锶同位素在沉积学中的研究与进展_刘昊年

收稿日期:2007-07-27。本文由本刊编委郑荣才组稿并审稿。基金项目:国家自然科学基金“川渝地区海相三叠系的锶同位素研究”资助(编号:40472068)。作者简介:刘昊年,1976年生,男,硕士研究生,主要研究方向为沉积地质学。电话:(028)84079073。E -mail :liable @https://www.360docs.net/doc/6d6298582.html,

文章编号:1673-8926(2007)03-0059-07

锶同位素在沉积学中的研究与进展

刘昊年,黄思静,胡作维,吴　萌,王庆东

(成都理工大学“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室,四川成都　610059)

摘　要:随着海相碳酸盐锶同位素测试样品溶解技术和成岩蚀变检测方法以及地质历史中海相地层锶同位素数据库的不断完善,锶同位素在沉积学各领域的研究得到了突飞猛进的发展。文章综

述了近年来国内在利用锶同位素进行物质来源分析、海相地层定年、古气候与古环境分析、水-岩相互作用研究、水文地球化学研究等领域的最新进展及发展方向。关键词:锶同位素;海相碳酸盐;示踪技术;水-岩相互作用中图分类号:P 597文献标识码:A

Advances of strontium isotope in sedimentology

LIU H ao -nian ,H UANG Si -jing ,H U Zuo -w ei ,WU Meng ,WANG Qing -dong

(S tate K ey Laboratory of Oil &Gas Reservoir G eolog y and E xp loitation ,

Chengdu University of Technolog y ,Chengd u 610059,China )

A bstract :The studies on strontium isotope have received rapid develo pments in all fields o f sedimento logy ,with the co ntinuous develo pment of dissolution techno logy fo r strontium isotope sam ples of m arine carbon -a te ,testing method for diag enetic alteration and strontium isotope database of marine sediments in the pe -rio d of g eo logic histo ry.Strontium isotope is applied to car ry out the researches in the aspects of the pro ve -nance analy sis ,dating m arine sediments ,paleoclimate and paleoenviro nment analy sis ,w ater -ro ck inte rac -tion and hy dro geochemistry.The latest prog ress and development trends in these fields are discussed.Key words :strontium iso to pe ;m arine carbo nate ;tracer technolog y ;w ater -rock interaction

1　锶同位素的基本地球化学特征

(1)锶有4种天然同位素84

Sr 、86

Sr 、87

Sr 和88

Sr ,它们都是稳定的。其中87S r 是由87Rb 经β衰变而成,故随着87Rb 的衰变,87S r 在地质历史中是逐渐增多的。实际工作中,锶同位素的组成一般用87

Sr /86

Sr 值来表示。

(2)锶和钙在元素周期表中同属一个主族且位置相邻,并且锶的离子半径(0.113nm )与钙的离子半径(0.099nm )接近,同时锶与钾的离子半径(0.133nm )也相差不大,所以锶常常以类质同象的方式分散在含钙、钾的矿物中,如钙质碳酸盐(尤其

是文石)、角闪石和磷灰石等,而很少形成自己独立的矿物。

(3)在化学与生物化学过程中,锶不会产生同位素分馏,因而在研究物质迁移和变化过程中,

87

Sr /

86

Sr 是有效的示踪剂。

(4)锶在海水中的残留时间(≈106a )大大长于海水的混合时间(≈103a ),因而任一时代全球海水锶元素在同位素组成上是均一的,不受纬度、深度的影响[1]。

(5)海水中锶同位素有2个来源:①大陆古老的硅铝质岩石化学风化所提供的相对富放射性成因的壳源锶,具有较高的87S r /

86

Sr 值,全球平均值为

　第19卷第3期　2007年9月

岩　性　油　气　藏

LIT HO LOGIC RESERVOIRS Vo l.19No.3

Sep.2007

　

0.7119[2];②洋中脊热液系统所提供的相对贫放射性成因的幔源锶,具有较低的87Sr /86Sr 值,全球平均值为0.7035

[3]

。现代海水的87Sr /86

S r 值便是这2

个来源锶混合的结果,其平均值为0.709073±0.000003[4]。

(6)海相碳酸盐岩形成时,保存了当时地质条件下海水锶同位素组成的信息,因而现在可以通过对未受成岩后生变化影响、保存好的碳酸盐岩(尤其是其中的生物化石)的分析来获得过去的海水锶同位素记录。

2　全球海水锶同位素数据库和相应的

演化曲线的建立

Burke 等[5]

在分析了768个海相成因样品、DS -DP 岩心样品的基础上,首次获得了显生宙海水锶同位素曲线。Gao 等[6]对美国俄克拉荷马寒武纪(也包括奥陶纪)碳酸盐研究建立了相应曲线。Vei -ze r 等[7,8]

先后根据不同的数据拟定了显生宙以来的海水锶同位素变化曲线。Denison 、H ow arth 等[4,9]建立了寒武纪—奥陶纪海水锶同位素演化曲线,涉及了寒武纪的整个时限。McArthur 等[10]

以最佳的拟合方式建立了509M a 以来海水锶同位素曲线。

在国内,海相地层的锶同位素数据正在积累,海相沉积物的研究获得了较快发展,并逐步与国际接轨。黄思静等[11]在分析了136个海相碳酸盐样品的基础上,拟定了国内第一条锶同位素演化曲线———上扬子地台区的晚古生代海相碳酸盐锶同位素演化曲线(图1),黄思静等[12]又公布了上扬子地台区的石炭纪—二叠纪海相碳酸盐锶同位素演化曲线。黄思静等[13,14]公布了龙门山泥盆纪锶同位素演化曲线和重庆秀山寒武系海相碳酸盐的锶同位素演化曲线。石和等[15]据川黔地区海相上古生界92个样品建立了该地区晚古生代锶同位素曲线。石和等

[16,17]

建立了四川江油马角坝石炭纪锶同位素演

化曲线和贵州惠水地区石炭纪锶同位素演化曲线。黄思静等[18]公布了46个西藏晚白垩世海相碳酸盐的锶同位素数据,建立了演化曲线,并进行全球对比。石和等[19]

公布了西藏定日贡扎上白垩统锶同

位素曲线。

总的来看,我国显生宙的锶同位素数据有了一定积累,演化曲线也越来越完善,但同时我们也注意

到,早古生代奥陶纪(仅江茂生等

[20]

报道了塔里木

盆地塔中12井奥陶纪海相碳酸盐岩的锶同位素数据)、志留纪的锶同位素数据仍然比较缺乏,而中生代三叠纪的锶同位素研究也才刚刚开始

[21,22]

。

图1　上扬子地台区的晚古生代海相碳酸盐

锶同位素演化曲线[11]

Fig.1　Evolution curve of strontium isotope of Neopaleozoic

marine carbonate in upper Yangtze Platform

通过这些曲线的对比发现,各曲线在较大的时间尺度上基本相似,只是存在由于分析测试技术不完善带来的分辨率上的差别。换言之,海水锶同位素曲线在大时间尺度上具有全球一致性,因而具有全球对比的意义,也正因为如此,锶同位素研究才能够被广泛地应用于地学中的各个研究领域。

3　锶同位素在沉积学研究中的应用

随着锶同位素研究的不断深入,其应用领域不断扩展。如今锶同位素方法已广泛应用于物源、古气候与古环境、水文地球化学、矿床学等研究领域,甚至进入了象考古学这样的非传统地学领域。3.1　分析物质来源

锶同位素之所以可作为物源的示踪剂,其理论依据为:地质历史中海水的87

Sr /86

Sr 值是时间的函数,地质年代越久远,其中87

S r 积累越多,87

S r /86

Sr 值越高。因此可以根据沉积物的锶同位素组成及其变

60　岩　性　油　气　藏第19卷第3期　

化规律判读其物质来源。

近年来,锶同位素作为物质来源的示踪剂和记时器的研究在地球化学领域取得了一定进展。孟宪伟等[23]对我国长江、黄河流域泛滥平原细粒沉积物锶同位素组成的空间变化规律及其制约因素进行研究,初步探讨了黄海、东海沉积物物源锶同位素示踪的应用前景。孙省利等[24]研究了热水沉积岩的物质组成,认为其主要来源于地壳内部,而非陆源或海源,说明热水沉积岩是内生和外生作用的统一体。利用热水沉积岩硅、锶同位素可判断热水流体所流经途中岩石的性质及基底岩石的类型是沉积岩还是变质岩及火成岩,从而可进一步判断沉积时盆地是在陆壳还是在洋壳环境中演化的。张霄宇等[25]对南海东部海域表层沉积物进行锶同位素物源示踪研究发现,中国大陆陆源物质对南海东部海域沉积物的贡献由西向东、由北向南逐渐减小。饶文波等[26]对黄土高原物质来源进行锶同位素(结合Nd同位素)示踪研究,认为塔里木盆地、内蒙古中西部沙漠、青藏高原是黄土高原的主要物源区,而这些物源区及黄土高原又是远东地区风尘的生产地。

3.2　海相地层定年

利用锶同位素组成进行海相地层定年的方法是,将未知年代海相地层中内源沉积物(主要是碳酸盐、硫酸盐和磷酸盐等)的87S r/86Sr值与已建立的地史时期海水87Sr/86S r曲线或锶同位素数据库进行对比,从而可获得未知地层的年龄[7,27,28]。尽管国内在利用锶同位素组成和演化曲线进行海相地层定年方面尚处于萌芽阶段,但少数学者已做了有益尝试:如杨杰东等[29]利用锶(包括碳)同位素对苏皖北部上前寒武系的时代做了界定;潘家华等[30]根据太平洋海山磷酸盐的锶同位素组成确定了其形成年代;黄思静等[13]利用锶同位素确定了四川龙门山泥盆系剖面Frasnian/Famennian阶、以及泥盆/石炭系界线;郑文武等[31]对辽南与苏皖北新元古代地层作了用锶(包括碳)同位素对比及年龄界定;黄思静等[18]利用锶同位素标定了西藏南部岗巴剖面Cam-panian/Santonian阶和M aastrichtian/Campanian 阶界线;黄思静等[32]利用锶同位素对塔里木盆地塔中12井一些关键深度(中、上奥陶统的界线)进行了年龄标定,解决了塔里木盆地地层学中一些悬而未决的问题;黄思静等[21]利用四川盆地东北部中—下三叠统界线附近蒸发盐的锶同位素组成,获得了我国上扬子地区中—下三叠统界线的年龄值。

这些研究都说明我国海相地层的锶同位素研究已获得长足进步,并逐渐成为解决沉积岩定年这一沉积学、地层学难题的有效方法之一。然而,国内一些学者仍然对锶同位素定年的可靠性持怀疑态度,这可能与国内锶同位素地层学的研究精度有关。影响海相地层锶同位素定年可靠性的核心问题仍然是样品的成岩蚀变性和分析测试精度(包括了样品的溶解处理),这2个问题可能是造成数据较为离散的主要原因。随着分析测试仪器的更新及样品处理经验和锶同位素数据的积累,锶同位素定年的精度会逐渐提高并得到更为广泛的应用。

3.3　古气候、古海洋环境的研究

锶同位素是地球化学重要的示踪手段之一,结合C、O同位素可以为研究古气候、古环境的变化提供定量的依据。前人研究证明,从未经成岩蚀变的代表海水组成的海相碳酸盐(也包括硫酸盐、磷酸盐及其它一些可进行锶同位素分析的内源沉积物)所获得的海水锶同位素组成和建立的演化曲线是研究全球古海洋事件的重要依据。

海洋中87Sr/86Sr值是海平面变化的灵敏指示剂[11],而海平面的变化又与构造活动和气候变化密切相关。通过分析海相碳酸盐沉积物(包括硫酸盐)的87Sr/86Sr值,建立其随时间变化的曲线,可确定地层沉积形成时期的海平面变化特征[33]。

Dia等[34]和Clemens等[35]研究发现,海洋锶同位素曲线与气候变化相一致,即冰期时,冰盖层最大,海平面最低,海洋87Sr/86Sr值最小。Sophie Verhey den等[36]对比利时全新世的洞穴堆积物(如钟乳石)的研究发现,受西欧古气候影响,海水驻留时间的改变和风化进程的改变导致岩石中的M g/ Ca、Sr/Ca和87Sr/86S r值发生变化。Ho ng chun Li 等[37]利用70～280Ky r年前的洞穴堆积物(钟乳石)的δ18O、δ13C、Sr/Ca和87Sr/86S r等值进行了古气候重建,研究发现影响黄土高原的东亚季风夏季风,在间冰期比冰期更为强烈。

在国内,韦刚健等[38]所研究的南海浮游有孔虫的海水锶同位素变化趋势大体表现为,气候冷期87Sr/86Sr值为低值,气候暖期对应于87S r/86Sr值为高值。孙志国等[39]通过西沙珊瑚礁锶同位素研究古环境并反演青藏高原的隆升。孙志国[40]又研究了黄河三角洲贝壳堤的锶同位素特征,从锶同位素记录获得了4次陆源物对渤海湾的强输入事件和2次海退事件。陈俊等[41]对陕西洛川黄土剖面中Rb、S r的含量变化及其在不同粒级与不同相态中的分布进行研究,从2.6M a以来S r含量总体演化趋

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　2007年 刘昊年等:锶同位素在沉积学中的研究与进展

势与北半球冰量变化模式的相似性验证了高纬度冰盖生长与东亚季风强度之间存在着耦合关系。张霄宇等[25]根据南海东部柱样沉积物87Sr/86Sr值,结合δ13C、δ18O同位素数据分析认为,南海15万a来经历了2次较大规模的冰期和3次间冰期。苏晓云等[42]对黄土高原洛川黑木沟黄土剖面中的锶同位素研究也显示,黄土-古土壤87S r/86Sr曲线大体上与海水87Sr/86Sr曲线具有同步的变化。杨杰东等[43]测定了7M a B.P.以来灵台剖面红粘土和黄土-古土壤序列的酸不溶物S r和Nd同位素组成,研究样品酸不溶物87S r/86Sr变化可明显分为2个阶段:第一个阶段,7～2.5Ma B.P.,为红粘土层,酸不溶物87Sr/86Sr稳定位于高值,反映了东亚冬季风处于相对平稳的弱势;第二个阶段,从2.5M a B.P.到现在,酸不溶物87Sr/86Sr呈下降趋势,波动加强,反映了东亚冬季风不断增强,并且冬季风和夏季风交替变化加强。饶文波等[26]对黄土高原黄土酸溶物锶同位素研究得出,87Sr/86S r值清楚地记录了夏季风演变的信息,而残余物S r比值明显反映了冬季风的变化特征。

这些研究表明,87S r/86Sr值变化反映了全球气候变化,可作为气候演变的替代指标之一。但值得注意的是,海水锶同位素变化曲线与海平面变化曲线并非简单的对应关系,这是因为海水锶同位素组成与演化的控制因素是多方面的,在利用海水锶同位素分析古气候、古环境时一定要综合考虑各种控制因素。例如黄思静等[44]对晚二叠世—早三叠世海水锶同位素演化主要趋势和控制因素的研究得出,造成该时期锶同位素组成和演化与全球海平面升降不一致的原因可能有以下几方面:①洋中脊快速扩张;②晚二叠世的裂谷作用;③二叠—三叠纪界线的生物绝灭事件及其后三叠纪初期的生态萧条,造成全球大陆植被缺乏和风化速率加快。

除了海相碳酸盐和其它内源沉积物的锶同位素研究以外,碳酸盐(以及其它有关矿物)的锶同位素研究还有着更为广阔的前景。近年来,碳酸盐的锶同位素组成与演化在代表海水的海相碳酸盐(或其它内源沉积物)领域获得较快发展的同时,也在其它一些相关领域得到了广泛的关注与应用,这些领域包括沉积地质学、矿床学、地球化学(尤其是沉积地球化学和水文地球化学)、石油地质学以及环境地质学等。

3.4　沉积地层的水-岩相互作用研究

人们利用已建立的全球海水锶同位素-年龄数据库或已有的全球海水锶同位素演化曲线[3,9,10](包括不同尺度的曲线对比和一些地层年龄的锶同位素标定结果),研究沉积地层中各种矿物(它们可能代表、也可能不代表同期海水或只与同期海水存在某种联系)和流体(它们可能是海水或沉积期后形成的各种流体,与同期海水有关或无关)间的相互作用。这些领域包括:沉积地层的水-岩相互作用研究,沉积、成岩矿物形成过程中的流体性质及这些矿物的形成机制研究,也包括某些沉积-层控矿床的形成机制与相应流体性质研究[45～54]。张涛等[55]对塔河奥陶系岩溶带碳酸盐岩锶同位素的研究,探讨了流经大陆硅铝质岩石或岩层的地下水对奥陶系碳酸盐岩岩溶作用的影响,并对塔河古岩溶期次进行了识别、预测;黄思静等[56]对碎屑岩地层中碳酸盐胶结物锶同位素的研究,探讨了利用自生碳酸盐胶结物研究碳酸盐矿物物质来源、形成相对时间及(海相、陆相和深部)流体对成岩作用的影响;黄思静等[57]对沉积期后流体对海相碳酸盐锶同位素影响的研究,揭示了成岩过程中深部流体作用(包括同期火山物质的溶解)可向碳酸盐提供深源锶并造成87Sr/86S r值偏低;黄思静等[58]从锶同位素角度对四川盆地东北部飞仙关组白云石化过程中流体性质和水-岩相互作用的研究,揭示了海源流体在三叠系飞仙关组白云石化中所发挥的作用;彭建堂等[59]对贵州晴隆锑矿床中萤石锶同位素的研究,认为晴隆锑矿不是简单的“海相火山喷流沉积成因”或“原地改造产物”,其成矿流体和成矿物质均具有外部来源参与而不单单是来自赋矿围岩,可能与下伏基底岩石有关;吕志成等[60]对下寒武统毒重石矿床锶(也包括碳、氧)同位素的研究,认为毒重石的成矿流体主要为早期成岩阶段沉积物中由海水、有机质组分和火山物质组分相互叠加和混合而组成的孔隙水有机成矿流体;夏菲等[61]对取自贵州天柱大河边和玉屏下寒武统重晶石矿床锶同位素的研究,为其研究区矿床的海底热水沉积成因提供了新的证据,并对区分晚期叠加的重晶石矿化提供了依据;颜佳新等[62]对华南二叠系栖霞组菊花状天青石锶同位素的研究,认为可利用碳酸盐锶同位素特征识别晚期成岩作用的影响;郝伟林等[63]对鄂尔多斯盆地北部某铀成矿带中地下水锶同位素组成的示踪研究,认为该研究区直罗组和延安组时期的盐岩应为陆相成因,影响锶同位素组成的主要控制因素应该是高87Sr/86S r值的壳源硅铝质岩石的进入。

这些研究大多都会不同程度地利用或参照已有

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　岩　性　油　气　藏第19卷第3期　

的同期或非同期海相碳酸盐(或海水)锶同位素数据或演化曲线,从而为沉积-层控矿床成因研究、沉积岩成岩作用研究、大陆风化作用研究、气候或生态系统变化研究提供了崭新的研究思路和方法,也显示出沉积物或流体的锶同位素研究在地球科学中所具有的潜在价值。

3.5　水文地球化学的研究

近年来,锶同位素也越来越多地用于河水和溶质来源的水文地球化学及水-岩反应强度的研究,其理论依据仍然是锶同位素的地球化学示踪效应。

韩贵琳等[64]研究了贵州喀斯特地区2条主要水系(乌江水系和沅江水系)S r2+浓度及87Sr/86Sr值的变化,发现流经不同岩层地下水具有不同的87Sr/ 86Sr值。结合Na/Ca、M g/Ca值确定,河水溶质来源于3个端元物质的风化(石灰岩、白云岩和硅酸盐岩),且主要受灰岩风化作用的控制。赵继昌等[65]研究了长江源区河水中的87S r/86Sr值及主要离子浓度,并根据物质运移均衡方程计算了河水中各类主要元素及锶所占的比例,分析了长江源区主要河流的补给来源。赵平等[66]对滇藏地热带的热水锶同位素研究,初步探讨了热水的深部滞留环境,认为在水热系统中,热水的87Sr/86S r值可以用来指示热储的岩性特征。王中良等[67]对长江河口水的87Sr/ 86Sr值及S r元素浓度进行研究发现,与世界较大河流及世界河流平均值相比,长江水具有较高Sr元素浓度和较低87Sr/86Sr值的特点。87Sr/86Sr值在长江口水体混合过程中显示了一定区域内的异常升高现象,而不是简单的两端元理想混合模式,可能是该区水体和沉积物相互作用比较强烈而引起沉积物与上覆水体发生物质交换。宋军等[68]通过对桂林地区的3个典型岩溶地下河系统不同类型水样化学组分分析及资料整理,得到地下河系统不同类型水的锶元素及其同位素变化规律,总结了桂林地区岩溶水锶元素水文地球化学特征。杨郧城等[69]利用Sr同位素技术研究了鄂尔多斯白垩系自流水盆地地下水的循环与演化。

4　锶同位素在地质学其它领域的研究

随着锶同位素研究的深入,其应用领域越来越广泛,在地质学一些新兴学科和边缘学科中的应用也得到了初步发展。

锶同位素可以作为高分辨率地层划分的工具(锶同位素地层学,SIS),利用87Sr/86Sr值可有效地对深海沉积岩心进行地层划分。谢渊等[70]对羌塘盆地那底岗日地区中侏罗世沉积的碳酸盐岩层序地层的研究,得出不同层序、层序界面及层序内不同体系域的87Sr/86Sr值(包括δ13C、δ18O值)的差异及其变化规律,为层序地层研究提供了定量的地球化学数据。锶同位素用于环境地质方面的研究,如韩贵琳等[71]利用锶同位素的地球化学示踪效应,初步分析了造成该地环境污染的酸雨溶解质来源,发现该地雨水溶质主要来自人类活动,其次为岩石、矿物风化输入,海相输入很小或者可以忽略不计。锶同位素用于考古学中的研究[72]认为,牙釉质中的锶同位素可反映出人的出生地,骨骼中的锶同位素可反映出人的死亡地。

5　结　语

目前,在沉积学中,锶同位素的研究领域在不断拓宽和延伸,但仍较多运用于海相地层的研究。从国际上海相碳酸盐锶同位素研究来看,其年代效应、地层学意义和全球可对比性远远大于碳、氧同位素,近年来各国地质学家对锶同位素数据的关注程度也超过碳、氧同位素,特别是获取不同地质历史时期海水的锶同位素数据,建立相应的系统演化曲线已成为各国地质学家关注的焦点之一,它是进行各种全球地质事件对比研究的基础系统资料。到目前为止,国内对海相碳酸盐的锶同位素研究也越来越广泛和深入,在实际运用过程中积累了不少的数据,并取得了一定成果,但与碳、氧同位素组成的研究相比,锶同位素研究还不够成熟,这可能与我国锶同位素研究起步较晚,研究水平较低有关。因此,还需沉积学家和地层学家等的进一步努力,以推进锶同位素技术在沉积学研究中获得更大发展。

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