电子自旋共振——ESR测年技术

电子自旋共振（点击了解详情）（Electron Spin Resonance，简称ESR）也称电子顺磁共振（Electron Paramagnetic Resonance，简称EPR），是检测和研究含有未成对电子的顺磁性物质的一种波谱学技术。

电子自旋共振研究的对象是具有未偶电子的物质，如具有奇数个电子的原子、分子以及内电子壳层未被充满的离子，受辐射作用产生的自由基及半导体、金属等。电子自旋共振通过对共振谱线的研究，可以获得有关分子、原子及离子中未偶电子的状态及其周围环境方面的信息，从而得到有关物质结构和化学键的信息，因此电子自旋共振最早主要应用于物理学、化学、生物学等领域。

1944年，电子自旋共振首先是由前苏联物理学家扎沃伊斯基从MnCl₂、CuCl₂等顺磁性盐类中发现的。1961年，Duchensne等首次报道了利用ESR方法测定碳质岩层年龄的结果。1967年，Zeller等利用ESR方法测量了大约20种矿物，并提出这种方法可以作为一种测年方法应用于地质学研究。McMorris进一步研究了用电子自旋共振ESR方法测定天然化石和石英的可能性。但是，由于所有研究结果都缺乏明确的地质意义，因此未能使该方法得到广泛的发展和应用。直到1975年，Ikeya在Nature上发表了对日本Aliyoshi洞次生碳酸盐进行的ESR测年结果，这是电子自旋共振ESR测年的首次应用成功范例，也是首次被用于地球科学。随后，这种方法才逐步地应用于地质学、地貌学以及考古学等各个领域中不同材料的年代测定。在80年代取得了迅速的发展。

电子自旋共振ESR测年的基本原理在于利用ESR方法直接测定样品的信号强度，该强度表征了样品在自然环境中由于电离辐射损伤所产生的顺磁中心的数目。由于顺磁中心的数目正比于辐射场的强度（即年剂量D）和辐照的时间（即样品的年龄A），亦即正比于样品所接受的天然辐射总剂量（即古剂量P，亦称累积剂量AD、总剂量TD、等效剂量ED），因此电子自旋共振只要测定了样品的ESR信号强度，就可以确定样品的古剂量。然后根据样品所处环境的平均年剂量，可进一步确定样品的地质年龄。

电子自旋共振ESR常用的测试物质有第四纪贝壳、珊瑚，有孔虫，动物和人类的骨骼、牙齿，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，适用范围比较广泛；电子自旋共振ESR测年范围宽，可达10³~10⁶年，基本覆盖了整个第四纪地质年代范围；电子自旋共振ESR方法是一种非破坏性分析方法，样品可以反复测量，并且用量少；制样简单，便于批量测试；电子自旋共振ESR测量信号稳定，受周围环境影响较小。

目前，对于距今20万年以来的沉积物，主要是采用¹⁴C和释光测年法；对于老于20万年的沉积物，主要采用电子自旋共振ESR和宇宙成因核素法来获取其埋藏年龄。ESR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。

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