A TERMOL UMINE SZCENCIA JELENSÉGÉNE К FÖLDTANI ALKALMAZÁSA* DR.
KÊIÎSZERFALVI
JÁNOS'*-DR.
K A S Z A P (6
ANDRÁS*** —DR.
MUCSI
OTTÓ****
ábrával)
Összsfoglalia: A szerzők a termolumineszcencia jelenségének r ö v i d elméleti értel mezése után a jelenség földtani alkalmazásával kapcsolatos lehetőségeket ismertetik. E z e k k ö z ö t t b e s z á m o l n a k a l á b a t l a n i és t a t a i k l a s s z i k u s s z e l v é n y e k e n v é g z e t t saját m é r é s e i k r ő l is, a m i k e t r é t e g t a n i a z o n o s í t á s o k c é l j a i r a k í v á n n a k k i d o l g o z n i . A l e í r t m é r é s e k a z t m u t a t ják, h o g y az egyes rétegek melegítési görbéi (az intenzitásviszonyokat nem tekintve) közel a z o n o s lefutásúak, a z a z a m e l e g í t é s i g ö r b é k a m i n t a v é t e l h e l y é r e j e l l e m z ő k . I s m e r t e t i k t o v á b b á a m é r é s c é l j a i r a k é s z ü l t m ű s z e r e s b e r e n d e z é s t . A m e l e g í t é s sebessége r,3 C°/sec, ill. i o C°/sec v o l t a k ü l ö n b ö z ő melegítési görbék vételénél.
Bevezetés Régóta ismeretes, hogy sok ásvány melegítés hatására látható fényt bocsát ki. Ezt a jelenséget termolumineszcenciának nevezzük. A kék gyémánt termolumineszcencia ját elsőnek В о у 1 e (1663) észlelte, azonban e jelenség csak ásványtani érdekesség maradt. Sok szerző számolt be különböző ásványok termolumineszcenciájának vizuális észleléséről. A jelenség pontos, kvantitative is kö vethető megfigyelése főleg csak az utolsó 50 évben, a mérőeszközök technikai tökélete sedése után vált lehetségessé. Az 1930— 1940-es években E i s w o r t h , K o h l e r , valamint A l t és S t e i n m e t z arra a következtetésre jutottak, hogy az ásványok természetes termolurrúneszcenciáját a hozzájuk társult radioaktív anyagok okozzák. Utóbbiak azt is megfigyelték, hogy a kristályok szennyezettsége meghatározó tényező a termolumineszcencia karak terét illetően. Több ezer ásvány vizuális vizsgálata mutatja, hogy az ásványok 75%-a melegí tés hatására fényt bocsát ki. Az észleléseknél a mintát vörös izzás alatti hőmérsékletre hevített fémlapra helyezték. A különböző ásványok termoluniineszcenciája azok kris tályos szerkezetén alapul. A kalcit és magnezit pl. a sárgától a narancsig, a nátrium- és káliumtartalmú földpátok pedig kék fénnyel világítanak. A metamikt-ásványok általá ban nem termolumineszcens sajátságúak. Az eddigiekből következően a mészkő és a dolomit általában termolumineszcens jelenséget idézhet elő. A termolumineszcencia jelensége a szilárdtestfizika elmélete alapján vázlatosan a következő módon értelmezhető.
* E l h a n g z o t t a M a g y a r h o n i F ö l d t a n i T á r s u l a t 1964. I . 8-i e l ő a d ó ü l é s é n . K é z i r a t l e z á r v a Г964. V I I . 1. * * K o s s u t h lyajos T u d o m á n y e g y e t e m A l k . F i z i k a i I n t é z e t e , D e b r e c e n . * * * E ö t v ö s I
Fé.lszerfavi
— К a s z a p — M и с s i :
A termolumineszcencia
453
A szilárd test elektronjai normális alapállapotukban az ún. vegyértéksávban helyezkednek el (i. ábra). A környezet radioaktív sugárzásának hatására az elektronok energiája megnő és magasabb energiatartalmuk következtében az ún. vezetési s á v b a kerülhetnek, ahonnan a gerjesztés megszűnte után alapállapotukba, a vegyértéksávba jutnak vissza. A kristályban jelenlevő vagy a sugárzás hatására létrejött rácshibák, a bevitt idegen anyagok (aktivátorok) vagy jelenlevő szennyezések az elektronokat be foghatják. A z elektronok lekötése közben különböző ún. gócok jönnek létre (legjelentő-
Abb.
i.
I. ábra. S z i l á r d t e s t e g y s z e r ű s í t e t t e n e r g i a n í v ó s z k é m á j a V e r e i n f a c h t e s S c h e m a des E n e r g i e n i v e a u s eines festen K ö r p e r s
sebb az ún. F góc), amik változásokat idéznek elő a besugárzott szilárd test optikai tulaj donságaiban. E z a változás különböző módon nyilvánulhat meg. Eredményezhet többek között olyan esetben is lumineszcenciát, amikor a besugárzatlan anyag egyébként nem lumineszkál. A későbbiekben részletezett vizsgálati mészkőminták esetében pl. a minta első felmelegítésekor észleljük annak természetes termolumineszcenciáját. Ugyanezt a mintát ismételten melegítve, lumineszcencia-jelenséget nem tapasztalunk, csak a mele gítést megelőző besugárzás után, amikor is a besugárzott anyagban a befogott elektro nok lumineszcens fény kibocsátása közben térnek vissza alapállapotukba. A besugárzás hatására létrejövő különféle gócok egy része szobahőmérsékleten és világításban stabilis. A különböző anyagok termolurnineszcens tulajdonságainak vizsgálatánál jelen tős szerepe v a n a minta „melegítési görbe" (glow curve) felvételének. A minta melegí tésekor a hőmérséklet függvényében felvett relatív fényintenzitás-változás jellemző a mintára ( 2 . ábra). A melegítési görbék egy vagy több maximummal rendelkeznek és ezek intenzitása, valamint az intenzitásmaximumokhoz rendelhető hőmérséklet igen különböző lehet. A földkéreg kőzetei a természetes radioaktív és a kozmikus sugárzás hatásának évmilliókon á t ki vannak téve és így anyaguktól, valamint a ráható sugárzás mennyisé gétől és minőségétől függően természetes termolurnineszcens tulajdonságokat mutatnak. A kőzet első felmelegítésekor az előbb említett sugárhatások következtében betöltött elektroncsapdák kiürülnek, és a minta ún. természetes termolumineszcenciáját mutató melegítési görbéjét regisztrálhatjuk ( 2 . ábra). A természetes termolumineszcencia egy adott minta esetében csak egyszer, az első felmelegítés alkalmával jelentkezik, tehát egyazon mintánál a jelenség nem ismétlődik. Mesterséges besugárzás hatására a minta ismét aktiválható (mesterséges termolumineszcencia) és ily módon többszörösen fel használható a melegítési görbék felvételére. A természetes termoluniineszcencia jelen-
454
Földtani
Közlöny,
XCIV.
kötet,
4.
füzet
ségét vizsgálva a melegítési görbéken a kb. 100—120 °C hőmérséklet alatt kiürülő hiba helyekről származó maximumokat nem tapasztaljuk, mert ezek a kőzet keletkezése óta eltelt földtani idők alatt, a besugárzással közel párhuzamosan kiürülnek, ill. e maxi mumok intenzitása a m a g a s a b b hőmérsékletű helyek intenzitásához viszonyítva igen kicsi. Radioaktív besugárzás hatására azonban ezek újra telitődnek, és a melegítési gör bék már tartalmazzák ezeket az alacsonyabb hőmérséklethez tartozó intenzitásmaxi mumokat is. A mesterségesen besugárzott minták legtöbbjénél a kisebb hőmérsékleten
г. ábra. a) T e r m é s z e t e s C a F : M n m e l e g í t é s i g ö r b é j e ; b) C a C 0 m e l e g í t é s i g ö r b é j e . F o l y t o n o s v o n a l l a l j e l ö l v e a m i n t a t e r m é s z e t e s t e r m o l u m i n e s z c e n e i á j á t m u t a t ó g ö r b e ; s z a g g a t o t t v o n a l l a l j e l ö l v e az első f e l m e l e g í t é s u t á n r a d i o a k t í v s u g á r z á s hatására m e g j e l e n ő a l a c s o n y a b b h ő m é r s é k l e t é r t é k n é l f e k v ő csúcs Abb. 2. a) E r w ä r m u n g s k u r v e des natürlichen C a F : M n . b) E r w ä r m u n g s k u r v e des C a C 0 . D i e K u r v e , w e l c h e d i e n a t ü r l i c h e T h e r m o l u m i n e s z e n z d e r P r o b e z e i g t , w i r d d u r c h eine k o n t i n u i e r l i c h e I , i n i e d a r g e s t e l l t ; d i e n a c h der ersten E r w ä r m u n g , i n f o l g e r a d i o a k t i v e r S t r a h l u n g bei e i n e m n i e d r i g e n T e m p e r a t u r w e r t l i e g e n d e S p i t z e ist g e s t r i c h e l t g e z e i c h n e t a
3
3
3
levő csúcsokat adó befogóhelyek szobahőmérsékleten néhány nap alatt kiürülnek; ezt a jelenséget a szakirodalom ,,fading"-nek nevezi. A melegítési görbék előbb említett tulajdonságai a 1. minta anyagától, az abban levő szennyezések mennyiségétől és minőségétől, 2. minta termikus és kristályosodási történetétől, 3. minta radioaktív sugárérzékenységétől (termolumineszcens érzékenység) füg genek. A felsorolt tulajdonságok a módszer alkalmazását illetően nagyfokú óvatosságra és körültekintésre intenek. A módszernek azonban számos előnyös tulajdonsága van, és ezért különösen olyan területeken alkalmazható, ahol a gyors, tájékozódó mérés igénye merül fel és annak érdekében nem igényeljük pl. az abszolút földtani kormeghatározás igen munkaigényes, tömegspektrométeres méréseinek nagyobb pontosságát. A regisztrált melegítési görbékből többirányú következtetések vonhatók le. Több hőmérsékleti m a x i m u m esetén a különböző rétegekből vett minták az egyes hőmérsék leti értékekhez tartozó maximumokat különböző intenzitással tartalmazzák, célszerű tehát a jó összehasonlíthatóság érdekében az egyik hőmérsékleti maximumhcz tartozó intenzitást 100%-nak venni és így a görbe alakja az adott rétegre jellemző. A fényintenzitás-maximumokhoz tartozó hőmérsékleti értékek elsősorban a minta anyagára jellemzők (2. ábra), különböző ásványok esetében tehát m á s és m á s hőmérsék leti értéknél jelentkeznek. Földtani kormeghatározásnál a nagyobb hőmérsékletnél elhelyezkedő intenzitásm a x i m u m mérésével — a minta radioaktív anyagtartalmának mérése és a hitelesítési görbe felvétele után — következtethetünk a minta korára. Alkalmazható a módszer egymástól távoleső szelvények párhuzamosítására, vala mint nagyvastagságú, egyveretű összletekben való függőleges tájékozódás céljaira. Fon-
Félszerfalvi
— К a s г a p — M и с s i :
A
termolumineszcencia
45S
tos alkalmazási területe lehet a fentebb említett földtani kormeghatározás, különösen olyan esetekben, amikor vulkáni eredetű kőzetekben, v a g y hidrotermális ásványcsopor tosulásoknál kívánunk valamely ásvány, v a g y kőzet termikus és kristályosodási törté netére vonatkozó adatokhoz jutni és amelyre a tömegspektrométeres abszolút föld tani kormeghatározási módszerek nem igen alkalmasak. Á mérőberendezés leírása A termolurnineszcens fény intenzitását mérő berendezés — amely a debreceni K o s s u t h L a j o s Tudományegyetem Alkalmazott Fizikai Intézetében korábban kidolgo zott kiértékelő berendezés módosított formája — vázlatosan a 3. ábrán látható. A min tát (2) fűtött lapon helyeztük el, a fűtőtestre kapcsolt feszültséget toroidtranszformátor
3. ábra. A m é r ő b e r e n d e z é s v á z l a t a . 1. F ű t ő t e s t , s z a b á l y o z ó t r a n s z f o r m á t o r r a l , 2. M i n t a , 3. F o t o e l e k t r o n s o k s z o r o z ó cső, 4- Magasfeszültségű t á p e g y s é g , 5. É r z é k e n y s é g e t s z a b á l y o z ó rész, 6. R e g i s z t r á l ó m ű s z e r Abb. 3. S c h e m a der Messanlage. 1. H e i z k ö r p e r m i t R e g u l i e r t r a n s f o r m a t o r , 2. P r o b e , 3. P h o t o e l e k t r o n e n t v e r v i e l f a c h e r , 4. H o c h s p a n n u n g s - S p e i s e g e r ä t , .5. F m p f m d l i c h k e i t s - R e g u l i e r u n g s e i n h e i t , 6. R e g i s t r i e r g e r ä -
(1) segítségével változtatni tudtuk. A melegítés sebessége 1,3 °C/sec, ill. 10 °C/sec volt. A mintát fénytől elzárva helyeztük el a melegítésre szolgáló felületen egy FETJ 35 típusú elektronsokszorozó cső (3) fotokatódja előtt. A fotoelektronsokszorozó cső működéséhez szükséges magasfeszültséget (4) 0,5%-ra stabilizáltuk. A berendezés érzékenysége a foto elektronsokszorozó cső anódkörében elhelyezett munkaellenállások (5) segítségével volt változtatható. A melegítési görbéket elektronikus kompenzográffal (6) regisztráltuk. Tájékozódó jellegű méréseinknél szabványosított 20 m m átmérőjű és 2 m m vas t a g s á g ú mintákat használtunk, amelyeket a kőzetcsiszolás szokásos módszereivel készí tettünk elő. Mérési
eredmények
Tájékozódó méréseket végeztünk a tatai és a lábatlani triász-jura szelvény néhány rétegének mintáján. A 4. ábrán a b) görbe a dachsteini mészkő legfelső megaloduszos mészkőpadjának természetes termolumineszcenciáját m u t a t j a be, az a) görbe a dach steini mészkő legfelső, az alsóliász mészkővel érintkező részéből készült minta hasonló adata. Ab) ábrán szaggatott vonallal jelöltük az ugyanarról a helyről származó másik m i n t a melegítési görbéjét, nagyobb elektronikus erősítés mellett. Az 5. ábrán az előbbi rétegekre települő alsóliász mészkő természetes termolumi neszcencia j ára vonatkozó méréseket m u t a t j u k be. Ab) görbe a 4. ábra a) görbéjén fel tüntetett dachsteini mészkőrétegen települő alsóliász mészkőösszlet legalsó rétegének aljáról származó minta, az a) görbe az előbbinél mintegy 70 cm-rel m a g a s a b b helyzetű alsóliász mészkőminta melegítési görbéit m u t a t j a be. A t a t a i szelvény (Kálváriadomb) kőzetmintáinak természetes termoluminesz cenciáját feltüntető 4. és 5. ábrák világosan mutatják, hogy az egyes rétegek melegítési
456
Földtani
Közlöny,
XCIV.
kötet, 4.
füzet
4. ábra. F e l s ő t r i á s z m é s z k ő m i n t á k m e l e g í t é s i g ö r b é i . T a t a , K á l v á r i a d o m b . a) a dachsteini m é s z k ő legfelső a z alsóliász m é s z k ő v e l é r i n t k e z ő r é s z é b ő l v e t t m i n t a , b) a dachsteini m é s z k ő legfelső t a g o z a t á b ó l , m e g a l o dusos m é s z k ő p a d b ó l v e t t m i n t á k Abb. 4. E r w ä r m u n g s k u r v e n o b e r t r i a d i s c h e r K a l k s t e i n s p r o b e n . T a t a , K á l v á r i a h ü g e l . a) P r o b e aus d e m o b e r s t e n , m i t d e m unterliassischen K a l k s t e i n i m K o n t a k t befindlichen T e i l des D a c h s t e i n k a l k s t e i n e s , b) P r o b e n aus d e m o b e r s t e n G l i e d des D a c h s t e i n k a l k e s — der M e g a d u s - K a l k s t e i n b a n k
kJ
J
1
2
3 A,
Abb.
4
t(perc)
1
2
3 - 4 -
t(perc)
B,
5. ábra. A l s ó l i á s z m é s z k ő m i n t á k m e l e g í t é s i g ö r b é i . T a t a , K á l v á r i a d o m b 5. E r w ä r m u n g s k u r v e n unterliassischer K a l k s t e i n p r o b e n . T a t a , K á l v á r i a h ü g e l
görbéi az intenzitásviszonyokat nem tekintve, közel azonos lefutásnak. Ezeknél a méré seknél a melegítés sebessége 1,3 C°/sec volt. A lábatlani klasszikus júraszelvény két mintáján végzett mérés eredménye a 6. ábrán látható. E z az ábra az egyszeri felmelegítés után radioaktív sugárforrással (Co-60, 1200 Curie aktivitás, 20 cm távolság, 90 perc besugárzási idő) besugárzott minták mele gítési görbéit m u t a t j a . (A besugárzást a Debreceni Orvostudományi Egyetem Röntgen klinikáján végeztük.) Ab) ábrán a lábatlani Tölgyhát kőfejtő középsőliász összlet legalsó rétegéből, az a) ábrán a felsőliász aljáról származó mészkőminta melegítési görbéi láthatók. Az a) ábrán szaggatott vonallal jelöltük be a minta előzőleg felvett, természetes termolumineszcenciáját mutató melegítési görbét is. Ezeknél a méréseknél a melegítés sebessége 10 °C/sec volt. Mint a fentiekből látható, a különböző helyekről származó minták melegítési gör béje igen jellemző a mintavétel helyére és ezért a módszer rétegtani azonosítások cél jaira előnyösen alkalmazhatónak látszik.
F élszerfavi
— К a s z a p — M и с s i : A lermolumineszcencia
457
6. ábra. R a d i o a k t í v sugárforrással b e s u g á r z o t t k ö z é p s ő l i á s z (b) és felsőliász (a) m é s z k ő m i n t á k m e l e g í t é s i g ö r b é i . L á b a t l a n , T ö l g y h á t k ő f e j t ő . A z a) á b r á n s z a g g a t o t t v o n a l j e l ö l i a m e g e l ő z ő l e g f e l v e t t t e r m é s z e t e s termolumineszcencia görbét Abb. 6. E r w ä r m u n g s k u r v e n mittelliassischer (b) u n d oberliassischer (a) K a l k s t e i n p r o b e n , d i e d u r c h e i n e r a d i o a k t i v e S t r a h l u n g s q u e l l e b e s t r a h l t w o r d e n sind. L á b a t l a n , Steinbruch T ö l g y h á t . I n A b b . a) w i r d d i e v o r a n g e h e n d a u f g e n o m m e n e natürliche T h e r m o l u m i n e s z e n z k u r v e durch eine gestrichelte L i n i e dar gestellt
IRODALOM
-
SCHRIFTTUM
D a n i e l s , F . — В о y d , С A . — S a u n d e r s , D . F . , (1953): T h e r m o l u m i n e s c e n c e as a research t o o l . S c i e n c e 117, 343. — D a n i e l s , F . , (1961): K i n e t i c s a n d T h e r m o l u m i n e s c e n c e i n G e o c h e m i s t r y . G e o c h i m i c a et C o s m o c h i m i c a A c t a 22. 65. — D o n a l d , F . — S a u n d e r s , D . F . , ( Г 9 5 3 ) : T h e r m o l u m i n e s c e n c e a n d S u r f a c e C o r r e l a t i o n of L i m e s t o n e s . B u l l . A m e r . A s s o c . P e t r o l . G e o l . 37, 114. — F a u l , H . , (1955): N u c l e a r G e o l o g y . N e w Y o r k . — F é l s z e r f a l v i J . — P a t k ó J., (1962): G a m m a s u g á r z á s m é r é s e t e r m o l m n i n e s z c e n c i á s d ó z i s m é r ő v e l . A T O M K I K ö z l e m é n y e k 4, 169. — F é l s z e r f a l v i J . — P a t k ó J., (1963): A n e w d e v i c e f o r t h e e v a l u a t i o n of t h e r m o l u m i n e s c e n t d o s i m e t e r s a n d i t s a p p l i c a t i o n i n y - r a d i a t i o n d o s i m e t r y . A c t a P h y s i c a e t C h i m i c a D e b r e c i n a . — F o n d a , G . R . —S e i t z, F . , (1948): P r e p a r a t i o n a n d Characteristics o f S o l i d L u m i n e s c e n t M a t e r i a l s . N e w Y o r k . — G a r l i c k , G'.
4
Földtani Közlöny
458
Földtani
Közlöny,
XCIV.
kötet, 4.
füzet
F . J., (1949) : L u m i n e s c e n t M a t e r i a l s . O x f o r d . — H o u t e r m a n s , F . G . — J ä g e r , F . — S c h ö n , M . — S t a u f f e r , H . , (1957): Messung d e r T h e r m o l u m i n e s z e n z als M i t t e l zur U n t e r s u c h u n g d e r t h e r m i s c h e n und d e r Strahlungsgeschichte v o n natürlichen M i n e r a l i e n und Gesteinen. A n n a l e n d e r P h y s i k 20, 283.— L e v e r e n z , H . W . , (1950): A n I n t r o d u c t i o n t o L u m i n e s c e n c e o f S o l i d . N e w Y o r k . — P r i n g s h e i m , (1949): F l u o r e s c e n c e and P h o s p h o r e s c e n c e . N e w Y o r k . — P r z i b r a m , K . , (1956): I r r a d i a t i o n C o l o u r s and L u m i n e s c e n c e . L o n d o n . — S e i t z , F . , (1940): T h e M o d e r n T h e o r y of S o l i d s . N e w Y o r k .
Geologische Anwendung der
Thermelumraesîenz
D R . J. F g L S Z E R F A L V I — D R . A . K A S Z A P — D R . O . M U C S I
Nach einer kurzen theoretischen Interpretierung des Phänomens der Ther molumineszenz erörtern Verfasser die Möglichkeiten zur geologischen Anwendung dieser Erscheinung. In diesem Zusammenhang berichten sie auch über die Messungen, die sie selber an den klassischen Trias—Jura-Profilen bei T a t a und L á b a t l a n (Nordungarn) unternommen haben und die sie zur stratigraphischen Korrelation verwendbar machen wollen. Die beschriebenen Messungen zeigen, dass die Erwärmungskurven der einzelnen Schichten, von den Intensitätsverhältnissen abgesehen, beinahe gleich verlaufen, d. h. die Erwärmungskurven für die Stelle der Probenentnahme bezeichnend sind. Des weiteren wird die zum Zwecke dieser Messungen gebaute Anlage beschrieben. Die Erwärmungs geschwindigkeit war bei der Aufnahme verschiedener Erwärmungskurven 1,3° C/s, bzw. io° C/s.
