德国美嘉特电子顺磁共振波谱仪（EPR/ESR）地质测年应用

电子顺磁共振EPR又叫做电子顺磁共振ESR。它是一种微波吸收光谱技术，用来检测和研究含有未成对电子的顺磁性物质，是近四十年来用于限定断裂形成与活动的一种物理测年手段。

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1975年，Ikeya利用电子顺磁共振测年法EPR/ESR报道了日本秋芳洞碳酸盐结果，这也是电子顺磁共振EPR/ESR测年法被首次应用于地球科学。1976 年Zeller等人首次将该技术用于地质样品的断代，我国EPR/ESR测年工作开始于1984年，目前国内已经有多个科研小组或实验室开展这方面的测试及研究工作，已用EPR/ESR法测定了金牛山、郧县、南京汤山、巫山、泥河湾等古人类与旧时期地点的年代。金牛山人的测年结果表明中国的早期智人时代并不比非洲和西亚的早期智人晚，有力地支持了现代人类进化的多地区连续假说。
　　实践结果表明，使用EPR/ESR方法获得的构造年龄对印支运动以来的构造活动具有较高可信度。EPR/ESR方法的测试对象主要是形成在断裂中、代表一定构造活动期次的石英脉，主要利用石英吸收的累积电子辐射量（如γ、β和α射线）及在矿物内部形成的顺磁中心浓度来计算石英脉的结晶年龄。 

　　EPR/ESR是一种物理现象，它是电子自旋能级在外磁场的作用下发生塞曼分裂，同时在外加微波能量的激发下电子从低能级向高能级跃迁的共振现象。
　　EPR/ESR对测试的样品处理没有十分严格的要求，测试时只需将样品放在谐振腔内。电子自旋共振EPR/ESR波谱仪包括四个部分：微波源系统、谐振腔系统、检测系统和磁铁系统。操作时，将各个系统调谐匹配，由速调管产生的微波沿波导分别通过隔离器、衰减器，经油墨下传到样品上，经谐振腔将速调管产生的微波功率放大。接着经检波器的微波能量转换，再由直接放大器放大输送到示波器或驱动x-y记录仪，画EPR信号强度对磁场强度的一次微分曲线。磁铁系统主要是保持谐振腔的区域绝对均匀和稳定。
　　样品每年吸收的放射剂量(即年平均剂量率)可以通过在采样处埋设剂量计或分析样品及周围环境所含U、Th、K 等微量放射性元素的含量进行计算而获得，一般采用后一种方法。

　　构成物质的分子是由原子组成的，而原子则是由带正电荷的原子核及绕核旋转的电子所组成。电子是一个带负电荷的球体，它在绕核旋转的同时也做自旋运动，这就是所谓的电子自旋EPR/ESR现象。电子自旋在电子四周产生一个环形电流，根据法拉第定律，在电子附近形成弱磁场，它相当于一个很小的磁铁。石英颗粒的硅氧四面体结构在γ、β、α射线击打下能形成一些+ 2价的氧空位。由于岩石中存在大量自由电子，一个氧空位可以捕获一个自由电子，产生一个顺磁中心( E′心)。石英脉年龄越古老，岩石中放射性越强，则顺磁中心浓度也越高。根据已建立的年龄和顺磁中心浓度及岩石放射同位素含量的实验关系可确定出石英脉的结晶年龄。

EPR/ESR测年法的基本原理就是利用子自旋共振EPR/ESR的方法直接测定样品自形成以来由于辐射损伤所产生的顺磁中心的数目（即所接受的放射性射线辐照和本身的累积效应）。天然放射性主要来自u.Th衰变链中的核素和40K的衰变。在EPR测年法中，被测样品实际是一剂量计。用公式表示为P=DA=D（t）dt，其中P为样品古剂量（自样品形成后累积的辐射年剂量），也就是累积剂量DA， A是样品年龄，D是样品的年剂量（样品每年接受的天然辐射剂量率），D随时间而变化，D=D（t）。 

EPR/ESR与其他测年法相比，其优点显而易见。①测年范围广，从几千年到几百万年，几乎覆盖了整个第四纪地质年代；但主要用于几十万年的范围。②测定对象广泛，洞穴的碳酸盐沉积物、软体动物贝壳、珊瑚、古脊椎动物和古人类骨骼、牙齿、牙釉质等都可认为测试样品。③测试条件简单，测试信号受周围环境影响小，而且样品可反复使用。④是一种非破坏性的分析方法，对样品不存在损伤可重复检测实验样品。

1.牙釉质电子顺磁共振测量：

牙釉质剂量测试图

2.古人类牙齿、牙釉质年代测定：

实验研究结果表表明，早在7.3万至6.3万年前，苏门答腊岛就出现了现代人。

3.Al心和Ti心EPR/ESR测试波谱图：

4.自然信号EPR/ESR测试波谱图

5.辐照后Al心信号EPR/ESR波谱图

6.EPR/ESR定年-辐照装置——台式辐照装置使用简单，方便便捷。

7.EPR/ESR自动进样单元

全自动批量辐照与检测、方便、快捷

8.EPR/ESR低温顺磁共振系统

100 K以下可重复分析(稳定性较好±0.25 K，可控温度范围： 93K-473 K)

安全的样品处理与定制的玻璃器皿

通过校准曲线函数进行简单的评估　

EPR/ESR常用的测试物质有第四纪贝壳、珊瑚，孔虫，动物和人类的骨骼、牙齿、牙釉质，土壤中的石英与长石颗粒，石灰岩卡斯特溶洞中的钟乳石、石笋、泉华，火山岩中的斜长石、锆石等。测定结果对第四纪古生物和人类的发展历史年代、第四纪地层划分和对比、古海面的升降过程、大型工程的地基稳定性评估、火山和地震活动的预测以及第四纪环境变迁的研究均具有重要的意义。　　

EPR/ESR在地质学研究中的应用主要有以下三个方面：

1．EPR/ESR测年：EPR/ESR测年是一项极有潜力的测年新技术，其应用前景还是为中外学者所看好。

2．EPR/ESR在矿物学中的应用(1) 矿物的类质同象置换。(2)测定场参数和局部对称性。(3) 矿物的染色机理与宝石矿物的研究。(4)在金矿评价中的应用。(5)探讨矿物中的化学键性质。(6)有序和无序。杂质阳离子的有序和无序。是通过EPR/ESR谱测定不同结构位置上阳离子分布情况来确定的(蔡秀成，1985)

3．EPR/ESR在地质地球化学中的应用。除了地质方面，EPR/ESR在多领域有巨大前景，用于测定陶瓷、陶器的年代，用来确定一个地点的年代或年代；用于测定砖的年代，以提供详细的了解建筑历史；用于确定陶瓷制品、陶器或雕像真伪的年代测定法；生命形式研究：牙齿、牙釉质、贝壳和骨骼。　

参考文献

[1] Rainer Grün,尹功明.电子自旋共振测年的前景和问题[J].地震地质译丛,1994,16(04):8-19.

[2] Westaway K E , Louys J , Awe R D , et al. An early modern human presence in Sumatra 73,000–63,000 years ago[J]. Nature, 2017, 548(7667).

[3] Single aliquot regenerative dose method for ESR dating using X-ray irradiation and preheat[J]. Radiation Measurements, 2015, 81:S1350448715000268.

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