电子自旋共振测年法(ESR)简述

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2024年6月29日发(作者：)

电子自旋共振测年法(ESR)简述

电子自旋共振（Electron Spin Resonance，简称ESR），又叫电子顺磁共振

（Electron Paramagnetie Resonance，简 EPR）。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，是近三十年来用于限定断裂形成与

活动的一种物理测年手段。我国ESR 测年工作开始于1984年, 目前有10多个

科研小组或实验室开展这方面的测试及研究工作。

实践结果表明，使用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。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。

一、ESR测年及其主要特点：

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。

1976 年Zeller等人首次将该技术用于地质样品的断代，1975年池谷元伺

（Ikeya）用它来测定Akiyoshi洞穴中堆积物的年龄。在中国，已用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。

ESR对样品的要求不十分严格。测试时将样品放在谐振腔内。电子自旋共振

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ESR

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（如附图1）。

二、ESR测年原理

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2

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。

ESR测年法的基本原理就是利用子自旋共振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衰变链中的核素和40K的衰变。在ESR

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）。

三、ESR测年的优点：

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。

四、ESR测年现状及应用

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。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。

ESR在地学研究中的应用主要有以下三个方面：1．ESR测年：ESR测年是

一项极有潜力的测年新技术， 在国内外发展十分迅速． 尽管目前ESR测年的

一些基础问题还投有完全解决， 影响的因素也较多， 测年的精度还不很高， 但

其应用前景还是为中外学者所看好． 有关ESR 测年方面的文献已有很多， 不

再赘述;2．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

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．ESR

在地质地球化学中的应用。

ESR测年目前缺乏深入系统的研究，而且主要用于地质方面，还有许多需要

完善的地方。它依赖于铀的加入模式，样品含铀量、α辐照有效系数等一系列因

素，尚需进一步研究。特别是对于接近或早于100万年的样品，样品埋藏期间

ESR信号的衰退可能会导致ESR年龄偏低。中国科学院动物研究所昆虫分类实

验室陈铁梅等专家指出，对于老样品，在未做衰退校正前，早期铀加入ESR模

式年龄只能看成是真实年龄的上限。ESR和古地磁结合，有时可得出较可靠的年

龄值；ESR与铀系测年可互补互检。

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