锶同位素的几种应用_杨立成

由于Ｓｒ同位素不会因为化学和生物作用而发生分馏， 因此，在任何水体中，与碳酸钙矿物共沉淀的Ｓｒ也不会产 生同位素而发生分馏作用，沉积后如果没有遭受后生成岩 作用，碳酸钙矿物就保持并记录了沉淀时水体的 ８７Ｓｒ／８６Ｓ ｒ 比 值 。 在 自 然 界 中 ， 某 一 特 定 矿 物 风 化 释 放 的 Ｓｒ通常具有自己特征的８７Ｓｒ／８６Ｓｒ比值，各水体由于活动时 会带出流经地质体中的Ｓｒ，造成不同水体可能具有不同的 ８７Ｓｒ／８６Ｓｒ值，与不同的地质环境相对应。以此就可恢复或 重建古沉积环境。如图１［２］，在靠近陆表水端员若每增加 １％的海水都能急剧地改变水体的８７Ｓｒ／８６Ｓｒ值，当海水从０增 到１，其所改变水体的８７Ｓｒ／８６Ｓｒ值占海水和陆表水差值的最 低比例分别达到８％～９％时，反映出了较好的灵敏度，即一 种水体只要有海水的加入（＞１％）就能清晰地辨析出来。而 在靠近海水端员的８７Ｓｒ／８６Ｓｒ值保持相对稳定，但盐度显著 改变。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员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。
锶是自然界中广泛分布的微量元素，原子序数是３８， 原子量为８７．６２，位于元素周期表第五周期ⅡＡ族，它在自 然 界 中 有 ４ 个 天 然 稳 定 同 位 素 ， 即 ： ８４Ｓｒ， ８６Ｓｒ，８７Ｓｒ和 Ｓ８８ ｒ。它们的平均同位素丰度分别为：８２．５８％、７．００％、 ９．８６％和０．５６％［１］。近年来，锶同位素研究方法已经逐渐成 为一种新兴的沉积同位素地球化学研究工具。随着科学技 术的发展，该方法已经越来越广泛地应用于各个学科领 域。以下为锶同位素在地学中的几种应用。 １ 古盐度研究
可以作为地表岩石和沉积物风化成壤的指标，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，可望
成为重建黄土高原夏季风变迁的又一替代性指标。对陕西洛
川黄土剖面的进一步研究表明，Ｒｂ和Ｓｒ分离程度和风化成壤
程度之间呈正相关关系，Ｒｂ／Ｓｒ比值是衡量风化成壤强度的
指标，按Ｒｂ／Ｓｒ比可以正确地区别出剖面中的黄土层和古土
由于锶在海水中的残留时间（≈１０６ａ）大大长于海水的 混合时间（≈１０３ａ），因而任一时代全球范围内海相锶元素 在同位素组成上是均一的，从而导致地质历史中海水的 ８７Ｓｒ／８６Ｓｒ比值是时间的函数，这是锶同位素地层学的基本原 理［８］。当海相同生矿物（如生物或非生物成因的碳酸盐沉积 组分、海水碳酸盐胶结物、磷灰石、重晶石等）形成的时 候，它们从海水中获取锶，其间的分馏可忽略，因而保存 了其形成时的８７Ｓｒ／８６Ｓｒ比值，我们便可以通过未知年代地层 中未遭受成岩蚀变的海相同生矿物的８７Ｓｒ／８６Ｓｒ比值，利用已 建立的地质历史中海水８７Ｓｒ／８６Ｓｒ曲线或锶同位素数据库，推 断未知地层的可能年代［９］。黄思静（２００４）利用塔里木盆地 塔中１２井海相碳酸盐的锶同位素分析结果，确定了该井 中、上奥陶统和中、下奥陶统的界线，两个界线分别位于 井 深 ５１２０ｍ（８７Ｓｒ／８６Ｓｒ≈ ０．７０８８， 年 龄 为 ４６５Ｍａ）和 ４８８０ｍ处 （８７Ｓｒ／８６Ｓｒ≈ ０．７０８２，年龄为４５５Ｍａ），中、上奥陶统的界线 为本文首次确定，中、下奥陶统的界线与前人利用牙形石 资料确定的界线一致。塔中１２井的锶同位素演化曲线说 明，尽管构造运动造成的盆地抬升和近地表的大气水作用 影响了上奥陶统顶部碳酸盐的锶同位素组成，但塔中１２井 奥陶系与上覆地层的关系基本上是连续的，奥陶系顶界的 井深在４６５０ｍ附近（８７Ｓｒ／８６Ｓｒ≈０．７０７９，年龄为４３５Ｍａ）。 ４ 结语
开发应用
锶同位素的几种应用
杨立成１ 朱 莎２
（１．成都理工大学能源学院， 四川 成都 ６１００５９；２．大庆油田有限责任公司第四采油厂，黑龙江 大庆 １６３５１１）
摘 要：本文通过研究总结了目前锶同位素在地质学中的几种应用，自然界中８７Ｓｒ随８７Ｒｂ的放射性衰变而发生变化来研究 古盐度，以及指示黄土沉积中指示古环境在湖泊沉积中以及海洋学中，具有良好的化学和示踪指示意义，同时还可 以利 用锶同位素进行地层定年。 关键词：锶；同位素；应用 ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－６３９６．２０１０．２８．０１４
Ａ
Ｂ
图１ ８７Ｓｒ ／８６Ｓｒ盐度图（刘秀明，２０００）
最近的研究成果表明，黄土中碳酸盐的Ｓｒ元素组成变化
可以指示风化程度Biblioteka Baidu古气候的变化。根据对各种地表岩石和
沉积物风化剖面中的Ｒｂ和Ｓｒ地球化学的研究认为，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［３］，因此，陈骏等认为，Ｒｂ／Ｓｒ比
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中国西部科技 ２０１０年１０月（上旬）第０９卷第２８期总 第２２５期
出贡献。 ２．２ 湖泊沉积研究中Ｓｒ的地球化学指示意义
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 究古气候在恢复和重塑各种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。
海水中８７Ｓｒ／８６Ｓｒ比值的高低实质上既反映了Ｓｒ的来源， 也反映了与火山活动及海平面升降之间的相关关系。田景 春等研究发现，Ｓｒ同位素的演化与海平面升降有明显的相 关关系，即海平面升降与碳酸盐岩的Ｓｒ同位素组成呈负相 关关系［７］，这与Ｓｐｏｏｎｅｒ的结论是一致的。而实际上，由于 区域地壳隆升运动的影响，锶同位素组成和同位素演化规 律与海平面变化的关系并非都是那么明显。总而言之，锶 元素已经广泛应用于海洋学的研究，如用于研究海平面的 变化和进行全球对比，以及用于恢复古环境和古气候，了 解大陆壳的风化程度和古海洋的演化过程等等。 ３ 利用锶同位素地层学进行地层定年
壤层。陈骏等在前人的基础上进一步研究了洛川黄土－古土
壤序列中２．６Ｍａ以来Ｒｂ／Ｓｒ比值的变化，通过与磁化率的对比
来分析Ｒｂ／Ｓｒ比值作为长尺度季风替代性指标的可靠性与灵
敏度，并得出肯定的结论，因此，Ｓｒ的含量变化及其同位素
地质分析研究有望在重建第四纪气候区域性演化历史方面作
收稿日期：２０１０－０８－２５ 修回日期：２０１０－０９－１４ 作者简介：杨立成（１９８５－），男，硕士研究生，从事石油地质研究工作。
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海洋中Ｓｒ同位素组成是极具有研究价值的地球化学示 踪参数。自８０年代中期以来，Ｓｒ同位素在探讨全球海洋环 境演变研究中发挥了重要作用；珊瑚骨骼、有孔虫等生物 成因的碳酸盐物质直接记录了其形成时期周围海水的Ｓｒ同 位素组成，而且高度富集这些元素，是探测海水Ｓｒ同位素 组成的理想研究对象。
Ｓｒ同位素组成可以反映沉积环境及指示物源区性质。 韦刚健等认为，南海珊瑚的Ｓｒ同位素组成表现出了开放大 洋不同的变化特征，反映出周边大陆物质输入对南海海水 Ｓｒ同位素的组成具有重要的影响［５］。桂训唐通过对南沙海域 沉积物Ｓｒ同位素研究发现，Ｓｒ同位素的组成具有明显的区 域性差异，反映了沉积环境和物质来源的差异［６］。
位素［Ｊ］．矿物学报，２０００，２０（１）：９１～９６． ［３］ 陈 骏，汪永进等．中国黄土地层Ｒｂ和Ｓｒ地球化学特征及其古季
风气候意义［Ｊ］．地质学报，２００１，７５（２）：２５９～２６５． ［４］吴敬禄，Ｇ．Ｈ．Ｓｃｈｌｅｓｅｒ，夏威岚等．青藏高原东部兴措湖生物壳体
元 素 及 同 位 素 记 录 的 气 候 环 境 信 息 ［Ｊ］．湖 泊 科 学，２００１，１３（３）：２２０～２２５． ［５］韦刚健，李献华，聂宝符．南海表层海水Ｓｒ－Ｕ同位素记录及其环境 意义［Ｊ］．海洋与湖沼，２０００，３１（４）：４２６～４３１． ［６］桂训唐，于津生，李献华等．南沙海域沉积物Ｓｒ－Ｏ同位素组成与古 环境［Ｊ］．科学通报，１９９３，３８（１９）：１７８６～１７９０． ［７］田景春，曾允孚．中国南立二叠纪古海洋锶同位素演化［Ｊ］．沉积 学报，１９９５，１３（４）：１２５～１２９． ［８］ Ｗｉｃｋｍａｎ Ｆ Ｅ．Ｉｓｏｔｏｐｅ ｒａｔｉｏｓ： ａ ｃｌｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ａｇｅ ｏｆ ｃｅｒｔａｉｎ ｍａｒｉｎｅ ｓｅｄｉ－ｍｅｎｔｓ．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇｅｏｌｏｇｙ，１９４８，５６：６１～６６． ［９］ 黄思静，石 和，张 萌等．锶同位素地层学在奥陶系海相地层 定 年 中 的 应 用 －－以 塔 里 木 盆 地 塔 中 １ ２ 井 为 例 ［ Ｊ］．沉 积 学 报，２００４．２２（１）：１～５．
２ 环境分析方面的应用 ２．１ 黄土沉积中Ｓｒ的古环境指示意义
中国黄土分布面积广，黄土高原上连续沉积的黄土－古 土壤序列完整地记录了最近２．５Ｍａ东亚大陆古环境和古气候 的演变过程。在指示夏季风环流强弱的指标中，磁化率历来 被认为是有效的代用指标，可与深海氧同位素记录进行很好 的对比。但由于磁化率的变化机制尚未弄清，影响因素比较 复杂，故还需辅以其它指标予以佐证。
利用锶同位素的研究可以对古盐度进行研究，以此恢 复和重建古沉积环境，同时它的研究对沉积环境具有指示 意义，利用锶同位素地层学进行地层定年，对地质演化的 过程具有重要意义。 参考文献： ［１］ 刘英俊，王鹤年，曹励明，储同庆等．元素地球化学［Ｍ］．科学出版
社，１９８４． ［２］ 刘秀明，王世杰，孙承兴等．（古）盐度研究的一种重要工具锶同
近年来湖泊生物体碳酸盐同位素及其微量元素（如Ｓｒ、 Ｍｇ、Ｃａ）气候代用指标在过去全球变化定量研究中日益受到 重视，并取得了较好的成果。其中对Ｓｒ的含量变化及其同 位素组成研究较多。王世杰等对泥河湾盆地小渡口剖面研 究时发现，小渡口剖面７个层位的有孔虫样品８７Ｓｒ／８６Ｓｒ比 值 处于０．７１１０５～０．７１２７４范围内，Ｓｒ值为３３～５１．１，明显高 于同时期海水的值０．７０９０８７～０．７０９１４７，也略高于黄河的 平均值０．７１１１［２］。该剖面有孔虫生活时的水体为内湖泊，完 全可以排除与海有联系的海相水体的可能性，这说明，壳 体地球化学可能是解决沉积盆地沉积环境问题的一条出 路。通过对青藏高原东部兴措湖的研究表明，Ｓｒ／Ｃａ比与该 盆地的夏半年的降水量关系较密切，呈负相关关系，国外 的研究成果也证明了这一结论，因此可以认为，封闭湖泊 生物壳体Ｓｒ／Ｃａ比指标是揭示壳体形成时降 水变化的有效指 标［４］。与其他指标相结合，可有效重建长尺度历史时期古降 水变化。 ２．３ 海洋学中Ｓｒ的地球化学指示意义
古盐度研究对恢复和重建古沉积环境具有重要意义。 Ｓｒ同位素由于其特殊的地球化学性质，在利用生物壳体和 碳酸盐岩Ｓｒ同位素组成重建古盐度具有一定的优越性，可 以弥补其它地球化学研究方法的不足［２］。由于在自然界中 Ｓ８７ ｒ还可以通过８７Ｒｂ的放射性衰变形成，因而８７Ｓｒ的丰度是 变化的。地球化学就是应用变化的 ８７Ｓｒ值，以８７Ｓｒ ／８６Ｓｒ形 式研究地质过程。