程延, 李志忠, 靳建辉, 徐晓琳, 李志星, 刘小菊. (2018)标准生长曲线法在华南沿海老红砂石英光释光测年中的适用性* [J]. 古地理学报, 20(3): 501-514
Cheng Yan, Li Zhi-Zhong, Jin Jian-Hui, Xu Xiao-Lin, Li Zhi-Xing, Liu Xiao-Ju. (2018)Applicability of SGC(standardised growth curve) method in quartz OSL dating of Old Red Sands at coastal areas in South China[J]. Journal Of Palaeogeography, 20(3): 501-514.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2018.03.037
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标准生长曲线法在华南沿海老红砂石英光释光测年中的适用性*
程延1,3, 李志忠1,2,3, 靳建辉1,2,3, 徐晓琳1,3, 李志星1,3, 刘小菊1,3
1 湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地,福建福州 350007
2 福建师范大学地理研究所,福建福州 350007
3 福建师范大学地理科学学院,福建福州 350007
通讯作者简介：李志忠,男,1962年生,理学博士,福建师范大学教授,博士生导师,主要从事风沙地貌与第四纪环境演变研究。E-mail: lizz@fjnu.edu.cn。

第一作者简介：程延,男,1992年生,硕士研究生,主要从事释光年代和海岸风沙地貌学研究。E-mail: chengy17@126.com。

收稿日期:2017-09-21
基金资助:*国家自然科学基金项目(编号: 41771020,41301012); 国家自然科学基金委员会—福建省人民政府促进海峡两岸科技合作联合基金(编号: U1405231); 福建省自然科学基金项目(编号: 2017J01460); 福建省省属公益类科研院所基本科研专项基金优势领域重点项目(编号: 2018R1101006-5); 福建师范大学地理科学学院研究生创新基金项目(编号: 20150839)共同资助;
摘要

如何快速准确地建立老红砂剖面年代学标尺或区域年代学框架,是在实践中有待解决的问题。而标准生长曲线法( SGC)在减少样品测试时间、提高测年仪器的测试效率方面具有独特的优势,因此在内陆黄土及沙漠沉积年代测定中得到了广泛应用。在福建和海南海岸带老红砂分布区采集了 4个剖面的测年样品共计 20个,应用单片再生剂量法( SAR)及 SGC法进行定年研究。结果表明: ( 1)福建和海南海岸带老红砂样品释光( OSL)信号均以快组分为主,在信号积分通道前 0.64 s 快组分的信号占据总体信号的 80%以上,适合使用 SAR及 SGC方法测年;其快、中组分光电离截面分别为: 福建老红砂 2.62× 10- 17 cm2和 3.24× 10- 18 cm2,海南老红砂 2.66× 10- 17 cm2和 3.51× 10- 18 cm2; 2个区域样品的 IRSL(红外激发释光信号) /OSL信号比值表明,较老样品的红外释光信号明显高于较年轻的样品,这可能是受到长石包裹体的影响,但其比值均小于 10%,符合 SAR与 SGC测试要求。 ( 2) SGC法在华南海岸地区老红砂 OSL年代学研究中具有较好的适用性,不同样品之间的剂量生长曲线存在着相似的增长模式,可以建立标准生长曲线; 但福建与海南老红砂样品之间的标准生长曲线具有较大的差异,因此在较大区域范围内运用标准生曲线法应当谨慎小心。

关键词: 老红砂; 释光性质; 标准生长曲线; 华南
中图分类号:P533 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2018)03-0501-14
Applicability of SGC(standardised growth curve) method in quartz OSL dating of Old Red Sands at coastal areas in South China
Cheng Yan1,3, Li Zhi-Zhong1,2,3, Jin Jian-Hui1,2,3, Xu Xiao-Lin1,3, Li Zhi-Xing1,3, Liu Xiao-Ju1,3
1 State Key Laboratory for Subtropical Mountain Ecology of the Ministry of Science and Technology and Fujian Province,Fujian Normal University,Fuzhou 350007,Fujian
2 Institute of Geography,Fujian Normal University,Fuzhou 350007,Fujian
3 College of Geographical Science, Fujian Normal University,Fuzhou 350007,Fujian
About the corresponding author：Li Zhi-Zhong,born in 1962,doctor, is a professor and supervior of Fujian Normal University,and is mainly engaged in aeolian geomorphology and the evolution of Quaternary environment. E-mail: lizz@fjnu.edu.cn.

About the first author：Yan,born in 1992,is a master degree candidate. He is mainly engaged in researches on luminescence dating and coastal aeolian geomorphology. E-mail: chengy17@126.com.

Fund:Co-funded by the National Natural Science Foundation of China(Nos. 41771020,41301012),NSFC-Fujian Province Untied Foundation(No. U1405231),Natural Science Foundation of Fujian(No.2017J01460),Fujian Provincial Public Welfare Research Institute Basic Scientific Research Fund Special Advantage Field Key Projects(No.2018R1101006-5) and Innovation Foundation of Graduate School of Geography,Fujian Normal University(No.20150839)
Abstract

Development of an accurate chronological and stratigraphic framework in Old Red Sands remains a challenge in practice. Compared to the traditional single aliquot regeneration(SAR)method,standardised growth curve(SGC)has unique advantages in reducing the testing time and improving the testing efficiency of luminescence dating. Therefore,it has been widely applied in the dating of loess and desert sediments in inland China. In this paper,we will attempt to apply the SGC method to the chronological analysis of the Old Red Sands deposited along the coast of South China. From the Old Red Sands along the coastal belts of Fujian and Hainan,a total of 20 samples were collected from four sections for dating using both the SAR and SGC methods. Two meaningful conclusions can be drawn from this study. Firstly,the luminescence signals in the Old Red Sands from both Fujian and Hainan are dominated by fast components. With more than 80% of fast components in the signal integration channel before 0.64s,it is suitable to use both SAR and SGC for dating. The photoionization cross section of the Fujian Old Red Sands is 2.62×10-17 cm2 and 3.24×10-18 cm2 and is 2.66×10-17 cm2 and 3.51×10-18 cm2 for the Hainan Old Red Sands. The IR depletion ratio(IRSL/OSL)of samples from these two areas shows that the IR luminescence signals in older samples are significantly higher than those in the younger ones,which may be affected by the feldspar inclusions. Nevertheless,all the IRSL/OSL values are less than 10%,complying with the SAR and SGC test requirements. Secondly,the SGC method is more effective in OSL chronological studies of the Old Red Sands at coastal areas in South China. The dose growth curves among different samples show similar growth model. Therefore,a standard growth curve can be established. However,the standard growth curves between Fujian and Hainan Old Red Sands show significant differences. Therefore,extra cautions need to be exercised when applying the standard curve method to larger areas.

Key words: Old Red Sands; luminescence characters; standardised growth curve; South China
1 概述

在中国东南沿海地区广泛分布以红色(10 R4/8)、棕红色(2.5 YR4/8)、淡红棕色(5 YR5/8)和暗黄橙色(5 YR/5/8)为主的半胶结的第四纪砂质沉积 “ 老红砂” (Old Red Sands)(吴正等, 1995; 黄镇国等, 1996; 袁宝印等, 2008), 在东北亚朝鲜(Choi et al., 2009)、东南亚越南(Murray-Wallace et al., 2002)以及南亚印度(Jayangondaperumal et al., 2012)等海岸带也有分布, 国外学者称为红色沙丘砂(Red Dune Sands)。已有研究表明, 海岸带老红砂是第四纪全球气候与海平面变化的重要载体(Gardner and Pye, 1981; 吴正和王为, 1997; 袁宝印等, 2008; 胡凡根等, 2012; 温小浩等, 2015; Srivastava et al., 2016)。近半个世纪以来, 国内外学者在老红砂的沉积特征及其成因研究方面取得了重要进展, 随着第四纪测年技术的不断进步, 人们对老红砂发育年代的认识也在不断完善。

研究者早期通过第四纪地层划分与对比分析, 认为华南沿海老红砂属于晚第四纪沉积, 地层在闽粤琼鲁被分别称为“ 东沈组” (曾从盛等, 1999a)、“ 陆丰组” (杨树康, 1982)、“ 八所组” (陈伟光等, 1987)和“ 柳夼红层” (杨光复等, 1982)。随着以石英为主要材料的热释光(TL)测年技术的出现, 通过TL测年并通过老红砂上下层位泥炭或腐木等有机物的14C测年校准, 得到的南方老红砂绝对年代大多集中在10~30ika(金志敏等, 1994; 吴正和王为, 1997; 曾从盛等, 1999b; 吴正等, 2000)。而光释光(OSL)测年技术的发展, 尤其是单片再生剂量法(single aliquot regeneration, 简写为“ SAR” )的出现(Murray and Wintle, 2000, 2003)使得绝对年代测年精度进一步提高, 并得到广泛应用(Zhao et al., 2007; Jin et al., 2017; Tsakalos et al., 2018)。21世纪以来, 一些研究者将OSL测年技术应用于中国华南沿海、朝鲜半岛东南沿海以及印度东南沿海老红砂年代学研究(张家富等, 2007; Choi et al., 2009; 龚正权, 2010; 胡凡根等, 2012; Jayangondaperumal et al., 2012; 俞鸣同等, 2014; 靳建辉等, 2017), 将老红砂年代向前扩展到末次间冰期之前。

但海岸带老红砂大多经历了较长时间的埋藏, 等效剂量值呈现较大的特点, 采用传统的SAR流程在测试大剂量样品的等效剂量值(De), 需要消耗大量的机时。此外, 对于厚度较大的老红砂剖面、大量的测年样品, 如何快速地完成样品测年、准确地建立所研究的剖面或区域地层的年代学框架, 是获取老红砂环境演变信息所必须考虑的技术问题。

Roberts和Duller(2004)首先提出标准生长曲线(standardised growth curve, SGC)法, 将其应用至塔斯马尼亚的粗颗粒石英矿物与中国黄土高原的细颗粒多矿物样品研究, 认为SGC法可以获得准确的样品De值。SGC法是在SAR方法基础之上建立起来的, 其基本原理是将SAR法所获得生长曲线(通常是6条)通过最小二乘法拟合成1条标准生长曲线, 再将仪器测得样片的自然释光信号值(Lx/Tx)标准化后代入拟合后的标准生长曲线公式, 即可求出样品的De值。自从SGC法提出后, 一些学者将此法应用于第四纪不同类型沉积物的测年研究, 均表明SGC法测算的De与SAR法测得的De之间具有较好的一致性, 同时明显提高了OSL测年效率(Lai, 2006; Lai et al., 2007; 杨传成等, 2007; Long et al., 2010; Yang et al., 2011; Chen et al., 2013; Li et al., 2016)。此外, 通过与样品De值接近的再生剂量对应的释光校正信号, 可以检验SGC方法所得De的可靠性(Burbideg et al., 2006; Shen and Mauz, 2011)。

但是, SGC法测年在一个区域适用, 在另一个区域是否适用应当谨慎分析。Stevens等(2007)认为SGC方法只适用于用同一剖面样品等效剂量的估算。Telfer等(2008)运用SGC法进行海岸沉积OSL测年研究发现, 这种方法适用于南非海岸的样品, 但是在佛罗里达用SGC法进行样品测年则出现了明显的低估。此外, 重矿物的污染(Lai et al., 2007)、长石的不完全剔除(Roberts, 2007; Lai and Bruckner, 2008)、石英的热历史(Lai et al., 2008)以及自然信号的差异(Lai, 2006)等因素都有可能影响剂量生长曲线的生长特性。

作者选取中国华南沿海福建、海南两地典型的海岸带老红砂剖面, 在分析老红砂石英砂释光信号的生长曲线特征基础上, 应用SGC法进行光释光年代学研究, 并通过与传统SAR方法所获得De进行对比, 判别SGC方法所测算De值的精度, 以探讨SGC法在海岸带老红砂沉积石英矿物测年中的适用性。

2 研究区及剖面概况
2.1 研究区概况

中国华南沿海的老红砂多见于以花岗岩类岩石出露为主的、风大沙多的岬湾岸段, 与现代沙丘的分布范围基本一致, 主要分布在向岸风岸段(图 1-a)。研究区平潭青峰(图 1-b)、晋江颜厝(图 1-c)位于福建省东南沿海地区, 东濒台湾海峡, 地处南亚热带和中亚热带分界线附近。地貌类型以侵蚀剥蚀的低丘陵和台地为主, 包含圆缓低丘陵、红土台地、海积平原和风积垄地等。属于南亚热带半湿润海洋性季风气候, 年均温为19i℃, 年降水量为900~1200imm, 由西北向东南递减, 年际变化较大, 夏秋旱情突出。由于受到东亚季风环流和台湾海峡的“ 狭管效应” 影响, 风力强劲, 年均风速约为6.5~8.5im/s, 平均风速居全国海岸线之首。秋冬季节风向以NNE为主, 风速大且稳定。

图 1 华南沿海老红砂分布和剖面位置Fig.1 Distribution of the Old Red Sands in coastal areas of South China and section locations

海南省文昌县东部海岸带(图 1-d), 位于北回归线以南, 热带北缘季风区。据当地气象资料记录多年均气温为24.3i℃, 7月平均气温28.2i℃, 1月平均气温18.5i℃。年均降水量为 1647.2imm, 年平均风速大于 3im/s, 日最大风速不小于8级的天数为40~90id。受西太平洋夏季风影响, 降水较多, 盛行东南或西南风, 冬季受冬季风影响, 降水减少, 盛行东北偏北风。由于中部五指山以及台风多在东部地区登陆的影响, 导致降水量的地区分布呈现东多西少的特点。沿海地区风浪较大, 受波浪作用影响较强, 平均浪高 1im。夏季多发生海岸侵蚀, 冬季则发生堆积。海南岛海岸沙丘主要分布在东北部和东部的文昌、琼海、万宁以及西北至西南儋县、东方、昌江、乐东等县的沿海地区(吴正等, 1995)。

2.2 剖面描述

作者选取了4个老红砂剖面, 分别为福建平潭岛青峰海岸的青峰(QFT)剖面、福建晋江深沪湾附近颜厝(YCR)剖面、以及海南文昌县铺前镇的铺前(PQR)剖面与锦山镇的锦山(JSR)剖面(图 1)。4个剖面的岩性特征简要描述如下。

QFT剖面(25.663° N, 119.783° E), 位于平潭岛东北海岸, 采样剖面位于老红砂台地冲沟坡面上, 台地顶面海拔高度实测30.0im, 这里的老红砂台地, 受后期外营力强烈侵蚀、切割、崩塌作用影响, 发育冲沟。剖面整体出露厚度约13im, 由棕红色、黄橙色叠覆交替的6个层段构成, 可以划分为3个沉积旋回, 各层段均为水平分布, 棕红色砂层与黄橙色砂层之间渐变过渡, 而黄橙色砂层与棕红色砂层之间分界明显, 其中棕红色砂层胶结较紧实, 因此棕红色砂层顶层侵蚀剥蚀后大多形成各级台地的顶面(吴正等, 2000; 申健玲等, 2016)。在此剖面各层段采集释光样品1个, 共计6个释光样品, 编号QFT-01至QFT-06。

YCR剖面(24.610° N, 118.656° E), 位于晋江市深沪镇颜厝村, 残留地貌形态呈台地状, 台地顶面海拔高度实测35.0im, 顶面向海缓倾斜。剖面整体出露厚度约16im, 其中0~1.8im为赤红壤层, 多根系, 未采样, 1.8~4im为棕红色砂层, 4~6im为黄橙色砂层, 6im以下为坡积、崩积覆盖棕红老红砂, 未采样。整个剖面共采集释光样品4个, 其中棕红色砂层采集释光样品2个, 黄橙色砂层释光样品2个, 编号YCR-01至YCR-04。

PQR剖面(20.152° N, 110.678° E), 位于文昌县铺前镇木栏头, 老红砂层倾斜覆盖在基岩丘陵迎风坡面上, 表面坡度12° ~20° , 海拔20~38im, 剖面底部海拔高度32im。剖面出露厚度约3.5im, 0~0.3im为根系层, 0.3~3.5im为棕红色砂层, 下部为基岩风化壳, 该剖面共采得释光样品6个, 全部采集自棕红色砂层, 编号PQR-01至PQR-06。

JSR剖面(20.105° N, 110.666° E), 位于文昌县铺前镇, 所在地地貌形态呈台地状和残丘状, 台地面向海倾斜, 台地顶面海拔高度实测23~28im, 地形稍有起伏。剖面整体出露厚度约为3im, 0~0.25im为根系层, 0.25~3im为棕红色细砂层, 该剖面共采释光样品4个, 全部采集自棕红色细砂层, 编号JSR-01至JSR-04。

3 野外采样与实验方法

在野外采集测年样品, 将直径为6icm、长度为30icm不锈钢钢管顺层敲入剖面新鲜刻槽中, 待拔出装满样品的钢管后, 迅速用黑色塑料袋进行封装, 给每一个样品顺序编号并记录采样深度和采样层位的岩性特征等。

在实验室暗室中的红光(630± 15inm)条件下, 对样品进行石英颗粒的分离和提纯处理。首先除去样品钢管两端可能曝光的部分, 取中间部分未曝光的样品做前处理。用 10%的H2O2和HCl 分别浸泡样品去除其中的有机质和碳酸盐, 待反应完全停止后, 用清水反复冲洗, 剩余部分为石英和长石等碎屑矿物。冲洗后的样品在烘箱中烘干, 磁选去除磁性矿物, 然后过筛选取38~65iμ m大小的颗粒, 将这些颗粒浸泡在40%的HF中40imin, 以去除长石等杂质和石英颗粒表层受α 粒子照射的部分。然后, 用10%的HCl去除在 HF 溶蚀过程中形成的氟化物, 最终获得比较纯净的石英颗粒组分。

上述处理过程提取的石英组分纯度, 可用IRSL(红外激发释光信号)/OSL信号比值(Thomsen et al., 2008)检测石英矿物中的长石信号。若IRSL/OSL> 10%, 说明仍存有长石杂质, 则仍需HF浸泡, 重复上述过程, 直到样品IRSL/OSL< 10%。最后, 将提取的石英颗粒用硅油粘在直径约 0.97icm、厚约0.5imm的铝质测片上供等效剂量(De)测量。

文中所有待测样品的De均在丹麦国家实验室生产的热释光/光释光测量仪(Risø TL-DA 20)上测量完成。该仪器的激发光源为蓝光二极管(λ =470± 20inm), 功率为60imW· cm-2, 检验长石组分所用的红外激发波长为830inm。测试过程中2种光源的最大功率为90%。光释光信号经由7.5imm厚的Hoya U-340滤光片进入9235QA光电倍增管(PMT)内被探测并记录, 人工辐照源为 90Sr/90Y, 其剂量率为0.095 Gy/s。OSL信号测量采用的是250个等宽信号通道数, 每个信号通道对应的激发时间为0.16 s。信号积分区间选择0~0.32 s作为释光信号, 32~40 s作为背景信号。数据分析过程需将OSL信号标准化, 具体标准化过程为自然释光信号值(Lx)比再生剂量信号值(Tx), 乘以再生剂量(TD)(单位: s)。文中为方便计算制图, 乘以转化系数1/1000, 因此释光信号标准化方法为((Lx/Tx)× TD)× 1/1000。

图 2 华南沿海老红砂剖面色度及取样位置(剖面位置见图 1)Fig.2 Chromaticity and sampling positions in the Old Red Sands sections in coastal areas of South China(section locations are shown in Fig.1)

图 3 华南沿海老红砂剖面样品QFT-03和PQR-04预热坪及剂量恢复实验结果Fig.3 Preheat plateau test and dose recovery test for Sample QFT-03 and Sample PQR-04 from the Old Red Sands sections in coastal areas of South China

上述光释光实验在福建师范大学湿润亚热带生态— 地理过程教育部重点实验室光释光实验室完成。

样品中U、Th和K的含量使用中子活化法(NAA)在中国原子能科学研究院测得。含水量对于环境剂量率的计算非常重要, 由于历史时期的含水量无法获得, 因此文中使用估算平均值进行计算。宇宙射线对环境剂量率的贡献采用Prescott和Hutton(1994)提供的方程计算得的。根据以上参数, 结合样品粒径大小, 按照Atiken(1998)能量转化参数, 使用蒙特卡罗误差传递法计算剂量率及年代误差。

4 结果与讨论
4.1 释光信号特征

4.1.1 预热温度 合适的预热温度的可以有效地减少热转移效应(Wintle and Muarry, 2000), 因此, 在测量天然和再生释光信号前, 对QFT-03和PQR-04进行了预热坪和剂量恢复实验。QFT-03预热温度的设置范围为200~280i℃(温度间隔为20i℃), 实验剂量预热温度(cut-heat)设为固定220i℃; PQR-04预热温度的设置范围为180~280i℃(温度间隔为20i℃), Cut-heat设为固定180i℃。

预热坪实验结果显示, 样品QFT-03在预热温度240~260i℃之间存在良好的预热坪区, 样品PQR-04在预热温度200~220i℃之间存在良好的预热坪区。基于预热坪数据, 选择预热温度260i℃、Cut-heat温度220i℃作为福建老红砂光释光实验的条件温度; 选择预热温度220i℃、Cut-heat温度180i℃作为海南老红砂光释光实验的条件温度(图 3)。剂量恢复是将样品的天然信号全部归零后, 辐照实验室已知剂量, 将此剂量作为天然剂量, 若释光感量校正有效, 则其恢复比率(测量值/已知剂量)应在0.9~1.1之间(Wintle and Murray, 2006)。剂量恢复实验结果表明在预热温度条件下其恢复比率在0.9~1.1之间, 表明文中选择的预热温度适合文中样品测年(图 3)。

图 4为代表性样品的红外耗竭比结果, 实验表明所有样品的红外信号都很低且与本底值接近, 并且IR/OSL信号比值均小于10%, 说明所提取样品的石英纯度较高, 满足石英光释光测年的要求, 但来自福建老红砂样品的红外信号的残留值要高于海南老红砂样品。这可能与样品本身的矿物性质有关, 如长石包裹体的存在或其他长石杂质(Huntley et al., 1993), 相类似的情况出现在末次间冰期以来的黄旗海湖相沉积物中(张静然, 2010)。

图 4 华南沿海老红砂剖面QFT-03、PQR-04老红砂样品的自然释光信号与红外释光信号衰减曲线Fig.4 Comparison between natural OSL decay curves and IRSL decay curves from Sample QFT-03 and Sample PQR-04 from the Old Red Sands sections in coastal areas of South China

4.1.2 自然释光信号衰减特征 Smith和Rhodes(1994), 依据3组分采用指数衰减方程将恒定功率光释光曲线(CW-OSL)依据不同衰减速率分解成快、中、慢3种组分, 可发现快组分信号对光照最为敏感。Bø tter-Jensen等(2003)描述CW-OSL可以表示为:

I(t)=c+I1exp(-b1t)+I2exp(-b2t)+I3exp(-b3t)(1)

式中, I为信号随激发时间t的变化值, c为背景信号, I1, I2, I3分别对应快、中、慢组分初始释光信号值, b1, b2, b3分别对应快、中、慢组分陷阱电子的衰减速率。

Jain 等(2003)、 Singarayer 和 Bailey(2003)、 Durcan 和 Duller(2011)等的进一步研究发现, 石英释光信号的组分更加复杂, 甚至有3至4种慢组分信号的存在。文中应用使用Origin 8软件将自然释光信号拟合公式(1)后发现, 福建的老红砂样品的快、中组分衰减常数平均数分别是3.72/s、0.46/s, 海南老红砂样品的快、中组分衰减常数平均数分别是3.78/s、0.499/s。

根据其衰减常数所计算的光电离截面(Photoionization Cross Section)(Choi and Duller, 2006), 福建老红砂的快、中组分平均数分别为2.62× 10-17 cm2和3.24× 10-18 cm2, 海南老红砂的快、中组分的平均数分别为2.66× 10-17 cm2和3.51× 10-18 cm2, 这与前人研究研究结果是一致的(Jain et al., 2003; Singarayer and Bailey, 2003; Durcan and Duller, 2011)。通过进一步分解组分发现, 在信号积分通道前0.64 s 快组分的信号占据总体信号的80%以上, 并且在1 s时快速衰退至本底值, 说明文中选取的老红砂测年样品以快组分为主(图 5)。

图 5 华南沿海老红砂剖面QFT-03、PQR-04样品的自然和再生释光信号及各组分信号比例随时间变化概况Fig.5 Decay curves for natural and regenerative doses for aliquots and relative contributions to the bulk OSL signal for Sample QFT-03 and Sample PQR-04 from the Old Red Sands sections in coastal areas of South China

4.2 生长曲线的对比

4.2.1 同一样品不同测片的生长曲线对比 图 6为每个剖面代表性样品独立的剂量生长曲线。每个样品所对应的6个测片的生长曲线均很相似, 且每个再生剂量点的相对标准偏差基本上均在5%以内。

图 6 华南沿海老红砂剖面同一样品不同测片间生长曲线对比Fig.6 Comparison of growth curves of individual aliquots from the same sample from the Old Red Sands sections in coastal areas of South China

4.2.2 同一剖面不同样品的生长曲线对比 图 7为福建、海南4个剖面不同样品的2个测片以及平均剂量生长曲线。不同剖面之间的剂量生长曲线均呈现出较高的相似性, 其相对标准偏差除青峰剖面部分再生剂量点略微大于5%, 其余剖面的再生剂量点均在5%以内, 表明来自同一剖面不同样品之间的剂量生长曲线具有较为一致的剂量生长特性。

图 7 华南沿海老红砂剖面代表样品生长曲线对比Fig.7 Comparison of growth curves of individual samples from the Old Red Sands sections in coastals area of South China

4.2.3 不同剖面生长曲线对比 图 8为不同剖面间的剂量生长曲线对比。虽然海南的样品的De值较福建的较小, 但这2个区域生长曲线的重合部分具有极高的相似性, 且再生剂量点的标准偏差福建的样品小于5%, 海南的样品小于1%, 两者高度拟合。

图 8 福建和海南不同老红砂剖面之间生长曲线对比Fig.8 Growth curves of samples from different Old Red Sands sections in Fujian and Hainan

图 9 华南沿海不同区域之间再生剂量生长曲线对比Fig.9 Comparison of growth curves from different areas in coastal areas of South China

图 9为福建和海南海岸带老红砂样品生长曲线的对比。从图9中发现, 不同区域老红砂样品石英颗粒的生长曲线存在较大的差异, 可能是受地理位置(纬度不同造成的热带和亚热带地区环境剂量率的差异)、热力学地质背景(侵入岩和喷出岩)、风化条件和红化强度等因素的区域分异影响所致。因此, 在一定区域范围内建立的老红砂石英颗粒标准生长曲线, 可能只适用于所在区域老红砂沉积De的计算。

4.3 标准生长曲线的建立及适用性分析

4.3.1 标准生长曲线的建立 综上所述, 通过样品再生剂量生长曲线特征分析, SGC方法适用于福建和海南海岸带的老红砂样品De值的计算。但是, 通过两地剂量生长曲线之间的对比, 福建和海南老红砂样品的剂量生长曲线之间存在着较大的差异。因此, 需要建立各自的标准生长曲线, 以分别计算2个区域的De值。Roberts 和 Duller(2004)认为标准生长曲线可以用公式(2)进行拟合:

F(x)=k[1-exp(-bx)]+cx+d(2)

式中, F(x)为校正后的释光信号, x为给定再生剂量, k为曲线指数饱和时的信号强度, b为饱和剂量D0的倒数, c和d为曲线拟合线性部分参数值, 若d> 10%, 则表明热转移信号高需另进行讨论。

基于公式(2), 使用软件Origin 8对标准生长曲线进行拟合, 结果如下(表 1):

表 1 华南沿海老红砂剖面石英光释光标准生长曲线拟合结果 Table1 Fitting results of the SGC of quartz from the Old Red Sands sections in coastal areas of South China
表 2 华南沿海老红砂样品的SAR与SGC算法的等效剂量算数平均值及其比值 Table2 Summary of mean values of De(SAR) and De(SGC) estimates and ratios for Old Red Sands samples from coastal areas of South China

拟合SGC方程R2分别为0.997和0.999, 拟合程度较好, 并且参数d分别为0.0441和0.00103, 表明这些样品的热转移程度很低。所建立的2条SGC曲线可以分别用于福建和海南老红砂样品的De值计算。

4.3.2 SGC法计算De精准度分析 为评估上述SGC计算De的准确性, 将所测样品的SAR的De值与SGC所计算的De值进行比较, 发现它们之间具有较好的一致性(图 10), 两者之间的平均比率为0.9976, 表明运用SGC法对华南沿海老红砂样品的De测量结果是可信的, 因此文中所建立的2条标准生长曲线方程可以分别应用于福建、海南的老红砂的高效测年。

图 10 华南沿海老红砂释光测年样品基于SAR与SGC算法的等效剂量值对比Fig.11 Comparison between D, estimates by SAR and that by SGC of the Old Red Sands in coastal areas of South China

图 11 福建沿海老红砂年代— 深度模式对比Fig.11 Comparison of age-depth models of Old Red Sands from coastal areas of Fujian Province

4.4 基于SAR及SGC法福建老红砂地层年代学对比

样品中U、Th、K含量及其年代结果见表 3, 数据显示不论是基于SAR法计算的年代结果还是基于SGC法计算的年代结果, 均呈现较好的相关性。通过与附近地区剖面的年代学结果对比, 其年代结果具有较好的一致性, 突破了前人对华南老红砂起始发育结果, 均超过了末次冰期, 将其年代结果推至末次间冰期。尤其是在与QFT剖面相近的QFS剖面对比后发现, 由于受到U、Th在沉积物风化过程中的地球化学迁移作用影响(Gueniot et al., 1988), 在4im处附近均出现了明显的年代倒置现象, 但总体上所有剖面的年代结果呈现自上而下递增的趋势, 因此也从另一个角度证明了文中所建立的SGC法的结果是可靠的。

表 3 福建沿海老红砂剖面石英释光测年结果 Table3 OSL dating results of quartz grains from Old Red Sands sections in coastal areas of Fujian Province
5 结论

通过对华南沿海老红砂释光信号衰减特征分析、以及标准生长曲线法对比测年实验研究发现:

1)福建以及海南样品的释光信号以快组分为主, 在激发时间1 s处衰退至本底值, 表明采用光释光测年法确定老红砂的绝对年代是可行的。2个区域样品的IRSL/OSL比值表明, 较老的福建样品的红外释光信号明显高于较年轻的海南样品, 但两地的比率均小于10%, 符合石英SAR及SGC法测年的要求。通过计算表明, 福建老红砂的快、中组分光电离截面分别为2.62× 10-17 cm2和3.24× 10-18 cm2; 海南老红砂的快、中组分光电离截面分别为2.66× 10-17 cm2和3.51× 10-18 cm2。

2)通过SGC法与SAR法所测得De值相对比, 两者具有高度的一致性, 因此, SGC法适用于华南沿海的老红砂样品的光释光测年, 可在较短时间内获取大量样品的De值, 进而高效准确地获取大批量老红砂样品的OSL年代。但不同纬度的老红砂释光信号的标准生长曲线存在一定差异, 这可能是不同热量带环境剂量率、石英砂原生地质背景、母岩风化和搬运过程等因素的区域差异造成的, 因此SGC法的适用范围具有一定的空间尺度限制。

作者声明没有竞争性利益冲突.

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