青藏高原東緣黃土石英光釋光信號積分區(qū)間選擇

劉楠楠 ，楊勝利，劉維明，成 婷，陳 慧，唐國乾，李 帥，梁敏豪

1.蘭州大學 資源環(huán)境學院 西部環(huán)境教育部重點實驗室，蘭州 730000

2.中國科學院、水利部成都山地災害與環(huán)境研究所 山地災害與地表過程重點實驗室，成都 610041

光釋光（OSL）測年技術自1985年（Huntley et al，1985）被提出以來，因其測試礦物易得、有效測年范圍廣等優(yōu)點被廣泛應用于第四紀沉積物定年研究（Lai，2008；Buylaert et al，2009；Li and Li，2012；Lai and Fan，2014；Wintle and Adamiec，2017）。Murray and Wintle（2000）對單片再生劑量法（single aliquot regenerative-dose，SAR）的改進大大提高了光釋光測年的準確度和精確度，因而被廣泛應用于風成黃土的精細測年研究（Kang et al，2015；Guérin et al，2017；Song et al，2018）。

應用SAR法測定沉積樣品等效劑量（De）的基本前提之一，就是樣品中石英光釋光信號以快組分為主（Wintle and Murray，2006），通過初始信號扣除背景值可得到凈釋光信號（Galbraith and Roberts，2012；Wallinga and Cunningham，2015）。Huntley et al（1985）首次測試光釋光信號時發(fā)現(xiàn)：恒定激發(fā)（continuous wave OSL，CWOSL）時，光釋光信號以非單一指數(shù)遞減。此后的研究發(fā)現(xiàn)：光釋光衰減曲線由衰減率、熱穩(wěn)定性及劑量響應特征等不同的快、中、慢組分組成（Smith and Rhodes，1994；Bailey et al，1997；Jain et al，2003；Bailey，2010），并認為其原因是石英礦物晶格中存在不同的深度陷阱和重組中心（Bailey et al，1997）。相關研究表明：快組分占主導時，樣品光釋光信號曬褪更完全，熱轉移更小，測試的年代更穩(wěn)定（Wintle and Murray，2006；Wintle，2010）。因此，為了減小年代結果誤差，計算等效劑量時應使快組分信號所占比例盡可能大。

計算等效劑量時，通常會選取光釋光衰減曲線前幾秒作為初始信號區(qū)間減去最后幾秒?yún)^(qū)間信號作為背景扣除（Banerjee et al，2000），但這種方法存在釋光信號中不穩(wěn)定的中組分和慢組分未被充分扣除，可能造成年代結果低估的現(xiàn)象，尤其是年代較老的樣品（Murray et al，2008）。因此，近年來有研究者提出通過早期背景扣除法計算De值，即把光釋光衰減信號的前數(shù)個通道積分作為初始信號，相鄰的數(shù)個通道積分作為背景信號（Ballarini et al，2007；Cunningham and Wallinga，2010）。不同沉積類型樣品的等效劑量（De）值對信號區(qū)間選擇方式的敏感度不同（Cunningham and Wallinga，2010）。Costas et al（2012）研究北海南部海岸沙丘年代時，將樣品光釋光信號不同背景區(qū)間扣除后的年代結果與獨立年代控制比較發(fā)現(xiàn)：早期背景扣除后得到的釋光年代結果更接近獨立年代。騰格里沙漠南緣風成沉積物快組分光釋光信號選擇研究表明：等效劑量對信號區(qū)間選擇方式較為敏感（彭俊和韓鳳清，2013）。

青藏高原東緣廣泛存在的風成黃土是該區(qū)晚更新世環(huán)境變化的良好記錄，詳細的光釋光測年研究是建立高原黃土年代框架和深入理解高原東部環(huán)境演化的重要基礎。本文對采自青藏高原東緣4個典型黃土分布區(qū)的黃土樣品進行系統(tǒng)的石英光釋光組分分析和背景區(qū)間扣除研究，進一步探討不同背景區(qū)間扣除對風成黃土石英光釋光等效劑量的影響，以期為今后高原東緣黃土光釋光等效劑量的分析，進而建立可靠的光釋光年代序列提供依據(jù)。

圖1 研究區(qū)地形和采樣地點Fig.1 Geography and sampling sites in the study area

1 樣品采集及實驗過程

1.1 樣品采集及前處理

選擇高原東緣黃土分布較集中的甘孜、小金、馬爾康及舟曲4個地區(qū)（圖1），開展系統(tǒng)的石英光釋光測年研究。光釋光樣品采集時按照光釋光采樣的通用方法，先開挖探槽，將剖面表層風化部分去除，再將不銹鋼管垂直打入剖面，然后取出鋼管，避光封裝和保存。本研究共采集黃土光釋光樣品11個。

實驗分析時，將采集的光釋光樣品在紅光暗室中拆開，去除兩端3 — 5 cm可能曝光的部分，將剩余中間部分進行前處理。粒度分析發(fā)現(xiàn)：該區(qū)黃土主要由黏土和粉砂組成，眾數(shù)粒徑主要集中于35 — 63 μm，粗組分含量較少，不能提供足夠的純石英樣品。因此，篩取粒徑38 — 63 μm的組分進行提純（Lai et al，2010；Chen et al，2017）。樣品前處理時，先通過鹽酸和雙氧水去除樣品中的碳酸鹽和有機質，再使用35%氟硅酸浸泡，去除長石，然后加入稀鹽酸去除氟化物沉淀，最后用磁性粒子去除磁性礦物，獲得提純后的石英樣品（賴忠平和歐先交，2013）。提純后的石英樣品，需使用波長850 nm的紅外激發(fā)光源（IRSL）對其進行檢測，確保樣品中長石信號已基本去除或處于較低水平，避免影響等效劑量的結果（Lai and Brückner，2008）。本次實驗所有樣品IRSL檢測結果表明：長石紅外釋光信號與石英光釋光信號比值小于10%，說明長石信號已基本被去除干凈（Duller，2003），可以用來測定等效劑量。

1.2 等效劑量測試

所有樣品的等效劑量在中國科學院、水利部成都山地災害與環(huán)境研究所光釋光實驗室完成測試。等效劑量測試使用全新模塊化的德國lexsyg research 全自動 TL/OSL 測量儀測定（Richter et al，2013），測試程序使用Murray and Wintle（2000）改進的單片再生劑量法。

為選擇合適的預熱溫度，進行了預熱坪實驗分析。首先，將預熱溫度從180℃間隔20℃增加到300℃，結果顯示：在低溫區(qū)（180 — 220℃）預熱坪檢驗結果誤差較大，而在240 — 260℃樣品等效劑量較穩(wěn)定（圖2a）。為檢測該地區(qū)樣品是否適合使用單片法（SAR）進行等效劑量測試，進行了劑量恢復實驗（Murray and Wintle，2003），結果顯示（圖2b）：在240 — 260℃劑量恢復比率最接近1。因此，選擇260℃，保持10 s作為天然信號和再生劑量的預熱溫度，220℃作為實驗劑量的預熱溫度，具體測試流程見表1。

圖2 樣品ZQ-5預熱坪實驗（a）、劑量恢復實驗（b）測試結果Fig.2 Result of preheating plateau and dose recovery of sample ZQ-5

表1 SAR測試基本流程（Murray and Wintle，2000）Tab.1 Basic procedures of SAR (Murray and Wintle, 2000)

測定等效劑量時，先將樣品均勻單層涂在直徑約1 cm測片上，125℃溫度條件下，用強度 50 mW ? cm-2、波長 (458 ± 5) nm 的藍光激發(fā)70 s。隨后，釋光信號經厚2.5 mm的濾光鏡Hoya U340及厚5 mm的干涉濾光片Delta BP365/50 EX進入9235QB光電倍增管進行記錄，實驗劑量及再生劑量輻照源選擇（90Sr /90Y）β源。11個黃土樣品共測得100個測片（表2），圖3a — h分別顯示了部分樣品的衰減曲線及生長曲線。

表2 所有樣品各組分初始信號占總信號百分比Tab.2 All sample components initial signal as a percentage of total signal

2 釋光衰減曲線組分分析

2.1 衰減曲線組分擬合原理

光釋光衰減曲線并非單一指數(shù)衰減，而是衰減率不同的指數(shù)函數(shù)之和，且每個函數(shù)代表不同的釋光組分（Smith and Rhodes，1994）。Bailey et al（1997）將其分別稱為快、中、慢組分，認為恒定激發(fā)（CW-OSL）下，釋光衰減曲線非單一指數(shù)遞減是由于石英晶格中存在多個不同類型的陷阱。這些陷阱使晶體產生局域能量態(tài)，提供額外的熱、光等能量時，價帶中的電子吸收能量向導帶移動成為自由電子，這些獲得能量的電子自價帶逃逸后，價帶中便形成了離位電子和空穴。再一次受到激發(fā)后，陷阱中的電子和發(fā)光中心復合釋放光子。整個過程，各電子速率不同。來自快組分和中組分的電子以不同速率會優(yōu)先在釋光中心重組（Bailey，2001；Jain et al，2003；Bailey，2010；Wintle and Adamiec，2017）。

2.2 衰減曲線組分擬合

據(jù)前人研究成果，CW-OSL衰減曲線可由三個指數(shù)衰減組分擬合（Cunningham and Wallinga，2009）。為便于對比，利用Analyst 4.53軟件分別對樣品ZQ-2和ZQ-5一個測片的天然信號進行了前6 s的組分擬合。擬合公式為公式(1)，擬合結果見圖4。因室溫短期測量時，慢組分以恒定低速率衰減（Bailey et al，1997），故圖4中將常量與慢組分進行了合并。即背景+慢組分表示公式中a值和n3b3e-b3t之和，圖4c、圖4d殘留信號表示測量值與擬合值之差。

式中：a是常量；bi表示去除陷阱可能性大小，即去陷概率（detrapping probability），大小由光電離截面（photoionization cross-section）和激發(fā)光強度（I0）決定；ni表示礦物晶格捕獲電子數(shù)（i = 1，2，3）。

圖4a、圖4b顯示，樣品ZQ-2和ZQ-5總信號在激發(fā)前2 s已降到本底，表明這兩個樣品曬褪完全且以快速衰減為主，進一步說明青藏高原東緣黃土可用單片再生法測定等效劑量。再者，如圖中所示，快、中、慢組分對總信號貢獻不同，各組分衰減率也存在較大差異。從圖4c、圖4d中可以看出，樣品ZQ-2和ZQ-5測量值與擬合值之差基本在0值左右（注意縱坐標數(shù)值變化），表明無論樣品ZQ-2還是樣品ZQ-5，釋光信號衰減曲線都可以利用公式(1)得到很好的擬合效果，說明將樣品分為快、中、慢組分是合適的。

為進一步討論各組分初始信號與總信號的關系，計算了11個樣品所有測片在t = 0時，各組分對總信號的占比，結果見表2。

圖3 樣品XJ-2、ZQ-5、ML-1及XS15-4衰減曲線（a、c、e、g）和生長曲線（b、d、f、h）Fig.3 Decay curves (a, c, e, g) and grow curves (b, d, f, h) of sample XJ-2, ZQ-5, ML-1and XS15-4

圖4 樣品ZQ-2（a、c）及ZQ-5（b、d）組分擬合及誤差圖Fig.4 Fitting of component and the error of sample ZQ-2 (a, c) and ZQ-5 (b, d)

為減小誤差，計算了每個樣品所有測片各組分t = 0時信號占總信號的比例，并求其均值。樣品XJ-1初始時刻快組分信號占總信號的85%，是其9個SAR測片快組分占比的平均值，以此類推。表2中顯示，同一樣品快、中及背景+慢組分在t = 0時信號占總信號百分比差異顯著，且依次遞減，這可能與各組分來源不同有關（Bailey et al，1997）。再者，不同樣品各組分信號占總信號百分比也存在差異，推測可能因為每個樣品礦物晶體本身缺陷不同所致（Bailey et al，1997；Wintle and Adamiec，2017）。但總體來看，青藏高原東緣黃土石英OSL快組分在t = 0時信號占總信號百分比均在84%以上，說明青藏高原東緣黃土石英光釋光信號以快組分占主導。

3 不同背景信號扣除區(qū)間對等效劑量的影響

研究表明：背景信號扣除區(qū)間為初始信號區(qū)間2 — 3倍時，快組分分量占總信號比例最大（Cunningham and Wallinga，2010）。據(jù)此，對所有樣品的測片進行了背景扣除區(qū)間選擇分析（表3，圖5）。表3 中，A1組平均De值由每個樣品單個測片選取前0 — 0.4 s光釋光信號減去其隨后0.4 — 1.4 s光釋光信號后，利用指數(shù)或指數(shù)加線性對釋光信號進行擬合，形成單個測片生長曲線，再將校正后的光釋光信號強度內插到生長曲線，得到該測片等效劑量，最后計算所有測片等效劑量均值。同理，得到所有樣品A2組平均De值。但需注意，A2組最終擬合的光釋光信號是0 — 0.4 s釋光信號減去19.9 — 24.9 s光釋光信號后所得。表中差值表示A1組和A2組平均De值之差。圖5中，虛線表示早、晚期背景扣除后所得等效劑量相等（圖中1∶1線），實線為所有樣品早、晚期背景扣除后所得等效劑量線性回歸結果（k = 0.81）。

從表3和圖5中可以看到：所選初始信號區(qū)間相同時，不同背景扣除區(qū)間對＜10 Gy樣品（XJ-1、XJ-2、ZQ-2）和＞10 Gy樣品（ZQ-5、ZQ-6、ZQ-8等）等效劑量結果差別顯著。對于＜10 Gy樣品，A1組與A2組平均De差值只有0 — 0.32 Gy，兩者之差占A2組平均De比例在0 — 5%，誤差范圍內可忽略不計。從圖5中也可以看出：樣品的等效劑量越?。ǎ?0 Gy），線性回歸結果與1∶1線越接近。＜10 Gy樣品ZQ-2輻射徑向圖（圖6a、圖6b）也顯示：該樣品不同背景區(qū)間扣除前后除等效劑量（單位：s）基本無變化外，其離散度（Galbraith et al，1999）也變化較小。這與Cunningham and Wallinga（2010）所得結論略有不同，可能與樣品類型及是否完全曬褪有關。

表3 所有樣品不同積分區(qū)間等效劑量比較Tab.3 Comparison of equivalent doses in different integral intervals for all samples

圖5 所有樣品早期背景扣除及晚期背景扣除所得De比較Fig.5 Comparison of De of early background subtraction and late background subtraction for all samples

與＜10 Gy樣品不同，＞10 Gy樣品不同背景區(qū)間扣除前后等效劑量有明顯差異（表3和圖5）。表3中，＞10 Gy樣品A1組與A2組平均De差值最小為16.33 Gy，最大可達56.17 Gy，且所有樣品A1組平均De值均大于A2組，兩者差值占A2組平均De值比例可達10% — 38%。若以中國黃土2 — 5 Gy ? ka-1的環(huán)境劑量率（張克旗等，2015）計算，A1組與A2組釋光年代最小相差3 — 10 ka，最大可達8 — 28 ka。由圖5可知：隨著樣品等效劑量的逐漸增加，線性回歸結果逐漸偏離1∶1線，這說明隨著等效劑量的增加，早、晚期不同背景扣除后得到的等效劑量結果差異逐漸增大。此外，輻射徑向圖（圖6c、圖6d）顯示：不同背景區(qū)間扣除前后，＞10 Gy樣品ZQ-5等效劑量相差約158 s（19 Gy）左右。雖然兩組離散度都 在 20% 以 內（Galbraith et al，1999；Arnold and Roberts，2009），但早期背景扣除（A1組）（5.3% ± 1.0%）明顯優(yōu)于晚期背景扣除（A2組）（9.1% ± 1.0%）。

等效劑量由校正后的天然釋光強度（Ln/ Tn）內插到生長曲線所得。為討論＞10 Gy樣品等效劑量不同背景區(qū)間扣除前后差異顯著的原因，對樣品天然信號及實驗劑量信號進行了分析。表4顯示：＞10 Gy樣品的天然釋光信號在A1與A2組背景區(qū)間扣除后，剩余天然信號占總天然信號比例變化了13% — 22%，實驗劑量不同背景區(qū)間扣除后的釋光信號占總信號比例的變化可達17% —31%，兩者平均變化率相差4% — 15%。因此，推測＞10 Gy樣品等效劑量不同背景區(qū)間扣除前后差異顯著，主要由樣品天然信號與實驗劑量信號不同背景區(qū)間扣除前后變化率不一致，導致A1組平均Ln/ Tn均大于A2組所致。然而，對于＞10 Gy的樣品最終應選擇哪種背景扣除方式進行年代計算，還需要進一步研究。

圖6 樣品ZQ-2和ZQ-5早期背景扣除（a、c）與晚期背景扣除（b、d）輻射徑向圖Fig.6 Sample ZQ-2 and ZQ-5 early background subtraction (a, c) and late background subtraction (b, d) radial diagram

表4 所有＞10 Gy樣品不同背景區(qū)間扣除天然信號和實驗劑量信號的變化Tab.4 Variation of natural signal and test dose signal in different background interval of all ＞10 Gy samples

為進一步分析原因，以樣品ZQ-5為例對＞10 Gy樣品天然信號組分和實驗劑量信號組分進行了分析（圖7）。樣品ZQ-5天然信號的快組分與總信號比值在0.9左右，中組分與總信號比值基本在0.1以下，背景+慢組分則在0值附近，說明ZQ-5天然信號以快組分占主導，這與前面結論一致。與天然信號各組分分布不同，ZQ-5實驗劑量信號的快組分與總信號比值只有0.8左右，甚至低至0.7（位置3），中組分所占比值平均在0.15以上，最高可達0.2以上，背景+慢組分所占比值也均高于天然信號。這說明選取0 — 0.4 s作為初始信號時，實驗劑量信號中包含了相當比例的不穩(wěn)定中組分信號，這與Steffen et al（2009）利用天然信號比再生劑量信號（N/R）分析的結論一致。

圖7 樣品ZQ-5各測片不同組分占總信號比值Fig.7 Ratio of the different components of sample ZQ-5 to the total signal

4 結論

通過上述對青藏高原東緣典型風成黃土樣品的石英光釋光信號組分分析和不同背景區(qū)間扣除選擇的詳細分析，可獲得如下主要結論：

（1）石英光釋光信號組分分析表明：高原東緣黃土石英光釋光信號由衰減率、穩(wěn)定性等不同的快、中、慢組分擬合而成，但以快組分占主導，所有分析樣品快組分占總信號比例均在84%以上，適合用單片再生法測定其等效劑量。

（2）對高原東緣黃土石英光釋光信號進行不同背景區(qū)間扣除分析表明：不同背景扣除方式對于小于10 Gy樣品等效劑量計算的影響較小，誤差范圍內一致，離散度也無明顯變化。對于大于10 Gy樣品選取不同背景區(qū)間扣除后，其等效劑量差異顯著，最小相差16.33 Gy，最大達56.17 Gy，且均為早期背景扣除獲得的等效劑量（De）大于晚期背景扣除，離散度前者也優(yōu)于后者。

致謝：感謝審稿人的意見和建議，王姣姣、黃政、洪苗苗參加了野外工作，特此致謝！