鍶同位素地層學原理及其應用

鍶同位素地層學原理及其應用

1c現(xiàn)代海水中礦物同位素的變化。c瑞典社會學家wickman于1968年提出了耀明體的遺傳因素。其基本含義是由于鍶在海水中的殘留時間(≈106a)大大長于海水的混合時間(≈103a),因而任一時代全球范圍內海相鍶元素在同位素組成上是均一的,從而導致地質歷史中海水的87Sr/86Sr比值是時間的函數(shù),即海水中鍶同位素的87Sr/86Sr比值是隨著時間變化的(圖1,圖2)。就現(xiàn)在而論,按87Sr/86Sr比值所能測定的精度(±0.00002),現(xiàn)代全球范圍內海水和海洋貝殼的87Sr/86Sr比值是一致的。當海相同生礦物(如生物成因的碳酸鹽、非生物成因的海水碳酸鹽膠結物、磷灰石、重晶石)形成的時候,它們從海水中獲取鍶,而沒有鍶同位素的分餾,因而保存了其形成時的87Sr/86Sr比值。我們便可以通過未知年代地層中這些礦物的87Sr/86Sr比值,利用已建立的地質歷史中海水87Sr/86Sr曲線或鍶同位素數(shù)據(jù)庫,從而可推斷未知地層的可能年代。2不同地質歷史時期原始海水的殼源殼源及其形成時代海水的鍶同位素組成主要受殼源和幔源兩個來源鍶的控制:殼源鍶主要由大陸古老巖石風化提供,87Sr/86Sr的全球平均值為0.7119;幔源鍶主要由洋中脊熱液系統(tǒng)提供,87Sr/86Sr平均值為0.7035。各種全球事件,如全球構造運動、風化速率、洋殼增生速率、洋中脊熱液系統(tǒng)變化、造山事件、冰川活動、氣候、全球海平面變化以及全球災變性事件等都會以不同方式改變海水中殼源鍶和幔源鍶的相對比值,因而它們是海水鍶同位素組成與演化最為重要的控制因素。地質歷史中未經成巖蝕變的、代表原始海水組成的海相碳酸鹽(也包括硫酸鹽、磷酸鹽及其它一些可進行鍶同位素分析的內源沉積物)的鍶同位素組成及其演化是研究全球事件,進行全球對比的重要手段[9,10,11,12,13,14,15]。現(xiàn)在,鍶同位素地層學除被廣泛地用于確定海相沉積物的年代外,還可用于盆地沉降史、海平面變化、造山運動和古氣候的研究,層序地層學中地層基準面建立,地層間斷持續(xù)時間的確定,非海相影響程度的評價,以及區(qū)分海相和非海相化石等;同時,不同地質歷史時期原始海水的鍶同位素組成數(shù)據(jù)還是沉積層控礦床、成巖作用、沉積地球化學和石油地質學等相關研究所必不可少的基礎背景資料。因而鍶同位素地層學不但在地層學,同時在沉積學、石油地質學和礦床學等領域中都有著廣闊的應用前景。3海相內源沉積物對礦巖對碳、氧、硫同位素的貢獻盡管鍶同位素地層學在1948年就已由瑞典地質學家Wickman提出,但其進入實用階段是在34年以后,1982年Burke等的文章出現(xiàn),人們開始對用于鍶同位素地層學研究的樣品范圍和成巖蝕變對鍶同位素分析的影響有了進一步的理解,并使得鍶同位素研究從巖漿、熱液等領域轉向沉積學領域。目前,可用于鍶同位素地層學研究的樣品已擴大到生物成因的碳酸鹽、海相碳酸鹽膠結物、重晶石和磷灰石等,曲線的準確性已足以用以推斷不同時代的海相地層的年代(圖1)。從已有文獻來看,這些地層包括新生代、晚第三紀、晚白堊世、晚白堊世到現(xiàn)在、中新世、晚白堊世、侏羅紀和早白堊世、石炭/二疊紀、晚寒武/早奧陶紀、二疊—石炭紀、賓夕法尼亞紀、志留紀、晚古生代、Vendian階等。隨著地質歷史中海相地層鍶同位素數(shù)據(jù)的不斷積累,Richard等從1996年就開始著手建立海相碳酸鹽的87Sr/86Sr的數(shù)據(jù)庫,在該數(shù)據(jù)庫中,所有的鍶同位素數(shù)據(jù)有相應的絕對地質年代與之對應,因此,該數(shù)據(jù)庫可用于推斷海相地層的年代。1997年完成的版本8/96提供了206Ma以來的鍶同位素年代表,實際使用的鍶同位素數(shù)據(jù)量近5000個;即將完成的版本3的時代已到了晚寒武世,估計使用的鍶同位素數(shù)據(jù)量超過1萬個,因而鍶同位素地層學的發(fā)展速度是十分驚人的。在國內,對海相內源沉積物的碳、氧、硫同位素組成及其年代效應研究遠比鍶同位素成熟,積累的碳、氧、硫同位素數(shù)據(jù)量遠遠大于鍶。然而,海相碳酸鹽鍶同位素的時代效應、地層學意義和全球可對比性遠遠大于碳、氧、硫,國際上對代表原始海水的海相內源沉積物鍶同位素數(shù)據(jù)的關注程度也遠遠大于碳、氧、硫,這是近年來海相碳酸鹽鍶同位素研究迅猛發(fā)展的重要原因之一。國內目前還沒有系統(tǒng)開展鍶同位素地層學的研究。大多數(shù)中國學者主要從事的是海相沉積物(及一些用于對比的非海相沉積物)鍶同位素的應用研究。在中新生代時限,孫志國等通過西沙珊瑚礁鍶同位素研究古環(huán)境并反演青藏高原的隆升;尹觀等通過西藏中白堊世的鍶、硫同位素組成對古海洋環(huán)境進行了研究。此外,陳駿等利用海相碳酸鹽和陸源鈣鋁硅酸鹽鍶同位素組成的顯著差異成功解決了我國西部黃土碳酸鹽的原生和次生問題;劉傳聯(lián)等、王世杰等利用海相碳酸鹽和非海相碳酸鹽鍶同位素組成的差別成功解決了我國東部一些中新生代盆地的海、陸相問題。這些研究大都利用了國外完成的相應時代已有的海相碳酸鹽(或其它內源沉積物)鍶同位素數(shù)據(jù)或已有的演化曲線,從而解決了一些多年懸而未決的問題。在古生代時限,由于中國古生代的海相地層十分發(fā)育,近年來先后進行了一些海相地層的鍶同位素研究,但樣品數(shù)量很少,而且十分分散也缺乏系統(tǒng)性,樣品零星分布在新疆、河北、四川、廣西、安徽、貴州、湖北、陜西等十幾個采樣點,其中一些樣品還是以研究礦床成因為目的,沒有考慮樣品是否代表了原始海水的鍶同位素組成。在元古代時限,張自超、李華芹等研究了我國元古代典型剖面的鍶同位素組成,獲得的數(shù)據(jù)相對較多,共提供了約120個海相碳酸鹽的鍶同位素數(shù)據(jù),并討論了海相碳酸鹽的鍶同位素組成與海平面變化等地質事件的關系,李華芹等的研究還建立了相應的演化曲線,并在論文中使用了“鍶同位素地層學”這一術語。1990～1992年,國家自然科學基金資助了“上揚子(晚古生代)海相碳酸鹽沉積同位素演化與主要地質事件的關系”研究,該研究進行了上揚子地區(qū)4條主干剖面、3條輔助剖面,累計厚度超過7000m,跨越時限約160Ma(整個晚古生代)海相碳酸鹽碳、鍶、氧同位素的系統(tǒng)研究。在鍶同位素方面,獲得了末經成巖蝕變的晚古生代海相碳酸鹽166個樣品的鍶同位素數(shù)據(jù),建立了演化曲線(圖2),但數(shù)據(jù)量仍然偏少,平均0.85個/Ma,而國外同類研究的平均數(shù)據(jù)量通?？蛇_10個/Ma,中新生代的數(shù)據(jù)密度已達21個/Ma,當然這是他們多年工作的積累;同時也存在數(shù)據(jù)分布不均勻等問題,但這已是目前國內最完整和最系統(tǒng)的晚古生代海相地層鍶同位素演化曲線,也是世界上較為系統(tǒng)的晚古生代海相地層鍶同位素演化曲線之一。同時該研究還對上揚子地區(qū)控制鍶同位素演化的主要地質事件進行了較為系統(tǒng)的研究。應該說,這些研究是與當時國際上同類研究同步的,并已得到了國外同行的關注。由于中國古生代海相地層十分發(fā)育,因而建立系統(tǒng)的中國古生代海相地層鍶同位素系統(tǒng)演化曲線是中國地質學家責無旁貸的義務。4地層學研究的困難4.1海相工業(yè)礦物微量元素的蝕變檢測對所有用于鍶同位素分析的樣品必須進行嚴格的成巖蝕變控制,否則很難保證所獲得的鍶同位素數(shù)據(jù)是代表了原始海水,從而使其它各種相應成果缺乏可靠性,因而所有以獲取原始海水鍶同位素組成為目的的研究都應將這部分內容及所采用的方法視為研究的關鍵之一。同時成巖蝕變也是鍶同位素地層學研究的難點之一,往往被國內一些研究人員忽略,從而造成國內獲取的海相地層的87Sr/86Sr數(shù)據(jù)顯著高于國外同時代樣品。樣品的蝕變程度可以通過掃描電子顯微鏡觀察、X射線衍射分析、氨基酸分析、薄片分析、陰極發(fā)光分析、穩(wěn)定同位素分析和化學分析(尤其是Fe、Mn、Sr、Mg分析)來判斷。在實際工作時,應根據(jù)所使用的樣品情況,選用多種方法綜合判斷。陰極發(fā)光分析在判斷海相碳酸鹽礦物成巖蝕變方面具有其獨特的優(yōu)勢,海相碳酸鹽礦物微量元素中Fe、Mn含量是重要的成巖蝕變指示劑,并直接控制其陰極發(fā)光性,因而Fe、Mn元素的分析也是海相碳酸鹽礦物成巖蝕變鑒別必不可少的手段。此外需要說明的一點是:就目前的測試精度而論,沒有蝕變意味著樣品保留的87Sr/86Sr比值在其原始值的20×10-6范圍內,該數(shù)值是目前測試儀器所能達到的精度。隨著儀器精度的進一步提高,對樣品蝕變性控制的要求將更為嚴格。4.2稀鹽酸和乙酸分析測試技術中的一個關鍵問題是樣品的溶解技術,過去通常選用稀鹽酸溶解碳酸鹽礦物,近年來的研究表明,稀鹽酸將碳酸鹽巖中的鋁硅酸鹽溶解,從而使殼源鍶混入,這可能是國內獲取的海相地層87Sr/86Sr數(shù)據(jù)顯著高于國外同時代樣品的另一個原因。對于碳酸鹽樣品來說,應使用濃的乙酸而不是稀鹽酸來對樣品進行溶解,不少學者已注意到這一點。如果使用腐蝕性比乙酸更低的溶解劑,如pH=4.5的乙酸/乙酸銨,pH=5的離子交換溶液,其效果會優(yōu)于乙酸。目前認為,最好的處理辦法是先用乙酸預淋濾,而后用Ca2+、Sr2+離子復合溶劑,如檸檬酸三銨或用EDTA對樣品進行溶解,這些溶劑都將在pH=8,即海水的pH條件下工作,因而對污染相的化學接觸會降到最小。盡管這樣會使溶解工作變得很煩雜,但目前還是逐漸被用于鍶同位素地層學研究中的鍶同位素分析。分析測試技術中的另一個問題是分析精度。鍶同位素地層學要求87Sr/86Sr的分析結果精確到小數(shù)點后面第5位,國內相當一部分實驗室提供的精度都只能到小數(shù)點后第4位(0.0001),這種精度顯然不能滿足鍶同位素地層學研究的需要。因而提高分析精度是國內一部分同位素實驗室所面臨的重要問題之一。分析精度的提高將使鍶同位素地層學的分辨率進一步提高,應用前景更加廣泛。4.3對地層年代的初步研究獲取樣品的年齡是鍶同位素地層學研究的另一難點。為了建立代表原始海水的鍶同位素地層學曲線,用于樣品采集的剖面必須要有扎實的地層學基礎,其主要地質界線的年齡都應是已知的,并有充分的化石依據(jù)。如果剖面中存在等時的火山沉積物(如中國南方的二疊—三疊世界線和中—晚三疊世界線及古生代其它地層內),應同時進行同位素年代學研究以控制地層年代的可靠性。只有這樣,建立的鍶同位素地層學曲線才具有實用價值。然而由于國內近年地層學工作相對滯后,有的地質時代沒有建階,也很難與國外建階地層進行相應的對比,鍶同位素地層學研究所需要的這一基礎前期工作并不像想象的那么容易。因此,鍶同位素地層學工作需要地層學和同位素年代學工作者的有效配合。4.4rb/sr比值的測定對于相對老的地層來說,樣品中銣含量可能需要加以考慮。盡管前人的研究(如Wickman,1948)早已證明,銣很難進入碳酸鹽晶格,海相碳酸鹽中銣含量的影響可以忽略不計,但隨著時代的變老,由銣提供的放射性成因的鍶可能增加,從而影響結果的真實性,因而在必要時應進行Rb/Sr比值的測定和進行年代校正。在其它的需要考慮的問題中,局部地質事件的影響也應作相應的研究,這并不與鍶同位素地層學賴以存在的基礎理論(鍶在海水中的殘留時間大大長于海水的混合時間)矛盾,這對于少數(shù)鍶同位素組成異常原因的解釋是有幫助的。因此鍶同位素地層學研究需要有沉積學、地球化學和地層學工作者的相互配合。5重晶石作為材料的研究簡而言之,在鍶同位素地層學研究的樣品選擇上,應充分考慮其原始組分的抗成巖蝕變能力。對碳酸鹽樣品而言,在海水中沉淀(化學或生物化學作用)的、其原始組分為低鎂方解石的各種組分是進行鍶同位素地層學研究的良好材料。在過去的鍶同位素地層學研究中,使用的樣品包括有孔蟲碳酸鹽、微化石碳酸鹽、白堊和塊狀碳酸鹽軟泥、重晶石、非生物海相碳酸鹽膠結物等。箭石是一種用于鍶同位素地層學研究的極好材料,其塊狀、致密的低鎂方解石比其它材料具有更好的抵抗蝕變能力;由低鎂方解石構成的牡蠣和腕足也用于鍶同位素地層學研究的極其有用的材料,這類化石還應包括三葉蟲。文石質的化石,如頭足類、一些雙殼類和腹足類,人們對其所保存的原始87Sr/86Sr的方式有些異議,因而最好不采用。重晶石在鍶同位素地層學研究中具有極好的潛力,尤其是在碳酸鹽缺乏的深海沉積中。隨著地層時代的變老,保存好的樣品的可利用性降低。在更古老的地層(如前寒武)中,有時幾乎沒有可供選擇的碳酸鹽樣品。強烈的石化作用改變了87Sr/86Sr比值。然而仔細地選擇全巖樣品可以將這種影響降低到最小程度。例如,Hornafirs等曾經成功地使用強固結的Darai灰?guī)r全巖樣品的87Sr/86Sr比值確定了巴布亞新幾內亞的地層。此外,意大利固結石灰?guī)r的87Sr/86Sr值與沒有顯著蝕變的樣品的87Sr/86Sr是一致的。更確切地說,Carpenter等在1991年就已經表明,在已固結巖石中的早期膠結物可以記錄原始海水的87Sr/86Sr比值,它們可以通過微鉆取樣有效獲取。因而早期成巖階段的孔隙水的87Sr/86Sr和上覆海水的87Sr/86Sr是一致的,這在沉積物至少數(shù)十厘米的深度范圍內是可信的。關于白云巖樣品的可靠性問題,一直有著不同的意見,但已有研究表明,準同生成因的泥晶—微晶白云巖的鍶同位素組成與海水是一致的,