鍶同位素的研究進(jìn)展與應(yīng)用

李韶昱

摘要：隨著海水鍶同位素光譜測(cè)試分析技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及目前人們對(duì)全球海水中的鍶穩(wěn)定同位素及其組成在全球碳酸鹽巖層成巖物理作用中的可保存性的深入理解，鍶同位素在全球海相中的碳酸鹽成巖領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)始得到了廣泛應(yīng)用。由于不同來(lái)源物質(zhì)中⁸⁷Sr/⁸⁶Sr的比值不同，因此海水鍶同位素對(duì)于追蹤不同物源有著重要作用。鍶穩(wěn)定同位素的研究在不同領(lǐng)域的研究中已經(jīng)有較大進(jìn)展，但受多項(xiàng)因素制約，發(fā)展較為緩慢。隨著科研水平與人工技術(shù)的發(fā)展及全球深入應(yīng)用研究，鍶同位素在地質(zhì)化學(xué)領(lǐng)域中將起著重要作用。

關(guān)鍵詞：鍶同位素 ?地化特征 ?追蹤原理 應(yīng)用特征

Research Progress and Application of Strontium Isotopes

LI Shaoyu

Abstract： With the continuous progress of spectral measurement and analysis technology of strontium isotopes in seawater， and people's in-depth understanding of the preservation of strontium stable isotopes and their composition in global carbonate rock formation diagenesis， strontium isotopes have begun to be widely used in the field of Carbonate Diagenesis in global marine facies. Due to the different ratio of⁸⁷Sr/⁸⁶Sr?in different sources， seawater strontium isotope plays an important role in tracking different sources. The research of strontium stable isotopes has made great progress in different fields， but the development is slow due to many factors. With the development of scientific research， artificial technology and global in-depth application research， strontium isotopes will play an important role in the field of geochemistry.

Key Words： Strontium isotope; Geochemical characteristics; Tracking principle; Application characteristics

近年來(lái)，同位素分析在全球地質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域中的研究占有重要地位，其中C、O同位素分析已經(jīng)發(fā)展了較長(zhǎng)時(shí)間，已被眾多學(xué)者熟知，而鍶同位素分析我國(guó)還處于起始狀態(tài)，因此我國(guó)學(xué)者對(duì)于鍶同位素的發(fā)展寄予厚望，且鍶同位素分析可以與C、O同位素分析結(jié)合，可以對(duì)全球性的地質(zhì)事件進(jìn)行綜合分析，也可應(yīng)用于具地方性質(zhì)的局部地質(zhì)事件綜合研究^[1-3]。鍶及其同位素的科學(xué)應(yīng)用變得越來(lái)越廣泛，目前已在地質(zhì)沉積學(xué)、礦床物理學(xué)、層序地層學(xué)和地層物理學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)研究中廣泛顯示了重要指導(dǎo)作用，國(guó)外研究者也在此方面有了更深層次的關(guān)注^[4-5]。我國(guó)鍶同位素不僅被廣泛用于科學(xué)確定海相沉積物的形成年代，還廣泛應(yīng)用于我國(guó)盆地海相沉降史、造山盆地運(yùn)動(dòng)、物源分析、古氣候與古盆地環(huán)境，鍶同位素還是一種指示全球海平面升降狀況變化的靈敏度和指示材料劑^[6-7]。目前的研究熱點(diǎn)主要是流體包裹體與其C、O、Sr等同位素分析相互結(jié)合，對(duì)油氣巖石來(lái)源、碳酸鹽巖石存儲(chǔ)層等研究具有重要應(yīng)用意義^[8-11]。本文對(duì)近幾年國(guó)內(nèi)外鍶同位素在地球化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用及存在問(wèn)題進(jìn)行討論分析，并展望其發(fā)展應(yīng)用前景。

1 鍶同位素的化學(xué)特征

1.1 鍶同位素的基本地球化學(xué)特征

鍶是元素周期表中第五周期ⅡA族元素，擁有4個(gè)穩(wěn)定同位素⁸⁴Sr、⁸⁶Sr、⁸⁷Sr和⁸⁸Sr，其中只有⁸⁷Sr表現(xiàn)為放射源，⁸⁷Sr是⁸⁷Rb經(jīng)過(guò)β衰變的結(jié)果，結(jié)合前人研究可知，⁸⁷Rb與時(shí)間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，會(huì)隨著時(shí)間不斷衰變，而⁸⁷Sr則相反，與時(shí)間呈正相關(guān)關(guān)系，其含量隨著時(shí)間呈逐漸增加的趨勢(shì)。⁸⁶Sr不同于⁸⁷Sr，⁸⁶Sr表現(xiàn)為非放射成因，但兩者皆不受物理或生物作用而發(fā)生分餾作用，具有相對(duì)穩(wěn)定性。因此，為了科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性，在可嚴(yán)重多用⁸⁷Sr/⁸⁶Sr的值對(duì)研究區(qū)進(jìn)行各種綜合分析。

1.2 在碳酸巖中的鍶同位素地球化學(xué)特征

由于⁸⁷Sr/⁸⁶Sr不會(huì)受到物理作用或生物作用導(dǎo)致的分餾影響，因此任何研究樣本水體中的碳酸鹽巖對(duì)沉積作用發(fā)生時(shí)的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值進(jìn)行了記錄，且⁸⁷Sr是由于⁸⁷Rb不斷的放射性衰變形成，所以⁸⁷Sr的豐都并非固定值，而是可以變化的。由于碳酸鹽巖礦物中⁸⁷Rb的含量極低，且該類礦物的半衰期較長(zhǎng)，所以通常情況下在研究碳酸鹽巖礦物可以忽略⁸⁷Rb的不斷衰變對(duì)于⁸⁷Sr的影響，所以導(dǎo)致⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值變化的原因或受物源不同的Sr混合在一起導(dǎo)致的。碳酸鹽巖中的這些特點(diǎn)顯示其通過(guò)⁸⁷Sr/⁸⁶Sr的比值來(lái)確定對(duì)應(yīng)研究區(qū)的海相地層定年、物源示蹤、海平面變化等研究是行之有效的方法。

2 鍶元素的追蹤原理

自然界中的鍶共有⁸⁴Sr、⁸⁶Sr、⁸⁷Sr、⁸⁸Sr4種同位素，自然界中鍶有⁸⁴Sr、⁸⁶Sr、⁸⁷Sr、⁸⁸Sr四種同位素，相對(duì)豐度以⁸⁸Sr最高，⁸⁴Sr最低，自高向低依次為⁸⁸Sr（82.56%）>⁸⁶Sr（9.86%）>⁸⁷Sr（7.02%）>⁸⁴Sr（0.56%），結(jié)合前人研究可知其中⁸⁷Sr是由⁸⁷Rb衰變的產(chǎn)物，⁸⁷Sr同位素的半衰期較長(zhǎng)，時(shí)間長(zhǎng)達(dá)48.8Ga，且⁸⁷Sr的增長(zhǎng)與時(shí)間呈正相關(guān)關(guān)系，表現(xiàn)為單向增長(zhǎng)。鍶同位素中⁸⁷Sr是放射成因，⁸⁶Sr則反之表現(xiàn)為費(fèi)放射成因，但兩者皆不收物理或生物作用而發(fā)生分餾作用，具有相對(duì)穩(wěn)定性。對(duì)于其進(jìn)行研究分析，主要呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)：（1）進(jìn)行鍶同位素分析時(shí)，物源對(duì)研究結(jié)果的影響較大，無(wú)論是沉積巖或是研究區(qū)水域中的其他樣本的同位素含量會(huì)因?yàn)槲镌吹幕祀s而產(chǎn)生較大的變化;（2）外界因素對(duì)于鍶同位素的研究影響較大，構(gòu)造活動(dòng)、沉積環(huán)境及實(shí)驗(yàn)樣本的采集等都會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成較大的干擾。結(jié)合前人研究可知，不同物源會(huì)導(dǎo)致⁸⁷Sr/⁸⁶Sr產(chǎn)生差異，因此鍶同位素對(duì)于分析物源有良好的指導(dǎo)作用。除去物源對(duì)于研究的影響，實(shí)驗(yàn)所用的樣品品質(zhì)也會(huì)影響測(cè)試分析結(jié)果，所選的樣品應(yīng)具有良好的代表性，且受外力作用的影響較小，由此才能保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

3 應(yīng)用

3.1 水文地球化學(xué)的研究

隨著對(duì)鍶同位素研究的不斷發(fā)展及分析技術(shù)的進(jìn)步，鍶同位素近年來(lái)多用于水文地球化學(xué)領(lǐng)域，是因?yàn)殒J同位素良好的示蹤效應(yīng)對(duì)于沉積物的水—巖反應(yīng)、礦物形成機(jī)制等研究有較高的參考價(jià)值。國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者也在該方面進(jìn)行了眾多調(diào)研，韓貴琳等選取貴州喀斯特地區(qū)，對(duì)該區(qū)域內(nèi)的水系進(jìn)行同位素分析，結(jié)果顯示⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值的差異性較大，或與研究區(qū)巖層的變化有關(guān)。趙繼昌等選擇長(zhǎng)江部分水系進(jìn)行考察研究，通過(guò)鍶同位素來(lái)分析該區(qū)沉積物的物源。趙平等選擇滇藏地區(qū)作為研究對(duì)象，該區(qū)因地?zé)崮茇S富，水溫較高，通過(guò)對(duì)此處進(jìn)行同位素分析，其認(rèn)為⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值對(duì)于熱儲(chǔ)的巖性特征有指示作用。

3.2 沉積地層的水-巖相互作用研究

目前，對(duì)于沉積地層中礦物間、礦物與流體間相互作用的研究也多采用鍶同位素進(jìn)行分析，將分析結(jié)果與現(xiàn)有的演化曲線進(jìn)行對(duì)比分析，再結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)中已有的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。廣泛應(yīng)用于沉積地層的水-巖相互作用等方面進(jìn)行研究。前人研究多依賴已有或同期的鹽酸鹽鍶同位素演化曲線等相關(guān)數(shù)據(jù)，從而為還原古地理環(huán)境提供嶄新的思路，同時(shí)也展現(xiàn)出鍶同位素在地質(zhì)學(xué)中的重要價(jià)值。

3.3 海相地層定年

當(dāng)前鍶同位素測(cè)年廣泛應(yīng)用于海相地層的測(cè)年分析，主要通過(guò)對(duì)研究區(qū)地層中的沉積物進(jìn)行同位素分析，并將分析結(jié)果與現(xiàn)有的演化曲線進(jìn)行對(duì)比分析，從而達(dá)到反推地層年齡的目的。國(guó)內(nèi)對(duì)于⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值進(jìn)行地層定年仍處于發(fā)展階段，但部分國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)其持有懷疑態(tài)度，或與鍶同位素對(duì)于地層判別的研究精度有關(guān)。影響該方法測(cè)年可靠性的核心問(wèn)題仍是未解決，樣品的代表性及分析測(cè)試技術(shù)的精度是影響數(shù)據(jù)離散的重要原因，隨著技術(shù)的推進(jìn)，鍶同位素測(cè)年精度會(huì)逐漸精準(zhǔn)。

3.4 古氣候、古海洋環(huán)境的研究

鍶同位素與C、O同位素分析的結(jié)合分析是研究古氣候和古地理環(huán)境的重要手段。前人研究表明對(duì)未經(jīng)受過(guò)成巖作用影響的海相碳酸鹽進(jìn)行同位素分析及建立演化曲線是對(duì)全球古海洋環(huán)境的研究基礎(chǔ)。海水中的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值可以反映海平面的升降變化，而影響海平面的因素包括地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及氣候演變，因此通過(guò)分析海相沉積物中的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值可以反推沉積時(shí)的古地理環(huán)境。

3.5 分析物質(zhì)來(lái)源

海相沉積物中的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值隨著時(shí)間的推移而逐漸變高，是因?yàn)?sup>87Sr會(huì)隨著時(shí)間不斷積累，因此地質(zhì)年代越久遠(yuǎn)，數(shù)值就越高，因此鍶同位素是分析物源的示蹤劑，在地化領(lǐng)域的研究中有重要意義。

4 鍶同位素地質(zhì)應(yīng)用存在的問(wèn)題

近年來(lái)，多領(lǐng)域均使用鍶同位素進(jìn)行研究分析，包括海相定年、物源示蹤、古海水與古環(huán)境的還原、成巖作用分析等領(lǐng)域，但仍存在以下問(wèn)題。（1）鍶同位素比值對(duì)于測(cè)年等方面只能提供大致的判斷，由于原石組成數(shù)據(jù)短缺，因此仍不精確，且樣品是否具有代表性，受外力作用影響的程度都會(huì)影響分析結(jié)果。（2）利用鍶同位素進(jìn)行測(cè)年，樣品測(cè)年的結(jié)果范圍較廣，不夠精確，當(dāng)研究具體小范圍限定時(shí)段內(nèi)的物源參考意義不大。（3）當(dāng)前據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)關(guān)于前寒武紀(jì)的參考數(shù)據(jù)較少，對(duì)此階段的研究分析及演化曲線進(jìn)行建立難度較大。（4）鍶同位素受地質(zhì)事件影響，而地質(zhì)事件又分為全球性和局部性，兩者分別對(duì)于鍶同位素有所影響，且現(xiàn)有的演化曲線中數(shù)據(jù)異常的部分經(jīng)歷了何種地質(zhì)事件尚未明確。以上都是需要解決的科學(xué)問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

在當(dāng)前沉積學(xué)領(lǐng)域中，鍶同位素研究分析的適用范圍越來(lái)越寬泛，但目前主要用于海相地層的研究。對(duì)全球性海相鍶同位素在碳酸鹽中的研究結(jié)果進(jìn)行分析，表明其無(wú)論是地層學(xué)意義、測(cè)年或是全球可對(duì)比性遠(yuǎn)超C、O同位素，近年來(lái)全球地質(zhì)學(xué)家對(duì)于鍶同位素的理論研究及分析測(cè)試技術(shù)的投入也大大超過(guò)C、O同位素，尤其是對(duì)于不同地質(zhì)背景和地質(zhì)歷史的海水鍶同位素分析研究，并建立相對(duì)應(yīng)的具體演化曲線，是當(dāng)前地質(zhì)學(xué)家的研究熱點(diǎn)之一，全球鍶同位素演化曲線及數(shù)據(jù)庫(kù)也是針對(duì)全球各地質(zhì)事件對(duì)比分析和研究的基礎(chǔ)，但與C、O同位素相比，鍶同位素研究還不夠成熟，因此還需不斷推進(jìn)鍶同位素技術(shù)，并在沉積學(xué)研究中獲得更大發(fā)展。

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