Способ определения абсолютного возраста геологических и археологических объектов Советский патент 1990 года по МПК G01N21/71 

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано в геологии и археологии для определения абсолютного возраста по- роп и археологических находок, содержащих природные минералы, подчиняю- щихся второму порядку кинетики термос тимулированной люминесценции, в диапазоне до нескольких сотен тысячелетий.

В прототипе удовлетворительные результаты достигаются лишь при фазовой чистоте кварца не менее 99%. Большая технологическая трудность такой очистки приводит к тому,что

из множества опробованных регионов на территории СССР уверенные результаты йолучены только на Русской равни- не.

Цель изобретения - расширение круга.анализируемых объектов за счет снижения требований к чистоте мономинерального экстракта и повышение достоверности за счет исключения индивидуальной калибровки.

се природные минералы, используемые в термолюминесцентной геохронометрии, являются типичными кристалл офо сферами с биомолекулярной кинетикой электронно-дырочных прлел

СП

о со оо to

цессов, с пространственно разделенными в кристаллической матрице центрами захвата - электронными ловушками и центрами свечения, и с большей энергией активации для центров захвата, ответственных за природную термолюминесценцию. В большинстве случаев биомолекулярные процессы описываются кинетикой второго порядка, /для которого характерно увеличение температуры максимума элементарного пика с уменьшением количества захваченных электронов. Эта зависимость описывается известной формулой

m KlnAf n7f

,

где Tm - температура максимума элементарного пика; Ј - энергия активации.- его

константа для данного типа центров захвата;

К - универсальная физическая константа Больцмана;

А - некоторая константа, которая в последующих выкладках сокращается;

п - число захваченных электронов, имеющихся перед началом термовысвечивания; N - число центров захвата данного типа в образце.

Характерным в этой формуле являеся то обстоятельство, что в нее входит отношение числа зяхяаченных / электронов к числу центров.захвата, которое можно определить как заселенность

ь п Ч - L

Тогда текущее состояние по заселенности можно записать через соот- вествующую температуру максимума свечения

TM glHAT Ј

L Pe/Wm L ATE

-т

Важной характеристикой термолюминесцентного геохрометра является уровень насыщения по числу захваченных электронов, на некоторый термолюминофор выходит при бесконечной длительности возбуждения. Это состояние записывается в виде

GE}

п°° (Г7Ё

где W - скорость термической утечки

захваченных электронов; бб - сечение реакции радиационно- индуцированной утечки - константа для данного вещества; 6 - сечение реакции радиацион- но-индуцированного захвата - константа для данного вещества,,

Поскольку в геохронометрии используются только ловушки с большой энергией активации, то скорость термической утечки W в нормальных темпе- 5 ратурных условиях естественного залегания образца оказывается пренебрежимо малой ПО 1 сравнению с радиаци- онно-индуцированными компонентами даже в условиях сверхслабого прчрод

ного радиоактивного попя. В этом случае число электронов в насыщении оказывается прямо пропорциональным числу электронных ловушек б

п,

od+G

30

а заселенность в насыщении оказывается константой для данного вещества

Вместе с нею характерной для вещества константой становится и температура максимума свечения у насыщенной кристаллической решетки, как решение трансцендентного уравнения, зависящего только от констант

,00

- KlnAlT-fГ СОП5

m too

$пя каждого конкретного минерала термолюминесцентного геохронометра всегда можно подобрать достаточно древний природный образец, который уже достиг состояния насыщения, с целью определения этой константы„ Например, для кварца при средних, значениях природной мощности дозы такое состояние наступает за время около 200-300 тыс„лет. Используя формулу дозной зависимости светосуммы

ЭЈ,П

S ВоЛ - е ),

у /

где S, - светосумма в насыщении;

D - поглощенная доза, переходя в ней к пропорциональным светосуммам количествам электронов п и n и отнормировав их по числу

центров захвата, попучают формулу доз ной зависимости заселенности резервуара ловушек

- D)

(1 - е-3615)

Это же отношение можно получить и через температуры максимумов свечения. .

со . Ј(

-irW; w

/.

m 1

() е

fcv

Приравнивая друг другу полученные отношения и решая уравнение от- носительно величины, попучэют расчетную формулу для природной поглощенной дозы

- - 4(44)

D - In

«ь

.-# «L- -rrt

т;

t i In 9&Е

Гмё

L Ч

° --К-()1) е

Г

в которой единственной подлежащей определению величиной у исследуемого образца является температура максимума свечения элементарного пика термолюминесценции Т, а все остальные величины являются физическими константами: универсальная констан- та Больцмана и характерные для данного вещества константы ЭС Ј и Тт, определяемые независимыми предварительными исследованиямио Например, - для кварца они составляют 6-1,7 эв, % 1,3-1(Г , Т 300°С.

Для дальнейшего перехода к абсо-. лютному возрасту используют обычную процедуру измерения мощности дозы- в точке отбора и определяют конечный результат по отношению дозы к мощ- ности

Главной отличительной чертой этого способа является полное отсутствие зависимости от индивидуальных- свойств исследуемого образца, а именно, от количества или плотное- ти центров захвата Это исключает , необходимость индивидуальной калиб-э ровки - непременного атрибута всех известных способов термолюминесцент- ного датирования. Кроме того, исчеза ет зависимость результата от величины используемой для однократного анализа навески. Единственным непременным условием является наличие

з- 5

JQ

15

20

25

30

40

35

45

50, -

четко различимого максимума свечения, что легко осуществимо и постоянно испоттьзуется в практике геохронометрии „ Для производства точных температур измерений в распоряжении исследователя имеется достаточно широкий диапазон изменения температуры максимума с изменением поглощенной дозы. Так для кварна этот диапазон составляет около . j

Современная аппаратура для термолюминесцентного анализа имеет достаточную чувствительность для регистрации свечения даже при количествах пробы весом в единицы миллиграммов. Обычно на природных кривых термовысвечивания доминирует единственный элементарный пик свечения с хорошо различимым положением максимума даже при значительном загрязнении примесными минералами. В тех же редких случаях, когда имеет место суперпозиция двух пиков, что обычно бывает при сильном загрязнении другим определенным минералом (например полевые шпаты в кварце), с помощью известных параметров легко осуществимо спектральное разложение. При этом в предлагаемом способе снимается необходимость учета высокой пропорции смеси минералов.

Таким образом, использование предлагаемого способя определения абсолютного возраста пород и археологических находок по природным минералам, подчиняющимся второму порядку кинетики термостимулированной люминесценции, обеспечивает по сравнению с известными способами следующие преимущества: исключение необходимости индивидуальной калибровки образца; значительное упрощение технологии, связанное с необходимостью производства измерений всего двух величин ; увеличение точности измерений связанное с заменой весочувствитель- ного замера светосуммы весонечувст- вительными измерениями температуры / максимума свечения; исключение зависимости от количества анализируемой пробы и возможность снижения количества необходимого для анализа материала, вплоть до единиц, миллиграммов; снижение требований к чистоте мономинерального экстракта. Ф о р-м ула изобретения

Способ определения абсолютного возраста геологических и археологичес1550382

ких объектов по термолюминесценции природных минералов - термолюминесцентных Геохронометров, подчиняющихся второму порядку кинетики термо- стимулированной люминесценции, включающий отбор пробы мономинерального экстракта, измерение мощности дозы природного радиоактивного излучения в точке отбора пробы и регистрацию термолюминесценции пробы, отличающийся тем, Что, с целью расширения круга анализируемых объектов за счет снижения требований к чистоте мономинерального экстракта и повышения достоверности за счет исключения индивидуальной калибровки исследуемого образца для минерала - геохронометра предварительно подбирают природный образец того

0

8

же минерала, достигший для данного значения природной мощности дозы состояния насыщения и характеризующийся постоянным значением температуры максимума Тт на кривой термо- люминесценции, а при регистрации тер- мостимулированной люминесценции l(t°) минерала - геохронометра изме-i ряют температуру т, отвечающую максимальному значению свечения на кривой l(t°) и вычисляют абсолютный возраст по формуле .

Г оо fl( JLl-,-1

t - In fl-(T2) e K lT

%Ё ln L lv -1

где б т- природная мощность дозы;

К - константа Больцмана; 96 и Е - константы, характерные для данного минерала.

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано в геологии и археологии для определения абсолютного возраста пород и археологических находок в возрастном диапазоне до нескольких сотен тысяч лет. Цель изобретения - расширение круга анализируемых объектов и повышение достоверности определения. При этом исключается необходимость индивидуальной калибровки образцов. Навеска может быть уменьшена до единиц миллиграммов, снижаются требования к чистоте мономинерального экстракта. При измерении температуры максимума свечения для получения искомого результата требуется проведение только одного измерения - мощности дозы в точке отбора образца. Все остальные необходимые для расчета величины являются физическими константами и определяются заблаговременно при лабораторных исследованиях минерала. С использованием результатов измерений возраст вычисляют по выражению, приведенному в формуле изобретения.