锶同位素的研究进展与应用

李韶昱

摘要：随着海水锶同位素光谱测试分析技术的不断进步，以及目前人们对全球海水中的锶稳定同位素及其组成在全球碳酸盐岩层成岩物理作用中的可保存性的深入理解，锶同位素在全球海相中的碳酸盐成岩领域已经开始得到了广泛应用。由于不同来源物质中⁸⁷Sr/⁸⁶Sr的比值不同，因此海水锶同位素对于追踪不同物源有着重要作用。锶稳定同位素的研究在不同领域的研究中已经有较大进展，但受多项因素制约，发展较为缓慢。随着科研水平与人工技术的发展及全球深入应用研究，锶同位素在地质化学领域中将起着重要作用。

关键词：锶同位素  地化特征  追踪原理 应用特征

Research Progress and Application of Strontium Isotopes

LI Shaoyu

Abstract： With the continuous progress of spectral measurement and analysis technology of strontium isotopes in seawater， and people's in-depth understanding of the preservation of strontium stable isotopes and their composition in global carbonate rock formation diagenesis， strontium isotopes have begun to be widely used in the field of Carbonate Diagenesis in global marine facies. Due to the different ratio of⁸⁷Sr/⁸⁶Sr in different sources， seawater strontium isotope plays an important role in tracking different sources. The research of strontium stable isotopes has made great progress in different fields， but the development is slow due to many factors. With the development of scientific research， artificial technology and global in-depth application research， strontium isotopes will play an important role in the field of geochemistry.

Key Words： Strontium isotope; Geochemical characteristics; Tracking principle; Application characteristics

近年來，同位素分析在全球地质科学领域中的研究占有重要地位，其中C、O同位素分析已经发展了较长时间，已被众多学者熟知，而锶同位素分析我国还处于起始状态，因此我国学者对于锶同位素的发展寄予厚望，且锶同位素分析可以与C、O同位素分析结合，可以对全球性的地质事件进行综合分析，也可应用于具地方性质的局部地质事件综合研究^[1-3]。锶及其同位素的科学应用变得越来越广泛，目前已在地质沉积学、矿床物理学、层序地层学和地层物理学等多个领域的科学研究中广泛显示了重要指导作用，国外研究者也在此方面有了更深层次的关注^[4-5]。我国锶同位素不仅被广泛用于科学确定海相沉积物的形成年代，还广泛应用于我国盆地海相沉降史、造山盆地运动、物源分析、古气候与古盆地环境，锶同位素还是一种指示全球海平面升降状况变化的灵敏度和指示材料剂^[6-7]。目前的研究热点主要是流体包裹体与其C、O、Sr等同位素分析相互结合，对油气岩石来源、碳酸盐岩石存储层等研究具有重要应用意义^[8-11]。本文对近几年国内外锶同位素在地球化学领域的应用及存在问题进行讨论分析，并展望其发展应用前景。

1 锶同位素的化学特征

1.1 锶同位素的基本地球化学特征

锶是元素周期表中第五周期ⅡA族元素，拥有4个稳定同位素⁸⁴Sr、⁸⁶Sr、⁸⁷Sr和⁸⁸Sr，其中只有⁸⁷Sr表现为放射源，⁸⁷Sr是⁸⁷Rb经过β衰变的结果，结合前人研究可知，⁸⁷Rb与时间呈负相关关系，会随着时间不断衰变，而⁸⁷Sr则相反，与时间呈正相关关系，其含量随着时间呈逐渐增加的趋势。⁸⁶Sr不同于⁸⁷Sr，⁸⁶Sr表现为非放射成因，但两者皆不受物理或生物作用而发生分馏作用，具有相对稳定性。因此，为了科学的严谨性，在可严重多用⁸⁷Sr/⁸⁶Sr的值对研究区进行各种综合分析。

1.2 在碳酸岩中的锶同位素地球化学特征

由于⁸⁷Sr/⁸⁶Sr不会受到物理作用或生物作用导致的分馏影响，因此任何研究样本水体中的碳酸盐岩对沉积作用发生时的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值进行了记录，且⁸⁷Sr是由于⁸⁷Rb不断的放射性衰变形成，所以⁸⁷Sr的丰都并非固定值，而是可以变化的。由于碳酸盐岩矿物中⁸⁷Rb的含量极低，且该类矿物的半衰期较长，所以通常情况下在研究碳酸盐岩矿物可以忽略⁸⁷Rb的不断衰变对于⁸⁷Sr的影响，所以导致⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值变化的原因或受物源不同的Sr混合在一起导致的。碳酸盐岩中的这些特点显示其通过⁸⁷Sr/⁸⁶Sr的比值来确定对应研究区的海相地层定年、物源示踪、海平面变化等研究是行之有效的方法。

2 锶元素的追踪原理

自然界中的锶共有⁸⁴Sr、⁸⁶Sr、⁸⁷Sr、⁸⁸Sr4种同位素，自然界中锶有⁸⁴Sr、⁸⁶Sr、⁸⁷Sr、⁸⁸Sr四种同位素，相对丰度以⁸⁸Sr最高，⁸⁴Sr最低，自高向低依次为⁸⁸Sr（82.56%）>⁸⁶Sr（9.86%）>⁸⁷Sr（7.02%）>⁸⁴Sr（0.56%），结合前人研究可知其中⁸⁷Sr是由⁸⁷Rb衰变的产物，⁸⁷Sr同位素的半衰期较长，时间长达48.8Ga，且⁸⁷Sr的增长与时间呈正相关关系，表现为单向增长。锶同位素中⁸⁷Sr是放射成因，⁸⁶Sr则反之表现为费放射成因，但两者皆不收物理或生物作用而发生分馏作用，具有相对稳定性。对于其进行研究分析，主要呈现出以下特点：（1）进行锶同位素分析时，物源对研究结果的影响较大，无论是沉积岩或是研究区水域中的其他样本的同位素含量会因为物源的混杂而产生较大的变化;（2）外界因素对于锶同位素的研究影响较大，构造活动、沉积环境及实验样本的采集等都会对实验结果造成较大的干扰。结合前人研究可知，不同物源会导致⁸⁷Sr/⁸⁶Sr产生差异，因此锶同位素对于分析物源有良好的指导作用。除去物源对于研究的影响，实验所用的样品品质也会影响测试分析结果，所选的样品应具有良好的代表性，且受外力作用的影响较小，由此才能保证实验结果的可靠性。

3 应用

3.1 水文地球化学的研究

随着对锶同位素研究的不断发展及分析技术的进步，锶同位素近年来多用于水文地球化学领域，是因为锶同位素良好的示踪效应对于沉积物的水—岩反应、矿物形成机制等研究有较高的参考价值。国内众多学者也在该方面进行了众多调研，韩贵琳等选取贵州喀斯特地区，对该区域内的水系进行同位素分析，结果显示⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值的差异性较大，或与研究区岩层的变化有关。赵继昌等选择长江部分水系进行考察研究，通过锶同位素来分析该区沉积物的物源。赵平等选择滇藏地区作为研究对象，该区因地热能丰富，水温较高，通过对此处进行同位素分析，其认为⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值对于热储的岩性特征有指示作用。

3.2 沉积地层的水-岩相互作用研究

目前，对于沉积地层中矿物间、矿物与流体间相互作用的研究也多采用锶同位素进行分析，将分析结果与现有的演化曲线进行对比分析，再结合数据库中已有的数据进行研究。广泛应用于沉积地层的水-岩相互作用等方面进行研究。前人研究多依赖已有或同期的盐酸盐锶同位素演化曲线等相关数据，从而为还原古地理环境提供崭新的思路，同时也展现出锶同位素在地质学中的重要价值。

3.3 海相地层定年

当前锶同位素测年广泛应用于海相地层的测年分析，主要通过对研究区地层中的沉积物进行同位素分析，并将分析结果与现有的演化曲线进行对比分析，从而达到反推地层年龄的目的。国内对于⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值进行地层定年仍处于发展阶段，但部分国内学者对其持有怀疑态度，或与锶同位素对于地层判别的研究精度有关。影响该方法测年可靠性的核心问题仍是未解决，样品的代表性及分析测试技术的精度是影响数据离散的重要原因，随着技术的推进，锶同位素测年精度会逐渐精准。

3.4 古气候、古海洋环境的研究

锶同位素与C、O同位素分析的结合分析是研究古气候和古地理环境的重要手段。前人研究表明对未经受过成岩作用影响的海相碳酸盐进行同位素分析及建立演化曲线是对全球古海洋环境的研究基础。海水中的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值可以反映海平面的升降變化，而影响海平面的因素包括地质构造运动及气候演变，因此通过分析海相沉积物中的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值可以反推沉积时的古地理环境。

3.5 分析物质来源

海相沉积物中的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值随着时间的推移而逐渐变高，是因为⁸⁷Sr会随着时间不断积累，因此地质年代越久远，数值就越高，因此锶同位素是分析物源的示踪剂，在地化领域的研究中有重要意义。

4 锶同位素地质应用存在的问题

近年来，多领域均使用锶同位素进行研究分析，包括海相定年、物源示踪、古海水与古环境的还原、成岩作用分析等领域，但仍存在以下问题。（1）锶同位素比值对于测年等方面只能提供大致的判断，由于原石组成数据短缺，因此仍不精确，且样品是否具有代表性，受外力作用影响的程度都会影响分析结果。（2）利用锶同位素进行测年，样品测年的结果范围较广，不够精确，当研究具体小范围限定时段内的物源参考意义不大。（3）当前据库中的数据关于前寒武纪的参考数据较少，对此阶段的研究分析及演化曲线进行建立难度较大。（4）锶同位素受地质事件影响，而地质事件又分为全球性和局部性，两者分别对于锶同位素有所影响，且现有的演化曲线中数据异常的部分经历了何种地质事件尚未明确。以上都是需要解决的科学问题。

5 结语

在当前沉积学领域中，锶同位素研究分析的适用范围越来越宽泛，但目前主要用于海相地层的研究。对全球性海相锶同位素在碳酸盐中的研究结果进行分析，表明其无论是地层学意义、测年或是全球可对比性远超C、O同位素，近年来全球地质学家对于锶同位素的理论研究及分析测试技术的投入也大大超过C、O同位素，尤其是对于不同地质背景和地质历史的海水锶同位素分析研究，并建立相对应的具体演化曲线，是当前地质学家的研究热点之一，全球锶同位素演化曲线及数据库也是针对全球各地质事件对比分析和研究的基础，但与C、O同位素相比，锶同位素研究还不够成熟，因此还需不断推进锶同位素技术，并在沉积学研究中获得更大发展。

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