Datowanie metodami OSL i TL próbek osadów pyłowych z profilu Łazy
Datowanie luminescencyjne (datowanie metodami termoluminescencji TL i luminescencji stymulowanej światłem OSL) jest możliwe dzięki obecności w osadach ziaren mineralnych, przede wszystkim kwarcu i skaleni, mających naturalne właściwości dozymetryczne, umożliwiające pomiar dawki promieniowania jonizującego pochłoniętej w naturalnych warunkach. Wielkość luminescencji towarzyszącej pobudzaniu termicznemu (TL) lub światłem o dobranej długości fali (OSL) jest miarą pochłoniętej przez ziarna dawki promieniowania. Ziarna te, traktowane jako dozymetr, są kalibrowane - polega to na pomiarach luminescencji wywołanej pochłonięciem znanych dawek promieniowania emitowanego przez źródła laboratoryjne - co pozwala na ustalenie wartości dawki pochłoniętej w osadzie.
Niezależnie wykonuje się pomiary promieniotwórczości osadu, tzn. pomiary koncentracji promieniotwórczych izotopów zawartych w osadzie, i oblicza moc dawki naturalnego promieniowania (dawkę pochłanianą w jednostce czasu). Jeżeli dawka pochłonięta przez ziarna wynosi D (w Gy) a dawka gromadzona w ciągu roku d (w Gy/rok), to wiek T (w latach) jest równy ilorazowi tych dwóch wielkości:
T = D/d.
Wyznaczony w ten sposób wiek odpowiada geologicznemu wiekowi osadu pod warunkiem, że spełnione są, między innymi, dwa założenia. Po pierwsze konieczne jest, żeby moc dawki promieniowania pochłanianego przez ziarna była stała w całym okresie zalegania osadu. Po drugie, że dozymetr jakim są ziarna został "wyzerowany" w momencie tworzenia osadu, to znaczy, że dawka D, którą wyznaczamy w pomiarach laboratoryjnych, była pochłaniana od datowanego momentu.
Jeżeli chodzi o założenie pierwsze, to wydaje się, że ewentualne zmiany w koncentracjach izotopów promieniotwórczych lub natężeniu promieniowania docierającego do ziaren, mieszczą się w granicach błędów z jakimi wyznacza się wartość dawki rocznej d.
W przypadku osadów, z którymi mamy do czynienia, mechanizmem zerującym jest działanie światła słonecznego na ziarna w czasie ich transportu i depozycji w nowym miejscu zalegania. Zerowanie jest tym skuteczniejsze im dłuższy czas wystawienia ziaren na działanie światła i im większe jest jego natężenie. Zerowanie jest przy tym znacznie skuteczniejsze w przypadku luminescencji stymulowanej światłem (OSL) niż w przypadku termoluminescencji (TL). Doświadczenia w tym zakresie wskazują, że jest możliwe całkowite wyzerowanie sygnału OSL kwarcu w czasie jego pomiaru a następnie pomiar TL, której natężenie jest praktycznie takie samo jak przed pomiarem OSL (Bluszcz i Břtter-Jensen, 1993 i 1995). Wiek wyznaczony metodą TL lub OSL datuje moment ostatniej ekspozycji ziaren na światło słoneczne, przy czym w przypadku pierwszej metody ekspozycja musiała być znacznie dłuższa niż w przypadku drugiej.
Próbki pobrano z odsłonięcia z głębokości około 40 cm od powierzchni świeżo oczyszczonej ściany. Próbki właściwe o masie około 0,8 kg pakowano do plastikowych pojemników i umieszczono w metalowym kontenerze chroniącym próbki od światła. Dodatkowo pobierano po około 20 g materiału każdej próbki do szczelnego pojemnika z przeznaczeniem do pomiarów naturalnej wilgotności osadu.
Próbki wysuszono w suszarce laboratoryjnej i poddano pomiarowi aktywności. Przy pomocy półprzewodnikowego spektrometru promieniowania gamma zmierzono koncentracje izotopów naturalnych rodzin promieniotwórczych 232Th, 235U i 238U oraz 40K. Zmierzone wartości koncentracji przeliczono na efektywne moce dawek promieniowania , i γ. Uwzględniono przy tym poprawki na wilgotność próbek i rozmiar ziaren wydzielonych do pomiarów luminescencji oraz dawkę promieniowania kosmicznego.
Stosując standardową procedurę laboratoryjną z próbek wydzielono ziarna kwarcu o granulacji około 100 m. Te ziarna były następnie użyte do pomiarów sygnałów OSL i TL. Ziarna wydzielone z każdej próbki podzielono na trzy części. Pierwszą wybielano przez ekspozycję na światło lampy laboratoryjnej przez 3 godziny, drugą przez 6 godzin a trzecią pozostawiono bez kontaktu ze światłem. Każdą z części podzielono na mniejsze porcje i, w celu kalibracji ziaren, napromieniowano kilkoma znanymi dawkami promieniowania beta, stosując laboratoryjne źródło strontowe (90Sr-90Y). Po to, by można było zmierzyć naturalną luminescencję OSL i TL, i luminescencję pozostałą po wybieleniu, w każdej części pozostawiono po jednej porcji nie napromieniowanych ziaren. Do pomiarów luminescencji przygotowano po od czterech do ośmiu 5 mg naważek z każdej porcji.
Tab. 1 Wyniki pomiarów aktywności i dawki pochłoniętej
Próbka |
Koncentracje [Bq/kg] |
Moc dawki |
Dawka pochłonięta [Gy] |
|||
|
Th |
U |
K |
d [Gy/ka] |
EDTL |
EDOSL |
Łazy 1 |
41,81+/-1,84 |
37,50+/-1,64 |
547,1+/-7,5 |
3,08+/-0,25 |
15,1+/-1,1 |
3,4+/-0,9 |
Łazy 2 |
38,29+/-1,68 |
34,01+/-1,49 |
549,4+/-7,3 |
2,82+/-0,22 |
24,8+/-1,4 |
8,1+/-1,4 |
Łazy 3 |
39,82+/-1,76 |
35,21+/-1,56 |
553,3+/-7,6 |
2,95+/-0,24 |
21,2+/-1,6 |
3,8+/-0,6 |
Łazy 4 |
44,68+/-1,94 |
39,27+/-1,70 |
523,1+/-6,9 |
2,92+/-0,23 |
68,1+/-5,3 |
19,5+/-3,3 |
Łazy 5 |
42,24+/-1,84 |
39,46+/-1,70 |
531,1+/-7,0 |
2,90+/-0,23 |
76,5+/-7,8 |
24,0+/-3,7 |
Wyniki pomiarów wykonanych dla pięciu próbek przedstawione są w tabelach. Wszystkie wartości dawki pochłoniętej i wieki OSL są młodsze od odpowiednich wartości otrzymanych metodą TL. Można to interpretować w taki sposób, że ostatnia ekspozycja na światło słoneczne była stosunkowo krótka, pozostawiając cały lub znaczną część wcześniej zgromadzonego sygnału TL. W tym pierwszym przypadku daty TL dotyczyłyby wcześniejszego epizodu związanego z dłużej trwającą ekspozycją.
Tab. 2 Wyniki datowania
Próbka |
Wynik datowania [tys. lat BP] |
|
|
Datowanie OSL |
Datowanie TL |
Łazy 1 |
1,1 +/- 0,3 |
4,9 +/- 0,5 |
Łazy 2 |
2,9 +/- 0,5 |
8,8 +/- 0,8 |
Łazy 3 |
1,3 +/- 0,2 |
7,2 +/- 0,8 |
Łazy 4 |
6,7 +/- 1,2 |
23,3 +/- 2,6 |
Łazy 5 |
8,3 +/- 1,4 |
26,4 +/- 3,4 |
Literatura |
Termoluminescencja
Z Wikipedii
Termoluminescencja fluorytu.
Termoluminescencja jest to luminescencja (jarzenie, zimne świecenie) substancji wywołana przez ogrzewanie substancji, która wcześniej została pobudzona przez światło (falę elektromagnetyczną) lub promieniowanie przenikliwe. Zjawisko to występuje w fosforach krystalicznych, minerałach, szkłach, monokryształach tlenkowych.
Termoluminescencja (TL lub termicznie stymulowana luminescencja - TSL) występuje w materiałach o b. wysokim oporze elektrycznym tj. w dielektrykach lub półprzewodnikach. Według pasmowej teorii przewodnictwa ciał stałych, w materiałach tych pasmo przewodnictwa jest oddzielone od pasma walencyjnego dużą przerwą energetyczną. W obszarze przerwy energetycznej w miejscach wad sieci krystalicznej występują lokalne poziomy (pułapki) elektronowe bliskie poziomowi pasma przewodnictwa oraz poziomy dziurowe bliskie pasmu walencyjnemu.
Do wystąpienia termoluminescencji niezbędne jest przeniesienie elektronów i dziur do pułapek (ekscytacja). Przeniesienie to dokonuje się zazwyczaj poprzez przeniesienie elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa (generacja par dziura-elektron). Niewielka część elektronów z pasma przewodnictwa może przejść do pułapek elektronowych. Pewna ilość dziur przechodzi też do pułapek dziurowych. W zależności od roli jaką pełnią poszczególne poziomy pułapkowe określamy je mianem pułapek aktywnych, pułapek głębokich i tzw. centrów rekombinacji.
Ekscytację materiału może dokonać promieniowanie o dostatecznie dużej energii większej od szerokości przerwy energetycznej materiału. Do ekscytacji typowych materiałów organicznych wystarczające jest zazwyczaj promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu UV. Dielektryki nieorganiczne, takie jak fluorek litu (LiF), są zazwyczaj ekscytowane wysokoenergetycznym promieniowaniem jonizującym (np. promieniowaniem rentgenowskim, gamma, alfa lub beta). Podobnie mogą być pobudzone poziomy pułapkowe dziur elektronowych.
Nośniki ładunku (dziury i elektrony) uwięzione w pułapkach mogą w nich pozostawać bardzo długo (nawet tysiące lat). Do uwolnienia pułapkowanych nośników potrzebne jest promieniowanie o energii co najmniej równej różnicy między poziomem pułapki a pasmem przewodnictwa (gdy "aktywnymi nośnikami" są elektrony). Dla "typowych" materiałów termoluminescencyjnych (używanych w dozymetrii TL) różnica tych poziomów musi być większa od energii promieniowania cieplnego w temperaturze pokojowej, a mniejsza od energii promieniowania cieplnego w temperaturze kilkuset stopni.
W wyniku podgrzania elektrony z pułapek zostają przeniesione do pasma przewodnictwa, z którego rekombinują do centrów rekombinacji zawierających zapułapkowane nośniki przeciwnego znaku. Natężenie świecenia zazwyczaj jest proporcjonalne liczby elektronów uwięzionych w pułapkach czyli do dawki promieniowania pochłoniętej podczas ekscytacji.
Podgrzanie usuwa elektrony (dziury) z pułapek, kasując "pamięć dawkową" kryształu.
Zjawisko to daje możliwość stosowania termoluminescencji w dozymetrii do pomiaru dawki pochłoniętej oraz datowaniu obiektów archeologicznych i geologicznych (metoda termoluminescencyjna).
