地質礦物風化作用下形成鍶同位素在沉積學領域的應用

郭耀庚

（成都理工大學，四川 成都 610059）

近幾十年來，隨著國內外學者們對鍶同位素研究的不斷深入，其研究方向開始逐漸拓展到沉積巖領域，這種轉變得益于前人對顯生宙以來海水鍶同位素的研究與鍶同位素數(shù)據(jù)的不斷積累。

這些數(shù)據(jù)為鍶同位素在沉積學中的應用創(chuàng)造了條件，同時也完善了鍶同位素理論，拓寬了其應用領域。鍶同位素在沉積學領域中多用于海相地層定年、研究海平面變化、分析物質來源等。

1 鍶同位素地層學

鍶同位素地層學最早由瑞典地質學家Wickman 于1948 年提出，其基本原理是：鍶在海水中的殘留時間（≈106a）遠遠大于海水的混合時間（≈103a），因此可認為全球范圍內海水Sr 元素在同位素組成上是均一的，使得海水87Sr/86Sr 值為時間的函數(shù)。

海水87Sr/86Sr 值主要受殼源鍶和幔源鍶2 個來源鍶的影響，殼源鍶主要由陸地巖石的風化提供；幔源鍶主要由洋中脊熱液系統(tǒng)提供。各類地質事件，如全球構造運動、洋中脊活動、海平面升降都會影響到殼源鍶與幔源鍶的相對供給，從而影響海水87Sr/86Sr 值的變化，87Sr/86Sr 值的變化同樣也可反映地質歷史時期的各類事件。

目前國內外已積累了眾多自顯生宙以來全球海水鍶同位素數(shù)據(jù)，并建立了鍶同位素演化曲線，其為海相地層定年、古環(huán)境、古鹽度的研究等提供了重要依據(jù)。

2 鍶同位素在沉積學領域的應用

2.1 海相地層定年

根據(jù)鍶同位素地層學的基本原理，在百萬年的時間尺度上全球海水Sr 元素在同位素組成上為均一的，即87Sr/86Sr值為恒定值。

利用這一原理，就可以對海相沉積巖石進行地層劃分和查明沉積歷史。某一地質歷史時期，當海相碳酸鹽巖開始形成時，它們會從海水中獲取鍶，其中鍶的分餾可忽略不計，因此就保存了當時海水的87Sr/86Sr 值，若其后期未遭受成巖蝕變作用，我們便可通過實驗室測試分析的方法來測定海相碳酸鹽巖的87Sr/86Sr 值，并利用前人已經(jīng)建立的地質歷史中各時期海水鍶同位素數(shù)據(jù)庫或海水鍶同位素曲線，來推測其所處未知地層的可能年代。

目前為止，國外已經(jīng)有很多成功利用海相碳酸鹽巖的87Sr/86Sr 值來確定未知地層年代的實例，McArthur 等人對509Ma 以來的海相地層的碳酸鹽巖鍶同位素數(shù)據(jù)進行了擬合，并建立了鍶同位素演化曲線，該曲線是目前國際上對海水代表性最好、完整度最高的一套鍶同位素曲線，其為海相地層定年提供了重要的基礎資料。

但該方法在國內起步較晚，一些國內學者仍對此方法持有懷疑的態(tài)度，這可能與鍶同位素的樣品選取與處理有關，其中最大的問題仍然是樣品成巖蝕變的鑒定與測試分析方法（包含樣品的溶解處理、鍶的提取），二者是導致國內樣品數(shù)據(jù)可靠性較差的主要原因。

利用鍶同位素進行海相地層定年，首先需要大量的且真實代表海水鍶同位素組成數(shù)據(jù)的積累；并以這些數(shù)據(jù)為基礎，建立一個相應的、具有全球代表性的鍶同位素年齡數(shù)據(jù)庫來用于地層定年。其次需要一套高精度的對海相碳酸鹽巖樣品的成巖蝕變鑒別與實驗處理方法，以便保證數(shù)據(jù)的真實可靠性。相信隨著樣品處理方法的改進以及數(shù)據(jù)的不斷積累，鍶同位素的海相地層定年在國內會得到更為廣泛的應用。

2.2 海平面變化的研究

海水87Sr/86Sr 值的變化與海平面升降呈負相關。當海平面升高時，陸地面積暴露減小，風化作用速率降低，陸源鍶供給減少，導致海水中87Sr/86Sr 值減小。反之，當海平面下降時，陸地暴露面積增大，大陸巖石風化速率加快，陸源鍶供給增多，造成海洋87Sr/86Sr 值增大，這一結論已被眾多學者所證實。

Arthur 等通過對中新生代海水87Sr/86Sr 曲線演化與海平面變化的對比分析后指出，87Sr/86Sr 值的升高對應了海平面的下降期，而87Sr/86Sr 值的降低與海平面上升期相對應因此，海洋沉積物中87Sr/86Sr 值的高低反映了當時海平面的升降變化，根據(jù)這一特性，87Sr/86Sr 值可作為研究海平面變化的靈敏指示劑。

若想要研究某一地質歷史時期的海平面升降變化，可在對應時期的鉆井巖芯或野外剖面上連續(xù)取樣，并在實驗室中對樣品進行測試分析，其結果便可用來闡明海平面的升降變化。

2.3 物源分析

鍶同位素可作為示蹤劑來分析物質來源，其原理為：地質歷史時期中海水87Sr/86Sr 值是時間的函數(shù)，年代越老的樣品其87Sr 的積累就越多，87Sr/86Sr 值就越高，因此可根據(jù)海相碳酸鹽巖樣品中的87Sr/86Sr 值及其變化規(guī)律來判斷物源。

孟憲偉等對長江、黃河流域的泛濫平原細粒沉積物的鍶同位素組成的空間變異制約因素及其其物源示蹤意義進行了研究，并對其應用前景進行了探討。

孫省利等利用鍶同位素對甘肅一帶的礦化集中區(qū)與礦體緊密伴生的熱水沉積巖的物質來源進行了探討，通過觀測熱水沉積巖的鍶同位素比值變化范圍從而判斷出其鍶主要來源于下伏沉積地層柱，而非陸源或海源。

張霄宇等對南海東部海域表層沉積物的鍶同位素進行了物源示蹤研究，結果表明中國大陸陸源物質對南海東部海域沉積物的貢獻由西向東、由北向南逐漸減小。

3 結語

（1）利用鍶同位素可以對海相碳酸鹽巖進行地層定年，前提是需要大量海水鍶同位素組成數(shù)據(jù)的積累，此外還需要一套高精度的對海相碳酸鹽巖樣品的成巖蝕變鑒別與實驗處理方法，以便保證數(shù)據(jù)的真實可靠性。

（2）87Sr/86Sr 值可作為研究海平面變化的靈敏指示劑。可在對應時期的鉆井巖芯或野外剖面上連續(xù)取樣并在實驗室進行測試分析，其結果便可用來闡明海平面的升降變化。

（3）鍶同位素可作為示蹤劑來分析物質來源，其原理為：地質歷史時期中海水87Sr/86Sr 值是時間的函數(shù)，年代越老的樣品其87Sr 的積累就越多，87Sr/86Sr 值就越高，因此可根據(jù)海相碳酸鹽巖樣品中的87Sr/86Sr 值及其變化規(guī)律來判斷物源。