地质矿物风化作用下形成锶同位素在沉积学领域的应用

2020-12-10郭耀庚

世界有色金属 2020年22期

关键词：物源碳酸盐岩海平面

郭耀庚

（成都理工大学，四川成都 610059）

近几十年来，随着国内外学者们对锶同位素研究的不断深入，其研究方向开始逐渐拓展到沉积岩领域，这种转变得益于前人对显生宙以来海水锶同位素的研究与锶同位素数据的不断积累。

这些数据为锶同位素在沉积学中的应用创造了条件，同时也完善了锶同位素理论，拓宽了其应用领域。锶同位素在沉积学领域中多用于海相地层定年、研究海平面变化、分析物质来源等。

1 锶同位素地层学

锶同位素地层学最早由瑞典地质学家Wickman 于1948 年提出，其基本原理是：锶在海水中的残留时间（≈106a）远远大于海水的混合时间（≈103a），因此可认为全球范围内海水Sr 元素在同位素组成上是均一的，使得海水87Sr/86Sr 值为时间的函数。

海水87Sr/86Sr 值主要受壳源锶和幔源锶2 个来源锶的影响，壳源锶主要由陆地岩石的风化提供；幔源锶主要由洋中脊热液系统提供。各类地质事件，如全球构造运动、洋中脊活动、海平面升降都会影响到壳源锶与幔源锶的相对供给，从而影响海水87Sr/86Sr 值的变化，87Sr/86Sr 值的变化同样也可反映地质历史时期的各类事件。

目前国内外已积累了众多自显生宙以来全球海水锶同位素数据，并建立了锶同位素演化曲线，其为海相地层定年、古环境、古盐度的研究等提供了重要依据。

2 锶同位素在沉积学领域的应用

2.1 海相地层定年

根据锶同位素地层学的基本原理，在百万年的时间尺度上全球海水Sr 元素在同位素组成上为均一的，即87Sr/86Sr值为恒定值。

利用这一原理，就可以对海相沉积岩石进行地层划分和查明沉积历史。某一地质历史时期，当海相碳酸盐岩开始形成时，它们会从海水中获取锶，其中锶的分馏可忽略不计，因此就保存了当时海水的87Sr/86Sr 值，若其后期未遭受成岩蚀变作用，我们便可通过实验室测试分析的方法来测定海相碳酸盐岩的87Sr/86Sr 值，并利用前人已经建立的地质历史中各时期海水锶同位素数据库或海水锶同位素曲线，来推测其所处未知地层的可能年代。

目前为止，国外已经有很多成功利用海相碳酸盐岩的87Sr/86Sr 值来确定未知地层年代的实例，McArthur 等人对509Ma 以来的海相地层的碳酸盐岩锶同位素数据进行了拟合，并建立了锶同位素演化曲线，该曲线是目前国际上对海水代表性最好、完整度最高的一套锶同位素曲线，其为海相地层定年提供了重要的基础资料。

但该方法在国内起步较晚，一些国内学者仍对此方法持有怀疑的态度，这可能与锶同位素的样品选取与处理有关，其中最大的问题仍然是样品成岩蚀变的鉴定与测试分析方法（包含样品的溶解处理、锶的提取），二者是导致国内样品数据可靠性较差的主要原因。

利用锶同位素进行海相地层定年，首先需要大量的且真实代表海水锶同位素组成数据的积累；并以这些数据为基础，建立一个相应的、具有全球代表性的锶同位素年龄数据库来用于地层定年。其次需要一套高精度的对海相碳酸盐岩样品的成岩蚀变鉴别与实验处理方法，以便保证数据的真实可靠性。相信随着样品处理方法的改进以及数据的不断积累，锶同位素的海相地层定年在国内会得到更为广泛的应用。

2.2 海平面变化的研究

海水87Sr/86Sr 值的变化与海平面升降呈负相关。当海平面升高时，陆地面积暴露减小，风化作用速率降低，陆源锶供给减少，导致海水中87Sr/86Sr 值减小。反之，当海平面下降时，陆地暴露面积增大，大陆岩石风化速率加快，陆源锶供给增多，造成海洋87Sr/86Sr 值增大，这一结论已被众多学者所证实。

Arthur 等通过对中新生代海水87Sr/86Sr 曲线演化与海平面变化的对比分析后指出，87Sr/86Sr 值的升高对应了海平面的下降期，而87Sr/86Sr 值的降低与海平面上升期相对应因此，海洋沉积物中87Sr/86Sr 值的高低反映了当时海平面的升降变化，根据这一特性，87Sr/86Sr 值可作为研究海平面变化的灵敏指示剂。

若想要研究某一地质历史时期的海平面升降变化，可在对应时期的钻井岩芯或野外剖面上连续取样，并在实验室中对样品进行测试分析，其结果便可用来阐明海平面的升降变化。