このプロトコルは、堆積物の発光年代測定のためにサイズによって石英粒子を分離するためのものです。概説されているのは、石英粒子を分離するために、H 2 O2、HCl、HF、 およびHClに順次浸すことによる物理的洗浄および化学的消化です。石英純度は、顕微鏡評価、ラマン分光法、およびIR空乏比で定量化されます。
光刺激ルミネッセンス(OSL)年代測定は、鉱物粒子が堆積し、追加の光や熱への曝露から遮蔽されてからの時間を定量化し、発光クロックを効果的にリセットします。OSL年代測定の系統学は、石英や長石などの一般的な鉱物の線量測定特性に基づいています。埋葬後に自然電離放射線にさらされて獲得された発光は、過去0.5 Maに及ぶ多くの第四紀堆積システムに堆積年代を提供します。この寄稿では、既知の粒子サイズの純粋な石英粒子を分離して、小粒径または単一粒子アリコートによる発光分析を容易にする手順について詳しく説明します。具体的には、曝露による陸生堆積物コアまたはサンプルチューブの効果的なOSL年代測定に必要なデータと解釈のためのプロトコルが与えられます。これらのコアは、長さ5〜20 m、1.2 mのセクションで、縦に分割され、クラウンカットされ、コア体積の80%が乱されないままになり、コアの深部にあるOSL年代測定用の光保護された堆積物のサンプリングが容易になります。次に、沈殿物サンプルを一連の物理的分離にかけ、特定の粒子サイズ間隔(150〜250μmなど)を取得します。磁性鉱物は、磁石を使用して湿った状態と乾いた状態で除去されます。一連の化学消化は、H 2 O2に浸して有機物を除去することから始まり、続いてHCl曝露して炭酸塩鉱物を除去し、続いて密度を分離します。続いて、粒子をHFに80分間浸し、その後HClに浸して、石英粒子のみをレンダリングします。石英抽出物の鉱物純度(>99%)は、穀物岩石学的評価とラマン分光法で定量化されます。この石英分離手順を繰り返すことは、<15%の石英粒子を含む堆積物で必要になる場合があります。LED由来の青色光とIR光による精製石英粒子の励起により、石英からの発光の優位性を評価するための指標である高速およびIR空乏比の計算が可能になります。
光学刺激ルミネッセンス(OSL)地質年代学は、堆積物の侵食、堆積、埋葬後の最後の光または熱曝露からの時間をもたらします。さらに光や熱にさらされます。したがって、自然の堆積プロセスまたは加熱イベント(>300°C)は、以前に継承された発光信号を一貫して低いレベルに低下させます。過去20年間で、石英などの特定の鉱物粒子の単一アリコートや粒子分析など、発光年代測定に大きな進歩がありました。青色または緑色のダイオードを使用したこれらの実験ベースの年代測定プロトコルは、実験室で誘発された感度の変化を効果的に補償し、過去約500 kaのOSL年齢を1,2,3にすることができます。
石英やカリウム長石などのケイ酸塩鉱物には、さまざまな結晶格子電荷欠陥があります。鉱物の結晶化時に形成されたものもあれば、その後の電離放射線への曝露によって形成されたものもあり、ジオクロノメトリックポテンシャルをもたらします。これらの欠陥は、~1.3-3 eVのトラップ深さエネルギーを持つ電子貯蔵の可能性のある場所です。石英粒子の格子電荷欠陥に含まれる電子の部分集団は、青色光による励起を伴う時間診断発光の源である。したがって、この発光放出は、埋葬期間中に電離放射線にさらされると、太陽または熱リセットレベルを超えて、時間とともに増加します。この信号は、堆積物の侵食、輸送、および堆積を伴うその後の太陽光曝露により、低く定義可能なレベル(「ゼロ化」)に低減されます。この発光の「サイクル」は、地球や他の惑星のほとんどの堆積環境で発生します。したがって、堆積石英粒子のOSL年代測定は、堆積と埋没による最後の光曝露からの経過時間を反映した堆積年代を提供します(図1)。
発光年代測定は、地形、構造、古生物学、古気候、および考古学研究のための列挙可能なコンテキストに関連する風成、河川、湖沼、海洋、および揠塊堆積物から、石英などの選択された鉱物粒子の年齢推定値を生成する線量測定ベースの手法です2,4,5,6,7。OSL年代測定は、他の惑星、特に火星8,9の表面プロセスを制約するためにも評価されています。多くの場合、地球上のOSL年代測定で最も使用されている鉱物は石英であり、その自然の豊富さ、ジオクロノメーターとしての固有の感度、信号の安定性、および日光への曝露による急速なリセット(数秒から数分)を反映しています4,10,11,12。ただし、石英抽出物が不純である場合、特にカリウムやその他の長石によって汚染されている場合、OSL年代測定の精度は損なわれ、石英よりも10倍から100倍明るい発光を持ち、年齢を過小評価する可能性があります13。したがって、堆積物からの石英粒子の抽出物の絶対純度(>99%)は、正確なOSL年代測定にとって極めて重要です。したがって、この貢献の焦点は、さまざまなポリミネラル堆積物から高度に精製された石英粒子分離物を分離するための詳細な手順を提供することです。これには、鉱物学、結晶化学の知識の統合が必要です。光学およびラマンイメージングは、実験室プロトコルを効果的に適用し、回収された堆積物コアから慎重にサンプリングされた地層から石英粒子のOSL年代をレンダリングします。堆積物コアは、プッシュアンドパーカッションコアリング法によって収集され、20〜25 mの深さまで無傷の堆積物を回収しました。
OSLの時間に敏感な信号は、数分から数時間の日光にさらされると比較的急速にリセットされます。地質学的OSL信号は、このソーラーリセットレベルから蓄積されます。ただし、石英のOSL排出量はかなり変動し、元の結晶構造、格子不純物、発光リセットサイクル14による増感を反映しています(図1)。したがって、石英の線量感度には固有のばらつきがあり、特定の鉱物学的および堆積起源について年代測定プロトコルを考案する必要があります。幸いなことに、石英1,2の単一アリコート再生(SAR)用量プロトコルの出現により、OSL排出量の変動性を是正するための系統学と、見かけのOSL感度の実験室の変化を評価するための指標が得られました。堆積物粒子は、さらなる光被曝から隠されると長期放射線量計として機能し、発光信号は埋葬期間中の放射線被曝の尺度として機能します。孤立した石英粒子の自然発光に相当する放射線量は、OSL年齢式(式1)の分子である等価線量(Die:灰色、Gy)と呼ばれます。分母は線量率(Gr:グレイ/年)で、寄与する放射線α、β、およびγ放射線によって定義され、235 U、238U、232Th崩壊系列、40Kの娘同位体の放射性崩壊に由来し、85Rbおよび宇宙および銀河源の崩壊からの寄与は少ない。
OSL年齢(年)= (式1)
ここで、Dα = アルファ線量Dβ = ベータ線量Dγ = ガンマ線量DC = 宇宙線量およびw =水減衰係数。
実験室または現場でのUとThの測定のための別の方法はガンマ分光法であり、ゲルマニウムバリアントは、線量率を適切に調整してUとThの同位体不平衡を定量することができます。環境線量率のベータ成分とガンマ成分は、質量減衰のために変更する必要があります15。しかしながら、調製中に希釈されていないHFで処理することによって除去された穀物の外側の10〜20μmを有する>50μmの穀物については、事実上有意ではないアルファ用量がある。線量率評価の重要な要素は、埋葬期間中の宇宙線量と銀河線量の定量化であり、これは、経度、緯度、標高、埋没深度、および上にある堆積物の密度を調整して地球上の特定の地点について計算されます16,17。
>15%の石英を含む堆積物は、通常、高純度の石英画分を分離するのに比較的簡単です。ただし、<15%の石英を含む堆積物は、OSL年代測定に必要な鉱物学的純度を確保するために追加の時間を必要とすることがよくあります。この分析には約500〜1000の石英粒子が必要ですが、多くの場合、重複分析、キャリブレーションライブラリを拡張するためのアーカイブ、および将来の進歩のために数千の粒子が分離されます。堆積物サンプルの鉱物学的組成は、双眼顕微鏡(10-20x)および関連する想像分析による岩石学的分析によって、粒子ごとに最初に評価されます。個々の粒子の鉱物学は、励起レーザー(455 nm、532 nm、633 nm、または785 nm)を使用して粒子スペクトルを測定し、RRUFFシステムデータベース18からの既知の鉱物スペクトルと穀物放射を統計的に比較するために、ラマン分光法によってさらにテストされます。
目視検査とスペクトル検査が満足のいくものになったら、自動発光リーダーシステムを利用して、OSL信号の純度がさらにチェックされます。サンプルの3〜5アリコートは、長石鉱物を優先的に刺激する赤外線励起(845 nm±4 nmでIR = 1.08ワット)にさらされ、この放出は、石英を優先的に刺激する青色光励起(Bl = 470 nm ± 20 nm)による放出と比較されます。IR / Blの比率が5%≥場合、テストは長石汚染を示し、酸消化が繰り返されます。比IR / Blが<5%の場合、サンプルは年代測定のために十分に石英分率と見なされます。
石英粒子の単一アリコート再生(SAR)プロトコルは、特定のサンプル、調査サイト、または地域に合わせた手順で、堆積物の年代測定でよく使用されるアプローチです。これらのプロトコルの再現性は、石英粒子に既知のベータ線量(30Gyなど)を与え、どの熱処理がこの既知の線量を回復するかを評価することによって決定されます(図2)。実際には、SARプロトコルでDleを決定するには、自然発光と既知の試験線量からの発光の比率(Ln / Tn比)の計算が含まれ、再生線量の発光を同じ試験線量(L x / Tx)からの発光で割ったものと比較されます(図2).SARサイクルによる測定に伴う石英粒子の感度の変化を補償するために、一貫して適用されるテスト線量(5Gyなど)の補正が考案されました。多くの場合、OSL排出量は、同じ線量(例えば、5 Gy)7を与えられた場合でも、連続するSARサイクルごとに>5%増加します。
少なくとも40アリコートの石英または500粒をTL / OSLリーダーシステムで分析し、青色光励起を行います。生成された発光データは、Risø TL/OSL-DA-20リーダーシステムに関連するソフトウェアによって分析されます。DleおよびDar値および年齢推定値は、発光線量および年齢計算機(LDAC)17を使用して計算されます。このプラットフォームは、統計モデルを適用して等価線量(DE)値を決定し、制約された誤差で対応するOSL年齢をレンダリングします。
コアから抽出された遮光サンプルは、1)純度>99%の石英粒子の鉱物学的画分を得るため、および2)OSL年代測定17の環境Drを評価するために、特定のサイズ画分、例えば150〜250μmの粒子を単離する。多くの堆積環境では、石英粒子が一般的です。しかし、他のケイ酸塩および非ケイ酸塩鉱物、岩石片、および有機物と混合されています。以前は、手順が簡単に概説されており、OSL年代測定13、19、20、21、22、23のコンテキストで純粋な石英粒子を単離するために必要ないくつかの特定の手順と試薬が示されていました。この貢献は、これらの以前のアプローチから大きな恩恵を受けています。この論文では、岩石画像とラマン技術を使用して、穀物鉱物学を監視し、発光年代測定のために高純度(>99%)の石英抽出物をレンダリングするための改訂されたより詳細なプロトコルの概要を説明します。これらの石英分離プロトコルは、南北アメリカ、ユーラシア、中国、アフリカのベイラー地球ルミネッセンス年代測定研究所の多様な地質環境から数百のサンプルを調製した後に開発され、30年以上の分析経験を反映しており、決定的な方法ではなく、他のラボで使用されている適切なバリエーションがあります。これらは静的プロトコルではなく、改善のための変更や追加を歓迎します。
石英鉱物学的純度は、OSL年代測定にとって重要です。ただし、石英スペクトル純度も同様に重要であり、通常は石英粒子を注意深く濃縮することで強化されます。理想的には、青色LED光(470 nm± 20 nm)を40秒間刺激した石英粒子は、高速成分と呼ばれる最初の~0-2.5秒以内に発光の≥90%を放出し、~2.5〜~15秒(中程度の成分)の発光の<10%、および~15秒後の最終的な低発光(遅い成分)を放出する必要があります(図8)。高速成分が支配的な発光は、急速に太陽光リセット(秒単位)であり、実験室で印加されたβ放射線に対して高い感度を示し、等価線量決定を強化するため、好ましい。石英のOSL年代測定における高速成分の優位性を評価するための重要な指標は、式2と図8に示す例を使用した「高速比」29,30の計算です。クォーツシャインダウンカーブの>20の高速比は、OSL年代測定29に適した堅牢な発光と見なされます(図8Aを参照)。K長石と斜長石または長石の介在物で汚染されている分離物は、多くの場合、<10の速い比をもたらし(図8B、Cを参照)、SAR石英年代測定プロトコルには適していません。
高速比 (式2)
ここで、L1:~0-2.5秒間の高速成分放出
L2: 中程度の成分放出 ~2.5-15 s L3: 遅い成分放出 ~ 15-40 s
単離された石英粒子のスペクトル純度に関する重要なテストは、LEDからの赤外線励起(845 nm±4 nm)に対するアリコートの応答です。ほとんどの石英粒子は、バックグラウンド発光の数百カウント以内のIR刺激で、低いまたは無視できる発光を生成します。IRベースの排出量を評価するためのメトリックが開発されています, IR枯渇比と呼ばれる, これは、IR LEDで刺激された照射された(5-10 Gy)石英粒子のSAR比(Lx / Tx)として計算されます, 次に青色LED.具体的には、IR発光を青色発光で割った比率は<5%である必要があり、これはOSL年代測定に適したスペクトル的に純粋な石英画分を示しています(図8A)。ただし、鉱物学的に純粋な石英粒子は、IR刺激で誤った発光を生成する場合があります。このIR信号は、石英に付着した石片または長石質含有物を反映している可能性があります。そのような場合、石英粒子は長石プロトコル31によって日付を記入する必要があります。修正を加えたこれらのプロトコルは、他の惑星用途のk長石、斜長石、かんらん石および輝石など、OSL年代測定用の他の鉱物の純度を分離および確認するために使用できます。
>99%の石英を分離し、粒子レベルで純度を確認する能力は、正確な発光年代測定の前提条件です。単粒および超小アリコート(10〜50粒)の年代測定では、すべての穀物の発光が石英からのものであるという追加の検証が必要です。次に、100万年までの信頼できるOSL年代を生み出すことができる熱転写アプローチの適用は、鉱物粒子からの純粋な石英信号に基づいています6。単鉱物クォーツセパレートは、OSL-SARプロトコルを適用するための基礎であり、第四紀後期の1,2,32,33の風成および河川系の堆積履歴を解読するための一連の年代を提供します(図1および図2)。石英または付着した石片中の誤ったK長石粒子または長石質介在物による石英アリコートの汚染は、混合線量測定信号をもたらし、異常な退色を起こしやすい場合、しばしば過小評価をもたらします4。ただし、純粋なクォーツセパレートは、スペクトル純度とクォーツ年代測定に適した放射を絶対的に保証するわけではありません。効果的なOSL年代測定では、純粋な石英が鉱物学的およびスペクトル的に分離されていることを検証するために、石英粒子とOSL関連の指標を慎重かつ完全に分離する必要があります2,33,34。
The authors have nothing to disclose.
ジオルミネッセンス年代測定研究所のサポートは、ベイラー大学によって提供され、国立科学財団(GSS-166023)、ナショナルジオグラフィック(#9990-1)、およびアトラスサンドからの助成金が提供されています。このラボでの発見と学習は、新しい視点、アイデア、アプローチをもたらした多くの共同研究者、学生、訪問者によって強化されました。
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 |