锶同位素地层学原理及其应用

锶同位素地层学原理及其应用

1c现代海水中矿物同位素的变化。c瑞典社会学家wickman于1968年提出了耀明体的遗传因素。其基本含义是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,即海水中锶同位素的87Sr/86Sr比值是随着时间变化的(图1,图2)。就现在而论,按87Sr/86Sr比值所能测定的精度(±0.00002),现代全球范围内海水和海洋贝壳的87Sr/86Sr比值是一致的。当海相同生矿物(如生物成因的碳酸盐、非生物成因的海水碳酸盐胶结物、磷灰石、重晶石)形成的时候,它们从海水中获取锶,而没有锶同位素的分馏,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这些矿物的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,从而可推断未知地层的可能年代。2不同地质历史时期原始海水的壳源壳源及其形成时代海水的锶同位素组成主要受壳源和幔源两个来源锶的控制:壳源锶主要由大陆古老岩石风化提供,87Sr/86Sr的全球平均值为0.7119;幔源锶主要由洋中脊热液系统提供,87Sr/86Sr平均值为0.7035。各种全球事件,如全球构造运动、风化速率、洋壳增生速率、洋中脊热液系统变化、造山事件、冰川活动、气候、全球海平面变化以及全球灾变性事件等都会以不同方式改变海水中壳源锶和幔源锶的相对比值,因而它们是海水锶同位素组成与演化最为重要的控制因素。地质历史中未经成岩蚀变的、代表原始海水组成的海相碳酸盐(也包括硫酸盐、磷酸盐及其它一些可进行锶同位素分析的内源沉积物)的锶同位素组成及其演化是研究全球事件,进行全球对比的重要手段[9,10,11,12,13,14,15]。现在,锶同位素地层学除被广泛地用于确定海相沉积物的年代外,还可用于盆地沉降史、海平面变化、造山运动和古气候的研究,层序地层学中地层基准面建立,地层间断持续时间的确定,非海相影响程度的评价,以及区分海相和非海相化石等;同时,不同地质历史时期原始海水的锶同位素组成数据还是沉积层控矿床、成岩作用、沉积地球化学和石油地质学等相关研究所必不可少的基础背景资料。因而锶同位素地层学不但在地层学,同时在沉积学、石油地质学和矿床学等领域中都有着广阔的应用前景。3海相内源沉积物对矿岩对碳、氧、硫同位素的贡献尽管锶同位素地层学在1948年就已由瑞典地质学家Wickman提出,但其进入实用阶段是在34年以后,1982年Burke等的文章出现,人们开始对用于锶同位素地层学研究的样品范围和成岩蚀变对锶同位素分析的影响有了进一步的理解,并使得锶同位素研究从岩浆、热液等领域转向沉积学领域。目前,可用于锶同位素地层学研究的样品已扩大到生物成因的碳酸盐、海相碳酸盐胶结物、重晶石和磷灰石等,曲线的准确性已足以用以推断不同时代的海相地层的年代(图1)。从已有文献来看,这些地层包括新生代、晚第三纪、晚白垩世、晚白垩世到现在、中新世、晚白垩世、侏罗纪和早白垩世、石炭/二叠纪、晚寒武/早奥陶纪、二叠—石炭纪、宾夕法尼亚纪、志留纪、晚古生代、Vendian阶等。随着地质历史中海相地层锶同位素数据的不断积累,Richard等从1996年就开始着手建立海相碳酸盐的87Sr/86Sr的数据库,在该数据库中,所有的锶同位素数据有相应的绝对地质年代与之对应,因此,该数据库可用于推断海相地层的年代。1997年完成的版本8/96提供了206Ma以来的锶同位素年代表,实际使用的锶同位素数据量近5000个;即将完成的版本3的时代已到了晚寒武世,估计使用的锶同位素数据量超过1万个,因而锶同位素地层学的发展速度是十分惊人的。在国内,对海相内源沉积物的碳、氧、硫同位素组成及其年代效应研究远比锶同位素成熟,积累的碳、氧、硫同位素数据量远远大于锶。然而,海相碳酸盐锶同位素的时代效应、地层学意义和全球可对比性远远大于碳、氧、硫,国际上对代表原始海水的海相内源沉积物锶同位素数据的关注程度也远远大于碳、氧、硫,这是近年来海相碳酸盐锶同位素研究迅猛发展的重要原因之一。国内目前还没有系统开展锶同位素地层学的研究。大多数中国学者主要从事的是海相沉积物(及一些用于对比的非海相沉积物)锶同位素的应用研究。在中新生代时限,孙志国等通过西沙珊瑚礁锶同位素研究古环境并反演青藏高原的隆升;尹观等通过西藏中白垩世的锶、硫同位素组成对古海洋环境进行了研究。此外,陈骏等利用海相碳酸盐和陆源钙铝硅酸盐锶同位素组成的显著差异成功解决了我国西部黄土碳酸盐的原生和次生问题;刘传联等、王世杰等利用海相碳酸盐和非海相碳酸盐锶同位素组成的差别成功解决了我国东部一些中新生代盆地的海、陆相问题。这些研究大都利用了国外完成的相应时代已有的海相碳酸盐(或其它内源沉积物)锶同位素数据或已有的演化曲线,从而解决了一些多年悬而未决的问题。在古生代时限,由于中国古生代的海相地层十分发育,近年来先后进行了一些海相地层的锶同位素研究,但样品数量很少,而且十分分散也缺乏系统性,样品零星分布在新疆、河北、四川、广西、安徽、贵州、湖北、陕西等十几个采样点,其中一些样品还是以研究矿床成因为目的,没有考虑样品是否代表了原始海水的锶同位素组成。在元古代时限,张自超、李华芹等研究了我国元古代典型剖面的锶同位素组成,获得的数据相对较多,共提供了约120个海相碳酸盐的锶同位素数据,并讨论了海相碳酸盐的锶同位素组成与海平面变化等地质事件的关系,李华芹等的研究还建立了相应的演化曲线,并在论文中使用了“锶同位素地层学”这一术语。1990～1992年,国家自然科学基金资助了“上扬子(晚古生代)海相碳酸盐沉积同位素演化与主要地质事件的关系”研究,该研究进行了上扬子地区4条主干剖面、3条辅助剖面,累计厚度超过7000m,跨越时限约160Ma(整个晚古生代)海相碳酸盐碳、锶、氧同位素的系统研究。在锶同位素方面,获得了末经成岩蚀变的晚古生代海相碳酸盐166个样品的锶同位素数据,建立了演化曲线(图2),但数据量仍然偏少,平均0.85个/Ma,而国外同类研究的平均数据量通常可达10个/Ma,中新生代的数据密度已达21个/Ma,当然这是他们多年工作的积累;同时也存在数据分布不均匀等问题,但这已是目前国内最完整和最系统的晚古生代海相地层锶同位素演化曲线,也是世界上较为系统的晚古生代海相地层锶同位素演化曲线之一。同时该研究还对上扬子地区控制锶同位素演化的主要地质事件进行了较为系统的研究。应该说,这些研究是与当时国际上同类研究同步的,并已得到了国外同行的关注。由于中国古生代海相地层十分发育,因而建立系统的中国古生代海相地层锶同位素系统演化曲线是中国地质学家责无旁贷的义务。4地层学研究的困难4.1海相工业矿物微量元素的蚀变检测对所有用于锶同位素分析的样品必须进行严格的成岩蚀变控制,否则很难保证所获得的锶同位素数据是代表了原始海水,从而使其它各种相应成果缺乏可靠性,因而所有以获取原始海水锶同位素组成为目的的研究都应将这部分内容及所采用的方法视为研究的关键之一。同时成岩蚀变也是锶同位素地层学研究的难点之一,往往被国内一些研究人员忽略,从而造成国内获取的海相地层的87Sr/86Sr数据显著高于国外同时代样品。样品的蚀变程度可以通过扫描电子显微镜观察、X射线衍射分析、氨基酸分析、薄片分析、阴极发光分析、稳定同位素分析和化学分析(尤其是Fe、Mn、Sr、Mg分析)来判断。在实际工作时,应根据所使用的样品情况,选用多种方法综合判断。阴极发光分析在判断海相碳酸盐矿物成岩蚀变方面具有其独特的优势,海相碳酸盐矿物微量元素中Fe、Mn含量是重要的成岩蚀变指示剂,并直接控制其阴极发光性,因而Fe、Mn元素的分析也是海相碳酸盐矿物成岩蚀变鉴别必不可少的手段。此外需要说明的一点是:就目前的测试精度而论,没有蚀变意味着样品保留的87Sr/86Sr比值在其原始值的20×10-6范围内,该数值是目前测试仪器所能达到的精度。随着仪器精度的进一步提高,对样品蚀变性控制的要求将更为严格。4.2稀盐酸和乙酸分析测试技术中的一个关键问题是样品的溶解技术,过去通常选用稀盐酸溶解碳酸盐矿物,近年来的研究表明,稀盐酸将碳酸盐岩中的铝硅酸盐溶解,从而使壳源锶混入,这可能是国内获取的海相地层87Sr/86Sr数据显著高于国外同时代样品的另一个原因。对于碳酸盐样品来说,应使用浓的乙酸而不是稀盐酸来对样品进行溶解,不少学者已注意到这一点。如果使用腐蚀性比乙酸更低的溶解剂,如pH=4.5的乙酸/乙酸铵,pH=5的离子交换溶液,其效果会优于乙酸。目前认为,最好的处理办法是先用乙酸预淋滤,而后用Ca2+、Sr2+离子复合溶剂,如柠檬酸三铵或用EDTA对样品进行溶解,这些溶剂都将在pH=8,即海水的pH条件下工作,因而对污染相的化学接触会降到最小。尽管这样会使溶解工作变得很烦杂,但目前还是逐渐被用于锶同位素地层学研究中的锶同位素分析。分析测试技术中的另一个问题是分析精度。锶同位素地层学要求87Sr/86Sr的分析结果精确到小数点后面第5位,国内相当一部分实验室提供的精度都只能到小数点后第4位(0.0001),这种精度显然不能满足锶同位素地层学研究的需要。因而提高分析精度是国内一部分同位素实验室所面临的重要问题之一。分析精度的提高将使锶同位素地层学的分辨率进一步提高,应用前景更加广泛。4.3对地层年代的初步研究获取样品的年龄是锶同位素地层学研究的另一难点。为了建立代表原始海水的锶同位素地层学曲线,用于样品采集的剖面必须要有扎实的地层学基础,其主要地质界线的年龄都应是已知的,并有充分的化石依据。如果剖面中存在等时的火山沉积物(如中国南方的二叠—三叠世界线和中—晚三叠世界线及古生代其它地层内),应同时进行同位素年代学研究以控制地层年代的可靠性。只有这样,建立的锶同位素地层学曲线才具有实用价值。然而由于国内近年地层学工作相对滞后,有的地质时代没有建阶,也很难与国外建阶地层进行相应的对比,锶同位素地层学研究所需要的这一基础前期工作并不像想象的那么容易。因此,锶同位素地层学工作需要地层学和同位素年代学工作者的有效配合。4.4rb/sr比值的测定对于相对老的地层来说,样品中铷含量可能需要加以考虑。尽管前人的研究(如Wickman,1948)早已证明,铷很难进入碳酸盐晶格,海相碳酸盐中铷含量的影响可以忽略不计,但随着时代的变老,由铷提供的放射性成因的锶可能增加,从而影响结果的真实性,因而在必要时应进行Rb/Sr比值的测定和进行年代校正。在其它的需要考虑的问题中,局部地质事件的影响也应作相应的研究,这并不与锶同位素地层学赖以存在的基础理论(锶在海水中的残留时间大大长于海水的混合时间)矛盾,这对于少数锶同位素组成异常原因的解释是有帮助的。因此锶同位素地层学研究需要有沉积学、地球化学和地层学工作者的相互配合。5重晶石作为材料的研究简而言之,在锶同位素地层学研究的样品选择上,应充分考虑其原始组分的抗成岩蚀变能力。对碳酸盐样品而言,在海水中沉淀(化学或生物化学作用)的、其原始组分为低镁方解石的各种组分是进行锶同位素地层学研究的良好材料。在过去的锶同位素地层学研究中,使用的样品包括有孔虫碳酸盐、微化石碳酸盐、白垩和块状碳酸盐软泥、重晶石、非生物海相碳酸盐胶结物等。箭石是一种用于锶同位素地层学研究的极好材料,其块状、致密的低镁方解石比其它材料具有更好的抵抗蚀变能力;由低镁方解石构成的牡蛎和腕足也用于锶同位素地层学研究的极其有用的材料,这类化石还应包括三叶虫。文石质的化石,如头足类、一些双壳类和腹足类,人们对其所保存的原始87Sr/86Sr的方式有些异议,因而最好不采用。重晶石在锶同位素地层学研究中具有极好的潜力,尤其是在碳酸盐缺乏的深海沉积中。随着地层时代的变老,保存好的样品的可利用性降低。在更古老的地层(如前寒武)中,有时几乎没有可供选择的碳酸盐样品。强烈的石化作用改变了87Sr/86Sr比值。然而仔细地选择全岩样品可以将这种影响降低到最小程度。例如,Hornafirs等曾经成功地使用强固结的Darai灰岩全岩样品的87Sr/86Sr比值确定了巴布亚新几内亚的地层。此外,意大利固结石灰岩的87Sr/86Sr值与没有显著蚀变的样品的87Sr/86Sr是一致的。更确切地说,Carpenter等在1991年就已经表明,在已固结岩石中的早期胶结物可以记录原始海水的87Sr/86Sr比值,它们可以通过微钻取样有效获取。因而早期成岩阶段的孔隙水的87Sr/86Sr和上覆海水的87Sr/86Sr是一致的,这在沉积物至少数十厘米的深度范围内是可信的。关于白云岩样品的可靠性问题,一直有着不同的意见,但已有研究表明,准同生成因的泥晶—微晶白云岩的锶同位素组成与海水是一致的,