Hazai képződményekből szeparált kvarcok jellemzői az OSL kormeghatározás szempontjából
Absztrakt
Az OSL (Optically Stimulated Luminescence) kormeghatározás alkalmazása a Magyar Állami Földtani Intézetben 2004-ben kezdődött, majd a jogutód Magyar Földtani és Geofizikai Intézetben folytatódott, és a Magyar Bányászati és Földtani Szolgálatban jelenleg is folyik. A felső-pleisztocén és holocén üledékek OSL kormeghatározása során tett megfigyeléseink szerint a kvarcok lumineszcens tulajdonságai és OSL kormeghatározásra való alkalmassága helyi eltéréseket mutat. Ezeknek az eltéréseknek az okait kerestük. Vizsgáltuk a kvarc eltérő forráskőzeteinek hatását olyan kvarcgazdag magmás, metamorf és idősebb üledékes képződményekből nyert kvarcszeparátumokon, amelyek hazánkban jelenleg a felszínen is előfordulnak, és anyaguk a negyedidőszaki üledékbe is bekerülhetett. Az OSL mérések mellett a kvarcszemcsék kristályrács hibáit okozó szennyeződések kimutatására LA-ICP-MS, mikro-FTIR és IR spektrometriai méréseket alkalmaztunk. A kvarcszeparátumok pontosabb jellemzéséhez fénymikroszkópos vizsgálatot, valamint termoanalitikai és röntgen-pordiffrakciós elemzéseket végeztünk. A kvarcokat befoglaló képződmények radioaktív elemtartalmát gamma-spektrometriai mérések segítségével határoztuk meg.
OSL mérési eredményeink alapján az üledékes képződmények és egyes vulkáni tufák kvarcszeparátumai fényesebb, nagyobb intenzitású lumineszcenciát adtak, mint a vizsgált metamorf és mélységi magmás kőzetek. Közvetlenül, az első mállási és szállítási ciklus után az üledékekbe kerülve csupán néhány üledékes képződmény kvarcszemcséi lennének alkalmasak a kormeghatározásra.
A kvarcok OSL tulajdonságait meghatározó kristályrács hibáit az LA-ICP-MS vizsgálat szerint Li, Na, Al, P, K, Ti és Ba beépülése okozhatja, és a mikro-FTIR mérésekkel kimutatott, a Si4+ iont helyettesítő Al3+ + H+, azaz AlOH szerkezeti hidroxil, valamint molekuláris víz. A nagyobb intenzitású OSL-t adó kvarcszeparátumok befoglaló képződményei kisebb K- és Th-tartalommal rendelkeznek, mint a gyengébb OSL-t kibocsátóké.
A negyedidőszaki üledékek kvarcainak lumineszcens tulajdonságaiban és OSL kormeghatározásra való alkalmasságában mutatkozó helyi eltérések oka az eltérő forráskőzeteik, valamint különböző hő- és üledékes történetük lehet. A mélységi magmás és metamorf kőzetek elsődleges lepusztulásából származó kvarcok kedvezőtlen OSL tulajdonságát az eredményezheti, hogy bár magas hőmérsékleten képződve sok kristályrács hiba alakult ki bennük, de azok nagy részét lassú kihűlésük során elvesztették. Az üledékes képződmények kvarcszemcséinek kedvezőbb OSL tulajdonságai elsősorban a szállításuk és áthalmozódásuk során az ismétlődő radioaktív besugárzási, azaz OSL felépülési, és napfényen az OSL lenullázódási ciklusoknak köszönhető, melyek növelik a kvarc lumineszcens érzékenységét.
Hivatkozások
AITKEN, M.J. 1998: An Introduction to Optical Dating. The Dating of Quaternary Sediments by the Use of Photon-stimulated Luminescence. — Oxford University Press, 280 p.
ADAMEIC, G. 2000: Variations in luminescence properties of single quartz grains and their consequences for equivalent dose estimation. ― Radiation Measurements 32, 427–432. https://doi.org/10.1016/s1350-4487(00)00043-3
BAILEY, R.M. 2001: Towards a general kinetic model for optically and thermally stimulated luminescence of quartz. ― Radiation Measurements 33, 17–45. https://doi.org/10.1016/s1350-4487(00)00100-1
BIRÓ, T., KOVÁCS, I., KIRÁLY, E., FALUS, GY., KARÁTSON, D., BENDŐ, ZS., FANCSIK, T. & SÁNDORNÉ KOVÁCS, J. 2016: Concentration of hydroxyl defects in quartz from various rhyolitic ignimbrite horizons: results from unpolarized micro-FTIR analyses on unoriented phenocryst fragments. ― European Journal of Mineralogy 28, 313–327. https://doi.org/10.1127/ejm/2016/0028-2515
BIRÓ, T., KOVÁCS, I.J., KARÁTSON, D., STALDER, R., KIRÁLY, E., FALUS, G., FANCSIK, T. & SÁNDORNÉ, J.K. 2017: Evidence for post-depositional diffusional loss of hydrogen in quartz phenocryst fragments within ignimbrites. ― American Mineralogist: Journal of Earth and Planetary Materials 102(6), 1187–1201. https://doi.org/10.2138/am-2017-5861
BOTTERN-JENSEN, L., MCKEEVER, S.W.S. & WINTLE, A.G. 2003: Optically Stimulated Luminescence Dosimetry, Elsevier, 374 p. ISBN: 978-0-444-50684-9 https://doi.org/10.1016/B978-0-444-50684-9.X5077-6
DULLER, G.A.T., BØTTER-JENSEN, L. & MURRAY, A.S. 2000: Optical dating of single sand-sized grains of quartz: sources of variability. ― Radiation Measurements 32, 453–457. https://doi.org/10.1016/s1350-4487(00)00055-x
FITZSIMMONS, K.E., RHODES, E.J. & BARROWS, T.T. 2010: OSL dating of southeast Australian quartz: A preliminary assessment of the luminescence characteristics and behaviour. ― Quaternary Geochronology 5, 91–95. https://doi.org/10.1016/j.quageo.2009.02.009
GUZZO, P.L., DE SOUZA, L.B.F, BARROS, V.S.M. & KHOURY, H.J. 2017: Spectroscopic account of the point defects related to the sensitization of TL peaks beyond 220 °C in natural quartz. ― Journal of Luminescence 188, 118–128. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2017.04.009
HALLIBURTON, L.E., KOUMVAKALLIS, M.E., MARKES, M.E. & MARTIN, J.J. 1981: Radiation effects in crystalline SiO2: the role of aluminum. ― Journal of Applied Physics 52, 3565–3574. https://doi.org/10.1063/1.329138
HASHIMOTO, T., HAYASHI, Y., KOYANAGI, A. & YOKOSAKA, K. 1986: Red and blue colouration of thermoluminescence from natural quartz sands. ― Nuclear Tracks and Radiation Measurements 11, 229–235. https://doi.org/10.1016/1359-0189(86)90039-7
JAIN, M., MURRAY, A.S. & BØTTER-JENSEN, L. 2003: Characterisation of blue-light stimulated luminescence components in different quartz samples: implications for dose measurement. ― Radiation Measurements 37, 441–449. https://doi.org/10.1016/s1350-4487(03)00052-0
KATS, A., HAVEN, Y., STEVELS, J.M. 1962: Hydroxyl groups in α-quartz. ― Physics and Chemistry of Glasses 3, 69–75.
KOVÁCS, I., HERMANN, J., O’NEILL, H.ST.C., FITZ GERALD, J., SAMBRIDGE, M. & HORVÁTH, G. 2008: Quantitative absorbance spectroscopy with unpolarized light, Part II: Experimental evaluation and development of a protocol for quantitative analysis of mineral IR spectra. ― American Mineralogist 93, 765–778. https://doi.org/10.2138/am.2008.2656
MALIK, D.M., KOHNKE, E.E. & SIBLEY, W.A. 1981: Low temperature thermally stimulated luminescence of high quality quartz. ― Journal of Applied Physics 52, 3600–3605. https://doi.org/10.1063/1.329092
MOSKA, P. & MURRAY, A.S. 2006: Stability of the quartz fast-component in insensitive samples. ― Radiation Measurements 41, 878–885. https://doi.org/10.1016/j.radmeas.2006.06.005
MURRAY, A.S. & ROBERTS, R.G. 1998: Measurement of the equivalent dose in quartz using a regenerative-dose single-aliquot protocol. — Radiation Measurements 29, 503–515. https://doi.org/10.1016/s1350-4487(98)00044-4
MURRAY A.S. & WINTLE A.G. 2000: Luminescence dating of quartz using an improved single-aliquot regenerative-dose protocol. — Radiation Measurements 32, 57–73. https://doi.org/10.1016/s1350-4487(99)00253-x
MURRAY A.S. & WINTLE A.G. 2003: The single aliquot regenerative dose protocol: potential for improvements in reliability. ― Radiation Measurements 37, 377–381. https://doi.org/10.1016/s1350-4487(03)00053-2
NUTTAL, R.D. & WEIL, J.A. 1980: Two hydrogenic trapped-hole species in α-quartz. ― Solid State Communications 33, 99–102. https://doi.org/10.1016/0038-1098(80)90705-x
PETTKE, T., OBERLI, F., AUDETAT, A., GUILLONG, M., SIMON, A., HANLEY, J. & KLEMM, L.M. 2012: Recent developments in element concentration and isotope ratio analysis of individual fluid inclusions by laser ablation single and multiple collector ICP–MS. ― Ore Geology Reviews 44, 10–38. https://doi.org/10.1016/j.oregeorev.2011.11.001
PIETSCH, T.J., OLLEY, J.M. & NANSON, G.C. 2008: Fluvial transport as a natural luminescence sensitiser of quartz. ― Quaternary Geochronology 3, 365–376. https://doi.org/10.1016/j.quageo.2007.12.005
PREUSSER, F., RAMSEYER, K. & SCHLUCHTER, C. 2006: Characterisation of low OSL intensity quartz from the New Zealand Alps. ― Radiation Measurements 41, 871–877. https://doi.org/10.1016/j.radmeas.2006.04.019
PREUSSER, F., CHITHAMBO, M.L., GÖTTE, T., MARTINI, M., RAMSEYER, K., SENDEZERA, E.J., SUSINO, G.J. & WINTLE, A.G. 2009: Quartz as a natural luminescence dosimeter. ― Earth Science Reviews 97, 184–214. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2009.09.006
RHODES, E.J. 2007: Quartz single grain OSL sensitivity distributions: implications for multiple grain single aliquot dating. ― Geochronometria 26, 19–29. https://doi.org/10.2478/v10003-007-0002-5
RHODES, E.J. 2011: Optically stimulated luminescence dating of sediments over the past 200,000 years. ― Annual Review of Earth and Planetary Sciences 39, 461–488. https://doi.org/10.1146/annurev-earth-040610-133425
RINK, W.J. 1994: Billion year age dependence of luminescence in granitic quartz. ― Radiation measurements 23, 419–422. https://doi.org/10.1016/1350-4487(94)90074-4
RINK, W.J., RENDELL, H., MARSEGLIA, E.A., LUFF, B.J. & TOWNSEND, P.D. 1993: Thermoluminescence spectra of igneous quartz and hydrothermal vein quartz. ― Physics and Chemistry of Minerals 20, 353–361. https://doi.org/10.1007/bf00215106
SAMBRIDGE, M., FITZGERALD, J., KOVÁCS, I., O’NEILL, H.ST. C. & HERMANN, J. 2008: Quantitative absorbance spectroscopy with unpolarized light: Part I. Physical and mathematical development. ― American Mineralogist 93, 751–764. https://doi.org/10.2138/am.2008.2657
SAWAKUCHI, A.O., BLAIR, M.W., DEWITT, R., FALEIROS, F.M., HYPPOLITO, T. & GUEDES, C.C.F. 2011: Thermal history versus sedimentary history: OSL sensitivity of quartz grains extracted from rocks and sediments. ― Quaternary Geochronology 6, 261–272. https://doi.org/10.1016/j.quageo.2010.11.002
SAWAKUCHI, A.O., GUEDES, C.C.F., DEWITT, R., GIANNINI, P.C.F., BLAIR, M.W., NASCIMENTO, D.R. & FALEIROS, F.M. 2012: Quartz OSL sensitivity as a proxy for storm activity on the southern Brazilian coast during the Late Holocene. ― Quaternary Geochronology 13, 92–102. https://doi.org/10.1016/j.quageo.2012.07.002
SCHILLES, T., POOLTON, N.R.J., BULUR, E., BOTTER-JENSEN, L., MURRAY, A.S., SMITH, G., RIEDI, P.C. & WAGNER, G.A. 2001: A multi-spectroscopic study of luminescence sensitivity changes in natural quartz induced by high-temperature annealing. ― Journal of Physics D: Applied Physics 34, 722–731. https://doi.org/10.1088/0022-3727/34/5/310
SHARMA, A.K., CHAWLA, S., SASTRY, M.D., GAONKAR, M., MANE, S., BALARAM, V. & SINGVI, A. 2017: Understanding the reasons for variations in luminescence sensitivity of natural quartz using spectroscopic and chemical studies. ― Proceedings of the Indian National Science Academy 83, 645–653. https://doi.org/10.16943/ptinsa/2017/49024
SINGARAYER, J.S. & BAILEY, R.M. 2003: Further investigations of the quartz optically stimulated luminescence components using linear modulation. ― Radiation Measurements 37, 451–458. https://doi.org/10.1016/s1350-4487(03)00062-3
SMYKATZ-KLOSS, W. & KLINKE, W. 1997: The high-low quartz inversion. ― Journal of Thermal Analysis and Calorimetry 48, 19–38. https://doi.org/10.1007/bf01978963
TAKASHI, Y., TOMOYUKI, T. & TETSUO, H. 2006: Dependence of luminescence sensitivities of quartz on α–β-phase inversion break temperatures. ― Radiation Measurements 41, 841–846. https://doi.org/10.1016/j.radmeas.2006.05.008
THAMÓNÉ BOZSÓ E. & NAGY A. 2011: Késő-negyedidőszaki üledékek betemetődési korának meghatározása kvarcszemcsék lumineszcens (OSL) vizsgálatával. ― Földtani Közlöny 141, 41–56.
THAMÓNÉ BOZSÓ E., KIRÁLY E., KOVÁCS I., FÜRI J., NAGY A. & TÖRÖKNÉ SINKA M. 2017: A kvarc optikai lumineszcens (OSL) tulajdonságainak vizsgálata. Kutatási jelentés, MBFSZ., Budapest. ― Kézirat, Magyar Állami Földtani, Geofizikai és Bányászati Adattár, Budapest, 47 p.
THOMAS, S.-M., KOCH-MÜLLER, M., REICHART, P., RHEDE, D., THOMAS, R., WIRTH, R. & MATSYUK, S. 2009: IR calibrations for water determination in olivine, r-GeO2, and SiO2 polymorphs. ― Physics and Chemistry of Minerals 36, 489–509. https://doi.org/10.1007/s00269-009-0295-1
TOKUYASU, K., TANAKA, K., TSUKAMOTO, S. & MURRAY, A.S. 2010: The characteristics of OSL signal from quartz grains extracted from modern sediments in Japan. ― Geochronometria 37, 13–19. https://doi.org/10.2478/v10003-010-0020-6
TOLLAN, P., ELLIS, B., TROCH, J. & NEUKAMPF, J. 2019: Assessing magmatic volatile equilibria through FTIR spectroscopy of unexposed melt inclusions and their host quartz: a new technique and application to the Mesa Falls Tuff, Yellowstone. ― Contributions to Mineralogy and Petrology 174(3): 24, 19 p. https://doi.org/10.1007/s00410-019-1561-y
TRUKHIN, A.N., SMITS, K., CHIKVAIDZE, G., DYUZHEVA, T.I. & LITYAGINA, L.M. 2011: Luminescence of silicon dioxide – silica glass, α-quartz and stishovite. ― Central European Journal of Physics 9, 1106–1113.
TSUKAMOTO, S., NAGASHIMA, K., MURRAY, A.S. & TADA, R. 2011: Variations in OSL components from quartz from Japan Sea sediments and the possibility of reconstructing provenance. ― Quaternary International 234, 182–189. https://doi.org/10.1016/j.quaint.2010.09.003
VARTANIAN, E., GUIBERT, P., ROQUE, C., BECHTEL, F. & SCHVOERER, M. 2000: Changes in OSL properties of quartz by preheating: An interpretation. ― Radiation Measurements 32, 647–652. https://doi.org/10.1016/s1350-4487(00)00109-8
WEIL, J.A. 1984: A review of electron spin spectroscopy and its application to the study of paramagnetic defects in crystalline quartz. ― Physics and Chemistry of Minerals 10, 149–165. https://doi.org/10.1007/bf00311472
WESTAWAY, K.E. 2009: The red, white and blue of quartz luminescence: A comparison of De values derived for sediments from Australia and Indonesia using thermoluminescence and optically stimulated luminescence emissions. ― Radiation Measurements 44, 462–466. https://doi.org/10.1016/j.radmeas.2009.06.001
WINTLE, A. & MURRAY, A.S. 2006: A review of quartz optically stimulated luminescence characteristics and their relevance in single-aliquot regeneration dating protocols. ― Radiation Measurements 41, 369–391. https://doi.org/10.1016/j.radmeas.2005.11.001
YANG, X.H. & MCKEEVER, S.W.S. 1990: Point defects and the pre-dose effect in quartz. ― Radiation Protection Dosimetry 33, 27–30. https://doi.org/10.1093/rpd/33.1-4.27
