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地震相关快速沉积物释光测年研究

【摘要】:古地震的年代确定是重建强震活动历史、预测未来地震趋势的重要依据,对于地震学研究具有重要的理论价值和实践意义。目前用于测定古地震事件年龄的方法和技术多达十余种,释光方法是其中常用的一种(Noller et al.,2000)。 释光测年方法经过二十多年的发展,已形成了多种适用于几十年至十万年的沉积物年龄测定技术,通常可获得与独立年龄相吻合的结果(Murry and Olley,2002)。然而,这些技术在地震相关堆积物中的应用,尤其在干旱-半干旱山区与古地震相关的快速混杂堆积物年龄测定的应用,仍然存在一些急需解决的问题。在干旱-半干旱山区地震伴生的沉积物多数为近源快速混杂堆积,岩性不均一,在堆积过程中石英、长石等矿物颗粒的释光信号的回零程度和对剂量响应的灵敏度都相对复杂。此外,这类快速混合堆积物的环境剂量率也比较难于准确测定。针对上述问题,我们选择汶川地震和新疆帕米尔北缘乌恰地震破裂带,开展了现代和古地震混杂堆积物的光释光年龄测定的研究,主要内容包括:(1)地震混杂堆积物中石英、长石颗粒光晒退程度,即光释光信号回零程度及其不均匀性和不充分性的观测;(2)混杂堆积物中单颗粒石英等效剂量(De)和样品等效剂量(Db)测定;(3)应用石英颗粒小测片SAR(单测片再生剂量)技术和狭义“SGC”(狭义的“综合生长曲线,Standardised Growth Curve”,文中被称作小测片SGC技术)技术测定混杂堆积物的光释光等效剂量;(4)进行混杂堆积物石英颗粒光释光等效剂量(De)的各种测定技术(单颗粒技术、小测片技术、常规大测片SAR和SMAR(简单多测片剂量再生技术))可行性和可靠性的对比研究;(5)比较不同技术(如高纯锗Gamma谱仪、便携式Gamma谱仪、就地埋藏剂量片、厚源Apha计数仪、以及ICP-MS放射性核素含量测定等)测定混杂堆积物环境剂量率的可行性和可靠性。取得了以下初步研究成果: 1)现代地震相关各种沉积物释光信号回零程度的检验 对2008年汶川地震相关的堰塞湖堆积物、地震前古地面沉积物样品中不同矿物、同一矿物不同粒径颗粒、不同测量方法所获得残留等效剂量值的对比研究结果表明:a)细颗粒(4-11μm)石英测片光释光信号足够强能满足释光测年要求,而粗颗粒(90-250μm)石英仅有~1.3%颗粒数发光信号达到释光测年要求,暗的粗颗粒石英导致测定的De的不确定性较大;b)震前古地面沉积物样品无论是碎屑石英还是碎屑长石,其释光信号的残留等效剂量(De)仅为0.2Gy,对于百年或者千年尺度以上的地震相关沉积物测年的影响几乎可以忽略不计,此类样品适合于古地震释光测年研究;c)现代地震相关的堰塞湖沉积物样品释光信号残留值与所测碎屑矿物种类、颗粒大小、所用的测量方法有关。细颗粒长石残留De值高达44~103Gy,细颗粒石英残留De值为1.8~11.2Gy,说明长石的光释光信号比石英的更难被晒退。单颗粒石英残留De值0.1~0.8Gy,低于细颗粒石英。因此,当进行百年或者千年尺度的古地震释光测年时,一定要慎重选择测量方法和流程,尽量通过单颗粒光释光De测量,分辩出埋藏前光晒退比较彻底的颗粒组分。 2)单颗粒仪器实验参数检验与小测片标准生长曲线(SGC)方法的建立 在对本实验室Ris-2释光单颗粒测量仪机载Beta放射源剂量率的标定、仪器重复性能实验、放射源表面一致性检验和单颗粒石英有效颗粒数分析的基础上,应用石英颗粒大测片SAR技术建立各个样品的标准生长曲线(SGC),再用石英颗粒小测片SAR技术获得De值(小测片SGC方法)。结果表明:a)本实验室Risoe-2释光测量仪机载beta放射源粗颗粒石英辐照剂量率是细颗粒石英的92%,粗颗粒石英大测片的辐照剂量率比小测片的低10%以上,单颗粒石英辐照剂量率为0.1104Gy/s。使用释光测量仪之前,需要对每台仪器不同粒径,以及大、小测片的辐照剂量率进行准确的标定。b)本实验室Ris-2单颗粒测量仪重复测量的不确定性约为9%,由机载Beta放射源表面不完全均匀导致等效剂量的不确定性为11.2%,在进行单颗粒数据处理前需要对放射源的不均一性进行校正。c)对埋藏前光晒退不均匀样品进行单颗粒测量时,至少测量40个有效颗粒进行统计分析,所计算的样品De值才具有代表性。d)对于各个样品采用完全光晒退的粗颗粒石英大测片,应用SAR技术建立标准生长曲线(SGC),根据1-2个测片单颗粒测量确定粗颗粒石英小测片的大小,尽量每个小测片的释光信号仅来自1-2个发光石英颗粒,结合小测片SAR技术获得多个“单颗粒”的De值,可以大大节省测量时间,提高测量工作效率。 3)沉积物不同环境剂量率测量方法的对比 对新购置和安装的高纯锗Gamma谱仪、便携式NaI Gamma谱仪和AL_2O_3:C剂量片进行了标定,对比同一个样品不同方法的环境剂量率的测量结果,获得以下初步认识:a)本实验室ORTEC GEM70P4-95P型高纯锗Gamma谱仪的本底极低,当测量时间达到8个小时后,核素含量不再变化,即可满足测量要求。选取的片麻岩、片岩、花岗岩及第四纪沉积物共12个样品,采用高纯锗Gamma谱仪测定的U、Th和K含量与澳大利亚ICP-MS方法测定结果对比显示两种方法测定的U和Th含量在10%的误差范围内一致,K含量在6%的误差内一致,说明本实验室高纯锗Gamma谱仪标定结果是可靠的。对2个封盒的第四纪松散沉积物样品放置不同时间后测量,结果在1σ误差范围内一致,说明仪器具有较好的稳定性和可重复性。b)高纯锗Gamma谱仪、便携式Gamma谱仪、就地埋藏剂量片、厚源Apha计数、以及ICP-MS放射性核素含量测定等多种方法对比测量结果显示,对于U/Th放射性核素衰变处于平衡体系的、周围30cm内岩性相对均一的样品,建议应用厚源Apha技术技术和K含量测定。对于样品周围30cm内岩性比较混杂的样品,优先选择高纯锗Gamma谱仪与AL_2O_3剂量片或者便携式NaI(TI)Gamma谱仪相结合的测量方法。高纯锗gamma谱仪可以检测长周期放射性核素衰变链的放射性平衡性,测量用的样品量较多更具有代表性,可同时测量多种核素、测量效率高。AL_2O_3剂量片或者便携式NaI(TI)Gamma谱仪野外就地测量可以克服周围30cm岩性不均一导致γ贡献的不确定性。 4)新疆1985年乌恰地震地表破裂带古地震发生时间: 通过对新疆乌恰地震地表破裂带WQWT6探槽中12个样品不同光释光测量方法的对比研究表明:a)探槽样品中碎屑石英颗粒具有石英矿物典型的TL峰,其光释光信号以快速组分为主,回授对等效剂量影响可以忽略不计,适合采用SAR法光释光测年;b)样品中石英颗粒特别是细颗粒在埋藏前存在严重的曝光不彻底现象,能用来光释光测年的单颗粒石英矿物颗粒比例仅为1.5-3.6%,不同颗粒的释光灵敏度差异较大,单颗粒石英测定值的离散度(测量仪器和石英本身释光特性差异所引入的离散度)从4%变化到20%;c)细颗粒石英大测片、粗颗粒石英大测片的SAR光释光方法都得到高估的年龄结果,不适合此类地震相关的近源快速堆积物的光释光测年;d)探槽剖面揭露出包括1985年Ms7.4级地震在内的4次强震事件,根据初步的单颗粒石英释光测年结果,前三次事件发生时间分别为事件E1发生在5.2ka之前,事件E2发生在3.8ka和4.2ka之间,事件E3发生在2.8ka之前。前三次古地震的复发周期约为1.0ka左右。古地震事件E3之后发生了强烈剥蚀作用,致使该探槽可能丢失了2.8ka至1985年期间的古地震记录。 5)对地震相关沉积物释光测年方法的建议 通过上述研究,对于应用释光测年技术进行地震相关沉积物测年提出如图A和图B的流程建议。如果样品为快速混杂堆积,周围30cm内岩性不够均一,应该采用室内高精度的高纯锗Gamma谱仪和便携式gamma谱仪就地测量相结合的方法来测量环境剂量率。

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