释光测年的研究简史及研究现状

２００３年４月　第３３卷第２期　西北大学学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）　Ａｐｒ．２００３　Ｖｏ１．３３　Ｎｏ．２　

释光测年的研究简史及研究现状　

陈淑娥ｈ　，李虎侯。，庞奖励　

（１．陕西师范大学旅游与环境学院，陕西西安７１００６２；２．长安大学地球科学系，陕西西安７１００５４，３．首都师范　大学地理学系，北京１０００３７）　

摘要：针对释光现象的研究，及其在地质和考古年代测定中的应用，将释光测年的研究历史划分为　

３个阶段：２Ｏ世纪５０年代末以前，释光测年研究的萌芽阶段；６０年代至８０年代中期，热释光测年　的研究及发展阶段；８Ｏ年代中期至今，光释光测年的研究及发展阶段。最后，对释光测年的研究现　状进行了简单的总结，认为对释光现象产生机制的许多细节还有待深入研究，对于非线性释光生长　曲线的校正及提高测年的精度，仍是测量等效剂量（Ｄ　）时研究的主要问题。　

关键词：释光测年；热释光；光释光；陷阱电子；单片技术　中图分类号：Ｐ５９４　文献标识码：Ａ　文章编号：ｉ０００—２７４　Ｘ（２ＯＯ３）０２—０２０９—０４　

释光是矿物晶体接受核辐射作用积蓄起来的能　

量在受到热或光激发时，以光的形式释放出来的一　种物理现象。受热激发的释光称为热释光（ｔｈｅｒｍｏ　ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ，简写ＴＬ），受光激发的释光称为光释　光（ｏｐｔｉｃａｌ　ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ，简写ＯＬ；或ｏｐｔｉｃａｌｌｙ　ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ　ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ，简写ＯＳＬ）Ｌ１Ｊ。　

晶体的释光量与它所接受的辐射剂量成正比，　辐射剂量又与时间成正比。这是释光测年的基础，所　，　ｎ　以有ｔ一　或ｔ一　。　Ｄ工　，　其中：ｔ为样品的年龄；Ｎ为结晶固体中积存的热释　光或光释光总量；Ｂ为各类辐射每年产生的热释光　或光释光量总和；Ｄ　为各类辐射在晶体中每年所产　生的辐射剂量的总和；Ｄ　为等效剂量，即产生相当　于样品天然释光信号水平所需的实验室剂量，也称　古剂量Ｐ。　

对释光现象的研究，并将其应用于地质和考古　年龄测定经历了几十年的历史，这里对释光测年的　研究历史和现状作一总结。　

１释光测年的研究简史　

１）２Ｏ世纪５０年代末以前，为热释光测年研究　的萌芽阶段。　

早在几个世纪前，科学家就开始研究释光现象。　１６６３年，英国皇家学会的Ｂｏｙｌｅ观察到钻石在黑暗　

中受热后发光，这是最早观察到的释光现象之一［２］。　

１６７６年，Ｅｌｓｈｏｌｔｚ观察到萤石也有类似的效应［３］。以　

后的３００年中，陆续有人报道了各种矿物加热时发　

光的现象。当时大家只知道热释光是光照或天然辐　照产生的，对其过程尚不明白。为了和萤光区别，称　

它为磷光，并把具有这种特性的物体称为“磷光　体”［　。　

直到二次世界大战后，由于固体物理和核技术　

的发展，特别是光电倍增管作为高灵敏度的光探测　

器的应用，ＴＬ技术才应用到地质学中。用某些矿物　

和陶器样品贮藏的热释光来计算它们最后一次加热　以来所经过的时间，是２０世纪５０年代开始的。首先　

提出地质和考古年代测定设想的是Ｄａｎｉｅｌｓ等人　（１９５３）Ｌｓ］。虽然这期间作了大量的ＴＬ测年研究工　

作，但因为没有认识到光对矿物信号的晒退作用，样　

品是在不避光的条件下进行处理和测试的，所测地　质体的年龄普遍偏低。　

２）２０世纪６０年代至８０年代中期，为热释光测　年的研究及发展阶段。　

收稿日期：２００２—０５—３０　基金项目：国家自然科学基金资助项目（４００７１００６）　作者简介：陈淑娥（１９６４一），女，陕西三原人，陕西师范大学博士生，从事古生物地层学、自然地理学方面的研究。

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虽然２Ｏ世纪５Ｏ年代就已对某些岩石形成的地　

质年龄测定进行过多种尝试，但在发现古陶器样品　的天然热释光以前，并未将热释光发展成为一种适　

用的年龄测定方法。１９６０年，伯尔尼大学的　

Ｇｒｏｇｌｅｒ，Ｈｏｕｔｅｒｍａｎｓ和Ｓｔａｕｆｆｅｒ、加里福尼亚大学　的Ｋｅｎｎｅｄｙ和Ｋｎｏｐｆｆ第一次探测了古陶器发射的　热释光［２］。６Ｏ年代早期发表的热释光测定年代的文　

章，主要强调这项技术的潜力，同时也报道了一些原　来想像不到的复杂情况［４］。世界上大多数热释光实　

验室到１９６６年才进行考古和地质年代的测定。６Ｏ　年代，牛津大学考古研究室的Ａｉｔｋｅｎ，ＦＩｅｍｉｎｇ和　

Ｚｉｍｍｅｒｍａｎ、京都大学的Ｉｅｈｉｋａｗａ、威斯康星大学　

的Ｍａｚｅｓｓ、费城大学的Ｒａｌｐｈ和丹麦的Ｍｅｊｄａｈｌ等　人对热释光测定年代进行了系统和深入的研究，为　热释光测定陶瓷年代莫定了基础［６叫¨。　

７Ｏ年代开始，Ｇｏｋｓａ等人（１９７４）用热释光方法　测定被古人烧过的燧石、石块和石笋方解石的年　

代［１引，这就把热释光测定年龄的范围延伸到ＨＣ方　

法不能胜任的旧石器时代的早期。１９７３年，Ｗｉｎｔｌｅ　等对火山熔岩进行了ＴＬ年龄测定［１引。热释光方法　还可以用来解释陨石和月岩的历史情况［［１４，１５］。　

将热释光技术扩展到各种沉积物测定年代最早　由前苏联的Ｍｏｒｏｚｏｖ等人（１９６８）提出。风和水形成　

的沉积物能够用于测定年代，关键是热释光时钟的　“置零”问题［２］。对风积物来说，主要是阳光的“晒退　

作用”，最早提出这个问题的是Ｗｉｎｔｌｅ和Ｈｕｎｔ—　ｌｅｙ［１　埔］。她们在进行光晒退试验时，同时认识到了　

热释光的光晒退作用，认为热释光测定沉积物年龄　

是可能的。随后，进行的光晒退研究都得到了同样的　结果Ｌ１　。¨。光晒退的发现，对热释光技术应用于第　

四纪沉积物的年龄测定是一个重要突破。在所有这　

些应用中，年代测定的上限均为１００万年以内。这个　年代上限对有些物质来说是非常小的，这主要由这　些样品本身的特性所决定。　

这一阶段最主要的进展是，认识到了ＴＬ测定　年代应在红光下进行，并建立了陶器ＴＬ测年的方　

法和技术，进行了沉积物ＴＬ测年方法的研究。　３）２Ｏ世纪８Ｏ年代中期至今，为光释光测年的　

研究及发展阶段。　Ｗｉｎｔｌｅ和Ｈｕｎｔｌｅｙ（１９８２）在讨论搬运和沉积过　

程中碎屑矿物ＴＬ信号的晒退机制时，就曾设想矿　物晶体中存在光敏陷阱（１ｉｇｈｔ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　ｔｒａｐ）和非光　

敏陷阱（１ｉｇｈｔ　ｎｏｎ—ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　ｔｒａｐ）［１引。１９８５年，Ｈｕｎｔ—　ｌｅｙ等用氩离子激光器产生的５１４．５　ｎｍ绿光来激　发石英，并测量其释光信号，首次提出了光释光技　

术［２引，后来称之为ＯＳＬ或ＧＬＳＬ测年技术。光释光　

技术的提出，对测定阳光晒退的沉积物（如风成黄　土）的年代是一个新的突破。随后，用红外光束（８６０，　

９３０　ｎｍ）激发钾长石时，获得了稳定的光释光信号，　提出了红外光测年技术（ＩＲＳＬ）Ｉ－ｚ３］。之后，采用绿色　

二极管、蓝色二极管为激发光源，来研究石英和长石　的光释光［２“。引。　９Ｏ年代以前，光释光的研究主要是采用多片技　

术，１９８９年，Ｇｒｉｉｎ等提出了单颗粒钾长石的ＩＲＳＬ　测年，１９９１年Ｄｕｌｌｅｒ提出了光释光测年的单片技　

术Ｌ２引。随后，许多学者对此进行了大量研究，并取得　了很大的进展［２卜。　。单片技术不论在测量过程方　

面，还是在数据分析方面，都有许多优点［１］，大大提　

高了Ｄ　值测定的精度。１９９６年，Ｂｕｌｕｒ提出了一种　新的测量ＯＳＬ的技术，即线性调整技术（简写　ＬＭ）。其方法是在计数过程中，从零到最大增加激　发光的强度［３卜。。］，与传统的ＯＳＬ所不同的是ＬＭ　

给出的释光曲线存在有峰。目前，ＬＭ技术和单片技　

术还处在进一步完善阶段。　这个时期最大的进展，就是提出了光释光测年　

技术和单片技术，并将其广泛应用于各种沉积物及　受热样品中。　

２释光测年的研究现状　

结晶固体的释光现象被用作测定年龄的技术，　已经有了４Ｏ多年的历史，对释光现象的本质和动力　学机制、各种矿物的释光光谱及其释光特征、释光研　

究的方法和仪器、测年的实验流程和技术、释光测年　在考古学中的应用，以及不同类型沉积物的释光测　

年等都进行了大量的研究［３　。这些研究表明，释光　

测年具有非常光明的前景和巨大的应用潜力，但也　存在许多问题。　

１）对结晶固体释光过程的解释与描述，依据的　仍然是能带理论。一般认为释光的产生是由于天然　辐射把价带中的电子激发，受激发的电子首先进入　

导带，然后被能隙中的陷阱所捕获。被捕获的电子常　称为陷阱电子，也就是储能电子。它们存在于陷阱　

中，又是处于一种能量较高的介稳状态。与此同时，　在价带附近的能隙中，就会出现空穴，陷阱电子一旦　

获得能量（受热或光的激发），就会与空穴结合。即在　

这个过程中，它们以释放光子的形式来消耗自然的　

能量，这些被释放出来的光子，就是我们看到的热释　维普资讯 http://www.cqvip.com 第２期　陈淑娥等：释光测年的研究简史及研究现状　一２１１一　

光或光释光［２　。　

实际上，释光现象产生机制的许多细节，目前尚　

不清楚，有待深入研究。例如怎样来区别光敏陷阱和　

非光敏陷阱，它或它们与热敏陷阱的差别又在哪里，　我们应采用什么样的设备和什么样的方法来观察和　

测定它们。＿３　２）目前，国际上普遍使用的ＴＬ／０ＳＬ仪器主　

要是丹麦ＲＩＳ　国家实验室、美国Ｄａｙｂｒｅａｋ公司和　

英国ＥＬＳＥＣ—Ｌｉｔｔｌｅｍｏｒｅ公司生产的，激发的光源　主要有绿光、蓝光和红外光。等效剂量的测量方法有　

附加剂量法、再生剂量法、部分晒退法、澳大利亚滑　移法、单片技术等。释光测年广泛应用于考古样品、　

风积物、水相沉积物、崩积物、火山熔岩等的年龄测　定，测年下限可达１００年左右［１］，测年上限多在１００　万年以内Ｌ４］。但是，选用哪些矿物来达到，如何校正　

非线性的释光生长曲线，怎么处理实验中释光灵敏　

度的变化及提高测年的精度等仍是测定Ｄ　值时研　究的主要问题。　３）释光测年的标本几乎没有一件是单一的纯　

矿物，因此面对一块多矿物混合的标本，需要进行矿　

物分离。石英和长石是用得最多的研究对象，常用的　分离方法是重液分离或溶蚀分离。但是，石英与不同　

的长石之间的比重差别不太大，分离已不是件易事，　更何况不同杂质含量的石英之间的分离，不同品种　

和杂质的长石之间的分离。ＢＧｌ９９９选频光释光断　

代仪的出现　，可以用光来分选矿物，在同一样品　上利用不同矿物的特征波长来测定年龄，且结果可　

以互比，大大提高了光释光测定年龄的可信度。　

４）释光断代的基础是被研究的对象在所研究　的年代范围内处在一个恒定的辐射场中，辐射剂量　

在释光测年中是一个主要的因子，直接影响着年龄　值的结果。但是，我们如何来求证环境辐射场的恒　

定，微剂量在晶体中的长期积累和大辐射场高剂量　率的短时间照射，给晶体产生的光释光的效果是否　

相同　。　由于不同矿物晶体和同一矿物晶体内部结构的　

多样性、晶体对电离辐射响应的复杂性，以及沉积物　类型和沉积物的沉积环境因地因时而异，致使释光　测年目前仍有一定的经验性［３　，而且测年精度可能　

还有待进一步的提高。　

参考文献：　

［１］李虎侯．热释光断代［Ｍ］．香港：Ｓｃｉｅｎｔｉｓｔ　Ｐｒｅｓｓ　Ｉｎｔｅｒ—　ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｉｎｃ，】９９９．　［２］ＡＩＴＫＥＮ　Ｍ　Ｊ．Ｔｈｅｒｍｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ　Ｄａｔｉｎｇ［Ｍ］．Ｌｏｎ—　ｄｏｎ：Ａｃａｄｅｍｉｃ　Ｐｒｅｓｓ，１　９８５．　［３］ＭＣＫＥＥＶＥＲ　Ｓ　Ｗ　Ｓ．固体热释光［Ｍ］．蔡干钢，吴　方，王所亭译．北京：原子能出版社，１９９３．　［４］　王维达．中国热释光与电子自旋共振测定年代研究　［Ｍ］．北京：中国计量出版社，１９９７．　ｒ５］　ＤＡＮＩＥＬＳ　Ｆ，Ｂ０ＹＤ　Ｃ　Ａ，ＳＡＵＮＤＥＲＳ　Ｄ　Ｆ．Ｔｈｅｒｍｏ—　ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ　ａｓ　ａ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｔｏｏｌ［Ｊ］．Ｓｃｉｅｎｃｅ，１９５３，　１１７：３４３—３４９．　［６］　ＡＩＴＫＥＮ　Ｍ　Ｊ，ＴＩＴＬＥ　Ｍ　Ｓ，ＲＥＩＤ　Ｊ．Ｔｈｅｒｍｏｌｕｍｉ—　ｎｅｓｃｅｎｃｅ　ｄａｔｉｎｇ　ｏｆ　ａｎｃｉｅｎｔ　ｃｅｒａｍｉｃｓ口］．Ｎａｔｕｒｅ，１９６４，　２０２：１　０３２—１　０３３．　［７］　ＭＡＺＥＳＳ　Ｒ　Ｂ，ＺＩＭＭＥＲＭＡＮ　Ｄ　Ｗ．Ｐｏｔｔｅｒｙ　ｄａｔｉｎｇ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅｒｍｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅＩ－Ｊ］．Ｓｃｉｅｎｃｅ，１９６６，１５２：３４７—　３４８．　［８１　ＲＵＬＰＨ　Ｅ　Ｋ，ＨＡＮ　Ｍ　Ｌ．Ｄａｔｉｎｇ　ｏｆ　Ｐｏｔｔｅｒｙ　ｂｙ　ｔｈｅｒ—　ｍｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ［Ｊ］．Ｎａｔｕｒｅ，１９６６，２１０：２４５—２４７．　［９］　ＡＩＴＫＥＮ　Ｍ　Ｊ，ｚＩＭＭＥＲＭＡＮ　Ｄ　Ｗ，ＦＬＥＭＩＮＧ　Ｓ　Ｊ．　Ｔｈｅｒｍｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ　ｄａｔｉｎｇ　ｏｆ　ａｎｃｉｅｎｔ　ｐｏｔｔｅｒｙ［Ｊ］．　Ｎａｔｕｒｅ，１９６８，２１９：４４２—４４４．　［１ｏ］　ＦＬＥＭＩＮＧ　Ｓ　Ｊ．Ｔｈｅｒｍｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｉｎ　ａｒｃｈａｅｏｌｏｇｙ［Ｍ］．Ｏｘｆｏｒｄｄ：Ｃｌａｒｅｎｄｏｎ　Ｐｒｅｓｓ，１９７９．　［１１］　ＺＩＭＥＲＭＡＮ　Ｐ　Ｗ．Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｔＯ　ｂａｓｉｃ　ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ　ｆｏｒ　ｓａｍｐｌｅ　ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ＴＬ　ｍｅａｓｕｎｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｃｅ—　ｒａｍｉｃｓ口］．ＰＡＣＴ，１９７８，２：１－６．　［１２］ＧＯＫＳＡ　Ｈ　Ｙ，ＦＲＥＭＬＩＮ　Ｊ　Ｈ，ｅｔ　ａ１．Ａｇｅ　ｄｅｔｅｒｍｉｎａ—　ｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂｕｒｎｅｄ　ｆｌｉｎｔ　ｂｙ　ａ　ｔｈｅｒｍｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　口］．Ｓｃｉｅｎｃｅ，１９７４，１８３：６５１—６５４．　［－１　３］　ＷｌＮＴＬＥ　Ａ　Ｇ．Ａｎｏｍａｌｏｕｓ　ｆａｄｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅｒｍｏｌｕｍｉ—　ｎｅｓｃｅｎｃｅ　ｉｎ　ｍｉｎｅｒａｌ　ｓａｍｐｌｅｓ口］．Ｎａｔｕｒｅ，１９７３，２４５：