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利用γ能谱仪对2组来自印度洋孟加拉湾的深海钻孔样品进行铀、钍和钾的放射性测试时（为OSL提供放射性剂量率数据）发现，所测2组深海钻孔样品中核素230Th和231Pa发射的γ射线峰能够被识别。这意味着这2组样品可以利用γ能谱仪的全谱数据对230Th等放射性核素进行分析。由于海水中存在大量的放射性核素235U和234U，其衰变产生的子体230Th和231Pa较易被海水中产生的颗粒物吸附从而进入海洋沉积物中[1]，因此，可以利用沉积物中过剩的核素230Th和231Pa（即230Thex和231Paex）进行地质年代研究。通常情况下，样品中痕量的230Th和231Pa难以用γ能谱仪准确测量，常常需要用α能谱仪进行较长时间的测试，但是由于深海区域上覆水体较厚，沉降颗粒到达海底经过的时间和过程都较长，因此，沉积物中富集的230Th和231Pa的活度浓度可以达到较高水平，使得利用γ能谱直接测量其放射性活度成为可能[2-3]。笔者在对上述2组样品进行光释光（OSL）年代测定的同时，尝试利用230Th和231Pa等放射性核素进行年代测试研究。
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本研究中2组样品来源于青岛海洋地质研究所深海科学钻探井位选址调查项目，2个钻孔共9件样品。样品采集信息见表1。
表 1 测试样品的采样信息
Table 1. Sampling information
样品编号 中心深度/cm 采样水深/m 采样经纬度 C3-OSL-1 100 3 539 86.11°E，9.65°N C3-OSL-2 180 C3-OSL-3 260 C3-OSL-4 340 C3-OSL-5 390 CB2-OSL-1 90 3 509 87.56°E，9.49°N CB2-OSL-2 181 CB2-OSL-3 271 CB2-OSL-4 371 样品的中心部分用于释光测试，其他部分用于含水量和γ能谱测试。在避光条件下，取出样品中心未曝光的核心部分，依次用双氧水去除有机质、盐酸去除酸溶性矿物后，利用沉降法保留4～11 μm的细颗粒成分，再用氟硅酸去除长石矿物，得到较为纯净的石英粉末。石英粉末利用有机溶剂镀片的方法均匀分散到专用测量片中待测。
样品外围部分小心用小刀等工具削下并准确称量其质量。称重后的样品经105 ℃烘干后再次准确称重，得到样品的含水量。之后将其粉碎、碾磨并过筛，筛分后的样品密封于专用塑料样品盒中，放置20 d后于γ能谱仪上机测试。由于取样手法差异，γ能谱所测样品代表的柱样岩心深度可能稍稍偏离其中心深度，但基于整个柱样深度而言，误差可以忽略，因此，依然用其柱样中心深度表示。
本研究中使用的γ能谱仪为堪培拉BE3830型低本底高纯锗多道γ能谱仪，其1 332 keV射线峰的分辨率＜2.0 keV，相对效率约35%，30～1 600 keV本底积分计数＜2.0 s−1。测量释光样品使用的是弗莱贝格Lexsygresearch 型释光能谱仪，其人工辐照源为环形纯β放射源，辐照误差＜10%。
使用γ能谱仪测量和计算的数据包括样品中核素238U、235U、232Th、40K、230Th和213Pa的活度浓度。其中，238U的活度浓度采用测量其子体234Th（63.3 keV）、234mPa（1 001.0 keV）活度浓度的加权平均值计算得出。232Th采用其子体228Ac（911.1 keV）的活度浓度计算得出，40K利用其发射的γ射线（1 460.8 keV）直接测量[3-5]。
230Th仅发射一种能量为67.7 keV的γ射线，且不受其他核素干扰，较易识别，比较容易直接测得，而231Pa的情况则较为复杂。根据文献[2-3,6]及上机实测结果，231Pa及其子体中，仅有50.2、154.2、236.0、256.3和401.8 keV的射线峰易被识别且不易受到其他常见放射性核素的干扰，因此，本研究中使用上述能量的射线峰测量结果的加权平均值计算231Pa的活度。
本研究中光释光样品的等效剂量测试采用单片再生法（SAR）进行[7-8]，每个样品制作了12～18个平行测片。样品的预热坪实验表明，测片预热温度范围可以为200～240 ℃，测试时选择了中间值220 ℃作为预热温度。统计等效剂量结果时，剔除恢复剂量测试中比值不在0.9～1.1范围内的测片，剔除红外检测中红外信号比值＞0.05的测片，剔除热转移剂量与等效剂量比值＞0.05的测片，并在最终统计结果中使用均值统计法，剔除离群值较大的测量结果，最终得到等效剂量统计结果（表2）。
表 2 样品的光释光测试相关数据和结果
Table 2. The sample information and results of OSL dating
样品编号 铀/10−6 钍/10−6 钾/% 含水量/% 等效剂量/Gy 释光年龄/ka C3-OSL-1 2.86 12.07 2.01 13.38 34.89 9.07 C3-OSL-2 2.67 11.65 1.95 21.71 43.54 12.83 C3-OSL-3 3.07 11.98 2.21 16.84 60.91 15.45 C3-OSL-4 2.71 10.54 1.97 19.50 70.30 20.65 C3-OSL-5 3.30 12.32 2.37 16.06 135.28 32.07 CB2-OSL-1 2.95 15.05 2.63 16.00 37.16 8.08 CB2-OSL-2 3.59 16.04 2.61 17.85 64.31 13.49 CB2-OSL-3 3.15 13.56 2.67 13.89 103.86 22.30 CB2-OSL-4 2.68 12.38 2.25 15.62 187.71 47.60 释光样品的环境剂量率采用样品中的U、Th和K含量及样品含水量按文献公式计算得出[9-10]。其中，样品中U、Th和K的含量使用γ能谱仪测量样品中核素238U、232Th、40K的活度浓度，然后通过计算换算得出结果[5]。
本研究中γ能谱仪使用GBW04127、GBW40015等标准物质对测试结果进行质量监控。释光能谱仪采用仪器厂商提供的Lexcal2014标准样品对仪器状况进行质量监控。
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光释光测年及相关数据结果见表2。样品中核素230Th、231Pa、235U等的测试结果见表3。230Thex、231Paex和231Paex/230Thex的深度分布如图1所示。
表 3 柱样中230Th、231Pa等核素测量相关数据和结果
Table 3. Sample information and results of nuclides such as sas230Th, 231Pa etc.
样品编号 活度浓度/(Bq/kg) 231Paex/230Thex 230Th 234U 231Pa 235U 230Thex 231Paex C3-OSL-1 166.22 40.08 69.20 1.84 126.14 67.36 0.534 C3-OSL-2 160.28 37.53 64.76 1.80 122.75 62.96 0.513 C3-OSL-3 161.11 43.07 59.50 2.02 118.04 57.48 0.487 C3-OSL-4 152.95 38.08 55.30 1.80 114.87 53.50 0.466 C3-OSL-5 151.37 46.29 49.08 2.17 105.08 46.91 0.446 CB2-OSL-1 167.38 41.41 66.21 1.98 125.97 64.23 0.510 CB2-OSL-2 172.15 50.37 60.30 2.37 121.78 57.93 0.476 CB2-OSL-3 153.76 44.26 50.89 2.06 109.50 48.83 0.446 CB2-OSL-4 140.38 37.59 41.62 1.72 102.79 39.90 0.388 
图 1 230Thex、231Paex和231Paex/230Thex的活度浓度深度分布
Figure 1. Radioactivities with depth of 230Thex, 231Paex and 231Paex/230Thex
上述数据中，230Thex = 230Th−234U , 231Paex = 231Pa−235U 。表中234U的活度是按照海水中234U/238U活度比值为1.14计算得出的[2]。
根据测量结果，231Paex、230Thex等处于指数衰减阶段。若假设柱样初始活度基本不变，可用衰变方程表示为：
$$ \begin{split} \\ {N_H}={N_0}{{\rm{e}}^{ - \lambda t}} \end{split} $$ 式中：NH代表深度为H时核素的活度；
N0为核素初始活度；
λ为核素衰变常数；
t为衰变时间。
假设平均沉积速率为S，深度为H，那么根据衰减方程可得：
$$ {N_H}={N_0}{{\rm{e}}^{( - \lambda H/S)}} $$ 取对数整理后得出：
$$ {\rm{Ln}} N_{H} =-\lambda/SH + {\rm{Ln}} N_{0} $$ 样品活度相对深度的曲线斜率K =−λ/S，由于衰变常数λ = Ln2/ T1/2，那么可知柱样的平均沉积速率 S =−(Ln2/ T1/2)/K。
式中：T1/2为核素的半衰期。
根据以上公式计算得出的平均沉积速率结果见表4。
表 4 柱样的沉积速率
Table 4. Sedimentation rates of samples
计算方法 平均沉积速率/(cm/ka) 由OSL年龄计算出的沉积速率/(cm/ka) 230Thex 231Paex 231Paex/230Thex C3-OSL 16.2 17.9 18.2 4.4～30.5（平均17.2） CB2-OSL 11.9 12.3 11.7 3.9～16.6（平均10.3） 表4的数据中，OSL下方所列沉积速率，范围值代表单个样品年龄与沉积深度所得沉积速率的最小和最大值。括号中的数字表示上述沉积速率的加权均值。其他3列分别是230Thex、231Paex和231Paex /230Thex 3种方法按公式计算得出的平均沉积速率。
根据计算结果，230Thex、231Paex和231Paex /230Thex3种方法所得的平均沉积速率数值较为一致。其中C3柱的平均沉积速率计算结果介于16.2～18.2 cm/ka，相差2.0 cm/ka；CB2柱介于11.7～12.3 cm/ka，相差仅0.6 cm/ka。说明利用γ能谱仪全谱数据对这2个深海样品的测量和计算不仅可行，而且结果较为可靠。本研究中利用放射性核素230Th和231Pa计算所得的柱样沉积速率和光释光测试所得年代结果相比较，既存在吻合较好的部分，也存在明显差别。释光测年所得样品的沉积年代表明（图2），这2个柱样很可能并不是匀速沉积的，而是经历了一个沉积速率加快的过程。利用230Thex、231Paex和231Paex /230Thex等3种方式计算的结果都是柱样的平均沉积速率，因此，用上述平均沉积速率得到的样品年龄与OSL数据相对比，肯定会存在一定出入。虽然采用初始放射性和沉积通量恒定的计算模型，只能算出平均沉积速率，但是从整体上看，与利用OSL年代数据得到的沉积速率范围处于同一水平，说明测年结果基本一致。
图 2 C3柱（左）与CB2柱（右）的OSL年龄
Figure 2. OSL dating of C3 (left) and CB2 (right) samples
本研究中柱样的沉积年代和沉积速率与LIU等[11]在同一区域的相关报道相比，数量级相当，但所得柱样的平均沉积速率稍慢。本研究的取样位置和LIU等[11]报道中YDY09孔的取样位置较为接近，其6个深度在169 cm内的样品14C年龄范围从数千年到约46 ka。该区域海底地形复杂，并且本研究中的测试手段及原理与LIU等[11]的研究存在很大不同，但是年代结果都表明该区域沉积速率在近万年来表现出了明显加快的趋势。虽然报道的数据数值上有一定差距，但是也能够相互参照。和其他大洋深水区的钻孔相比，本研究中的钻孔柱样的沉积速率较高，这可能是导致本研究中沉积样品的230Th较其他大洋沉积样品活度浓度更低的因素[12]。
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（1）对孟加拉湾2个钻孔样品的230Thex、231Paex、231Paex /230Thex 以及OSL测年结果表明，不同方法间计算得到的平均沉积速率结果吻合较好。同时，OSL测年的年代结果表明，这2个钻孔在所测范围内可能都经历了沉积加速的过程。
（2）由于230Th等放射性核素在沉积物中的活度浓度依赖于水深，对于大洋深水区样品来说，可以使用γ能谱仪对230Thex、231Paex和231Paex /230Thex等放射性指标进行测量计算并得出柱样的沉积速率。其优点为无损测量，不浪费珍贵的深海样品，并且γ能谱仪能同时对所有发射γ射线的放射性核素进行检测，便于同时开展其他放射性研究。但限于γ能谱仪的检出限，利用230Th等放射性核素测年的方法可能难以在浅水沉积样品中应用。同时本研究中样品取样密度较低，难以反映更小时间尺度上的变化，需要更多样品和数据进行进一步研究。
致谢：感谢青岛海洋地质研究所胡刚老师提供的深海沉积物样品及相关海洋调查资料！
Dating deep sea sediments by means of optically stimulated luminescence and 230Th, 231Pa radionuclides
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摘要: 对2组来自孟加拉湾的深海钻孔柱样进行光释光（OSL）测年的放射性分析时发现，所测深海样品具有较高的230Th、231Pa等放射性核素活度浓度。利用230Thex、231Paex和231Paex/230Thex等参数计算柱样沉积速率，发现3种计算方式得到的结果较为一致。其中，C3钻孔的平均沉积速率介于16.2～18.2 cm/ka，CB2钻孔的平均沉积速率介于10.3～12.3 cm/ka。和光释光所得的年代数据相比，其平均值相互吻合。光释光的年代数据表明，这2组柱样可能经历了沉积速率加快的沉积过程。Abstract: When the two groups of deep-sea samples taking from the Bay of Bengal were analyzed for OSL dating, we found that the samples are high in 230Th, 231Pa radionuclides levels. After calculating the sedimentation rate of the samples with 230thex, 231paex and 231paex / 230thex, it is found that the results obtained by the three methods are quite consistent. The average sedimentation rate of C3 is between 16.2 and 18.2 cm/ka and that of CB2 changes between 10.3 and 12.3 cm/ka. Compared with the OSL dating data, the average of the sedimentation rate values is consistent. The OSL dating suggest that the two groups of samples may have experienced a process of sedimentation rate acceleration.
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Key words:
- OSL /
- 230Th /
- 231Pa /
- deep sea sediments /
- Bay of Bengal
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图 1 230Thex、231Paex和231Paex/230Thex的活度浓度深度分布
Figure 1. Radioactivities with depth of 230Thex, 231Paex and 231Paex/230Thex
表 1 测试样品的采样信息
Table 1. Sampling information
样品编号 中心深度/cm 采样水深/m 采样经纬度 C3-OSL-1 100 3 539 86.11°E，9.65°N C3-OSL-2 180 C3-OSL-3 260 C3-OSL-4 340 C3-OSL-5 390 CB2-OSL-1 90 3 509 87.56°E，9.49°N CB2-OSL-2 181 CB2-OSL-3 271 CB2-OSL-4 371 
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表 2 样品的光释光测试相关数据和结果
Table 2. The sample information and results of OSL dating
样品编号 铀/10−6 钍/10−6 钾/% 含水量/% 等效剂量/Gy 释光年龄/ka C3-OSL-1 2.86 12.07 2.01 13.38 34.89 9.07 C3-OSL-2 2.67 11.65 1.95 21.71 43.54 12.83 C3-OSL-3 3.07 11.98 2.21 16.84 60.91 15.45 C3-OSL-4 2.71 10.54 1.97 19.50 70.30 20.65 C3-OSL-5 3.30 12.32 2.37 16.06 135.28 32.07 CB2-OSL-1 2.95 15.05 2.63 16.00 37.16 8.08 CB2-OSL-2 3.59 16.04 2.61 17.85 64.31 13.49 CB2-OSL-3 3.15 13.56 2.67 13.89 103.86 22.30 CB2-OSL-4 2.68 12.38 2.25 15.62 187.71 47.60
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表 3 柱样中230Th、231Pa等核素测量相关数据和结果
Table 3. Sample information and results of nuclides such as sas230Th, 231Pa etc.
样品编号 活度浓度/(Bq/kg) 231Paex/230Thex 230Th 234U 231Pa 235U 230Thex 231Paex C3-OSL-1 166.22 40.08 69.20 1.84 126.14 67.36 0.534 C3-OSL-2 160.28 37.53 64.76 1.80 122.75 62.96 0.513 C3-OSL-3 161.11 43.07 59.50 2.02 118.04 57.48 0.487 C3-OSL-4 152.95 38.08 55.30 1.80 114.87 53.50 0.466 C3-OSL-5 151.37 46.29 49.08 2.17 105.08 46.91 0.446 CB2-OSL-1 167.38 41.41 66.21 1.98 125.97 64.23 0.510 CB2-OSL-2 172.15 50.37 60.30 2.37 121.78 57.93 0.476 CB2-OSL-3 153.76 44.26 50.89 2.06 109.50 48.83 0.446 CB2-OSL-4 140.38 37.59 41.62 1.72 102.79 39.90 0.388
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表 4 柱样的沉积速率
Table 4. Sedimentation rates of samples
计算方法 平均沉积速率/(cm/ka) 由OSL年龄计算出的沉积速率/(cm/ka) 230Thex 231Paex 231Paex/230Thex C3-OSL 16.2 17.9 18.2 4.4～30.5（平均17.2） CB2-OSL 11.9 12.3 11.7 3.9～16.6（平均10.3）
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[1] ANDERSON R F,BACON M P,BREWER P G. Removal of 230Th and 231Pa at ocean margins[J]. Earth and Planetary Science Letters,1983,66:73-90. doi: 10.1016/0012-821X(83)90127-9 [2] 刘广山,黄奕普,彭安国,等. γ谱测定230Th和231Pa的深海沉积物沉积速率与古生产力研究[J]. 地质论评,2002,48(S1):153-160. [3] 林朝,张庆文,陈英强,等. γ能谱法测定铀矿样中的230Th和231Pa[J]. 铀矿地质,1992,8(6):374-378. [4] 李冬梅, 门武, 周鹏, 等. 海洋沉积物中放射性核素的测定γ能谱法: GB/T 30738-2014[S].广州: 国家海洋局南海环境监测中心, 2014. [5] 何乐龙,辛文彩,张剑,等. 海洋沉积物光释光测年中铀、钍、钾的γ能谱法分析[J]. 海洋地质前沿,2018,34(12):68-76. [6] 刘广山,黄奕普,彭安国. 深海沉积物岩心锕放射系核素的γ谱测定[J]. 台湾海峡,2002,21(1):86-93. [7] 王旭龙,卢演俦,李晓妮. 细颗粒石英光释光测年:简单多片再生法[J]. 地震地质,2005,27(4):615-623. [8] WINTLE A G,MURRAY A S. A review of quartz optically stimulated luminescence characteristics and their relevance in single-aliquot regeneration dating protocols[J]. Radiation Measurements,2006,41(4):369-391. doi: 10.1016/j.radmeas.2005.11.001 [9] 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. [10] AITKEN M J. An introduction to optical dating [M]. London: Oxford University Press, 1998. [11] LIU J G,HE W,CAO LI,et al. Staged fine-grained sediment supply from the Himalayas to the Bengal Fan in response to climate change over the past 50,000 years[J]. Quaternary Science Reviews,2019,212:164-177. doi: 10.1016/j.quascirev.2019.04.008 [12] WALTER H J, LOEFF M, FRANOIS R. Reliability of the 231Pa /230Th activity ratio as a tracer for bioproductivity of the ocean[C]//FISCHER G, WEFER G. Use of Proxies in Paleoceanography. Berlin: Springer, 1999: 393-408. -
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