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

Aislamiento de granos de cuarzo para la datación por luminiscencia estimulada ópticamente (OSL) de sedimentos cuaternarios para investigación paleoambiental

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

Este protocolo es para el aislamiento de granos de cuarzo por tamaño para la datación por luminiscencia de sedimentos. Se describen la limpieza física y las digestiones químicas al remojar secuencialmente en_H2O2_,HCl, HF y HCl nuevamente para aislar los granos de cuarzo. La pureza del cuarzo se cuantifica con evaluación microscópica, espectroscopia Raman y relación de agotamiento IR.

Abstract

La datación por luminiscencia estimulada ópticamente (OSL) cuantifica el tiempo transcurrido desde que los granos minerales se depositaron y se protegieron de la exposición adicional a la luz o al calor, lo que restablece efectivamente el reloj de luminiscencia. La sistemática de la datación OSL se basa en las propiedades dosimétricas de minerales comunes, como el cuarzo y el feldespato. La luminiscencia adquirida con la exposición a la radiación ionizante natural después del entierro proporciona una edad de deposición para muchos sistemas sedimentarios cuaternarios, que abarcan los últimos 0,5 Ma. Esta contribución detalla los procedimientos para separar granos de cuarzo puro de una gama conocida de tamaños de partículas para facilitar el análisis de luminiscencia con alícuotas de grano pequeño o único. Específicamente, se proporcionan protocolos para los datos e interpretaciones necesarios para la datación OSL efectiva de núcleos de sedimentos terrestres o tubos de muestra de exposiciones. Estos núcleos, de 5-20 m de largo en secciones de 1,2 m, se dividen longitudinalmente y se cortan en corona, dejando el 80% del volumen del núcleo sin perturbaciones, lo que facilita el muestreo de sedimentos protegidos contra la luz para la datación de OSL en las profundidades del núcleo. Las muestras de sedimentos se someten a una serie de separaciones físicas para obtener un cierto intervalo de tamaño de grano (por ejemplo, 150-250 μm). Los minerales magnéticos se eliminan en estados húmedos y secos utilizando imanes. Una serie de digestiones químicas comienza con el remojo en_H2O2para eliminar la materia orgánica, seguido de la exposición al HCl para eliminar los minerales de carbonato, seguido de la separación de la densidad. Posteriormente, los granos se remojan en HF durante 80 min y luego en HCl para obtener únicamente granos de cuarzo. La pureza mineralógica (>99%) del extracto de cuarzo se cuantifica con la evaluación petrográfica del grano y la espectroscopia Raman. Repetir este procedimiento de aislamiento de cuarzo puede ser necesario con sedimentos que contienen <15% de granos de cuarzo. La excitación de los granos de cuarzo purificados por luz azul e IR derivada de LED permite calcular las relaciones de agotamiento rápido e IR, que son métricas para evaluar el dominio de las emisiones de luminiscencia del cuarzo.

Introduction

La geocronología de luminiscencia estimulada ópticamente (OSL) produce el tiempo desde la última luz o exposición al calor después de la erosión de sedimentos, la deposición y el entierro; y una mayor exposición a la luz o al calor. Por lo tanto, los procesos sedimentarios naturales o eventos de calentamiento (>300 ° C) reducen la señal de luminiscencia heredada previamente a un nivel consistentemente bajo. En las últimas dos décadas, ha habido avances sustanciales en la datación por luminiscencia, como la alícuota única y el análisis de granos minerales específicos, como el cuarzo. Estos protocolos de datación basados en experimentos con diodos azules o verdes pueden compensar eficazmente los cambios de sensibilidad inducidos en el laboratorio, haciendo que las edades OSL durante el pasado ca. 500 ka ^1,2,3.

Los minerales de silicato como el cuarzo y el feldespato potásico tienen diferentes defectos de carga reticular cristalina; algunos se formaron en el momento de la cristalización mineral y otros debido a la exposición posterior a la radiación ionizante, lo que resulta en un potencial geocronométrico. Estos defectos son ubicaciones probables de almacenamiento de electrones con energías de profundidad de trampa de ~ 1.3-3 eV. Una subpoblación de electrones contenidos en defectos de carga reticular de granos de cuarzo es una fuente de emisiones de luminiscencia de diagnóstico de tiempo con excitación por luz azul. Por lo tanto, esta emisión de luminiscencia aumenta con el tiempo, por encima del nivel de reinicio solar o térmico con la exposición a la radiación ionizante durante el período de enterramiento. Esta señal se reduce a un nivel bajo y definible (“puesta a cero”) con la posterior exposición a la luz solar con erosión, transporte y deposición de sedimentos. Este “ciclo” de luminiscencia ocurre en la mayoría de los ambientes de deposición en la Tierra y otros planetas. Por lo tanto, la datación OSL de granos de cuarzo sedimentarios proporciona una edad de deposición, que refleja el tiempo transcurrido desde la última exposición a la luz con deposición y entierro (Figura 1).

La datación por luminiscencia es una técnica basada en dosimétricos que produce estimaciones de edad para granos minerales seleccionados, como el cuarzo, a partir de sedimentos eólicos, fluviales, lacustres, marinos y coluviales asociados con contextos enumerables para la investigación geomórfica, tectónica, paleontológica, paleoclimática y arqueológica 2,4,5,6,7. La datación OSL también se está evaluando para restringir los procesos superficiales en otros planetas, particularmente en Marte ^8,9. A menudo, el mineral más utilizado en la datación OSL en la Tierra es el cuarzo, lo que refleja su abundancia natural, una sensibilidad inherente como geocronómetro, estabilidad de la señal y restablecimiento rápido con la exposición a la luz solar (segundos a minutos)4,10,11,12. Sin embargo, la precisión de la datación OSL se ve comprometida si el extracto de cuarzo es impuro, particularmente si está contaminado por potasio y otros feldespatos, que pueden tener emisiones de luminiscencia de diez a cien veces más brillantes que el cuarzo y pueden producir subestimaciones de edad¹³. Por lo tanto, la pureza absoluta (>99%) para extractos de granos de cuarzo de sedimentos es fundamental para una datación precisa de OSL. Por lo tanto, el enfoque de esta contribución es proporcionar procedimientos detallados para aislar granos de cuarzo altamente purificados separados de una variedad de sedimentos poliminerales. Esto requiere la integración del conocimiento de mineralogía, química cristalina; imágenes ópticas y Raman, para aplicar eficazmente protocolos de laboratorio, para representar edades OSL en granos de cuarzo de estratos cuidadosamente muestreados de núcleos de sedimentos recuperados. Los núcleos de sedimentos se recolectaron mediante un método de extracción de muestras de empuje y percusión, que recuperó sedimentos intactos hasta una profundidad de 20-25 m.

La señal OSL sensible al tiempo se restablece relativamente rápido con minutos u horas de exposición a la luz solar. La señal geológica OSL se acumula a partir de este nivel de reinicio solar. Aunque, las emisiones OSL del cuarzo son considerablemente variables, reflejando la estructura cristalina original, las impurezas reticulares, la sensibilización con ciclos de restablecimiento de luminiscencia¹⁴ (Figura 1). Por lo tanto, existe una variabilidad inherente en la sensibilidad a la dosis del cuarzo, y es necesario diseñar protocolos de datación para la procedencia mineralógica y sedimentaria específica. Afortunadamente, la aparición de protocolos de dosis alícuotas únicas regenerativas (SAR) para el cuarzo ^1,2 produjo sistemáticas para corregir la variabilidad en las emisiones de OSL y métricas para evaluar los cambios de laboratorio en la sensibilidad aparente de OSL. Los granos de sedimento funcionan como dosímetros de radiación a largo plazo cuando se ocultan de una mayor exposición a la luz, y la señal de luminiscencia sirve como medida de la exposición a la radiación durante el período de entierro. La dosis de radiación que es equivalente a la emisión de luminiscencia natural de granos de cuarzo aislados se conoce como la dosis equivalente (D_e: en grises, Gy), que es el numerador de la ecuación de edad OSL (Ecuación 1). El denominador es la tasa de dosis (D_r: Grays/año), definida por la contribución de radiación α, β y γ, originada por la desintegración radiactiva de isótopos hijos en las series de desintegración 235 U, 238 U, ²³²Th, ⁴⁰K, y con contribuciones menores de la desintegración de ⁸⁵Rb y fuentes cósmicas y galácticas.

Edad OSL (año) = (Ecuación 1)

Donde, D_α = dosis alfa D_β = dosis beta D_γ = dosis gamma D_c = dosis cósmica y w = factor de atenuación del agua.

Otro método para las determinaciones de U y Th en el laboratorio o en el campo es la espectrometría gamma, con la variante de germanio capaz de cuantificar el desequilibrio isotópico de U y Th con ajustes adecuados a la tasa de dosis. Los componentes beta y gamma de la tasa de dosis ambiental necesitan ser modificados para la atenuación de masa¹⁵. Sin embargo, existe una dosis alfa efectivamente insignificante para granos >50 μm con los 10-20 μm externos de granos eliminados por tratamiento con HF sin diluir durante la preparación. Un componente crítico en la evaluación de la tasa de dosis es la cuantificación de la dosis cósmica y galáctica durante el período de enterramiento, que se calcula para puntos específicos de la Tierra con ajustes de longitud, latitud, elevación, profundidad de entierro y densidad del sedimento suprayacente^16,17.

Los sedimentos que contienen >15% de cuarzo suelen ser relativamente sencillos para separar una fracción de cuarzo de alta pureza. Sin embargo, los sedimentos con <15% de cuarzo a menudo requieren tiempo adicional para garantizar la pureza mineralógica necesaria para la datación OSL. Se necesitan aproximadamente 500-1000 granos de cuarzo para este análisis, pero a menudo se separan miles de granos para análisis duplicados, archivo para expandir una biblioteca de calibración y avances futuros. La composición mineralógica de las muestras de sedimentos se evalúa inicialmente, grano por grano, mediante análisis petrográfico a través de un análisis microscópico binocular (10-20x) y un análisis de imagen asociado. La mineralogía de granos individuales se prueba aún más mediante espectroscopía Raman para medir espectros de granos utilizando un láser de excitación (455 nm, 532 nm, 633 nm o 785 nm) y comparar estadísticamente las emisiones de granos con espectros minerales conocidos de la base de datos del sistema RRUFF¹⁸.

Una vez que la inspección visual y espectral es satisfactoria, la pureza de la señal OSL se verifica aún más, utilizando un sistema lector de luminiscencia automatizado. De tres a cinco alícuotas de la muestra están expuestas a excitación infrarroja (IR = 1,08 vatios a 845 nm ± 4 nm), que estimula preferentemente los minerales del feldespato, y esta emisión se compara con las emisiones por excitación de luz azul (Bl = 470 nm ± 20 nm), que estimula preferentemente el cuarzo. Si la relación IR/Bl ≥ 5%, la prueba indica contaminación por feldespato y se repiten las digestiones ácidas. Si la relación IR / Bl <5%, entonces las muestras se consideran fracción de cuarzo satisfactoriamente para la datación.

Los protocolos de regeneración alícuota única (SAR) en granos de cuarzo son un enfoque de uso frecuente en sedimentos de datación OSL con procedimientos adaptados para una muestra específica, un sitio de estudio o un área. La reproducibilidad de estos protocolos se determina dando a los granos de cuarzo una dosis beta conocida (por ejemplo, 30 Gy) y evaluando qué pretratamiento térmico recupera esta dosis conocida (Figura 2). En la práctica, la determinación de un D_e con los protocolos SAR implica el cálculo de una relación entre la luminiscencia natural y la luminiscencia de una dosis de prueba conocida (relación L n / T_n), que se compara con las emisiones de luminiscencia para dosis regenerativas divididas por la luminiscencia de la misma dosis de prueba (L x / T_x) (Figura 2 ). Se ha ideado una corrección, una dosis de prueba aplicada consistentemente (por ejemplo, 5 Gy), para compensar los cambios de sensibilidad del grano de cuarzo con la medición a través de ciclos SAR. A menudo, las emisiones de OSL aumentan en un >5% con cada ciclo sucesivo de SAR, aunque se les da la misma dosis (por ejemplo, 5 Gy)⁷.

Al menos cuarenta alícuotas de cuarzo o 500 granos se analizan con sistema lector TL/OSL, con excitación de luz azul. Los datos de luminiscencia generados son analizados por un software asociado al sistema lector Risø TL/OSL-DA-20. Los valores D_e y D_r y las estimaciones de edad se calculan utilizando la Calculadora de Dosis y Edad de Luminiscencia (LDAC)¹⁷. Esta plataforma aplica modelos estadísticos para determinar los valores de dosis equivalentes (D_e) y representar la edad OSL correspondiente con errores restringidos.

La muestra extraída con protección contra la luz de un núcleo se prepara por dos razones: 1) Para obtener una fracción mineralógica de granos de cuarzo con una pureza del >99%, y 2) Para aislar granos de fracción de tamaño específico, por ejemplo, 150-250 μm, para la evaluación del D_r ambiental para la datación OSL¹⁷. En muchos entornos sedimentarios, los granos de cuarzo son comunes; pero mezclado con otros minerales silicatos y no silicatos, fragmentos de roca y materia orgánica. Anteriormente, los procedimientos se delinearon brevemente, indicando algunos pasos específicos y reactivos necesarios para aislar granos de cuarzo puro en el contexto de la datación OSL 13,19,20,21,22,23. Esta contribución se ha beneficiado enormemente de estos enfoques anteriores. Este documento describe protocolos revisados y más detallados que utilizan imágenes petrográficas y tecnología Raman para monitorear la mineralogía de granos y producir extractos de cuarzo altamente puros (>99%) para la datación por luminiscencia. Estos protocolos de aislamiento de cuarzo se han desarrollado después de preparar cientos de muestras de diversos entornos geológicos en las Américas, Eurasia, China y África, el Baylor Geoluminescence Dating Research Laboratory, que refleja la experiencia analítica de más de treinta años, y no son métodos definitivos, con variaciones adecuadas utilizadas por otros laboratorios. Estos no son protocolos estáticos, y las modificaciones y adiciones para mejorar son bienvenidas.

Protocol

NOTA: Esta sección presenta los procedimientos para separar una fracción de cuarzo casi pura (>99%) de sedimentos poliminerales tomados de núcleos de sedimentos largos (15-20 m) y son igualmente aplicables a muestras individuales en forma de tubo recolectadas de afloramientos23. Esta metodología se ha dividido en tres componentes: (1) apertura del núcleo de sedimento, descripción e interpretación de ambientes sedimentarios para colocar la edad OSL resultante en un contexto paleoambiental, (2) Recuperación de una pequeña muestra de sedimento OSL de un núcleo sin exposición a la luz ambiental, y (3) Separación de un extracto de cuarzo monomineralógico en una fracción de tamaño específico (por ejemplo, 150-250 μm). El primer paso se lleva a cabo en condiciones de luz ambiental. El segundo y tercer componente se realizan con iluminación por una bombilla de vapor de sodio, LED equivalentes o bombillas con un filtro rojo a naranja. Las pruebas han demostrado que estas condiciones de luz seguras con emisiones centradas en 589 nm con aproximadamente 1-0.5 W / m2 en la superficie del banco no causan un reinicio inadvertido durante las preparaciones del grano. 1. Abrir, describir e interpretar núcleos de sedimentos (Figura 3) NOTA: Use una sierra eléctrica en aproximadamente el cuarto de diámetro (posición de 0.5 radianes) de la circunferencia del núcleo para abrirlos longitudinalmente. Realice este corte de núcleo de “corona” en lugar de un medio corte para preservar más sedimentos expuestos sin luz para la datación OSL y otros análisis sin comprometer la inspección visual cuidadosa, el muestreo y la descripción del núcleo. Registrar y evaluar las características sedimentológicas y pedológicas de un núcleo.Evaluar la variación en las características sedimentológicas, como los cambios en el tamaño de partícula, las estructuras sedimentarias y diagenéticas, el lecho si es visible, los colores Munsell24, la base de los límites de la unidad25 y la identificación de secuencias de estratos. Determinar las características macropedológicas que incluyen morfologías carbonatadas, argílicas y cummlic; rubificación y designación del horizonte asociado; y traza de fósiles. Tome 1-2 g del sedimento con una espátula, póngalo en un vaso de precipitados resistente al ácido de 50 ml para evaluar el contenido de carbonato gasométricamente.Coloque el vaso de precipitados en un horno de caja bien ventilado (40 °C) durante al menos 8 h para secar la muestra, luego pese en una escala de precisión y anote el peso de cada muestra en el libro de laboratorio. Agregue 30 ml de HCl al 15% a la muestra, colóquela descubierta dentro de una campana extractora y déjela reaccionar durante al menos 30 minutos. Agregue ácido hasta que la reacción esté completa.PRECAUCIÓN: El ácido HCl siempre debe usarse dentro de una campana extractora, con la hoja no más de un cuarto abierta. Se requiere una bata de laboratorio, guantes resistentes a productos químicos, gafas de seguridad y un escudo cuando se manipula HCl. Coloque esta mezcla en una campana extractora durante 8 h cubierta por un sellador de papel encerado. La reacción del HCl con Ca/MgCO3 es exotérmica. Por lo tanto, coloque el vaso de precipitados en un recipiente de cerámica de 300 ml lleno de 100 ml de agua fría del grifo para enfriar la reacción y capturar el derrame de la reacción. Lave la muestra con 100 ml de agua desionizada (DIW), decante cuidadosamente el sobrenadante para que se hunda sin perder el sedimento. Devolver la muestra al horno (40 °C) durante al menos 24 h hasta que se seque; Pesa y registra el valor. Cuantificar la diferencia de masa entre las muestras secada al horno antes y después de remojar en HCl al 15% para evaluar el contenido de carbonato (%). Retire 0.5-1.0 g de sedimentos para el análisis del tamaño de partícula cada 5-10 cm por el núcleo. Coloque cada muestra de sedimento en un vaso de precipitados resistente al ácido de 100 ml. Etiquete las muestras en vasos de precipitados en consecuencia. Tamizar los sedimentos a través de una malla de 2000 μm. Deseche el sedimento >2000 μm (más grande que la arena). Continuar el proceso con el sedimento restante <2000 μm. Agregue 30 ml de HCl al 15% para eliminar el carbonato de la muestra. Repita los pasos 1.1.3.1-1.1.3.5 Eliminar la materia orgánica utilizando 30 mL de 12%H2O2y dejar reposar durante >12 h; No calentar.PRECAUCIÓN: ElH2O2promueve la oxidación rápida, es corrosivo y puede ser muy dañino para los ojos, la piel y el sistema respiratorio. Se requiere una bata de laboratorio, guantes resistentes a productos químicos, gafas de seguridad y un escudo cuando se manipula H 2 O2de grado reactivo. La adición deH2O2al sedimento que contiene materia orgánica es una reacción exotérmica. El rápido aumento de la temperatura es proporcional a la abundancia de materia orgánica diseminada en la muestra. La adición de DIW puede ser necesaria para mantener la temperatura de reacción <40 °C. Continúe agregandoH2O2y monitoree la temperatura de reacción simultáneamente. Deje que la mezcla permanezca dentro de una campana extractora durante 8 h cubierta por un sellador de papel encerado. Coloque el vaso de precipitados en un recipiente de cerámica de 300 ml lleno de 100 ml de agua fría del grifo para enfriar la reacción y capturar el derrame de la reacción. Determine los tamaños de grano para cada muestra con un analizador de tamaño de partículas de difracción láser y clasifique el rango de tamaños de grano de acuerdo con la escala de Wentworth26,27. Evalúe los datos y vuelva a muestrear iterativamente utilizando un espaciado más fino (2-5 cm) para caracterizar mejor los contactos de la unidad o la huella de la pedogénesis (ver Figura 4). Interpretar las secciones sedimentarias y estratigráficas.Utilice los registros resultantes de sedimentología, estratigrafía, pedología, granulometría y porcentaje de carbonato para definir las unidades de deposición y facies pedosedimentarias observadas en los núcleos. Redactar las respectivas secciones sedimentarias para cada núcleo (Figura 4). Interpretar la información sedimentaria y ambiental basada en una evaluación integrada de la descripción del núcleo físico y granulometría, contenido de carbonatos, micromorfología y análisis de facies. Discutir la interpretación de ambientes sedimentarios con otros miembros del grupo de investigación. Determinar niveles de profundidad específicos de los núcleos que se muestrearán para la datación OSL para descifrar eventos de deposición7. 2. Recopile la muestra de OSL (Figura 5) NOTA: Las secciones centrales se transfieren al laboratorio de luminiscencia para la toma de muestras para la datación OSL en condiciones de luz segura. Humedezca la cara central con DIW usando una botella de compresión para asegurar la cohesión del sedimento. Defina el área de muestreo marcando con una espátula un círculo de 2 cm de diámetro desde el punto central de la cara central. Raspa el 1 cm superior de sedimento expuesto a la luz con un cuchillo utilitario. Poner este sedimento en una fuente de evaporación de cerámica etiquetada para secar durante al menos 8 h en un horno de caja a 40 °C. Pulverizar y homogeneizar esta muestra de sedimento seco para determinar el contenido de U, Th, K y Rb para calcular la tasa de dosis.NOTA: Como ejemplo, asigne a la muestra un número de laboratorio consecutivo (por ejemplo, BG4966) para etiquetar en cada recipiente que albergue cualquier derivado de la muestra original (por ejemplo, BG4966 <200 μm). Vincule este número BG al registro electrónico del laboratorio, co-registrado con el campo de muestra o el número de envío. Incluya otra información, como el número de núcleo, el año recopilado, la designación de la unidad (por ejemplo, la unidad B) y la profundidad. El etiquetado de submuestras en el laboratorio es una tarea crítica y debe hacerse con exactitud para mantener la cadena de custodia de muestras. Extraiga (10-30 g) el sedimento protegido contra la luz cuidadosamente con una espátula del área central circular y marcada del núcleo. Coloque el extracto en un vaso de precipitados de polietileno de 250 ml etiquetado. Limpie esta muestra física y químicamente para aislar una fracción de cuarzo para la datación por luminiscencia.NOTA: Realice el muestreo del núcleo en una dirección (generalmente de arriba a abajo) y de uno en uno para evitar errores de muestreo y contaminación. Procesar las muestras individualmente, en orden numérico, para mantener la cadena de custodia. Llene la cavidad de muestra restante en el núcleo con una bola de papel de aluminio para designar la posición de la muestra y evitar el colapso de la pared lateral del núcleo dividido. Humedezca la cara del núcleo con DIW usando una botella de spray, envuélvala en plástico y selle el núcleo para archivarlo. 3. Extraer cuarzo monomineralógico ( Figura 6) NOTA: Todo el personal antes de iniciar los procedimientos en el laboratorio debe usar equipo de protección personal (EPP), que incluye una bata de laboratorio pesada e impermeable, acompañada de guantes y gafas desechables de nitrilo y máscaras contra el polvo. Este EPP se complementa con guantes de PVC pesados y delantal largo del cuerpo, protector facial acrílico y cubiertas de zapatos impermeables de silicona reutilizables cuando se usan solventes a plena potencia para las digestiones. Eliminar la materia orgánica: Añadir lentamente 30 mL de 25%H2O2a 30-60 g del sedimento en un vaso de precipitados de polietileno de 250 mL para eliminar la materia orgánica. Revuelva bien con una varilla de vidrio para facilitar la reacción. AñadirH2O2hasta que no haya efervescencia visible con la liberación deCO2; Déjelo reposar dentro de la campana extractora durante al menos 12 h.PRECAUCIÓN: Realice este procedimiento bajo una campana extractora. ElH2O2promueve la oxidación rápida, es corrosivo y puede ser muy dañino para los ojos, la piel y el sistema respiratorio. Se requiere una bata de laboratorio, guantes resistentes a productos químicos, gafas de seguridad y un escudo cuando se manipula H 2 O2de grado reactivo. La adición deH2O2al sedimento que contiene materia orgánica es una reacción exotérmica. El rápido aumento de la temperatura es proporcional a la abundancia de materia orgánica diseminada en la muestra. La adición de DIW puede ser necesaria para mantener la temperatura de reacción <40 ° C. Continúe agregando H 2 O2y monitoree la temperatura de reacción simultáneamente. Deje que la mezcla permanezca debajo de una campana extractora durante 12 h cubierta por un sellador de cera. Coloque el vaso de precipitados en un recipiente de cerámica de 300 ml lleno de 100 ml de agua fría del grifo para enfriar la reacción y capturar el derrame de la reacción.NOTA: Si el contenido de materia orgánica es del >3%, la muestra puede requerir 1-3 días de remojo enH2O2para reaccionar completamente con el carbono orgánico. Controle el calor exotérmico evolucionado y agregue DIW para mantenerlo por debajo de 40 ° C. No calentar la muestra a una temperatura superior a 40 °C. Las temperaturas más altas pueden causar un restablecimiento parcial de la señal de luminiscencia y cambios de sensibilidad perjudiciales para las mediciones dosimétricas. Lave la muestra cinco veces con 100 ml de DIW para eliminar cualquier resto deH2O2y haluros presentes en el sedimento. Después de asentarse durante 30-60 minutos, decantar el sobrenadante en el fregadero con el agua corriendo. Tenga cuidado de preservar el sedimento en el fondo del vaso de precipitados durante la decantación. Añadir lentamente 30 mL de HCl al 15% por cada 5 g de sedimento en un vaso de precipitados de 250 mL para reaccionar con el Ca/MgCO3 diseminado en la muestra. Inicialmente agregue ≤ 1 ml para evaluar las efervescencias y modular adiciones adicionales de HCl para controlar una mejor reacción. Revuelva bien con una varilla de vidrio para facilitar la finalización de la reacción. Añadir más HCl si es necesario hasta que no haya efervescencia visible con la liberación deCO2.PRECAUCIÓN: Use HCl dentro de una campana extractora, con la hoja no más de un cuarto abierta. Se requiere una bata de laboratorio, guantes resistentes a los productos químicos, gafas de seguridad y un escudo al manipular este y otros ácidos. La reacción del HCl con Ca/MgCO3 es exotérmica. La adición de DIW puede ser necesaria para mantener la temperatura de reacción <40 °C. Continúe agregando HCl y monitoree simultáneamente la temperatura de reacción. Deje que la mezcla permanezca dentro de una campana extractora durante 8 h cubierta con papel encerado. Coloque el vaso de precipitados en un recipiente de cerámica de 300 ml lleno de 100 ml de agua fría del grifo para enfriar la reacción y capturar el derrame de la reacción.Lave la muestra con 100 ml de DIW cinco veces y decantar cuidadosamente para eliminar el exceso (diluido) de HCl en un fregadero con el agua corriendo. Secar el sedimento durante la noche en un horno de caja a 40 °C. Retire los minerales magnéticos, paramagnéticos y diamagnéticos.NOTA: La mayoría de los sedimentos contienen <10% de minerales magnéticos. Realizar la eliminación magnética mineral del sedimento en estado seco utilizando imanes de neodimio o húmedo utilizando el dispersante Na-pirofosfato (Na4P 2 O7·10H2O) solución (0,3%). La eliminación de minerales magnéticos y asociados es necesaria ya que estos componentes compiten con el grabado HF del cuarzo y la disolución de otros minerales de silicato.Envuelva un imán de neodimio de ~2,5 cm de largo con una funda de malla de nylon de 38 μm para la eliminación de sedimentos secos de minerales magnéticos. Coloque el imán envuelto en la pared exterior del vaso de precipitados y muévase en un movimiento circular para atraer minerales magnéticos. Mueva el imán lentamente a la parte superior del vaso de precipitados para extraer los minerales en un plato de cerámica de 20 ml. Retire el imán y separe los minerales magnéticos unidos a la funda de nylon. Repita los pasos 3.4.1-3.4.3 hasta que se eliminen completamente los granos magnéticos; generalmente después de 5 a 6 repeticiones. Para eliminar los granos magnéticos en una solución a base de agua, coloque el sedimento en un vaso de precipitados de vidrio de 250 ml con ~ 100 ml de solución de Na-pirofosfato al 0,3% y revuelva bien hasta que el sedimento esté bien desagregado. Coloque el vaso de precipitados en una placa caliente con un agitador magnético incorporado; ajustar la velocidad de agitación a 800 RPM a temperatura ambiente de laboratorio. Sumerge las varillas magnéticas y remueve el sedimento durante 5 min. Retire las varillas para limpiar los granos magnéticos atraídos frotando con un paño u otro imán antes de devolver los imanes a la solución. Repita hasta que no se recuperen minerales magnéticos; Pueden ser necesarias hasta cinco repeticiones.NOTA: Se recomienda una inspección microscópica binocular de la muestra para evaluar el estado de la eliminación magnética de minerales. Juntos, la eliminación de minerales magnéticos secos y húmedos suele ser >95% efectiva. Separe una fracción específica del tamaño de grano.NOTA: El rango de tamaño de partícula de los granos de cuarzo que deben separarse se basa en la distribución del tamaño de partícula previamente determinada para cada muestra (véase el paso 1.1.5). Los rangos de tamaño de partícula comunes para separar los granos de cuarzo son 500-450 μm, 450-355 μm y 355-250 μm para arena mediana, 250-150 μm y 150-100 μm para arena fina y 100-63 μm para arena muy fina.Corte cuadrados de 15 cm x 15 cm de rollos de malla de nylon de dos tamaños (por ejemplo, 150 μm y 250 μm) para el aislamiento del tamaño de partícula utilizando tamizado húmedo con mallas desechables. Enmarque la malla cortada en una guía circular de plástico de 10 cm de diámetro interior. Por ejemplo, para apuntar a la fracción de arena fina 150-250 μm, use dos mallas de encuadre secuencialmente: 250 μm primero y 150 μm segundo. Etiquete tres vasos de precipitados con el número de muestra de laboratorio (BGXXXX) y los límites de tamizado; >150 >250 μm y 250-150 μm ( Recuadro de la figura 6A). Coloque la guía de tamizado circular firmemente con una malla enmarcada, por ejemplo, primero, use 250 μm (tamaño de grano más grueso) sobre un borde de vaso de precipitados de 1 L (10.5 cm de diámetro). Muestre de tamiz al rango de tamaño de partícula objetivo, por ejemplo, 250-150 μm. Configure un vaso de precipitados de 1 L con una guía de malla de 250 μm en la parte superior; listo para tamizar. Agregue ~ 100 ml de solución al 0,3% de Na-pirofosfato a un vaso de precipitados de 250 ml que contenga el sedimento no magnético obtenido en el paso 3.4.7 y revuelva bien con un camino de vidrio para facilitar la dispersión de partículas. Continúe agitando manualmente la mezcla de sedimentos dispersos y vierta lentamente a través de la malla de 250 μm. El sedimento de partículas de 250 μm) para un posible análisis futuro. Coloque la malla de 150 μm sobre un nuevo vaso de precipitados seco de 1 L. Tome la mezcla de sedimentos dispersos del paso 3.5.7, continúe girando en la mano y vierta lentamente a través de la malla de 150 μm. El sedimento de partículas de <150 μm de tamaño pasa a través de la malla hacia el vaso de precipitados inferior. Archivar el sedimento para un posible análisis futuro. El sedimento que queda en la malla 150 es la fracción de tamaño objetivo, 150-250 μm, para la datación OSL. Secar los sedimentos en un horno de caja durante la noche a 40 °C. Aislar los granos de cuarzo del tamaño de 250-150 μm por separado (Recuadro Figura 6B).NOTA: Este procedimiento incluye dos separaciones de densidad utilizando el politungstato de sodio líquido pesado no tóxico (SPT-Na)6 (H2W12O40) _H2O) a densidades de 2,6 g/cc y 2,7 g/cc. Mezclar el polvo con DIW para constituir este líquido pesado. Para preparar 100 ml del líquido pesado con una densidad de 2,6 g/cc, añadir 205,5 g de SPT a 54,5 ml de DIW. Considerando que, para preparar 100 ml del líquido más pesado con una densidad de 2,7 g/cc, añadir 217,5 g de SPT a 52,7 ml de DIW. Evalúe la densidad del líquido pesado con perlas de densidad precalibradas y un hidrómetro.PRECAUCIÓN: Use solo DIW para preparar líquidos pesados porque el agua del grifo contiene iones disueltos que reaccionan y cambian la composición del polvo SPT. Para generar una solución homogénea de la densidad deseada, agregue el polvo SPT al agua y no al contador.Etiquete dos vasos de precipitados de 100 ml con el número de muestra agregando “2.6” al otro vaso de precipitados. Mantenga un vaso de precipitados de 1 L listo para recoger el líquido pesado lavado de la muestra con DIW. Mezclar bien 80-70 mL de líquido pesado de 2,6 g/cm3 con la fracción seca del sedimento obtenido en la etapa 3.5.8. Vierta la mezcla en un cilindro graduado de 100 ml bien etiquetado. Cubra la parte superior con un sellador de cera para evitar la evaporación. Coloque el cilindro dentro de una campana extractora para que permanezca inalterado y protegido de la luz. Espere al menos 1 h para permitir que la muestra se separe en dos zonas marcadamente diferentes. Los minerales flotantes más ligeros a menudo se enriquecen en K-feldespato y plagioclasas ricas en Na, y los granos más pesados más bajos son ricos en cuarzo y otros minerales más pesados.NOTA: Los tiempos de separación utilizando el líquido pesado de 2,6 g/cc para tamaños de partícula más pequeños, 4 h. Coloque un embudo de plástico y coloque un filtro de papel desechable sobre un vaso de precipitados de 250 ml. Filtre la solución con un ajuste ajustado. Decantar el sedimento flotante del líquido pesado de 2,6 g/cm3 a través del filtro lenta y cuidadosamente, con granos suspendidos capturados en el filtro. Conserve cuidadosamente la zona inferior de los granos sedimentados. Deje que el líquido pase a través del filtro; lavar con DIW según sea necesario. Transfiera el sedimento ligero lavado al vaso de precipitados etiquetado como “número de muestra <2.6", colocando el filtro de papel en el vaso de precipitados y lavando cuidadosamente con DIW. Deseche el filtro después de lavar todos los granos. Lave la muestra cinco veces con DIW para eliminar los vestigios de líquido espeso. Secar los sedimentos en el horno durante la noche a <40 °C. Almacene esta fracción rica en feldespato para futuros análisis. Coloque un nuevo papel de filtro en el embudo de plástico y colóquelo firmemente en un vaso de precipitados de vidrio de 1 L. Decantar los granos minerales sedimentados inferiores en el cilindro graduado con solución de 2,6 g/cm3 . Luego, lave el cilindro con DIW usando una botella de chorro. Transfiera el sedimento “pesado” lavado al vaso de precipitados etiquetado con el “número de muestra >2.6”. Coloque el filtro de papel en el vaso de precipitados y lave cuidadosamente con DIW. Deseche el filtro después de lavar todos los granos. Lave la muestra tres veces en el fregadero con DIW. Secar los sedimentos en el horno durante la noche a <40 °C para una mayor separación de la densidad utilizando líquido pesado de 2,7 g/cc. Continuar con la separación de cuarzo con un líquido pesado de 2,7 g/cc. Combine el “pesado” seco separado del vaso de precipitados etiquetado como “número de muestra >2.6” con 70-80 ml de líquido pesado de 2.7 g / cc. Decantar el sedimento flotante (rico en cuarzo) en un par embudo-filtro sobre un vaso de precipitados de 1 L lenta y cuidadosamente. Lave bien la muestra flotante en el filtro con DIW y recoja el lavado en el vaso de precipitados de abajo. Transfiera el sedimento lavado en el filtro a un vaso de precipitados de polipropileno de 250 ml marcado con el “número de muestra + para HF”. Coloque el filtro de papel en el vaso de precipitados y lave cuidadosamente con DIW; Deseche el filtro después de lavar todos los granos. Coloque un nuevo filtro de papel en el embudo de plástico y coloque ambos en un vaso de vidrio nuevo de 1 L. Agregue DIW al cilindro donde se produjo la separación de densidad de 2.7 g / cc, decante y lave con DIW hasta que los granos separados inferiores se transfieran completamente al filtro. Repita los pasos 3.6.10-3.6.12 y archive esta fracción más pesada. Grabar los granos de cuarzo sumergiéndolos en ácido fluorhídricoNOTA: Este procedimiento tiene dos objetivos principales: 1) disolver cualquier mineral restante que no sea cuarzo; 2) Grabar los 10-20 μm externos de granos de cuarzo, afectados por la radiación alfa28.PRECAUCIÓN: El ácido fluorhídrico concentrado (HF) es un líquido altamente tóxico y peligroso. Se necesita entrenamiento y cuidado especiales para usar IC debido a la alta toxicidad dérmica y pulmonar. El personal de laboratorio debe estar familiarizado con las hojas de datos de seguridad de materiales HF. Siempre manipule HF dentro de una campana extractora de humos de laboratorio operativa, cerca de una estación de lavado de ojos y ducha de seguridad. Nunca trabaje solo con HF. Asegúrese de que el antídoto en gel de gluconato de calcio al 2,5% no vencido esté a mano antes de manipular la IC. Se debe usar el siguiente EPP antes de manipular HF: pantalones y mangas largas, zapatos cerrados, bata de laboratorio pesada, delantal resistente a los ácidos, guantes gruesos de nitrilo (10-20 mil), guantes de PVC o neopreno que cubren las manos, muñecas y antebrazos, máscara contra el polvo, gafas, protector facial de acrílico y cubiertas de zapatos impermeables de silicona.Prepare un temporizador de 80 minutos y corte el sellador de papel encerado para cubrir un vaso de precipitados de 250 ml. Abra tanto el DIW como los grifos de agua regulares en el fregadero y tenga una botella de DIW a mano como medida de seguridad. Póngase el EPP apropiado para usar ácido HF. Introducir un vaso de precipitados de polipropileno de alta resistencia de 250 ml con la muestra obtenida en la etapa 3.6.14 dentro de la campana extractora; Baje la hoja hasta casi el cierre para que sea seguro y cómodo para trabajar. Agregue HF al vaso de precipitados mediante incrementos de bomba (20 ml) por cada 2 g de cuarzo y cubra el vaso de precipitados con sellador de papel encerado.NOTA: Para mayor seguridad, utilice un dispensador de botellas HF que suministre volúmenes fijos de ácido, por ejemplo, 20 ml / bomba, para controlar la cantidad y la dirección del suministro de ácido. Los recipientes de plástico de alta densidad se utilizan con HF porque este ácido reacciona y graba el vidrio. Inicie el temporizador de 80 minutos y retire el HF-PPE. Tenga en cuenta que debe usar el EPP nuevamente para limpiar la muestra 5 minutos antes de que se complete el tiempo. Lave la muestra cinco veces debajo de la capucha. Llene el vaso de precipitados con DIW para diluir el ácido y decantarlo en un contenedor satélite utilizado para los desechos de HF. Retire la muestra de la campana extractora y lave la muestra tres veces más con DIW en el fregadero, manteniendo abiertos tanto el DIW como los grifos de agua regulares para diluir aún más cualquier HF restante. Decantar y mover la muestra a un vaso de precipitados de vidrio de 250 ml, agregar ~ 150 ml de solución de Na-pirofosfato al 0,3% (Na4P 2 O7 · 10H2O) al sedimento y colocarel vaso de precipitados en un baño de ultrasonido durante 20 minutos para desagregar completamente los granos y partículas. Lave la muestra cinco veces más con DIW en un fregadero para eliminar el Na-pirofosfato. Decantar y etiquetar el vaso de precipitados “Nombre de muestra” para HCl”. Sumergir los granos minerales restantes después de la digestión por HF (paso 3.7.9) en HCl concentrado.PRECAUCIÓN: El HCl concentrado (~ 36%) se considera un fluido tóxico y corrosivo que puede causar quemaduras químicas al contacto y daño ocular si se salpica, y lesiones en la boca, garganta, esófago y estómago si se ingiere. Los trabajadores deben estar familiarizados con las hojas de datos de seguridad de materiales de HCl. Siempre manipule HCl concentrado dentro de una campana extractora operativa, cerca de una estación de lavado de ojos y ducha de seguridad. Nunca trabaje solo con HCl. Antes de comenzar la digestión del sedimento con HCl, asegúrese de usar el EPP indicado en el paso 3.7.NOTA: Al igual que con la HF concentrada, es más seguro usar un dispensador de botellas para controlar la cantidad y la dirección de la descarga. Use recipientes de vidrio cuando trabaje con HCl. Antes de quitarse el EPP, lávese los guantes con agua y jabón, y después de quitarse el EPP, lávese las manos y los antebrazos.Prepare el sellador de cera para cubrir el vaso de precipitados con la muestra sumergida en el ácido. Abra tanto el DIW como los grifos de agua regulares en el fregadero y tenga una botella de DIW a mano como medida de seguridad. Póngase el EPP ácido. Colocar el vaso de precipitados de vidrio de 250 ml con la muestra obtenida en el paso 3.7.9 dentro de la campana extractora. Baje la hoja hasta casi el cierre para que sea seguro y cómodo para trabajar. Agregue HCl a la muestra en incrementos de bomba (20 ml) por cada 5 g de cuarzo y luego cubra el vaso de precipitados con papel sellador de cera. Retire el EPP ácido. Dejar la muestra para la digestión del HCl durante 8 h en la campana extractora. Póngase el ácido-EPP antes de limpiar el HCl. Lave la muestra cinco veces debajo de la capucha; decantar sobrenadante en el contenedor satélite para recoger los residuos de HCl. Lave la muestra tres veces más con DIW en el fregadero, manteniendo abiertos tanto el DIW como los grifos de agua regulares para una mayor dilución. Asegúrese de continuar usando el EPP necesario. Vuelva a tamizar los sedimentos a través de la malla anterior más pequeña (por ejemplo, 150 μm) para eliminar los granos fracturados y rotos. Decantar y etiquetar el vaso de precipitados “Nombre de la muestra para OSL” y secar los sedimentos en el horno durante al menos 8 h a <40 °C para evaluar la pureza de la separación del cuarzo de este producto terminado. Cuantificar la pureza separada del cuarzoUse una aguja de disección para colocar 200-400 granos minerales en un portaobjetos de vidrio e inspeccione bajo un microscopio binocular y / o petroscópico 10x o 20x para identificar minerales de grano. Cuantifique el porcentaje de granos de cuarzo por conteo de puntos y registre la mineralogía de 100 granos individuales. Si una submuestra exhibe >1% de minerales no cuarzos y es un mineral no deseado con una alta producción de fotones (por ejemplo, K-feldespato) o permanece sin identificar, indique la muestra para la espectroscopia Raman. Utilice la espectroscopia Raman y la imagen asociada para confirmar la mineralogía del grano e identificar minerales no reconocidos bajo inspección microscópica. Utilice un haz azul con un ancho de 5 μm y recuentos de puntos de 100 granos para evaluar el porcentaje de pureza del cuarzo e identificar los minerales de grano desconocidos. Evaluar los espectros de pureza del cuarzo mediante estimulación infrarrojaPrepare cinco alícuotas ultrapequeñas de cuarzo separadas para la estimulación IR agitando los granos en un disco circular de aluminio (1 cm de diámetro). Cada alícuota generalmente contiene aproximadamente 20-100 granos de cuarzo correspondientes a un diámetro circular de 1 mm o menos adherido (con silicio) a un disco. Cargue los discos en un carrusel de muestra para la estimulación mediante LED IR (845 nm ± 4 nm) suministrados por un sistema lector automatizado TL / OSL y compárelo con la excitación de luz azul (470 nm ± 20 nm), que es preferencial para el cuarzo. Garantizar que la relación entre las emisiones de IRSL y luz azul de las alícuotas de grano de cuarzo sea del <5%. Si tal es el caso, la muestra está lista para su posterior análisis. De lo contrario, la muestra requiere una limpieza adicional con HF (paso 3.7).

Representative Results

Los procedimientos de laboratorio descritos se centran en mejorar la separación de granos de cuarzo puro (tamaño de 700 a 50 μm) necesarios para la datación OSL sin reinicio inadvertido de la luz en el laboratorio (Figura 1). Una separación de cuarzo puro, mineralógica y ópticamente, es un requisito previo para aplicar procedimientos de datación SAR y TT-OSL (Figura 2). Estos procedimientos explican los pasos necesarios para comprender y muestrear eficazmente los núcleos continuos de sedimentos, evitando zonas de pedogénesis y diagénesis, recuperando sedimentos no expuestos a la luz de los núcleos (Figura 3 y Figura 4); aislar granos de cuarzo para protocolos de datación OSL para restringir el momento de la deposición de sedimentos en el pasado alrededor de 500 ka (Figura 5). La mineralogía de los granos de la muestra no preparada y las separadas preparadas se evalúan continuamente a través del proceso de preparación para identificar la mineralogía contaminante y evaluar activamente el proceso de eliminación de minerales no deseados (Figura 6 y Figura 7). La pureza mineralógica del cuarzo se determina para granos de subconjuntos (100-400) a través de inspección microscópica binocular (10-20x) y por espectroscopia Raman. El uso de esta tecnología y el conocimiento previo son vitales para evaluar y confirmar la pureza necesaria (>99%) de las separaciones de cuarzo para la datación OSL (Figura 8). El proceso de separación del cuarzo se inicia con la eliminación de materia orgánica conH2O2y luego la posterior purga de Ca/MgCO3 con remojo en HCl. Posteriormente, se designa una fracción de tamaño tamizando con malla de nylon desechable (por ejemplo, 150 y 250 μm), que es necesaria para calcular los valores de la tasa de dosis (en mGy/y) (recuadro de la Figura 6A). La pureza del cuarzo separado se ve reforzada por dos separaciones de densidad a 2,6 y 2,7 g/cc, la densidad límite del cuarzo (recuadro de la Figura 6B). El remojo posterior de granos dimensionados en HF durante 80 minutos elimina los minerales no cuarzos. Este tratamiento también graba los 10-20 μm externos de granos para eliminar el área afectada por la dosis alfa, simplificando los cálculos de la tasa de dosis (Figura 6). La pureza del cuarzo separado nunca se asume, sino que se evalúa a través de la inspección microscópica binocular y las mediciones basadas en Raman al final de la separación del grano. Las separaciones de densidad y/o el tratamiento con HF pueden repetirse para eliminar los granos contaminantes separados si una alícuota representativa contiene >1% de granos no cuarzos, particularmente minerales de feldespato (Figura 7). El procedimiento de purificación de cuarzo se repitió hasta cuatro veces con un contenido de cuarzo de 20, característica del cuarzo puro (Figura 8). Figura 1: Procesos con datación OSL. (A) Los granos minerales adquieren OSL con la exposición a la radiación ionizante. (B) El OSL del grano se restablece por la luz solar con erosión / transporte. C) Exposición a ionizantes con entierro; luminiscencia adquirida. (D) La exposición a la luz restablece OSL con erosión/transporte. (E) Los granos se vuelven a enterrar, y OSL se adquiere con la exposición a la radiación ionizante. (F) Muestra muestreo sin exposición a la luz. La OSL natural medida resultante es seguida por una dosis de prueba de normalización (L n / Tn) que se equipara a la curva de dosis regenerativa para producir una dosis equivalente (De). Esta cifra ha sido modificada de Forman, S. L. et al.7. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 2: Protocolos de luminiscencia óptica estimulante – regeneración alícuota única (OSL-SAR) para granos de cuarzo. (A) Dosis equivalente utilizando protocolos SAR; la OSL natural es L n/Tn, y la dosis regenerativa es L x/Tx; los cambios de sensibilidad se corrigen administrando una dosis de prueba (p. ej., 5 Gy). B) Protocolo SAR generalizado. Esta cifra ha sido modificada de Forman, S. L. et al.7. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 3: Diagrama de flujo que describe los pasos necesarios para abrir, describir e interpretar un núcleo de sedimento recuperado. Esta figura muestra la recuperación del núcleo de sedimento utilizando un corer de percusión, seguido de la apertura, limpieza, descripción y estudio del núcleo para obtener la muestra óptima para la datación OSL. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 4: Ejemplo de un registro típico de un núcleo sedimentario y sección estratigráfica. Las unidades y facies pedosedimentarias se definen mediante sedimentología, estratigrafía, pedología, granulometría y porcentaje de carbonato. Los horizontes de los suelos que se encuentran en la columna estratigráfica de arriba a abajo son: A: horizonte superficial rico en materia orgánica, B: subsuelo con estructura y color débiles (Bw), y Btb enterrado con acumulación de arcilla, Btkb con carbonato de calcio secundario y acumulación de arcilla, y Bkb con una acumulación de carbonato de calcio secundario. El tamaño de partícula dominante de las unidades sedimentarias se muestra en la horizontal inferior con arena media (MS), arena fina (FS), arena muy fina (VFS) y limo (Si). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 5: Diagrama de flujo para los pasos necesarios para recolectar una muestra OSL de un núcleo de sedimento. Esta figura presenta un diagrama de flujo con los principales pasos seguidos para preparar un cuarzo separado para la datación OSL. Los protocolos comienzan con la extracción de un sedimento polimineral de áreas blindadas contra la luz del núcleo en el laboratorio OLS seguro para la luz. Continúan con la extracción de la fracción monomineralógica del cuarzo, que comprende la eliminación de materia orgánica con peróxido, carbonatos con HCl y minerales magnéticos utilizando imanes de mano. La separación de la fracción específica de sedimento del tamaño de la arena se realiza tamizado; La separación de minerales menos densos y más pesados que el cuarzo se realiza utilizando líquidos de densidad (ρ = 2,6 g/cc y 2,7 g/cc). Los pasos finales de la limpieza requieren la inmersión del sedimento en HF y HCl a plena fuerza para aislar el cuarzo de cualquier otro mineral en la fracción. La pureza del separado se evalúa mediante inspección binocular, espectroscopia RAMAN y verificación adicional de las emisiones IRSL (infrarrojas). El objetivo es obtener una muestra con una pureza ≥99%. De lo contrario, es necesario repetir algunos de los pasos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 6: Diagrama de flujo que representa todos los pasos necesarios para obtener un cuarzo prístino separado de una muestra de sedimento de un núcleo. Esta fracción de cuarzo limpia se utilizará para los análisis OSL-SAR para la evaluación de la edad. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 7:Comparación de dos muestras recogidas en dos zonas diferentes: White Sands (primera fila) y Mongolia (segunda fila). La columna A muestra muestras crudas bajo el microscopio binocular, tal como se recogen en el campo. La columna B muestra las fracciones separadas para cada muestra procesada, bajo el microscopio binocular. La columna C muestra los resultados correspondientes de la espectroscopia RAMAN. La muestra de White Sands contiene sulfatos (principalmente yeso), halogenuros y muy poco cuarzo (columna A). Correspondientemente, la fracción separada (63-100 μm) para la muestra procesada en una Columna B muestra que contiene principalmente cuarzo, todavía con algunos vestigios de yeso, como lo muestra la espectroscopia RAMAN en la Columna C. La relación entre las respuestas OSL IR y azul para esta muestra es del 9%, lo que confirma que necesita una segunda separación en densidad a 2,6 g / cc, lo que posiblemente eliminará el yeso más ligero (2,36 g / cc) del cuarzo más pesado. En contraste, la muestra mongola (Columna A) es inicialmente muy rica en feldespatos, predominantemente K-feldespato. Después de someterse a los procedimientos de limpieza, muestra abundante cuarzo aislado en la separación de 100-150 μm (Columnas B y C), lo que hace una relación IR / Bl satisfactoria del 3,7%. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 8: Comparación de la relación rápida para lo natural en tres muestras que representan diferentes grados de pureza de la fracción de cuarzo. (A) La distribución ideal de la relación rápida en una muestra eólica prístina de Red River, con una relación rápida = 72. Las cifras contrastantes (Figura 8B, C) tienen un componente menos rápido con estimulación LED azul, que está por debajo de 20. (B) Una muestra con separación incompleta de cuarzo y plagioclasas. Los componentes L2 y L3 son un % significativo del componente L1 (ver Ecuación 2). (C) Una curva de brillo hacia abajo para el cuarzo feldespático, con un componente medio dominante (L2). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Discussion

La pureza mineralógica del cuarzo es crítica para la datación OSL. Sin embargo, la pureza espectral del cuarzo es igualmente importante y generalmente se mejora con la cuidadosa concentración de granos de cuarzo. Idealmente, los granos de cuarzo bajo luz LED azul (470 nm ± 20 nm) de estimulación durante 40 s deberían emitir ≥ 90% de la luminiscencia dentro de los primeros ~0-2.5 s de estimulación, denominado componente rápido, con < 10% de emisión de luz entre ~2.5 y ~15 s (componente medio), y un poste final de baja emisión ~15 s, (componente lento) (Figura 8). Se prefiere una emisión de luminiscencia dominada por un componente rápido porque se restablece rápidamente con el sol (en segundos) y muestra una alta sensibilidad a la radiación β aplicada en el laboratorio, lo que mejora las determinaciones de dosis equivalentes. Una métrica importante para evaluar el predominio de los componentes rápidos para la datación OSL del cuarzo es el cálculo de una “relación rápida”^29,30 con un ejemplo mostrado en la Ecuación 2 y en la Figura 8. Una relación rápida de >20 para la curva de brillo de cuarzo se considera una emisión de luminiscencia robusta adecuada para la datación OSL²⁹ (ver Figura 8A). Los separadores que tienen contaminación con K-feldespatos y plagioclasa o inclusiones feldespáticas a menudo producen proporciones rápidas de <10 (ver Figura 8B, C) y no son adecuados para los protocolos de datación de cuarzo SAR.

Relación rápida (Ecuación 2)

Donde L1: Emisión rápida de componentes para ~0-2.5 s
L2: Emisión de componentes medios ~2,5-15 s L3: Emisión de componentes lentos ~ 15-40 s

Una prueba importante sobre la pureza espectral de granos de cuarzo aislados es la respuesta de las alícuotas a la excitación infrarroja de los LED (845 nm ± 4 nm). La mayoría de los granos de cuarzo producen una emisión de luminiscencia baja o insignificante con estimulación IR en o dentro de unos pocos cientos de cuentas de emisiones de fondo. Se ha desarrollado una métrica para evaluar las emisiones basadas en IR, llamada relación de agotamiento IR, que se calcula como una relación SAR (L x / T_x) para granos de cuarzo irradiados (5-10 Gy) estimulados con LED IR y luego LED azules. Específicamente, la relación de luminiscencia IR dividida por las emisiones azules debe ser del <5%, lo que indica una fracción de cuarzo espectralmente pura susceptible de datación OSL (Figura 8A). Sin embargo, hay casos en que los granos de cuarzo mineralógicamente puros pueden producir emisiones de luminiscencia errantes con estimulación IR. Esta señal IR puede reflejar fragmentos líticos adheridos o inclusiones feldespáticas en cuarzo. En tales casos, los granos de cuarzo deben ser fechados por protocolos de feldespato³¹. Estos protocolos con modificaciones se pueden usar para separar y confirmar la pureza de otros minerales para la datación OSL, como el feldespato k, la plagioclasa y el olivino y el piroxeno para otras aplicaciones planetarias.

La capacidad de aislar un >99% de cuarzo separado y confirmar la pureza a nivel de grano es un requisito previo para una datación precisa por luminiscencia. La datación de un solo grano y una alícuota ultrapequeña (10-50 granos) requiere una verificación adicional de que las emisiones de luminiscencia de todos los granos provenían del cuarzo. A su vez, la aplicación de enfoques de transferencia térmica que pueden producir edades OSL creíbles de hasta un millón de años se basa en señales de cuarzo puro de granos minerales⁶. Un cuarzo mono-mineralógico separado es fundamental para aplicar los protocolos OSL-SAR, que proporciona una secuencia de edades para descifrar la historia de deposición de los sistemas eólico y fluvial para el Cuaternario tardío 1,2,32,33 (Figura¹ y Figura ²). La contaminación de las alícuotas de cuarzo por los granos errantes de K-feldespato o inclusiones feldespáticas en cuarzo o fragmentos líticos adheridos produce una señal dosimétrica mixta y propensa a un desvanecimiento anómalo a menudo produce subestimaciones⁴. Sin embargo, un cuarzo puro separado no garantiza absolutamente la pureza espectral y las emisiones apropiadas para la datación de cuarzo. La datación OSL efectiva requiere un aislamiento cuidadoso y completo de los granos de cuarzo y las métricas asociadas a OSL para verificar un cuarzo puro separado mineralógica y espectralmente 2,33,34.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

El apoyo del Laboratorio de Investigación de Datación por Geoluminiscencia ha sido proporcionado por la Universidad de Baylor y subvenciones de la National Science Foundation (GSS-166023), National Geographic (# 9990-1) y Atlas Sand. El descubrimiento y el aprendizaje en este laboratorio fueron mejorados por nuestros muchos colaboradores, estudiantes y visitantes que han traído nuevas perspectivas, ideas y enfoques.

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).

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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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