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(xué) 資源環(huán)境學(xué)院 西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000

2.中國科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所 山地災(zāi)害與地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610041

光釋光（OSL）測年技術(shù)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(diǎn)被廣泛應(yīng)用于第四紀(jì)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(duì)單片再生劑量法（single aliquot regenerative-dose，SAR）的改進(jìn)大大提高了光釋光測年的準(zhǔn)確度和精確度，因而被廣泛應(yīng)用于風(fēng)成黃土的精細(xì)測年研究（Kang et al，2015；Guérin et al，2017；Song et al，2018）。

應(yīng)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(hào)以快組分為主（Wintle and Murray，2006），通過初始信號(hào)扣除背景值可得到凈釋光信號(hào)（Galbraith and Roberts，2012；Wallinga and Cunningham，2015）。Huntley et al（1985）首次測試光釋光信號(hào)時(shí)發(fā)現(xiàn)：恒定激發(fā)（continuous wave OSL，CWOSL）時(shí)，光釋光信號(hào)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(yīng)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(rèn)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(guān)研究表明：快組分占主導(dǎo)時(shí)，樣品光釋光信號(hào)曬褪更完全，熱轉(zhuǎn)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(jié)果誤差，計(jì)算等效劑量時(shí)應(yīng)使快組分信號(hào)所占比例盡可能大。

計(jì)算等效劑量時(shí)，通常會(huì)選取光釋光衰減曲線前幾秒作為初始信號(hào)區(qū)間減去最后幾秒?yún)^(qū)間信號(hào)作為背景扣除（Banerjee et al，2000），但這種方法存在釋光信號(hào)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(jié)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(jì)算De值，即把光釋光衰減信號(hào)的前數(shù)個(gè)通道積分作為初始信號(hào)，相鄰的數(shù)個(gè)通道積分作為背景信號(hào)（Ballarini et al，2007；Cunningham and Wallinga，2010）。不同沉積類型樣品的等效劑量（De）值對(duì)信號(hào)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(shí)，將樣品光釋光信號(hào)不同背景區(qū)間扣除后的年代結(jié)果與獨(dú)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(jié)果更接近獨(dú)立年代。騰格里沙漠南緣風(fēng)成沉積物快組分光釋光信號(hào)選擇研究表明：等效劑量對(duì)信號(hào)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(fēng)成黃土是該區(qū)晚更新世環(huán)境變化的良好記錄，詳細(xì)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(chǔ)。本文對(duì)采自青藏高原東緣4個(gè)典型黃土分布區(qū)的黃土樣品進(jìn)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(jìn)一步探討不同背景區(qū)間扣除對(duì)風(fēng)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(jìn)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(diǎn)Fig.1 Geography and sampling sites in the study area

1 樣品采集及實(shí)驗(yàn)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(gè)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(shí)按照光釋光采樣的通用方法，先開挖探槽，將剖面表層風(fēng)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(gè)。

實(shí)驗(yàn)分析時(shí)，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(jìn)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(jìn)行提純（Lai et al，2010；Chen et al，2017）。樣品前處理時(shí)，先通過鹽酸和雙氧水去除樣品中的碳酸鹽和有機(jī)質(zhì)，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(duì)其進(jìn)行檢測，確保樣品中長石信號(hào)已基本去除或處于較低水平，避免影響等效劑量的結(jié)果（Lai and Brückner，2008）。本次實(shí)驗(yàn)所有樣品IRSL檢測結(jié)果表明：長石紅外釋光信號(hào)與石英光釋光信號(hào)比值小于10%，說明長石信號(hào)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(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所光釋光實(shí)驗(yàn)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(dòng) TL/OSL 測量儀測定（Richter et al，2013），測試程序使用Murray and Wintle（2000）改進(jìn)的單片再生劑量法。

為選擇合適的預(yù)熱溫度，進(jìn)行了預(yù)熱坪實(shí)驗(yàn)分析。首先，將預(yù)熱溫度從180℃間隔20℃增加到300℃，結(jié)果顯示：在低溫區(qū)（180 — 220℃）預(yù)熱坪檢驗(yàn)結(jié)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(jìn)行等效劑量測試，進(jìn)行了劑量恢復(fù)實(shí)驗(yàn)（Murray and Wintle，2003），結(jié)果顯示（圖2b）：在240 — 260℃劑量恢復(fù)比率最接近1。因此，選擇260℃，保持10 s作為天然信號(hào)和再生劑量的預(yù)熱溫度，220℃作為實(shí)驗(yàn)劑量的預(yù)熱溫度，具體測試流程見表1。

圖2 樣品ZQ-5預(yù)熱坪實(shí)驗(yàn)（a）、劑量恢復(fù)實(shí)驗(yàn)（b）測試結(jié)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(shí)，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(qiáng)度 50 mW ? cm-2、波長 (458 ± 5) nm 的藍(lán)光激發(fā)70 s。隨后，釋光信號(hào)經(jīng)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(jìn)入9235QB光電倍增管進(jìn)行記錄，實(shí)驗(yàn)劑量及再生劑量輻照源選擇（90Sr /90Y）β源。11個(gè)黃土樣品共測得100個(gè)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(hào)占總信號(hào)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?jǐn)M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(gè)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(rèn)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(gè)不同類型的陷阱。這些陷阱使晶體產(chǎn)生局域能量態(tài)，提供額外的熱、光等能量時(shí)，價(jià)帶中的電子吸收能量向?qū)б苿?dòng)成為自由電子，這些獲得能量的電子自價(jià)帶逃逸后，價(jià)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(fù)合釋放光子。整個(gè)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(huì)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?jǐn)M合

據(jù)前人研究成果，CW-OSL衰減曲線可由三個(gè)指數(shù)衰減組分?jǐn)M合（Cunningham and Wallinga，2009）。為便于對(duì)比，利用Analyst 4.53軟件分別對(duì)樣品ZQ-2和ZQ-5一個(gè)測片的天然信號(hào)進(jìn)行了前6 s的組分?jǐn)M合。擬合公式為公式(1)，擬合結(jié)果見圖4。因室溫短期測量時(shí)，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(jìn)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(hào)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(qiáng)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(hào)在激發(fā)前2 s已降到本底，表明這兩個(gè)樣品曬褪完全且以快速衰減為主，進(jìn)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(duì)總信號(hào)貢獻(xiàn)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(biāo)數(shù)值變化），表明無論樣品ZQ-2還是樣品ZQ-5，釋光信號(hào)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(jìn)一步討論各組分初始信號(hào)與總信號(hào)的關(guān)系，計(jì)算了11個(gè)樣品所有測片在t = 0時(shí)，各組分對(duì)總信號(hào)的占比，結(jié)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?jǐn)M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(jì)算了每個(gè)樣品所有測片各組分t = 0時(shí)信號(hào)占總信號(hào)的比例，并求其均值。樣品XJ-1初始時(shí)刻快組分信號(hào)占總信號(hào)的85%，是其9個(gè)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(shí)信號(hào)占總信號(hào)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(guān)（Bailey et al，1997）。再者，不同樣品各組分信號(hào)占總信號(hào)百分比也存在差異，推測可能因?yàn)槊總€(gè)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(shí)信號(hào)占總信號(hào)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(hào)以快組分占主導(dǎo)。

3 不同背景信號(hào)扣除區(qū)間對(duì)等效劑量的影響

研究表明：背景信號(hào)扣除區(qū)間為初始信號(hào)區(qū)間2 — 3倍時(shí)，快組分分量占總信號(hào)比例最大（Cunningham and Wallinga，2010）。據(jù)此，對(duì)所有樣品的測片進(jìn)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(gè)樣品單個(gè)測片選取前0 — 0.4 s光釋光信號(hào)減去其隨后0.4 — 1.4 s光釋光信號(hào)后，利用指數(shù)或指數(shù)加線性對(duì)釋光信號(hào)進(jìn)行擬合，形成單個(gè)測片生長曲線，再將校正后的光釋光信號(hào)強(qiáng)度內(nèi)插到生長曲線，得到該測片等效劑量，最后計(jì)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(hào)是0 — 0.4 s釋光信號(hào)減去19.9 — 24.9 s光釋光信號(hào)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(shí)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(jié)果（k = 0.81）。

從表3和圖5中可以看到：所選初始信號(hào)區(qū)間相同時(shí)，不同背景扣除區(qū)間對(duì)＜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(jié)果差別顯著。對(duì)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(nèi)可忽略不計(jì)。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(jié)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(jié)論略有不同，可能與樣品類型及是否完全曬褪有關(guān)。

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(dá)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(dá)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(jì)算，A1組與A2組釋光年代最小相差3 — 10 ka，最大可達(dá)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(jié)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(jié)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(nèi)（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(qiáng)度（Ln/ Tn）內(nèi)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(duì)樣品天然信號(hào)及實(shí)驗(yàn)劑量信號(hào)進(jìn)行了分析。表4顯示：＞10 Gy樣品的天然釋光信號(hào)在A1與A2組背景區(qū)間扣除后，剩余天然信號(hào)占總天然信號(hào)比例變化了13% — 22%，實(shí)驗(yàn)劑量不同背景區(qū)間扣除后的釋光信號(hào)占總信號(hào)比例的變化可達(dá)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(hào)與實(shí)驗(yàn)劑量信號(hào)不同背景區(qū)間扣除前后變化率不一致，導(dǎo)致A1組平均Ln/ Tn均大于A2組所致。然而，對(duì)于＞10 Gy的樣品最終應(yīng)選擇哪種背景扣除方式進(jìn)行年代計(jì)算，還需要進(jìn)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(hào)和實(shí)驗(yàn)劑量信號(hào)的變化Tab.4 Variation of natural signal and test dose signal in different background interval of all ＞10 Gy samples

為進(jìn)一步分析原因，以樣品ZQ-5為例對(duì)＞10 Gy樣品天然信號(hào)組分和實(shí)驗(yàn)劑量信號(hào)組分進(jìn)行了分析（圖7）。樣品ZQ-5天然信號(hào)的快組分與總信號(hào)比值在0.9左右，中組分與總信號(hào)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(hào)以快組分占主導(dǎo)，這與前面結(jié)論一致。與天然信號(hào)各組分分布不同，ZQ-5實(shí)驗(yàn)劑量信號(hào)的快組分與總信號(hào)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(dá)0.2以上，背景+慢組分所占比值也均高于天然信號(hào)。這說明選取0 — 0.4 s作為初始信號(hào)時(shí)，實(shí)驗(yàn)劑量信號(hào)中包含了相當(dāng)比例的不穩(wěn)定中組分信號(hào)，這與Steffen et al（2009）利用天然信號(hào)比再生劑量信號(hào)（N/R）分析的結(jié)論一致。

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

4 結(jié)論

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

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

（2）對(duì)高原東緣黃土石英光釋光信號(hào)進(jìn)行不同背景區(qū)間扣除分析表明：不同背景扣除方式對(duì)于小于10 Gy樣品等效劑量計(jì)算的影響較小，誤差范圍內(nèi)一致，離散度也無明顯變化。對(duì)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(dá)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！