Sr同位素地球化学

Sr同位素及其在地学研究中的应用

摘要：Sr的同位素是非常有意义的地球化学指标，具有广泛的应用。包括Rb-Sr 法定年与其他的元素结合应用于岩浆岩的划分地层年代的确定,恢复古气候环境等。本文主要对Sr同位素特征及其在Rb-Sr定年中的应用做一定的探讨和总结，并对Sr同位素在其他地学研究中的应用做一些简单介绍。

关键词:Sr同位素 Rb-Sr测年 Rb/Sr比值

前言

自然界中Sr有四个同位素包括84Sr、86Sr、87Sr和88Sr，其中87Sr 可以由87Rb通过衰变得到，因此最初用途是Rb-Sr法定年之后随着地球化学的发展Sr元素的用途逐渐扩展，现在其用途已是十分广泛。自40年代初Rb-Sr衰变开始被用于地质年龄测定以来,Rb-Sr同位素已在地球科学的各个领域获得了广泛的应用。尤其是近年来,随着 Rb-Sr同位素地球化学理论和测试技术的进一步成熟和完善,Sr 同位素作为研究风化系统中环境、水文、生物地球化学物质循环问题的有力工具。

一、Sr同位素

锶的原子序数是38，原子量为 87.62 ，位于元素周期表第五周期第ⅡA 族，属碱土金属元素。锶的离子半径（1.13Å）稍大于钙的离子半径（0.99Å），因而锶可以类质同象的方式分散在含钙的矿物中，如斜长石、磷灰石和钙质碳酸盐（尤其是文石），但锶很少替换富钙辉石（如透辉石、普通辉石等）中的钙。由于锶和钾的离子半径相差不大，所以Sr2+也能被捕获在含钾矿物中K+ 的位置上。Sr有四种同位素：84Sr-0.56%,86Sr-9.86%,87Sr-7.02%,88Sr-82.56%。其中，87Sr

和87Rb 通过β－衰变形成的放射性成因Sr 同位素。

在1906年，由 N. R. Campbell 和 A. Wood 首先发现铷的天然放射性。 1937年， O. F. Hahn 和 J. Mattauch 确定这种放射性是由87Rb 引起的。O. F. Hahn 和 E. Walling 在1935年对应用87Rb 衰变成87Sr 来确定含铷矿物年龄的可能性进行了讨论，并在1943年应用这种方法测定了第一个年龄值。不过，早期的测定对象仅限于富铷的矿物如锂云母、铯榴石等。自五十年代以来，由于同位素化学分离技术的改进，固体同位素质谱计和质谱同位素稀释法的应用，以及全岩 Rb －Sr 等时线法的应用和不断完善，因而锶同位素在地质科学领域内的应用获得了飞速的发展。 Rb-Sr 等时线法不仅适用于测定各种地质体的同位素年龄，而且更为重要的是，在年龄测定过程中，所获得的初始87Sr /86Sr 是一个十分重要的地球化学参数。在解决诸如地球的演化、地壳的形成机理、岩浆作用、岩石与矿石的成因以及成岩成矿物质来源等许多重大地质问题上，初始87Sr /86Sr 具有十分重要的意义。

二、Rb-Sr 法测年原理及其应用

2.1 Rb-Sr 测年原理

铷有两个天然同位素：85Rb 和87Rb ，它们的平均同位素丰度分别为 72.17%和 27.83%。85Rb 是稳定同位素，87Rb 是放射性同位素。87Rb 通过β衰变形成稳定的放射成因87Sr 。

87Rb →87Sr +β-+

+Q (1)

式中，β-——负β粒子；

ν ——反中微子；

Q ——衰变能， 0.275MeV 。

目前所采用的87Rb 的衰变常数为 1.42×10-11a-1。

自然界的Rb 有两种同位素：85Rb-稳定同位素，其丰度为72.15%；87Rb-为放射性同位素，丰度为27.85%。自然界的Sr 有四种同位素：84

Sr-0.56%,86Sr-9.86%,87Sr-7.02%,88Sr-82.56%。其中，8７Sr 和87Rb 通过β－衰变形成的放射性成因Sr 同位素。其衰变规律如下：

)1()()()(8687086878687

-+=t s s e Sr Rb Sr Sr Sr Sr λ (2) 式中:

(87Sr/86Sr)s 是样品现今的比值,可由质谱直接测定;

(87Rb/86Sr) s 为样品现今的87Rb 和86Sr 同位素元子数比,分别通过同位素稀释法计算获得;

(87Sr/86Sr) 0为样品形成时的初始锶同位素比值；

λ为87Rb 的衰变常数；

t 是样品年龄，即矿物和岩石形成以来所经历的时间。

(2)式就是Rb-Sr 法计算各种地质体年龄的公式。

实际上,由于组成岩石或矿物的物质来源不同,在岩石或矿物结晶时混入的初始 87Sr/86Sr 比值,不一定等于0.712,当样品具有较复杂的历史如遭受变质作用或普通Sr 的同位素组成出现异常时,仍按假定初始比值的办法处理,将会导致错误的结果。为了避免因初始锶同位素比值的估计引起的误差,最好的办法是用等时线法计算年龄和

求得87Sr/86Sr初始比值。

一组化学成分不同的同源岩石或矿物,如果自结晶以来,Rb和 Sr 始终保持着封闭的化学体系而没有与外界发生交换。它们又是同时形成的,具有相同的年龄和不同的Rb/ Sr比值,但由于Sr 同位素的均一化作用,而有着相同的型87 Sr/86Sr 初始比值。在这些条件下, 方程式 (2)是斜率一截距形式的一次线性方程:

y=mx+b

其中:y=87Sr/86Sr ,m=eλt-1, x=87Rb/86Sr, b=87Sr/86Sr

一组同源同时形成的岩石或矿物样品, 87Sr/86Sr-87Rb/86Sr座标图上将构成一条直线。这条直线就叫等时线。直线上的各点代表一组具有相同年龄t和相同初始87Rb/86Sr比值的同源样品系统，其斜率

m=eλt-1。由图解法或最小二乘法求出斜率后,可按下式计算出这组同源岩石或矿物的年龄：

t=1/λ ln(m+1)

2.2适合 Rb-Sr定年的对象

Rb-Sr定年方法被应用于火成岩定年、陨石年代学、变质岩定年、沉积岩定年中，但是对不同的岩石进行定年过程中，其假设的条件测定的对象和对数据的解释是各不相同的。

具有简单地质历史的同源岩浆火成岩系列,应用全岩 Rb-Sr 等时线法可以得到满意的同位素年龄结果。但由于沉积岩中铷-锶的赋存、演变复杂以及陆源碎屑物中继承放射成因锶的存在,沉积岩全岩Rb-Sr年龄测定困难还不少，至今仍是探索的课题。国外许多学者应