Sr同位素地球化學

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

2、衰變開始被用于地質(zhì)年齡測定以來,Rb-Sr同位素已在地球科學的各個領域 獲得了廣泛的應用。尤其是近年來,隨著 Rb-Sr同位素地球化學理論和測試技術的進一步成熟和完善,Sr同位素作為研究風化系統(tǒng)中環(huán)境、水文、生物地球化學物質(zhì)循環(huán)問題的有力工具。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），因而鍶可以類質(zhì)同象的方式分散在含鈣的礦物中，如斜長石、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年對應用87Rb衰變成87Sr來確定含銣礦物年齡的可能性進行了討論，并在1943年應用這種方法測定了第一個年齡值。不過，早期的測定對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，由于同位素化學分離技術的改進，固體同位素質(zhì)譜計和質(zhì)譜同位素稀釋法的應用，以及全巖 RbSr 等時線法的應用和不斷完善，因而鍶同位素在地質(zhì)科學領域內(nèi)的應用獲得了飛速的發(fā)展。 Rb-Sr 等時線法不僅適用于測定各種地質(zhì)體的同位素年齡，而且更為重要的是，在年齡測定過程中，所獲得的初始87Sr /86Sr是一個十分重要的地球化學參數(shù)。在解決諸如地球的演化、地殼的形成機理、巖漿作用、巖石與礦石的成因以及成巖成礦物質(zhì)來源等許多重大地質(zhì)問題上，初始87Sr /86Sr具有十分重要的意義。二、Rb-Sr法測年原理及其應用2.1 Rb-Sr測年原理 銣有兩個天然同位素：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通過衰變形成穩(wěn)定的放射成因87Sr。 87Rb 87Sr +-+ +Q (1)式中，-負粒子； 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,分別通過同位素稀釋法計算獲得;(87Sr/86Sr) 0為樣品形成時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所經(jīng)歷的時間。(2)式就是Rb-Sr法計算各種地質(zhì)體年齡的公式。 實際上,由于組成巖石或礦物的物質(zhì)來源不同,在巖石或礦物結(jié)晶時混入的初始 87Sr/86Sr比值,不一定等于0.712,當樣品具有較復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,仍按假定初始比值的

7、辦法處理,將會導致錯誤的結(jié)果。為了避免因初始鍶同位素比值的估計引起的誤差,最好的辦法是用等時線法計算年齡和求得87Sr/86Sr初始比值。一組化學成分不同的同源巖石或礦物,如果自結(jié)晶以來,Rb和 Sr始終保持著封閉的化學體系而沒有與外界發(fā)生交換。它們又是同時形成的,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一組同源同時形成的巖石或礦物樣品, 87

8、Sr/86Sr-87Rb/86Sr座標圖 上將構(gòu)成一條直線。這條直線就叫等時線。直線上的各點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定年的對象 Rb-Sr定年方法被應用于火成巖定年、隕石年代學、變質(zhì)巖定年、沉積巖定年中，但是對不同的巖石進行定年過程中，其假設的條件測定的對象和對數(shù)據(jù)的解釋是各不相同的。具有簡單地質(zhì)歷史的同源巖漿火成巖系列,應用全巖 Rb-Sr 等時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年齡測定困難還不少，至今仍是探索的課題。國外許多學者應 用全巖Rb-Sr 法成功地測定了前寒武紀頁巖、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 球化學一致性,因此人們在選擇Rb-Sr法測定的對象時,往往尋找含 K礦物,因此一般適用K-Ar法測定的對象也適用于Rb-Sr年齡測定。 1云母類礦物 如果沒有受過后期變動,火成巖中的黑云母和白云母對R b、Sr有較好的保存性,因此經(jīng)常被用于Rb-Sr同位素年齡測定。如果巖體受過后期變動,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. 長石類礦物 ( 鉀長石、微斜長石、斜長石等 ) 這類礦物中放射成因87Sr保存能力很好。但有時也會出現(xiàn)Rb /Sr比值異常,因此給年 齡測定工作帶來困難。3.閃石和輝石類礦物 類礦物中Rb/Sr 比值較低,世界上得到這類礦物的年齡數(shù)據(jù)也很少,但可以直接從輝石中測定87S r/86Sr的初始比值,作為研究巖石形成機理的示蹤劑。4.沉積巖中的自生礦物海綠石 國外一些學者認為海綠石中的Rb/Sr比值較適合作年齡分析，但又認為海綠石的Rb-Sr年齡往往 比可作比較的火成巖的云母 Rb-Sr年齡偏低。 以上各類單礦物均可用于Rb-Sr年齡測定,所需樣品量一般3-5克,純

11、度達9 %以上。三、Sr同位素在其他地學研究中的應用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化程度增強風化產(chǎn)物中Rb/Sr比值明顯增加,其Rb/Sr比的大小和風化程度呈正相關關系,因此陳駿等認為,Rb/Sr比可以作為地表巖石和沉積物風化成壤的指標建立黃土-古土壤序列中Rb/Sr比分布與夏季風場強度變化有內(nèi)在聯(lián)系,使之成為重建黃土高原夏季風變遷的又一替代性指標。3.2 Sr同位素在封閉、半封閉湖水中，對環(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)境變遷的忠實記錄者，湖泊沉積物具有連續(xù)性、敏感性和高分辨率特點，這為研究古氣候在恢

12、復和各種重塑短時間尺度的氣候和環(huán)境演化序列上， 具有其他自然歷史記錄無法替代的優(yōu)勢。測量出生物殼體中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 同位素對古鹽度研究的意義 由于Sr同位素不會因為化學和生物作用而發(fā)生分餾,因此在水體中與碳酸鈣礦物共沉淀的Sr也不會產(chǎn)生同位素分餾作用。如果碳酸鈣礦物沉積后沒有遭受后生成巖作用，其將保持并記錄了沉淀時水體的87Sr/86Sr比值 。我們利用生物殼體和碳酸鹽巖Sr同位素組成來重建古鹽度，以恢復和重建古沉

13、積環(huán)境。在自然界中，特定礦物風化釋放的Sr具有自己特征的87Sr/86Sr比值，各水體流經(jīng)地質(zhì)體時，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鹽度的關系圖可以靈敏地解析出沉積水體的何種端元占主導和所占的比例來判別沉積古環(huán)境，以及定量求出鹽度及變化 。 四結(jié)語Sr 同位素體系的探討已成為近代地球科學的一個重要研究領域。其中,依據(jù)87Rb衰變原理測定地質(zhì)體年齡的方法得到了廣泛的應 用。五十年代以來,由于穩(wěn)定同位素稀釋技術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 關領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指標,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)學上具有多方面的應用。隨著測量手段的進步，相信其在未來具有更加廣闊的應用空間。參考文獻：1 王俊文, 桂訓唐. 地質(zhì)年代學第二講Rb-Sr法地質(zhì)年齡測定2 周強強 ,胡文潔. Sr同位素的研究現(xiàn)狀和最新進展J3 馬英軍, 劉叢強. 地殼風化系統(tǒng)中