratigrafiche.Utilizzare i log risultanti di sedimentologia, stratigrafia, pedologia, granulometria e percentuale di carbonato per definire le unità deposizionali e le facies pedosedimentarie osservate nei carotaggi. Disegnare le rispettive sezioni sedimentarie per ciascun nucleo (Figura 4). Interpretare le informazioni sedimentarie e ambientali sulla base di una valutazione integrata della descrizione fisica del nucleo e della granulometria, del contenuto di carbonati, della micromorfologia e dell’analisi della facies. Discutere l’interpretazione degli ambienti sedimentari con altri nel gruppo di ricerca. Determinare i livelli di profondità specifici dei nuclei da campionare per la datazione OSL per decifrare gli eventi deposizionali7. 2. Raccogliere un campione OSL (Figura 5) NOTA: Le sezioni principali vengono trasferite al laboratorio di luminescenza per campionare la datazione OSL in condizioni di luce sicura. Inumidire la faccia centrale con DIW utilizzando una bottiglia di compressione per garantire la coesione dei sedimenti. Definire l’area di campionamento segnando con una spatola un cerchio di 2 cm di diametro dal punto centrale della faccia centrale. Raschiare via la parte superiore di 1 cm di sedimento esposto alla luce con un coltello multiuso. Mettere questo sedimento in una piastra di evaporazione in ceramica etichettata ad asciugare per almeno 8 ore in un forno a scatola a 40 °C. Polverizzare e omogeneizzare questo campione di sedimento essiccato per il contenuto di U, Th, K e Rb per il calcolo dell’intensità di dose.NOTA: Ad esempio, assegnare al campione un numero di laboratorio consecutivo (ad esempio, BG4966) da etichettare su ciascun contenitore che ospita qualsiasi derivato del campione originale (ad esempio, BG4966 <200 μm). Collega questo numero BG al registro elettronico del laboratorio, co-registrato con il campo campione o il numero di invio. Includi altre informazioni come il numero principale, l'anno di raccolta, la designazione dell'unità (ad esempio, l'unità B) e la profondità. L'etichettatura dei sottocampioni in laboratorio è un compito critico e dovrebbe essere fatto con precisione per mantenere la catena di custodia dei campioni. Estrarre (10-30 g) il sedimento schermato dalla luce con cura con una spatola dalla zona centrale circolare e segnata del nucleo. Posizionare l’estratto in un becher di polietilene da 250 mL etichettato. Pulire questo campione fisicamente e chimicamente per isolare una frazione di quarzo per la datazione a luminescenza.NOTA: eseguire il campionamento del nucleo in una direzione (di solito dall’alto verso il basso) e uno alla volta per evitare errori di campionamento e contaminazione. Elaborare i campioni singolarmente, in ordine numerico, per mantenere la catena di custodia. Riempire la cavità del campione rimanente nel nucleo con una sfera di foglio di alluminio per designare la posizione del campione e prevenire il collasso della parete laterale del nucleo diviso. Inumidire la faccia del nucleo con DIW usando un flacone spray, avvolgere in plastica e sigillare il nucleo per l’archiviazione. 3. Estrarre quarzo monomineralogico ( Figura 6) NOTA: Tutto il personale prima di iniziare le procedure in laboratorio è tenuto a indossare dispositivi di protezione individuale (DPI), che includono un camice da laboratorio pesante e impermeabile, accompagnato da guanti e occhiali monouso in nitrile e maschere antipolvere. Questo DPI è completato da pesanti guanti in PVC e grembiule lungo il corpo, visiera in acrilico e copriscarpe impermeabili in silicone riutilizzabili quando si utilizzano solventi a piena forza per la digestione. Rimuovere la materia organica: aggiungere lentamente 30 ml di H2O2 al 25% a 30-60 g di sedimento in un becher di polietilene da 250 ml per rimuovere la materia organica. Mescolare bene con una bacchetta di vetro per facilitare la reazione. Aggiungere H 2 O 2 fino a quando non vi è effervescenza visibile con il rilascio di CO2; Lasciare riposare all’interno della cappa aspirante per almeno 12 ore.ATTENZIONE: eseguire questa procedura sotto una cappa aspirante. H2 O2 favorisce una rapida ossidazione, è corrosivo e può essere molto dannoso per gli occhi, la pelle e il sistema respiratorio. Un camice da laboratorio, guanti resistenti agli agenti chimici, occhiali di sicurezza e uno scudo sono necessari quando si maneggia un reagente H 2 O2. L’aggiunta diH 2 O2 ai sedimenti contenenti materia organica è una reazione esotermica. Il rapido aumento della temperatura è proporzionale all’abbondanza di materia organica disseminata nel campione. L’aggiunta di DIW può essere necessaria per mantenere la temperatura di reazione <40 ° C. Continuare adaggiungere H 2 O2 e monitorare contemporaneamente la temperatura di reazione. Lasciare che la miscela rimanga sotto una cappa aspirante per 12 ore coperta da un sigillante a cera. Posizionare il becher in una ciotola di ceramica da 300 ml riempita con 100 ml di acqua fredda per raffreddare la reazione e catturare la fuoriuscita di reazione.NOTA: Se il contenuto di sostanza organica è >3%, il campione può richiedere 1-3 giorni di ammollo in H2 O2 per reagire completamente con carbonio organico. Monitorare il calore esotermico evoluto e aggiungere DIW per mantenerlo al di sotto dei 40 °C. Non riscaldare il campione a temperatura superiore a 40 °C. Temperature più elevate possono causare un parziale azzeramento del segnale di luminescenza e variazioni di sensibilità dannose per le misure dosimetriche. Lavare il campione cinque volte con 100 ml di DIW per rimuovere eventuali residui di H 2 O2e alogenuri presenti nel sedimento. Dopo essersi depositati per 30-60 minuti, decantare il surnatante nel lavandino con l’acqua che scorre. Assicurarsi di preservare il sedimento sul fondo del becher durante la decantazione. Aggiungere lentamente 30 ml di HCl al 15% per ogni 5 g di sedimento in un becher da 250 mL per reagire con il Ca/MgCO3 disseminato nel campione. Aggiungere inizialmente ≤ 1 mL per valutare le effervescenze e modulare ulteriori aggiunte di HCl per controllare meglio la reazione. Mescolare bene con una bacchetta di vetro per facilitare il completamento della reazione. Aggiungere altro HCl se necessario fino a quando non vi è effervescenza visibile con il rilascio di CO2.ATTENZIONE: Utilizzare HCl all’interno di una cappa aspirante, con l’anta non più aperta di un quarto. Un camice da laboratorio, guanti resistenti alle sostanze chimiche, occhiali di sicurezza e uno scudo sono necessari quando si maneggia questo e altri acidi. La reazione di HCl con Ca/MgCO3 è esotermica. L’aggiunta di DIW può essere necessaria per mantenere la temperatura di reazione <40 °C. Continuare ad aggiungere HCl e monitorare contemporaneamente la temperatura di reazione. Lasciare che la miscela rimanga all'interno di una cappa aspirante per 8 ore coperta da carta oleata. Posizionare il becher in una ciotola di ceramica da 300 ml riempita con 100 ml di acqua fredda per raffreddare la reazione e catturare la fuoriuscita di reazione.Lavare il campione con 100 ml di DIW cinque volte e decantare accuratamente per rimuovere l’HCl in eccesso (diluito) in un lavandino con acqua corrente. Asciugare il sedimento per una notte in un forno a scatola a 40 °C. Rimuovere i minerali magnetici, paramagnetici e diamagnetici.NOTA: La maggior parte dei sedimenti contiene <10% di minerali magnetici. Eseguire la rimozione minerale magnetica del sedimento allo stato secco utilizzando magneti al neodimio o allo stato umido utilizzando la soluzione disperdente di Na-pirofosfato (Na4P 2 O7·10H2O)(0,3%). La rimozione dei minerali magnetici e associati è necessaria in quanto questi componenti competono con l’incisione HF del quarzo e la dissoluzione di altri minerali silicati.Avvolgere un magnete al neodimio lungo ~ 2,5 cm con un manicotto in rete di nylon da 38 μm per la rimozione dei sedimenti secchi dei minerali magnetici. Posizionare il magnete avvolto sulla parete esterna del becher e muoversi con un movimento circolare per attirare i minerali magnetici. Spostare lentamente il magnete verso la parte superiore del becher per estrarre i minerali in un piatto di ceramica da 20 ml. Rimuovere il magnete e staccare i minerali magnetici attaccati al manicotto di nylon. Ripetere i passaggi 3.4.1-3.4.3 fino a rimuovere completamente i grani magnetici; di solito dopo 5-6 ripetizioni. Per rimuovere i grani magnetici in una soluzione a base d’acqua, posizionare il sedimento in un becher di vetro da 250 ml con ~ 100 ml di soluzione di Na-pirofosfato allo 0,3% e mescolare accuratamente fino a quando il sedimento è ben disaggregato. Posizionare il becher su una piastra riscaldante con un agitatore magnetico incorporato; impostare la velocità di agitazione a 800 RPM a temperatura ambiente di laboratorio. Immergere le aste magnetiche e mescolare il sedimento per 5 minuti. Rimuovere le aste per pulire i grani magnetici attratti strofinando con un panno o un altro magnete prima di riportare i magneti alla soluzione. Ripetere l’operazione fino a quando non vengono recuperati minerali magnetici; Possono essere necessarie fino a cinque ripetizioni.NOTA: Si consiglia un’ispezione microscopica binoculare del campione per valutare lo stato di rimozione del minerale magnetico. Insieme, la rimozione del minerale magnetico secco e umido è di solito efficace >95%. Separare una frazione granulometrica specifica.NOTA: L’intervallo granulometrico dei grani di quarzo da separare si basa sulla distribuzione granulometrica precedentemente determinata per ciascun campione (vedere il punto 1.1.5). Gli intervalli di dimensioni delle particelle comuni per separare i grani di quarzo sono 500-450 μm, 450-355 μm e 355-250 μm per la sabbia media, 250-150 μm e 150-100 μm per la sabbia fine e 100-63 μm per la sabbia molto fine.Tagliare quadrati di 15 cm x 15 cm da rotoli di rete di nylon di due dimensioni (ad esempio, 150 μm e 250 μm) per l’isolamento granulometrico utilizzando setacciatura a umido con reti monouso. Incorniciare la rete tagliata in una guida circolare in plastica di 10 cm di diametro interno. Ad esempio, per indirizzare la frazione di sabbia fine 150-250 μm, utilizzare due mesh di inquadratura in sequenza: 250 μm prima e 150 μm seconda. Etichettare tre becher con il numero del campione di laboratorio (BGXXXX) e i limiti di setacciatura; >150 >250 μm e 250-150 μm (Figura 6A). Posizionare saldamente la guida di setacciatura circolare con una rete incorniciata, ad esempio, utilizzare prima 250 μm (granulometria più grossa) su un bordo del becher da 1 litro (diametro 10,5 cm). Campione di setaccio nell’intervallo di dimensioni delle particelle mirato, ad esempio 250-150 μm. Installare il becher da 1 litro con guida mesh da 250 μm sulla parte superiore; pronto al setaccio. Aggiungere ~100 mL di soluzione allo 0,3% di Na-pirofosfato in un becher da 250 mL che contiene il sedimento non magnetico ottenuto al punto 3.4.7 e mescolare accuratamente con una strada di vetro per facilitare la dispersione delle particelle. Continuare a ruotare manualmente la miscela di sedimenti dispersi e versare lentamente attraverso la maglia da 250 μm. Il sedimento di particelle di dimensioni 250 μm) per eventuali analisi future. Posizionare la maglia da 150 μm su un nuovo becher asciutto da 1 L. Prendi la miscela di sedimenti dispersi del punto 3.5.7, continua a roteare in mano e versa lentamente attraverso la maglia da 150 μm. Il sedimento di particelle di dimensioni <150 μm passa attraverso la maglia nel becher sottostante. Archiviare il sedimento per possibili analisi future. Il sedimento rimanente sulla maglia 150 è la frazione di dimensione target, 150-250 μm, per la datazione OSL. Asciugare i sedimenti in un forno box per una notte a 40 °C. Isolare separatamente i grani di quarzo dalla dimensione 250-150 μm (inserto Figura 6B).NOTA: Questa procedura include due separazioni di densità utilizzando il liquido pesante non tossico politungstato di sodio (SPT-Na6 (H2W12O40) _H2O) a densità 2,6 g/cc e 2,7 g/cc. Mescolare la polvere con DIW per costituire questo liquido pesante. Per preparare 100 ml di liquido pesante con una densità di 2,6 g/cc, aggiungere 205,5 g di SPT a 54,5 ml di DIW. Considerando che, per preparare 100 ml del liquido più pesante con una densità di 2,7 g/cc, aggiungere 217,5 g di SPT a 52,7 mL di DIW. Valutare la densità del liquido pesante con sfere di densità precalibrate e un idrometro.ATTENZIONE: Utilizzare solo DIW per preparare liquidi pesanti perché l’acqua del rubinetto contiene ioni disciolti che reagiscono e modificano la composizione della polvere SPT. Per generare una soluzione omogenea della densità desiderata, aggiungere la polvere SPT all’acqua e non al contatore.Etichettare due becher da 100 mL con il numero del campione aggiungendo “2,6” all’altro becher. Tenere un becher da 1 L pronto per raccogliere il liquido pesante lavato dal campione con DIW. Mescolare accuratamente 80-70 ml di liquido pesante da 2,6 g/cm 3 con la frazione secca del sedimento ottenuta al punto 3.5.8. Versare la miscela in un cilindro graduato da 100 ml ben etichettato. Coprire la parte superiore con un sigillante di cera per evitare l’evaporazione. Posizionare la bombola all’interno di una cappa aspirante per rimanere indisturbata e al riparo dalla luce. Attendere almeno 1 ora per consentire al campione di separarsi in due zone marcatamente diverse. I minerali più leggeri e fluttuanti sono spesso arricchiti in plagioclasi ricchi di K-feldspato e Na, e i grani più pesanti inferiori sono ricchi di quarzo e altri minerali più pesanti.NOTA: I tempi di separazione utilizzando il liquido pesante da 2,6 g/cc per particelle di dimensioni più piccole, 4 ore. Posizionare un imbuto di plastica e posizionare un filtro di carta usa e getta su un becher da 250 ml. Filtrare la soluzione con una vestibilità aderente. Decantare il sedimento galleggiante del liquido pesante da 2,6 g/cm3 attraverso il filtro lentamente e con attenzione, con grani sospesi catturati sul filtro. Conservare attentamente la zona inferiore dei cereali depositati. Lascia passare il liquido attraverso il filtro; lavare con DIW secondo necessità. Trasferire il sedimento leggero lavato sul becher etichettato come “numero campione <2.6", posizionando il filtro di carta nel becher e lavandolo accuratamente con DIW. Scartare il filtro dopo aver lavato via tutti i grani. Lavare il campione cinque volte con DIW per rimuovere le tracce di liquido pesante. Asciugare i sedimenti in forno per una notte a <40 °C. Conservare questa frazione ricca di feldspato per analisi future. Metti una nuova carta da filtro sull’imbuto di plastica e posizionala saldamente su un becher di vetro da 1 L. Decantare i grani minerali a bassa quota nel cilindro graduato con soluzione da 2,6 g/cm3 . Quindi, lavare il cilindro con DIW usando un flacone a spruzzo. Trasferire il sedimento “pesante” lavato nel becher etichettato con il “numero campione >2.6”. Posizionare il filtro di carta nel becher e lavare accuratamente con DIW. Scartare il filtro dopo aver lavato via tutti i grani. Lavare il campione tre volte nel lavandino con DIW. Essiccare i sedimenti nel forno per una notte a <40 °C per un'ulteriore separazione della densità utilizzando 2,7 g/cc di liquido pesante. Continuare con la separazione al quarzo con un liquido pesante da 2,7 g/cc. Combinare il “pesante” secco separato dal becher etichettato “numero campione >2,6” con 70-80 ml di liquido pesante da 2,7 g/cc. Decantare lentamente e attentamente il sedimento galleggiante (ricco di quarzo) su una coppia imbuto-filtro su un becher da 1 L. Lavare accuratamente il campione galleggiante sul filtro con DIW e raccogliere il lavaggio nel becher sottostante. Trasferire il sedimento lavato sul filtro in un becher di polipropilene da 250 mL etichettato con il “numero del campione + per HF”. Posizionare il filtro di carta nel becher e lavare accuratamente con DIW; Scartare il filtro dopo aver lavato via tutti i grani. Metti un nuovo filtro di carta sull’imbuto di plastica e posizionali entrambi su un nuovo becher di vetro da 1 L. Aggiungere DIW al cilindro in cui si è verificata la separazione della densità di 2,7 g/cc, decantare e lavare con DIW fino a quando i grani separati inferiori vengono trasferiti completamente al filtro. Ripetere i passaggi 3.6.10-3.6.12 e archiviare questa frazione più pesante. Incidere i grani di quarzo immergendoli nell’acido fluoridricoNOTA: Questa procedura ha due obiettivi principali: 1) sciogliere eventuali minerali rimanenti diversi dal quarzo; 2) Incidere i 10-20 μm esterni di grani di quarzo, influenzati dalla radiazione alfa28.ATTENZIONE: L’acido fluoridrico concentrato (HF) è un liquido altamente tossico e pericoloso. Sono necessari un addestramento e una cura speciali per utilizzare l’HF a causa dell’elevata tossicità cutanea e polmonare. Il personale di laboratorio deve avere familiarità con le schede di sicurezza dei materiali HF. Maneggiare sempre l’HF all’interno di una cappa aspirante da laboratorio operativa, vicino a una stazione di lavaggio oculare e doccia di sicurezza. Non lavorare mai con HF da solo. Assicurarsi che l’antidoto al gel di gluconato di calcio al 2,5% non scaduto sia a portata di mano prima di maneggiare HF. I seguenti DPI devono essere indossati prima della manipolazione HF: pantaloni e maniche lunghe, scarpe chiuse, camice pesante, grembiule resistente agli acidi, guanti in nitrile spessi (10-20 mil), guanti in PVC o neoprene che coprono mani, polsi e avambracci, maschera antipolvere, occhiali protettivi, visiera acrilica e copriscarpe impermeabili in silicone.Preparare un timer per 80 minuti e tagliare il sigillante per carta cerata per coprire un becher da 250 ml. Accendi sia il DIW che i normali rubinetti dell’acqua al lavandino e tieni una bottiglia di DIW a portata di mano come precauzione di sicurezza. Indossare i DPI appropriati per utilizzare l’acido HF. Introdurre all’interno della cappa aspirante un becher di polipropilene per impieghi gravosi da 250 mL con il campione ottenuto al punto 3.6.14; Abbassare l’anta fino quasi alla chiusura per essere sicuri e comodi da lavorare. Aggiungere HF al becher con incrementi della pompa (20 ml) per ogni 2 g di quarzo e coprire il becher con sigillante per carta cerata.NOTA: per una maggiore sicurezza, utilizzare un distributore di bottiglie HF che eroga volumi impostati di acido, ad esempio 20 ml / pompa, per controllare la quantità e la direzione della somministrazione di acido. I contenitori di plastica ad alta densità sono utilizzati con HF perché questo acido reagisce con e incide il vetro. Avviare il timer di 80 minuti e rimuovere l’HF-DPI. Tenere presente di indossare nuovamente i DPI per pulire il campione 5 minuti prima del completamento del tempo. Lavare il campione cinque volte sotto il cofano. Riempire il becher con DIW per diluire l’acido e decantarlo in un contenitore satellite utilizzato per i rifiuti HF. Rimuovere il campione dalla cappa aspirante e lavare il campione altre tre volte con DIW sul lavandino, tenendo aperti sia il DIW che i normali rubinetti dell’acqua per diluire ulteriormente l’HF rimanente. Decantare e spostare il campione in un becher di vetro da 250 ml, aggiungere ~150 mL di soluzione di Na-pirofosfato (Na4P 2 O7 ·10H2O) al sedimento e posizionare il becher inun bagno sonicatore per 20 minuti per disaggregare completamente i grani e le particelle. Lavare il campione altre cinque volte con DIW in un lavandino per rimuovere il Na-pirofosfato. Decantare ed etichettare il becher “Nome campione” per HCl”. Immergere i grani minerali rimanenti dopo la digestione HF (fase 3.7.9) in HCl concentrato.ATTENZIONE: L’HCl concentrato (~ 36%) è considerato un fluido tossico e corrosivo che può causare ustioni chimiche al contatto e danni agli occhi se spruzzato e lesioni alla bocca, alla gola, all’esofago e allo stomaco se ingerito. I lavoratori devono avere familiarità con le schede di sicurezza dei materiali HCl. Maneggiare sempre HCl concentrato all’interno di una cappa aspirante operativa, vicino a una stazione di lavaggio oculare e doccia di sicurezza. Non lavorare mai con HCl da solo. Prima di iniziare la digestione del sedimento con HCl, assicurarsi di indossare i DPI elencati al punto 3.7.NOTA: Come con HF concentrato, è più sicuro utilizzare un distributore di bottiglie per controllare la quantità e la direzione dello scarico. Utilizzare contenitori di vetro quando si lavora con HCl. Prima di rimuovere i DPI, lavare i guanti con acqua e sapone e, dopo aver rimosso i DPI, lavarsi le mani e gli avambracci.Preparare il sigillante a cera per coprire il becher con il campione immerso nell’acido. Accendi sia il DIW che i normali rubinetti dell’acqua al lavandino e tieni una bottiglia di DIW a portata di mano come precauzione di sicurezza. Indossare i DPI acidi. Collocare il becher di vetro da 250 mL con il campione ottenuto al punto 3.7.9 all’interno della cappa aspirante. Abbassare l’anta fino alla chiusura per essere sicuri e comodi da lavorare. Aggiungere HCl al campione mediante incrementi della pompa (20 ml) per ogni 5 g di quarzo, quindi coprire il becher con carta sigillante cerata. Rimuovere i DPI acidi. Lasciare il campione per la digestione HCl per 8 ore nella cappa aspirante. Indossare i DPI acidi prima di pulire l’HCl. Lavare il campione cinque volte sotto il cappuccio; decantare il surnatante nel contenitore satellitare per raccogliere i rifiuti HCl. Lavare il campione altre tre volte con DIW sul lavandino, tenendo aperti sia il DIW che i normali rubinetti dell’acqua per un’ulteriore diluizione. Assicurati di continuare a indossare i DPI necessari. Setacciare nuovamente i sedimenti attraverso la maglia precedente più piccola (ad esempio, 150 μm) per rimuovere i grani fratturati e rotti. Decantare ed etichettare il becher “Sample Name for OSL” ed essiccare i sedimenti in forno per almeno 8 ore a <40 °C per valutare la purezza della separazione del quarzo di questo prodotto finito. Quantificare la purezza separata del quarzoUtilizzare un ago da dissezione per posizionare 200-400 grani minerali su un vetrino e ispezionare sotto un microscopio binoculare e / o petroscopico 10x o 20x per identificare i minerali del grano. Quantificare la percentuale di grani di quarzo per punto contando e registrare la mineralogia di 100 singoli grani. Se un sottocampione presenta il >1% di minerali non di quarzo ed è un minerale indesiderato con un’elevata emissione di fotoni (ad esempio, K-feldspato) o rimane non identificato, prendere il campione per la spettroscopia Raman. Utilizzare la spettroscopia Raman e l’immagine associata per confermare la mineralogia del grano e identificare i minerali non riconosciuti sotto ispezione microscopica. Utilizzare un raggio blu con una larghezza di 5 μm e conteggi di punti di 100 grani per valutare la purezza percentuale del quarzo e identificare i minerali di grano sconosciuti. Valutare gli spettri di purezza del quarzo mediante stimolazione infrarossaPreparare cinque aliquote ultra-piccole di separatori di quarzo per la stimolazione IR agitando i grani su un disco circolare di alluminio (1 cm di diametro). Ogni aliquota contiene solitamente circa 20-100 grani di quarzo corrispondenti ad un diametro circolare di 1 mm o meno aderenti (con silicio) ad un disco. Caricare i dischi su un carosello campione per la stimolazione da parte di LED IR (845 nm ± 4 nm) forniti da un sistema di lettura TL/OSL automatizzato e confrontarlo con l’eccitazione della luce blu (470 nm ± 20 nm), che è preferenziale per il quarzo. Assicurarsi che il rapporto tra IRSL e le emissioni di luce blu delle aliquote di grano di quarzo sia del <5%. In tal caso, il campione è pronto per ulteriori analisi. In caso contrario, il campione richiede una pulizia aggiuntiva con HF (fase 3.7).

Representative Results

Le procedure di laboratorio descritte sono focalizzate sul miglioramento della separazione dei grani di quarzo puro (dimensioni da 700 a 50 μm) necessarie per la datazione OSL senza ripristino involontario della luce in laboratorio (Figura 1). Un quarzo puro separato, mineralogicamente e otticamente, è un prerequisito per l’applicazione delle procedure di datazione SAR e TT-OSL (Figura 2). Queste procedure spiegano i passaggi necessari per comprendere e campionare efficacemente i carote di sedimenti continui, evitando zone di pedogenesi e diagenesi, recuperando sedimenti non esposti alla luce dai carotaggi (Figura 3 e Figura 4); isolare i grani di quarzo per i protocolli di datazione OSL per vincolare i tempi di deposizione dei sedimenti nel passato circa 500 ka (Figura 5). La mineralogia dei grani del campione non preparato e dei separati preparati viene valutata continuamente attraverso il processo di preparazione per identificare la mineralogia contaminante e valutare attivamente il processo di rimozione dei minerali indesiderati (Figura 6 e Figura 7). La purezza mineralogica del quarzo viene determinata per i grani del sottoinsieme (100-400) mediante ispezione microscopica binoculare (10-20x) e mediante spettroscopia Raman. L’uso di questa tecnologia e le conoscenze preliminari sono fondamentali per valutare e confermare la purezza necessaria (>99%) delle separazioni di quarzo per la datazione OSL (Figura 8). Il processo di separazione del quarzo viene avviato con la rimozione della sostanza organicacon H 2 O2 e quindi il successivo spurgo di Ca/MgCO3 con ammollo in HCl. Successivamente, una frazione dimensionale viene designata mediante setacciatura con rete di nylon monouso (ad esempio, 150 e 250 μm), necessaria per calcolare i valori dell’intensità di dose (in mGy/y) (riquadro della figura 6A). La purezza del separato di quarzo è migliorata da due separazioni di densità a 2,6 e 2,7 g / cc, la densità di delimitazione del quarzo (riquadro Figura 6B). Il successivo ammollo dei grani di dimensioni in HF per 80 minuti rimuove i minerali non quarzosi. Questo trattamento incide anche i 10-20 μm esterni di grani per rimuovere l’area interessata dalla dose alfa, semplificando il calcolo dell’intensità di dose (Figura 6). La purezza del quarzo separato non viene mai assunta, ma valutata attraverso l’ispezione microscopica binoculare e misurazioni basate su Raman alla fine della separazione dei grani. Le separazioni di densità e/o il trattamento HF possono essere ripetuti per eliminare i grani contaminanti separati se un’aliquota rappresentativa contiene il >1% di grani non di quarzo, in particolare minerali feldspatici (Figura 7). La procedura di purificazione del quarzo è stata ripetuta fino a quattro volte con un contenuto di quarzo del 20, caratteristico del quarzo puro (Figura 8). Figura 1: Processi con datazione OSL. (A) I grani minerali acquisiscono OSL con l’esposizione alle radiazioni ionizzanti. (B) L’OSL del grano viene ripristinato dalla luce solare con erosione / trasporto. (C) Esposizione a ionizzanti con sepoltura; luminescenza acquisita. (D) L’esposizione alla luce ripristina l’OSL con erosione / trasporto. (E) I grani vengono nuovamente interrati e l’OSL viene acquisita con l’esposizione alle radiazioni ionizzanti. (F) Mostra il campionamento senza esposizione alla luce. L’OSL naturale misurata risultante è seguita da una dose di prova normalizzante (L n/Tn) che è equiparata alla curva della dose rigenerativa per ottenere una dose equivalente (De). Questa cifra è stata modificata da Forman, S. L. et al.7. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura. Figura 2: Protocolli di rigenerazione a singola aliquota (OSL-SAR) per grani di quarzo. a) dose equivalente utilizzando protocolli SAR; l’OSL naturale è L n/Tn, e la dose rigenerativa è L x/Tx; le variazioni di sensibilità vengono corrette somministrando una dose di prova (ad esempio, 5 Gy). (B) Protocollo SAR generalizzato. Questa cifra è stata modificata da Forman, S. L. et al.7. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura. Figura 3: Diagramma di flusso che illustra i passaggi necessari per aprire, descrivere e interpretare un nucleo di sedimento recuperato. Questa figura mostra il recupero del nucleo di sedimenti utilizzando il carotiere a percussione, seguito dall’apertura, dalla pulizia, dalla descrizione e dallo studio del nucleo per ottenere il campione ottimale per la datazione OSL. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura. Figura 4: Esempio di un tipico log di una sezione sedimentaria e stratigrafica del carotaggio. Le unità e la facies pedosedimentaria sono definite utilizzando sedimentologia, stratigrafia, pedologia, granulometria e percentuale di carbonato. Gli orizzonti del suolo trovati nella colonna stratigrafica dall’alto verso il basso sono: A: orizzonte ricco di organici di superficie, B: sottosuolo con struttura e colore deboli (Bw), e orizzonte B sepolto Btb con accumulo di argilla, Btkb con carbonato di calcio secondario e accumulo di argilla e Bkb con un accumulo di carbonato di calcio secondario. La dimensione dominante delle particelle delle unità sedimentarie è mostrata sull’orizzontale inferiore con sabbia media (MS), sabbia fine (FS), sabbia molto fine (VFS) e limo (Si). Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura. Figura 5: Diagramma di flusso per i passaggi necessari per raccogliere un campione OSL da un nucleo di sedimento. Questa figura presenta un diagramma di flusso con i passaggi principali seguiti per preparare un quarzo separato per la datazione OSL. I protocolli iniziano con l’estrazione di un sedimento poliminerale da aree schermate dalla luce del nucleo nel laboratorio OLS sicuro alla luce. Continuano con l’estrazione della frazione monomineralogica del quarzo, compresa la rimozione di materia organica con perossido, carbonati con HCl e minerali magnetici utilizzando magneti manuali. La separazione della frazione specifica di sedimento granulometrico viene effettuata mediante setacciatura; La separazione dei minerali meno densi e più pesanti del quarzo viene effettuata utilizzando liquidi di densità (ρ = 2,6 g / cc e 2,7 g / cc). Le fasi finali della pulizia richiedono l’immersione del sedimento in HF e HCl a piena forza per isolare il quarzo da qualsiasi altro minerale nella frazione. La purezza del separato viene valutata mediante ispezione binoculare, spettroscopia RAMAN e ulteriore verifica delle emissioni IRSL (infrarossi). L’obiettivo è ottenere un campione con una purezza ≥99%. In caso contrario, è necessario ripetere alcuni passaggi. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura. Figura 6: Diagramma di flusso che illustra tutti i passaggi necessari per ottenere un quarzo incontaminato separato da un campione di sedimento da un nucleo. Questa frazione di quarzo pulita sarà utilizzata per le analisi OSL-SAR per la valutazione dell’età. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura. Figura 7:Confronto di due campioni raccolti in due aree diverse: White Sands (prima fila) e Mongolia (seconda fila). La colonna A mostra i campioni grezzi al microscopio binoculare, raccolti sul campo. La colonna B mostra le frazioni separate per ciascun campione elaborato, al microscopio binoculare. La colonna C mostra i risultati della spettroscopia RAMAN corrispondente. Il campione di White Sands contiene solfati (principalmente gesso), alogenuri e pochissimo quarzo (colonna A). Corrispondentemente, la frazione separata (63-100 μm) per il campione elaborato in una colonna B mostra che contiene principalmente quarzo, ancora con alcune vestigia di gesso, come mostrato dalla spettroscopia RAMAN nella colonna C. Il rapporto tra le risposte IR OSL e blu per questo campione è del 9%, confermando che ha bisogno di una seconda separazione in densità a 2,6 g / cc, che probabilmente rimuoverà il gesso più leggero (2,36 g / cc) dal quarzo più pesante. Al contrario, il campione mongolo (colonna A) è inizialmente molto ricco di feldspati, prevalentemente K-feldspato. Dopo aver subito le procedure di pulizia, mostra abbondante quarzo isolato nel separato 100-150 μm (colonne B e C), rendendo soddisfacente il rapporto IR/Bl del 3,7%. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura. Figura 8: Confronto del rapporto rapido per il naturale in tre campioni che rappresentano diversi gradi di purezza della frazione di quarzo. (A) La distribuzione ideale del rapporto rapido in un campione eolico incontaminato di Red River, con rapporto veloce = 72. Le figure contrastanti (Figura 8B,C) hanno una componente meno veloce con stimolazione LED blu, che è inferiore a 20. (B) Un campione con separazione incompleta di quarzo e plagioclasi. Le componenti L2 e L3 sono una percentuale significativa della componente L1 (vedi equazione 2). (C) Una curva di lucentezza per il quarzo feldspatico, con una componente media dominante (L2). Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Discussion

La purezza mineralogica del quarzo è fondamentale per la datazione OSL. Tuttavia, la purezza spettrale del quarzo è altrettanto importante e di solito viene migliorata con l’attenta concentrazione dei grani di quarzo. Idealmente, i grani di quarzo sotto la stimolazione della luce LED blu (470 nm ± 20 nm) per 40 s dovrebbero emettere ≥ 90% della luminescenza entro i primi ~ 0-2,5 s di stimolazione, definita componente veloce, con < 10% di emissione luminosa tra ~ 2,5 e ~ 15 s (componente media) e un post finale a bassa emissione ~ 15 s, (componente lenta) (Figura 8). Un’emissione di luminescenza dominata da un componente veloce è preferita perché viene rapidamente ripristinata dal sole (in pochi secondi) e mostra un’elevata sensibilità alle radiazioni β applicate in laboratorio, migliorando le determinazioni di dose equivalenti. Una metrica importante per valutare la dominanza dei componenti veloci per la datazione OSL del quarzo è il calcolo di un “rapporto veloce”^29,30 con un esempio mostrato dall’equazione 2 e nella figura 8. Un rapporto veloce di >20 per la curva di lucentezza del quarzo è considerato una robusta emissione di luminescenza adatta per la datazione OSL²⁹ (vedi Figura 8A). I separatori che hanno contaminazione con K-feldspati e plagioclasio o inclusioni feldspatiche spesso producono rapporti rapidi di <10 (vedi Figura 8B,C) e non sono adatti per i protocolli di datazione al quarzo SAR.

Rapporto veloce (equazione 2)

Dove L1: emissione rapida dei componenti per ~0-2,5 s
L2: Emissione di componenti medi ~2,5-15 s L3: Emissione di componenti lenti ~ 15-40 s

Un test importante sulla purezza spettrale dei grani di quarzo isolati è la risposta delle aliquote all’eccitazione infrarossa dai LED (845 nm ± 4 nm). La maggior parte dei grani di quarzo produce un’emissione di luminescenza bassa o trascurabile con stimolazione IR pari o entro poche centinaia di conteggi delle emissioni di fondo. È stata sviluppata una metrica per valutare le emissioni basate su IR, chiamata rapporto di esaurimento IR, che viene calcolato come rapporto SAR (L x / T_x) per grani di quarzo irradiati (5-10 Gy) stimolati con LED IR e poi LED blu. In particolare, il rapporto di luminescenza IR diviso per le emissioni blu dovrebbe essere del <5%, il che indica una frazione di quarzo spettralmente pura suscettibile di datazione OSL (Figura 8A). Tuttavia, ci sono casi in cui i grani di quarzo mineralogicamente puri possono produrre emissioni di luminescenza erranti con la stimolazione IR. Questo segnale IR può riflettere frammenti litici aderenti o inclusioni feldspatiche nel quarzo. In tali casi, i grani di quarzo devono essere datati mediante protocolli di feldspato³¹. Questi protocolli con modifiche possono essere utilizzati per separare e confermare la purezza di altri minerali per la datazione OSL, come k-feldspato, plagioclasio e olivina e pirosseno per altre applicazioni planetarie.

La capacità di isolare un quarzo separato al >99% e confermare la purezza a livello di grana è un prerequisito per una datazione accurata della luminescenza. La datazione a grana singola e aliquote ultra-piccole (10-50 grani) richiede un’ulteriore verifica che le emissioni di luminescenza di tutti i grani provengano dal quarzo. A sua volta, l’applicazione di approcci di trasferimento termico che possono produrre età OSL credibili fino a un milione di anni si basa su segnali di quarzo puro da grani minerali⁶. Un separato quarzo mono-mineralogico è fondamentale per l’applicazione dei protocolli OSL-SAR, che fornisce una sequenza di età per decifrare la storia deposizionale dei sistemi eolici e fluviali per il tardo Quaternario 1,2,32,33 (Figura¹ e Figura ²). La contaminazione delle aliquote di quarzo da parte dei grani erranti di K-feldspato o delle inclusioni feldspatiche nel quarzo o nei frammenti litici aderenti produce un segnale dosimetrico misto e incline allo sbiadimento anomalo spesso produce sottostime⁴. Tuttavia, un quarzo puro separato non garantisce assolutamente la purezza spettrale e le emissioni appropriate per la datazione al quarzo. Una datazione OSL efficace richiede un attento e completo isolamento dei grani di quarzo e delle metriche associate all’OSL per verificare un quarzo puro separato mineralogicamente e spettralmente 2,33,34.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Il supporto del Geoluminescence Dating Research Laboratory è stato fornito dalla Baylor University e sovvenzioni dalla National Science Foundation (GSS-166023), National Geographic (# 9990-1) e Atlas Sand. La scoperta e l’apprendimento in questo laboratorio sono stati migliorati dai nostri numerosi collaboratori, studenti e visitatori che hanno portato nuove prospettive, idee e approcci.

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

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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).

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