Sr同位素地球化學(xué)

1、Sr同位素及其在地學(xué)研究中的應(yīng)用摘要：Sr的同位素是非常有意義的地球化學(xué)指標(biāo)，具有廣泛的應(yīng)用。包括Rb-Sr 法定年與其他的元素結(jié)合應(yīng)用于巖漿巖的劃分地層年代的確定,恢復(fù)古氣候環(huán)境等。本文主要對(duì)Sr同位素特征及其在Rb-Sr定年中的應(yīng)用做一定的探討和總結(jié)，并對(duì)Sr同位素在其他地學(xué)研究中的應(yīng)用做一些簡(jiǎn)單介紹。關(guān)鍵詞:Sr同位素 Rb-Sr測(cè)年 Rb/Sr比值 前言自然界中Sr有四個(gè)同位素包括84Sr、86Sr、87Sr和88Sr， 其中87Sr可以由87Rb通過(guò) 衰變得到，因此最初用途是Rb-Sr法定年之后隨著地球化學(xué)的發(fā)展Sr元素的用途逐漸擴(kuò)展 ，現(xiàn)在其用途已是十分廣泛。自40年代初Rb-Sr

2、衰變開(kāi)始被用于地質(zhì)年齡測(cè)定以來(lái),Rb-Sr同位素已在地球科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域 獲得了廣泛的應(yīng)用。尤其是近年來(lái),隨著 Rb-Sr同位素地球化學(xué)理論和測(cè)試技術(shù)的進(jìn)一步成熟和完善,Sr同位素作為研究風(fēng)化系統(tǒng)中環(huán)境、水文、生物地球化學(xué)物質(zhì)循環(huán)問(wèn)題的有力工具。一、 Sr同位素鍶的原子序數(shù)是38，原子量為 87.62 ，位于元素周期表第五周期第A 族，屬堿土金屬元素。鍶的離子半徑（1.13）稍大于鈣的離子半徑（0.99），因而鍶可以類(lèi)質(zhì)同象的方式分散在含鈣的礦物中，如斜長(zhǎng)石、磷灰石和鈣質(zhì)碳酸鹽（尤其是文石），但鍶很少替換富鈣輝石（如透輝石、普通輝石等）中的鈣。由于鍶和鉀的離子半徑相差不大，所以Sr2+也能被捕獲

3、在含鉀礦物中K+ 的位置上。Sr有四種同位素：84Sr-0.56%,86Sr-9.86%,87Sr-7.02%,88Sr-82.56%。其中，87Sr和87Rb通過(guò)衰變形成的放射性成因Sr同位素。在1906年，由 N. R. Campbell 和 A. Wood 首先發(fā)現(xiàn)銣的天然放射性。 1937年， O. F. Hahn 和 J. Mattauch 確定這種放射性是由87Rb引起的。O. F. Hahn 和 E. Walling 在1935年對(duì)應(yīng)用87Rb衰變成87Sr來(lái)確定含銣礦物年齡的可能性進(jìn)行了討論，并在1943年應(yīng)用這種方法測(cè)定了第一個(gè)年齡值。不過(guò)，早期的測(cè)定對(duì)象僅限于富銣的礦物如鋰

4、云母、銫榴石等。自五十年代以來(lái)，由于同位素化學(xué)分離技術(shù)的改進(jìn)，固體同位素質(zhì)譜計(jì)和質(zhì)譜同位素稀釋法的應(yīng)用，以及全巖 RbSr 等時(shí)線法的應(yīng)用和不斷完善，因而鍶同位素在地質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用獲得了飛速的發(fā)展。 Rb-Sr 等時(shí)線法不僅適用于測(cè)定各種地質(zhì)體的同位素年齡，而且更為重要的是，在年齡測(cè)定過(guò)程中，所獲得的初始87Sr /86Sr是一個(gè)十分重要的地球化學(xué)參數(shù)。在解決諸如地球的演化、地殼的形成機(jī)理、巖漿作用、巖石與礦石的成因以及成巖成礦物質(zhì)來(lái)源等許多重大地質(zhì)問(wèn)題上，初始87Sr /86Sr具有十分重要的意義。二、Rb-Sr法測(cè)年原理及其應(yīng)用2.1 Rb-Sr測(cè)年原理 銣有兩個(gè)天然同位素：85Rb和

5、87Rb，它們的平均同位素豐度分別為 72.17%和 27.83%。85Rb是穩(wěn)定同位素，87Rb是放射性同位素。87Rb通過(guò)衰變形成穩(wěn)定的放射成因87Sr。 87Rb 87Sr +-+ +Q (1)式中，-負(fù)粒子； 反中微子；Q衰變能， 0.275MeV。目前所采用的87Rb的衰變常數(shù)為 1.42×10-11a-1。自然界的Rb有兩種同位素：85Rb-穩(wěn)定同位素，其豐度為72.15%；87Rb-為放射性同位素，豐度為27.85%。自然界的Sr有四種同位素：84Sr-0.56%,86Sr-9.86%,87Sr-7.02%,88Sr-82.56%。其中，8Sr和87Rb通過(guò)衰變形成的放

6、射性成因Sr同位素。其衰變規(guī)律如下： (2)式中:(87Sr/86Sr)s是樣品現(xiàn)今的比值,可由質(zhì)譜直接測(cè)定;(87Rb/86Sr) s為樣品現(xiàn)今的87Rb和86Sr同位素元子數(shù)比,分別通過(guò)同位素稀釋法計(jì)算獲得;(87Sr/86Sr) 0為樣品形成時(shí)的初始鍶同位素比值；為87Rb 的衰變常數(shù)；t是樣品年齡，即礦物和巖石形成以來(lái)所經(jīng)歷的時(shí)間。(2)式就是Rb-Sr法計(jì)算各種地質(zhì)體年齡的公式。 實(shí)際上,由于組成巖石或礦物的物質(zhì)來(lái)源不同,在巖石或礦物結(jié)晶時(shí)混入的初始 87Sr/86Sr比值,不一定等于0.712,當(dāng)樣品具有較復(fù)雜的歷史如遭受變質(zhì)作用或普通Sr的同位素組成出現(xiàn)異常時(shí),仍按假定初始比值的

7、辦法處理,將會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。為了避免因初始鍶同位素比值的估計(jì)引起的誤差,最好的辦法是用等時(shí)線法計(jì)算年齡和求得87Sr/86Sr初始比值。一組化學(xué)成分不同的同源巖石或礦物,如果自結(jié)晶以來(lái),Rb和 Sr始終保持著封閉的化學(xué)體系而沒(méi)有與外界發(fā)生交換。它們又是同時(shí)形成的,具有相同的年齡和不同 的Rb/ Sr比值,但由于Sr 同 位素的均一化作用,而有著相同的型87 Sr/86Sr 初始比值。在這些 條件下,方程式 (2)是斜率一截距形式的一次線性方程: y=mx+b其中:y=87Sr/86Sr ,m=et-1, x=87Rb/86Sr, b=87Sr/86Sr一組同源同時(shí)形成的巖石或礦物樣品, 87

8、Sr/86Sr-87Rb/86Sr座標(biāo)圖 上將構(gòu)成一條直線。這條直線就叫等時(shí)線。直線上的各點(diǎn)代表一組具有相同年齡t和相同初始87Rb/86Sr比值 的同源樣品系統(tǒng)，其斜率m=et-1。由圖解法或最小二乘法求出斜率后,可按下式計(jì)算出這組同 源巖石或礦物的年齡： t=1/ ln(m+1)2.2適合 Rb-Sr定年的對(duì)象 Rb-Sr定年方法被應(yīng)用于火成巖定年、隕石年代學(xué)、變質(zhì)巖定年、沉積巖定年中，但是對(duì)不同的巖石進(jìn)行定年過(guò)程中，其假設(shè)的條件測(cè)定的對(duì)象和對(duì)數(shù)據(jù)的解釋是各不相同的。具有簡(jiǎn)單地質(zhì)歷史的同源巖漿火成巖系列,應(yīng)用全巖 Rb-Sr 等時(shí)線法可以得到滿意的同位素年齡結(jié)果。但由于沉積巖中銣-鍶的賦

9、存、演變復(fù)雜以及陸源碎屑物中繼承放射成因鍶的存在,沉積巖全巖Rb-Sr年齡測(cè)定困難還不少，至今仍是探索的課題。國(guó)外許多學(xué)者應(yīng) 用全巖Rb-Sr 法成功地測(cè)定了前寒武紀(jì)頁(yè)巖、粉砂巖、砂巖、硬砂巖、板巖、千枚巖和片巖等巖石的同位素地質(zhì)年齡。 由于 Rb與K 以及Sr與 Ca具有地 球化學(xué)一致性,因此人們?cè)谶x擇Rb-Sr法測(cè)定的對(duì)象時(shí),往往尋找含 K礦物,因此一般適用K-Ar法測(cè)定的對(duì)象也適用于Rb-Sr年齡測(cè)定。 1云母類(lèi)礦物 如果沒(méi)有受過(guò)后期變動(dòng),火成巖中的黑云母和白云母對(duì)R b、Sr有較好的保存性,因此經(jīng)常被用于Rb-Sr同位素年齡測(cè)定。如果巖體受過(guò)后期變動(dòng),那么黑云母比白云母更容易受到影響,

10、更易造成R b、Sr的得失。2. 長(zhǎng)石類(lèi)礦物 ( 鉀長(zhǎng)石、微斜長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石等 ) 這類(lèi)礦物中放射成因87Sr保存能力很好。但有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)Rb /Sr比值異常,因此給年 齡測(cè)定工作帶來(lái)困難。3.閃石和輝石類(lèi)礦物 類(lèi)礦物中Rb/Sr 比值較低,世界上得到這類(lèi)礦物的年齡數(shù)據(jù)也很少,但可以直接從輝石中測(cè)定87S r/86Sr的初始比值,作為研究巖石形成機(jī)理的示蹤劑。4.沉積巖中的自生礦物海綠石 國(guó)外一些學(xué)者認(rèn)為海綠石中的Rb/Sr比值較適合作年齡分析，但又認(rèn)為海綠石的Rb-Sr年齡往往 比可作比較的火成巖的云母 Rb-Sr年齡偏低。 以上各類(lèi)單礦物均可用于Rb-Sr年齡測(cè)定,所需樣品量一般3-5克,純

11、度達(dá)9 %以上。三、Sr同位素在其他地學(xué)研究中的應(yīng)用3.1黃土沉積中 Rb/Sr比值的古環(huán)境指示意義在黃土高原隨著風(fēng)化程度增強(qiáng)風(fēng)化產(chǎn)物中Rb/Sr比值明顯增加,其Rb/Sr比的大小和風(fēng)化程度呈正相關(guān)關(guān)系,因此陳駿等認(rèn)為,Rb/Sr比可以作為地表巖石和沉積物風(fēng)化成壤的指標(biāo)建立黃土-古土壤序列中Rb/Sr比分布與夏季風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度變化有內(nèi)在聯(lián)系,使之成為重建黃土高原夏季風(fēng)變遷的又一替代性指標(biāo)。3.2 Sr同位素在封閉、半封閉湖水中，對(duì)環(huán)境的指示意義湖泊，尤其是封閉式和半封閉式湖泊，是氣候和環(huán)境演化的敏感指示器，也是氣候與環(huán)境變遷的忠實(shí)記錄者，湖泊沉積物具有連續(xù)性、敏感性和高分辨率特點(diǎn)，這為研究古氣候在恢

12、復(fù)和各種重塑短時(shí)間尺度的氣候和環(huán)境演化序列上， 具有其他自然歷史記錄無(wú)法替代的優(yōu)勢(shì)。測(cè)量出生物殼體中87Sr/86Sr的比值，將此比值和海水河水中87Sr/86Sr比值對(duì)比，可以判讀出此生物殼體生活的湖水是否是封閉湖或是半封閉湖。對(duì)于封閉湖，其Sr的含量明顯高于同期海水中Sr的含量。3.3 Sr 同位素對(duì)古鹽度研究的意義 由于Sr同位素不會(huì)因?yàn)榛瘜W(xué)和生物作用而發(fā)生分餾,因此在水體中與碳酸鈣礦物共沉淀的Sr也不會(huì)產(chǎn)生同位素分餾作用。如果碳酸鈣礦物沉積后沒(méi)有遭受后生成巖作用，其將保持并記錄了沉淀時(shí)水體的87Sr/86Sr比值 。我們利用生物殼體和碳酸鹽巖Sr同位素組成來(lái)重建古鹽度，以恢復(fù)和重建古沉

13、積環(huán)境。在自然界中，特定礦物風(fēng)化釋放的Sr具有自己特征的87Sr/86Sr比值，各水體流經(jīng)地質(zhì)體時(shí)，便帶出了特征的Sr ，造成不同水體具有了不同的87Sr/86Sr比值，即地表水與海水具有不同端元的87Sr/86Sr比值。 因此，利用87Sr/86Sr鹽度的關(guān)系圖可以靈敏地解析出沉積水體的何種端元占主導(dǎo)和所占的比例來(lái)判別沉積古環(huán)境，以及定量求出鹽度及變化 。 四結(jié)語(yǔ)Sr 同位素體系的探討已成為近代地球科學(xué)的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。其中,依據(jù)87Rb衰變?cè)頊y(cè)定地質(zhì)體年齡的方法得到了廣泛的應(yīng) 用。五十年代以來(lái),由于穩(wěn)定同位素稀釋技術(shù)的引入及方法理論的提 高,Rb一Sr法有了飛躍發(fā)展。目前,它的適用范圍已擴(kuò)大到大部分變 質(zhì)巖、巖漿巖以及某些沉積巖、火山巖的礦物和全巖,而鍶同位素的研究已在巖石成因、巖漿起源、地球物質(zhì)演化、隕石及月球研究等有 關(guān)領(lǐng)域中取得了一系列成果。Sr同位素組成不僅是反映巖石或礦物年齡的一項(xiàng)指標(biāo),而且還是研究巖漿巖巖石成因的指示劑。Sr同位素在地質(zhì)學(xué)上具有多方面的應(yīng)用。隨著測(cè)量手段的進(jìn)步，相信其在未來(lái)具有更加廣闊的應(yīng)用空間。參考文獻(xiàn)：1 王俊文, 桂訓(xùn)唐. 地質(zhì)年代學(xué)第二講Rb-Sr法地質(zhì)年齡測(cè)定2 周強(qiáng)強(qiáng) ,胡文潔. Sr同位素的研究現(xiàn)狀和最新進(jìn)展J3 馬英軍, 劉叢強(qiáng). 地殼風(fēng)化系統(tǒng)中