1.基本原理
ESR（Electron Spin Resonance，ESR）测年的中文全称为电子自旋共振法测年，它是基于样品中不成对电子数目而测定年代的物理方法。在地质样品中电子可以有占据在价带和导带两种状态，同时在晶体中还存在有各种各样的晶格缺陷。当晶体形成时，几乎所有的电子都分布在价带（基态）。由于样品内部及其周围环境中存在天然放射性同位素（铀、钍、钾），它们释放的α、β和γ射线以及来自宇宙射线的辐照，使电子从价带跃迁到导带并被晶格缺陷捕获而形成各种不同的顺磁中心，顺磁中心的数目，亦即这个中心的ESR信号强度，正比于样品受辐射的强度和辐照时间，也正比于样品所接收的天然辐射的总剂量，因此测定样品的ESR信号强度，就可以确定样品接收的总剂量，根据样品所在的环境年剂量模式，就可以确定其地质年龄。
基于此原理，我们可以测试从沉积物堆积之日算起，其中的破碎绝缘矿物晶体（如石英、长石）所接受的周围地层中放射性物质的辐射总剂量（TD）、年平均吸收剂量（AD）和矿物移至沉积地点之前的初始剂量（ID），计算沉积物年龄（t）：
黄河源晚新生代河湖相沉积与环境
这一方法的依据是含有铝、铁、锰等杂质的有缺陷的石英晶体，在放射性作用下容易形成电离损伤，从而在晶体中形成不配对电子，称顺磁中心（即杂质心）。另外，放射性也会使硅氧四面体的一个Si-O键断裂，在Si悬键上有一个电子定向自旋，构成另一种顺磁中心，即自由电子中心。上述2种顺磁中心在样品中的密度都与其吸收的放射性剂量成正比。含有上述2种具有不配对电子顺磁中心的样品，可用顺磁共振波谱仪测出其在某一特定磁场下贮能电子从高频磁场吸收能量后从低能级向高能级跃迁时产生的共振吸收效应，即所检测到的样品的ESR信号积累强度，其大小与样品所吸收的放射剂量成正比。从样品所测ESR信号强度可求得样品的总吸收剂量（TD）。通过在采样地点埋藏剂量片或分析采样地点周围沉积物中放射性元素（U、Th、K等）的含量，可算出样品的年剂量（AD）。采用模拟初始条件的方法确定样品的初始剂量（ID）（曹伯勋，1995）。按上面公式即可求出样品的年龄。
2.样品采集与测试方法
（1）样品采集
ESR样品采集时，一般选择颗粒分布均匀的沙层或黄土层，避免含有较大砾石的层位，以免环境辐射不均造成年代的偏差；另外，要深挖半米采集样品，避免阳光照射的影响，用遮光布或黑色包装袋密封包装，以便测量。本次样品采自实测剖面P1、P2、P3、P5、P6，5条剖面中共采样品68个。样品是在无阳光照射时，在天然剖面上开挖至少0.5m深采集的，采集后用遮光材料包裹带回实验室。ESR样品是不等间距采集的，样品测试由成都理工大学核工系ESR实验室进行。
（2）测试方法
把采集的样品分为两份。
一份样品筛取0.1～0.5mm粒级，在水中冲洗干净，加入H2O2除去有机质，用水冲洗干净后，在稀HCl中浸泡两天除去碳酸盐，水洗后在深HF酸中酸蚀6h左右，以剔除大部分长石，冲洗干净后，在4℃以下烘干，用磁选仪去掉磁性矿物，处理后的样品等分9份，每份约300mg。其中第四系样品用60Co附加剂量法测量，老于第四系的样品用石英E心热活化法测量（梁兴中等，1999）。
用60Co源以不同的剂量进行人工辐照，样品中有丙氨酸（ESR剂量计），可以准确地获得人工辐照的剂量值。
辐照后的样品放置10d后，用ECS-106ESR谱仪（德国BRUKER公司生产）测试，测试条件是：室温，X射线波段，微波功率，E′心用0.1mW，Ge心用2mW，调制幅度0.08mT，磁场扫描范围（334±5）mT。
样品典型的ESR波谱见图4-24所示，用E′心（g=2.0010）和Ge心（g=1.9770）作测年信号，辐照剂量与ESR信号强度（任意单位）呈良好的线性关系（图4-25）。采用线性方程拟合外推至ESR信号强度为零时，求出总剂量（AD）值。
图4-24 典型ESR谱图
图4-25 ESR信号强度与辐照剂量的关系
另一份样品用玛瑙研钵研磨，全部过200目筛，将过筛的样品混合均匀，取5g左右，用激光荧光法、比色分光光度法和原子吸收技术，分别测定U、Th和K2O的含量，用Bell公式根据U、Th和K的含量计算年剂量。因石英颗粒表面在剔除长石时已被溶蚀掉，故X辐射的贡献可以忽略。考虑到样品的含水量与原始含水量相差很大，因此没有根据含水量对年剂量进行校正。
（3）测试结果及分析
依据上述实验程序，测试了黄河源地区5个剖面的湖相沉积物的ESR年龄，样品的有关参数及ESR年龄见表4-1。
表4-1 黄河源两湖地区第四纪河湖相沉积物ESR测年结果
测试结果表明，鄂陵湖北的哈拉滩剖面（P6）底部ESR年龄为223.9万年，顶部ESR年龄为184.0万年；野牛沟剖面（P1）底部ESR年龄为103.1万年，顶部ESR年龄为70.7万年；牛头碑剖面（P5）底部ESR年龄为64.6万年，顶部ESR年龄为33.4万年；大野马岭剖面（P2）底部ESR年龄为30.6万年，顶部ESR年龄为1.1万年；黑河乡剖面（P3）底部ESR年龄为1.0万年，顶部ESR年龄为0.8万年。依照《中国地层典》及《中国年代地层表中国地层指南及说明书》中所划定的全新世小于1万年、晚更新世为13～1万年、中更新世为73～13万年、早更新世为260～73万年的年龄范围，可以得出哈拉滩剖面和野牛沟剖面形成于早更新世，牛头碑剖面和大野马岭剖面的上部形成于中更新世，大野马岭剖面的下部形成于晚更新世，黑河乡剖面则形成于全新世。