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
用全岩Rb-Sr 法成功地测定了前寒武纪页岩、粉砂岩、砂岩、硬砂岩、板岩、千枚岩和片岩等岩石的同位素地质年龄。

由于 Rb与K 以及Sr与 Ca具有地球化学一致性,因此人们在选择Rb-Sr法测定的对象时,往往寻找含 K矿物,因此一般适用K-Ar 法测定的对象也适用于Rb-Sr年龄测定。

1．云母类矿物如果没有受过后期变动,火成岩中的黑云母和白云母对R b、Sr有较好的保存性,因此经常被用于Rb-Sr同位素年龄测定。

如果岩体受过后期变动,那么黑云母比白云母更容易受到影响,更易造成R b、Sr的得失。

2.长石类矿物 ( 钾长石、微斜长石、斜长石等 ) 这类矿
物中放射成因87Sr保存能力很好。

但有时也会出现Rb /Sr比值异常, 因此给年龄测定工作带来困难。

3.闪石和辉石类矿物类矿物中Rb/Sr 比值较低,世界上得到这类矿物的年龄数据也很少,但可以直接从辉石中测定87S r/86Sr的初始比值,作为研究岩石形成机理的示踪剂。

4.沉积岩中的自生矿物海绿石国外一些学者认为海绿石中的Rb/Sr比值较适合作年龄分析，但又认为海绿石的Rb-Sr年龄往往比可作比较的火成岩的云母 Rb-Sr年龄偏低。

以上各类单矿物均可用于Rb-Sr年龄测定,所需样品量一般
3-5克,纯度达9 %以上。

三、Sr同位素在其他地学研究中的应用
3.1黄土沉积中 Rb/Sr比值的古环境指示意义
在黄土高原随着风化程度增强风化产物中Rb/Sr比值明显增加,其Rb/Sr比的大小和风化程度呈正相关关系,因此陈骏等认为,Rb/Sr 比可以作为地表岩石和沉积物风化成壤的指标建立黄土-古土壤序列中Rb/Sr比分布与夏季风场强度变化有内在联系,使之成为重建黄土高原夏季风变迁的又一替代性指标。

3.2 Sr同位素在封闭、半封闭湖水中，对环境的指示意义
湖泊，尤其是封闭式和半封闭式湖泊，是气候和环境演化的敏感指示器，也是气候与环境变迁的忠实记录者，湖泊沉积物具有连续性、敏感性和高分辨率特点，这为研究古气候在恢复和各种重塑短时间尺度的气候和环境演化序列上，具有其他自然历史记录无法替代的优势。

测量出生物壳体中87Sr/86Sr的比值，将此比值和海水河水中87Sr/86Sr比值对比，可以判读出此生物壳体生活的湖水是否是封闭湖或是半封闭湖。

对于封闭湖，其Sr的含量明显高于同期海水中Sr的含量。

3.3 Sr 同位素对古盐度研究的意义
由于Sr同位素不会因为化学和生物作用而发生分馏,因此在水体中与碳酸钙矿物共沉淀的Sr也不会产生同位素分馏作用。

如果碳酸钙矿物沉积后没有遭受后生成岩作用，其将保持并记录了沉淀时水体的87Sr/86Sr比值。

我们利用生物壳体和碳酸盐岩Sr同位素组成来
重建古盐度，以恢复和重建古沉积环境。

在自然界中，特定矿物风化释放的Sr具有自己特征的87Sr/86Sr比值，各水体流经地质体时，便带出了特征的Sr ，造成不同水体具有了不同的87Sr/86Sr比值，即地表水与海水具有不同端元的87Sr/86Sr比值。

因此，利用87Sr/86Sr盐度的关系图可以灵敏地解析出沉积水体的何种端元占主导和所占的比例来判别沉积古环境，以及定量求出盐度及变化。

四．结语
Sr 同位素体系的探讨已成为近代地球科学的一个重要研究领域。

其中,依据87Rb衰变原理测定地质体年龄的方法得到了广泛的应用。

五十年代以来,由于稳定同位素稀释技术的引入及方法理论的提高,Rb一Sr法有了飞跃发展。

目前,它的适用范围已扩大到大部分变质岩、岩浆岩以及某些沉积岩、火山岩的矿物和全岩,而锶同位素的研究已在岩石成因、岩浆起源、地球物质演化、陨石及月球研究等有关领域中取得了一系列成果。

Sr同位素组成不仅是反映岩石或矿物年龄的一项指标,而且还是研究岩浆岩岩石成因的指示剂。

Sr同位素在地质学上具有多方面的应用。

随着测量手段的进步，相信其在未来具有更加广阔的应用空间。

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