ルミネッセンス年代測定

ルミネセンス年代測定法は、鉱物粒子が最後に日光や十分な熱にさらされてからどれくらい経ったかを判断する年代測定法のグループを指します。これは、そのような出来事がいつ起こったかを知りたい地質学者や考古学者にとって有用です。さまざまな方法を使用してルミネセンスを刺激し、測定します。

これには、光刺激発光(OSL)、赤外線刺激発光 (IRSL)、放射蛍光 (RF)、^{[1] [2] [3]、}赤外線光ルミネセンス (IR-PL) ^[4] 、熱ルミネセンス年代測定(TL) などの技術が含まれます。「光学年代測定」は通常、OSL と IRSL を指し、TL は指しません。ルミネセンス年代測定法の年代範囲は、数年^[5]から赤色 TL の 100 万年以上に及びます。^[6]

1960年代から1970年代にかけての初期のルミネセンスの応用以来、この分野は科学界でますます注目を集めており、2020年には年間3500件以上の論文が発表され、世界中で200以上の研究室がルミネセンスの研究を行っています。^[7]

すべての堆積物と土壌には、カリウム、ウラン、トリウム、ルビジウムなどの元素の放射性 同位体が微量含まれています。これらは時間の経過とともにゆっくりと崩壊し、それらが生成する電離放射線は、堆積物内の石英やカリ長石などの鉱物粒子に吸収されます。放射線により、構造的に不安定な「電子トラップ」内の粒子内に電荷が残ります。トラップされた電荷は、サンプルが埋められた場所の背景放射線の量によって決まる速度で、時間の経過とともに蓄積されます。光 (OSL の場合は青または緑、 IRSL の場合は赤外線) または熱 (TL の場合) を使用してこれらの鉱物粒子を刺激すると、蓄積された不安定な電子エネルギーが解放されて発光信号が発せられ、その強度は埋没中に吸収された放射線の量と鉱物の特定の特性によって異なります。

ほとんどのルミネッセンス年代測定法は、年代測定の対象となる出来事の時点で鉱物粒子が十分に「漂白」されていたという仮定に基づいています。たとえば、石英の場合、埋没前の 1 ～ 100 秒の範囲で日光に短時間さらすだけで、OSL 年代測定クロックを効果的に「リセット」できます。^{[8] [9]}これは通常、砂丘や黄土などの風成堆積物や、一部の水成堆積物に当てはまりますが、常に当てはまるとは限りません。単一の 石英OSL 年代は、通常 100 ～ 350,000 年前まで測定でき、適切な方法を使用し、適切なチェックが行われれば信頼性があります。 ^[10]長石の IRSL 技術では、長石の線量飽和レベルが石英よりも大幅に高いため、年代測定範囲を 100 万年まで拡張できる可能性がありますが、異常な退色に関する問題を最初に対処する必要があります。^[9]これらの範囲外の年代も得られるが、注意して扱う必要がある。OSL年代の不確実性は、通常、サンプルの年齢の5～10％である。^[11]

OSL 年代測定の最も一般的な方法は、いわゆる多重アリコート ドーズ (MAD) と単一アリコート再生ドーズ (SAR) ^[12]技術です。多重アリコート テストでは、多数の砂粒が同時に刺激され、結果として生じる発光特性が平均化されます。^[13]この技術の問題点は、平均化される個々の数値がオペレーターにわからないため、サンプルに部分的に漂白された粒子が含まれていると、誇張された年代が得られる可能性があることです。^[13]多重アリコート法とは対照的に、SAR 法では個々の砂粒の埋没年代をテストし、それをプロットします。混合堆積物を識別し、年代を決定する際に考慮することができます。^[13]

考古学の文脈でルミネッセンス年代測定を使用するという概念は、1953年にファリントン・ダニエルズ、チャールズ・A・ボイド、ドナルド・F・サンダースによって初めて提案されました。彼らは、陶器の破片の熱ルミネッセンス反応から、最後に加熱された時期を判断できると考えました。^[15]考古学的な陶器の実験的テストは、数年後の1960年にグログラーらによって行われました。^[16]その後数十年間、熱ルミネッセンスの研究は、加熱された陶器や陶磁器、焼かれたフリント、焼かれた炉床堆積物、焼けた塚の炉石、その他の加熱された物体に集中しました。^[11]

1963年、エイトケンらは方解石中のTLトラップは熱だけでなく日光によっても漂白されることを指摘し^[17]、1965年にはシェルコプリアスとモロゾフが初めてTLを使用して非加熱堆積物の年代測定を行いました^[18] 。 1970年代から80年代初頭にかけて、陸生および海洋起源の地質学的堆積物中の光感受性トラップのTL年代測定はより広く行われるようになりました^{[19] 。}

光刺激ルミネセンス（OSL）を用いた光学的年代測定は、1984年にデイビッド・J・ハントリーらによって開発されました。^[20]ハットらは、1988年にカリウム長石の赤外線刺激ルミネセンス（IRSL）年代測定の基礎を築きました。^[21]従来のOSL法は、光刺激と、あるトラップから格子内の他の場所にあるホールへの電子の移動に依存しており、必然的に2つの欠陥が近接している必要があるため、破壊的な手法です。特に長石の場合、近くの電子/ホールトラップセンターは局所的なトンネル効果の影響を受ける可能性があり、これは時間の経過とともに対象信号のいわゆる無熱減衰につながります。^{[22] [23] [24]}

1994年、光学的年代測定と熱ルミネッセンス年代測定の原理は、古代の記念碑や遺物の彫刻された岩石など、花崗岩、玄武岩、砂岩の表面にも適用されるようになりました。 古代建築物のルミネッセンス年代測定の創始者であるイオアニス・リリッツィスは、さまざまな記念碑のいくつかの事例でこれを実証しました。^{[25] [26] [27]}

ルミネッセンス年代測定法は、以下のようにして年代を計算するいくつかの技術のうちの1つである。^[25]

${\displaystyle A={\frac {D_{e}}{\dot {D}}}}$

ここで、Aは年齢（通常は年または千年（ka、ky、kyr）で表されます）、等価線量は Gy（グレイ）で表され、環境線量率は Gy ka ^-1で表されます。 ${\displaystyle D_{e}}$${\displaystyle {\dot {D}}}$

環境線量率は、サンプル内およびその周囲の放射性核種（⁴⁰ K、²³⁸ U、²³⁵ U、²³² Th、および⁸⁷ Rb）の測定値と宇宙線からの放射線量率からの変換係数^{[28] [} 29]を使用して計算されます。^[30]線量率は通常、1000年あたり0.5〜5 Gyの範囲です。吸収された放射線の総量は、サンプルから抽出された特定の鉱物（通常は石英またはカリ長石）を光で励起し、その結果放出された光の量を測定することで決定されます。通常の光ルミネセンスの測定を避けるために、放出された光子は励起光子よりも高いエネルギーを持っている必要があります。鉱物粒子がすべて十分な日光（石英の場合は数秒、カリ長石の場合は数百秒）にさらされたサンプルはゼロ年齢であると言うことができます。サンプルが古ければ古いほど、飽和限界までより多くの光を放出します。

測定対象となる天然鉱物は、通常、石英またはカリ長石の砂粒、または分離されていないシルト粒です。それぞれに利点と欠点があります。石英の場合、通常は青または緑の励起波長が使用され、近紫外線の放射が測定されます (反ストークス シフト)。カリ長石またはシルト粒の場合、通常は近赤外線励起 (IRSL) が使用され、紫/青の放射が測定されます。

¹⁴ C年代測定とは異なり、ルミネセンス年代測定法では、年代測定する堆積物の同時代の有機成分は不要です。必要なのは、年代測定の対象となるイベント中に完全に漂白された石英、カリ長石、またはその他の特定の鉱物粒子だけです。これらの方法は、問題の堆積物に「古い炭素」が混ざっている場合や、¹⁴
大気と同じ同位体比ではない炭素欠乏症。モンゴル南部のウラン湖の乾燥地帯の湖沼堆積物の年代学に関する研究で、Leeらは、いくつかのサンプルではOSLと放射性炭素年代が一致しているが、他のサンプルでは放射性炭素年代が最大5800年古いことを発見した。^[31]

年代が一致しない堆積物は風成作用によって堆積したものと判定された。西風が流入し、¹⁴
隣接する土壌や古生代の炭酸塩岩から炭素欠乏炭素が除去され、現在もそのプロセスが続いています。この再加工された炭素は測定された同位体比を変え、誤った古い年代を与えました。しかし、これらの堆積物は風で運ばれたため、輸送中および埋葬中にほとんどの粒子が日光にさらされて完全に漂白されているため、OSL 年代測定には理想的でした。Lee らは、特に乾燥環境の湖沼で風による堆積物の輸送が疑われる場合、一般的な「古い炭素」エラーの問題を排除できるため、OSL 年代測定法は放射性炭素年代測定法よりも優れていると結論付けました。^[31]

ルミネッセンス年代測定法の利点の一つは、遺物の真正性を確認できることである。適切な低光条件下では、数十ミリグラムのサンプルを使用することができる。^[32]

• 線量測定

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