ルミネッセンス年代測定

発光年代測定法とは、鉱物粒子が最後に日光や十分な熱にさらされた時期を特定する年代測定法の総称です。地質学者や考古学者にとって、そのような出来事がいつ起こったのかを知る上で有用な方法です。発光を誘発・測定するために様々な手法が用いられます。

これには、光刺激ルミネセンス(OSL)、赤外線刺激ルミネセンス (IRSL)、ラジオ蛍光 (RF) ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}、赤外線フォトルミネセンス (IR-PL) ^{[ 4 ]} 、および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 を指しますが、TL は含まれません。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^{[ 6 ]まで及びます。}

1960年代/​​1970年代にルミネッセンス年代測定法が初めて応用されて以来、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、世界中に200以上の研究室が存在する。^{[ 7 ]}

地中に埋まっている鉱物（例えば石英やカリ長石など）の周囲に存在する背景電離放射線によって、鉱物内部に電荷が蓄積されます。この自然放射線の発生源は、宇宙線や、カリウム、ウラン、トリウム、ルビジウムなどの元素の微量の放射性同位体です。

捕捉された電荷は、その場所の背景放射線量によって決まる速度で時間とともに蓄積されます。光にさらされると電荷は急速に減衰して光を発しますが、これらの鉱物粒子が光（OSLの場合は青色または緑色、 IRSLの場合は赤外線）または熱（TLの場合）で刺激されると、蓄積された電子エネルギーが放出される際に発光信号が放出されます。その強度は、埋没期間（したがって吸収された放射線量）と鉱物の特定の特性によって変化します。

ほとんどのルミネッセンス年代測定法は、鉱物粒子が年代測定対象の出来事の時点で十分に光にさらされていた、つまり「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、埋没前に 1〜100 秒の短い日光照射で OSL 年代測定の時計を効果的に「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、一部の水成堆積物の場合ですが、常にそうとは限りません。単一の 石英OSL 年代は通常 100 〜 350,000 年 BP まで決定でき、適切な方法を使用し、適切なチェックが行われれば信頼できます。^{[ 10 ]}長石 IRSL 技術は、長石は通常、石英よりも線量飽和レベルがかなり高いため、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、異常退色に関する問題に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、それらは慎重に扱うべきである。OSL年代の不確実性は、通常、試料の年代の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線量（MAD）法と単一アリコート再生線量（SAR）法^{[ 12 ]}です。多重アリコート試験では、複数の砂粒を同時に刺激し、得られた発光シグネチャを平均します。^{[ 13 ]}この方法の問題点は、オペレーターが平均化される個々の数値を知らないため、サンプルに部分的に前漂白された砂粒があると、年代が過大評価さ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に入れることができます。^{[ 13 ]}

考古学的文脈でルミネッセンス年代測定法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によって最後の加熱の年代を特定できると考えました。^{[ 15 ]}数年後の1960年には、グログラーらによって考古学的陶器に対する実験的テストが行​​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、加熱された陶器やセラミック、焼けたフリント、焼かれた炉の堆積物、焼けた塚からのオーブン石、その他の加熱された物体に焦点を当てていました。^{[ 11 ]}

1963年、Aitkenらは方解石中のTLトラップが日光と熱によって漂白されることを指摘し^{[ 17 ]}、1965年にはShelkoplyasとMorozovがTLを用いて加熱していない堆積物の年代測定を初めて行った^{[ 18 ]} 。 70年代から80年代初頭にかけて、陸上および海洋起源の地質堆積物中の光感受性トラップのTL年代測定がより広く普及した^{[ 19 ] 。}

光刺激ルミネッセンス (OSL) を用いた光学年代測定法は、1984 年に David J. Huntley と同僚によって開発されました。^{[ 20 ]} Hütt らは、1988 年にカリウム長石の赤外線刺激ルミネッセンス (IRSL) 年代測定法の基礎を築きました。^{[ 21 ]}従来の OSL 法は、光刺激と電子のトラップから格子内の別の場所にある正孔へ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り、そのため破壊的な手法です。特に長石では、近接する電子/正孔トラップ中心は局所的なトンネル効果を受ける可能性があり、その結果、時間の経過に伴う目的信号のいわゆる非熱的減衰が生じます。^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}

1994年、光学年代測定法と熱ルミネッセンス年代測定法の原理は、古代の記念碑や遺物から彫られた岩など、花崗岩、玄武岩、砂岩でできた表面にも適用されるように拡張されました。 古代建築物のルミネッセンス年代測定法の創始者であるイオアニス・リリツィスは、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、年代を次のように計算するいくつかの手法の1つです。^{[ 25 ]}

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

ここでAは年齢であり、通常は年または千年（ka、ky、kyr）で表されます。${\displaystyle D_{e}}$等価線量（Gy（グレイ））および${\displaystyle {\dot {D}}}$Gy ka ⁻¹は環境線量率です。

環境線量率は、試料とその周囲の放射性核種（⁴⁰ K、²³⁸ U、²³⁵ U、²³² Th、⁸⁷ Rb）の測定値と宇宙線からの放射線量率^{[ 30 ]}からの変換係数^{[ 28 ] [ 29 ]}を使用して計算されます。線量率は通常、0.5～5 Gy /1000年の範囲です。吸収された総放射線量は、試料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、その結果として放出される光の量を測定することによって決定されます。通常のフォトルミネッセンスの測定を避けるために、放出される光子のエネルギーは励起光子よりも高くなければなりません。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）にさらされた試料は、年齢がゼロであると言えます。励起されても、そのような光子は放出されません。試料が古くなるほど、飽和限界まではより多くの光を放出する。

測定対象となる天然鉱物は、通常、砂粒サイズの石英またはカリ長石、あるいは分離されていないシルトサイズの粒子です。それぞれに利点と欠点があります。石英の場合、通常は青色または緑色の励起波長が使用され、近紫外発光が測定されます（反ストークスシフト）。カリ長石またはシルトサイズの粒子の場合、通常は近赤外線励起（IRSL）が使用され、紫色/青色発光が測定されます。

^14C年代測定とは異なり、ルミネッセンス年代測定法では、年代測定対象の堆積物に同時代の有機成分は必要ありません。必要なのは、年代測定対象の出来事の際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。また、これらの方法は、問題の堆積物が「古い炭素」や^{14Cと混ざっている場合でも、年代を過大評価することはありません。}大気と同じ同位体比ではないC欠乏炭素。Leeらは、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測定に関する研究で、OSL年代と放射性炭素年代が一部のサンプルでは一致したが、他のサンプルでは放射性炭素年代が最大5800年も古いことを発見した。^{[ 31 ]}

年代が異なる堆積物は、風成作用によって堆積したと判断された。西風が^{14の流入をもたらした。}隣接する土壌や古生代の炭酸塩岩から炭素が不足している。このプロセスは今日でも活発である。この再加工された炭素によって測定された同位体比が変化し、実際よりも古い年代が示される。しかし、これらの堆積物の風成起源はOSL年代測定に理想的であり、ほとんどの粒子は輸送と埋没中に日光にさらされて完全に漂白されているはずである。Leeらは、特に乾燥環境の湖で風成堆積物の輸送が疑われる場合、OSL年代測定法は一般的な「古い炭素」エラーの問題を排除するため、放射性炭素年代測定法よりも優れていると結論付けた。^{[ 31 ]}

ルミネッセンス年代測定法の利点の1つは、遺物の真正性を確認するために使用できることです。適切な低照度条件下では、数十ミリグラムのサンプルを使用できます。^{[ 32 ]}

• 線量測定

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