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1《同位素地质学》读书报告——锶同位素应用学院：资环学院专业：地球化学姓名：张春辉2《同位素地质学》读书报告——锶同位素应用摘要：随着分析测试技术的不断提高，锶同位素研究取得了重大进展。现在，锶同位素不仅在定年、示踪岩浆及成矿热液的来源和演化、研究水文循环、古环境评价等方面趋于成熟，并且越来越广泛运用于全球变化、生态环境等方面的研究，此外，在一些热点研究上，如锶同位素在生物地球化学过程示踪也逐渐显现出重要性。本文简单介绍锶同位素的基本性质及示踪原理，并归纳了锶同位素在地质及生态环境方面的部分应用。关键词:锶，锶同位素，风化速率，地下水，生态系统引言：由于锶元素特殊的地球化学性质，随着同位素地球化学理论和测试分析技术的逐步发展和完善，其应用越来越广泛越来越成熟，目前已在地球科学的各个领域获得了广泛的应用。如示踪环境、水文、生物地球化学物质循环，计算流域盆地侵蚀和风化速率等等。1锶同位素的基本特性及示踪原理1.1锶同位素的基本地球化学特征87Sr由87Rb经B-衰变而成,半衰期为48.8Ga。锶元素常常以下列方式进入矿物体系中:①作为杂质进入矿物中;②占用晶格缺穴;③吸附在晶体表面;④与矿物中的主要元素发生固相类质同象替换。理论和实验研究都表明碳酸盐中Sr及其同位素主要是替换结构中的Ca2+而存在的,这是由于Sr2+和Ca2+具有相似的离子半径和电价。另外,矿物晶体结构的差异对Sr的含量也有较大的影响,如在一定溶液中沉淀的霞石和方解石具有显然不同的锶含量。地质体中87Sr/86Sr比值大小取决于它们的Rb/Sr比和年龄。由于Rb、Sr性质的差异,导致不同的岩石、矿物具有不同的Rb、Sr富集能力。不同矿物Rb/Sr比或(和)年龄的不同,决定了它们具有各自特殊的87Sr/86Sr比值;而且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;此外,与H、C、N、O、S等同位素不同的是,Sr同位素不会由于化学和生物过程而分馏。由于不同来源Sr的87Sr/86Sr比值不同,具体来讲,在小流域范围内,大气沉降与风化作用的87Sr/86Sr比值明显不同,因此可以把Sr同位素比值作为其来源的“指纹”,示踪其在生态系统内的迁移转化。另一方面,在各种地表过程中,Sr与Ca的地球化学行为相似,比值基本保持恒定,因此,可以用Sr同位素示踪生态环境中Ca或其他营养元素的迁移转化,这是Sr同位素在生物地球化学过程研究中获得应用的前提。1.2Sr同位素的示踪原理87Sr是放射成因的,86Sr是非放射成因的,它们都是稳定同位素,且一般不因物理或生物过程发生分馏作用。Sr和同位素与其它元素及其同位素相比,其特殊性在于:①在沉积岩石中或水中锶元素及其同位素的含量有较大的变化范围;②这种元素与相关元素的分异和同位素的混合。这种元素变化和分异性常常与岩石的结晶矿物学、溶液盐度、溶液来源、水岩作用机制及生物与环境的关系等方面有密切的关系。因此,锶元素及其同位素成为研究水文循环、碳酸盐成岩作3用机制和古环境评价等方面的重要工具。Rb-Sr同位素体系早已广泛应用于地质计年及岩石圈和水圈中一系列自然过程的示踪研究。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,将Sr同位素用于示踪流域和全球生物地球化学循环也日益受到重视,并已在下列领域的研究中发挥出巨大作用:矿物风化速率及流域侵蚀作用的研究;流域营养元素来源及其循环过程的示踪;水体混合及地下水-岩相互作用示踪;全球Sr循环及生物地球化学模型的建立等。2锶同位素在成矿流体的示踪锶同位素示踪87Sr/86Sr是判断成岩成矿物质壳、幔来源的重要指标,一般87Sr/86Sr0.710时被认为是壳源,87Sr/86Sr0.705时为幔源,在矿床地质研究中常利用其进行成矿元素来源的示踪。对成矿流体来源的示踪人们也作了许多研究工作,并已经很好地描述了使用锶同位素示踪深源流体、岩浆流体的壳幔混染作用。通过测定围岩、热液蚀变矿物、流体包裹体中的锶同位素组成,可以确定成矿流体的来源,人们早已在应用初始锶同位素特征示踪古流体成矿作用和利用锶流体—岩石反应。3锶在生态系统营养元素来源示踪3.1端员比值的确定（风化和大气沉降）流域内溶质来源的确定,是定量评估其中的营养元素循环与迁移规律的基础。而在识别离子来源之前,首先必须正确确定各端员组分(矿物风化和大气沉降端员)的87Sr/86Sr比值,这是生态系统Sr(及Ca等营养元素)来源判别及通量估算的关键,它直接影响到定量估算结果的可靠性。岩石风化释放出Sr的87Sr/86Sr比值是实际矿物风化所释放Sr加权平均的结果,不一定等于全岩87Sr/86Sr比值。岩石中不同矿物的87Sr/86Sr比值及各矿物相对风化速率不同,而且它们在风化作用进行的过程中还随时间而变化,因此风化端员87Sr/86Sr比值的合理确定较为困难。有的研究选用全岩或土壤Sr同位素比作为风化端员,这显然缺乏对某些离子优先释放及矿物风化速率变化的考虑。另有一些研究者选用处于基本径流状态时河水的87Sr/86Sr比值代表风化端员。一般认为,此时河水中绝大多数溶质来自矿物风化(但需扣除大气沉降Sr的影响)。该法最重要的优点在于河水有效地综合了流域内各种可能的风化物质所释放Sr的同位素特征,具有很强的代表性。这种方法的主要问题在于水文条件的变化可能导致87Sr/86Sr比值的变化,所以它可能更适用于水文条件变化不大的区域。同样,大气沉降端员87Sr/86Sr比值的正确选择也十分重要。大气物质主要通过干、湿两种沉降方式进入生态系统,降雨(雨、雪、雹)是主要的湿沉降方式,对它的测定已有多种可靠的方法,但是干沉降通量及其87Sr/86Sr比值的测定仍有困难,至今仍无统一的方法。大多数研究者往往用降水或降水与降尘(只是干沉降的一部分)之和来代表大气端员。但是大量研究表明,干沉降过程中颗粒物与障碍物(如森林)的作用(颗粒吸附、碰撞结合、扩散等)是生态系统营养组分的主要来源之一。所以,选择合理的端员Sr同位素比值是一项困难而且需要加倍谨慎的工作,它是关系到对生态系统营养元素来源和通量估算是否正确的关键。3.2流域生态系统营养元素来源及循环钙、镁是植物生长所必需的主要营养元素，在植物生长和发育过程中起着重要的作用。借助于Sr同位素研究,不但可以了解土壤、水体、植被中不同来源4离子的通量,而且可以研究不同植被吸收大气或土壤营养元素的能力差别,根据树木木质部中87Sr/86Sr比值的变化,还可研究大气沉降和流域风化作用的历史变化、建立生态系统物质循环模型。郑厚义等对贵州黄壤地区植物营养元素来源进行了Sr同位素示踪，不同来源的相对贡献的锶同位素计算方法的计算结果表明，喀斯特地区黄壤上大多数植物生长所需的58．88％～85．64％的营养元素钙、镁来自土壤风化所产生的可交换态阳离子，大气输入部分所占份额相对较小。4锶同位素在地下水的示踪地下水的Sr含量低,易受所流经区域岩石、矿物成分及同位素交换作用的影响。当地下水与流程中的矿物发生反应时,溶解进入水体中的Sr具有与该矿物相近的87Sr/86Sr比值,所以地下水Sr同位素比值反映了所流经区域岩石、矿物的同位素成分特征。水体中溶解Sr同位素成分在地下水演化的时间尺度内,不会由于衰变而发生变化,也不会由于Sr从水体中的分离(矿物沉淀或离子交换)而发生87Sr/86Sr的变化;不同来源水体的化学及同位素特征不同,其演化主要受下列条件影响:水体在岩层中寄宿和迁移时间(速度)、初始水成分特征、水流路径的曲折程度、水体间的混合作用、所流经区域矿物成分特征及其与水体反应的情况。所以Sr同位素常被用于示踪地下水-岩相互作用的程度、地下水混合过程以及岩石裂缝中次生碳酸盐的流体来源。近20年来,Sr同位素在水文地球化学研究中的应用日益广泛。最初Sr同位素混合模式被广泛用于定量解释地表水体混合作用中Sr同位素比值及离子浓度的区域性变化;此外,借助于Sr同位素研究还可以定量评估流域水体、离子交换库或生态系统中不同来源(矿物风化、大气干湿沉降、生物量)离子的相对贡献;而且还可借助于Sr同位素定量评估水文地质背景复杂区域碳酸盐和硅酸盐溶解对水体化学成分贡献大小;也有人根据地下水Sr同位素特征确定未饱和带地下水来源分布及迁移状况,并根据水-岩相互作用的状况了解地下岩体裂隙的分布,评估核废料贮存点的安全性。5利用锶同位素对古环境的研究5.1在古气候研究中的应用由于在相同的化学风化作用下，富Rb的矿物比富Sr矿物要稳定，沉积物中富Sr的矿物更易淋失，从而造成各层沉积物中Rb／Sr比值的不同．即在土壤中Rb／Sr比值的变化反映了沉积物质在风化成壤过程中淋失程度。5.2在古海洋研究中的应用海水的锶同位素组成主要受壳源和幔源两个锶来源的控制：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。根据锶同位素特征的变化可以把中新生代海水演化分为三个阶段：晚白垩纪（大约100Ma）至今；侏罗纪-早白垩纪；二叠纪末-三叠纪。6用锶同位素研究矿物风化速率6.1矿物的相对风化速率风化是地壳表层岩石和矿物在太阳辐射、大气、水及生物作用下，物理性5质和化学性质发生变化形成新物质的过程．风化速率是衡量风化作用的主要指标之一。矿物风化反应类型及其相对速率的确定,是研究地表和地下水化学成分演化机制、正确评估生态系统离子平衡状况的基础。传统方法是借助于质量平衡计算来定量研究不同的矿物风化反应。但是由于某些元素(如Ca)具有多种来源,给具体风化机制的确定增加了难度,所以往往无法得到一个肯定的结果。而流域系统内河水、土壤等离子库中Sr同位素成分的测定,为正确认识自然风化作用的机制和速率提供了便利,同时也使流域营养元素平衡的估算更为可靠。矿物微结构特征、表面积、母岩中矿物的空间分布以及有机质作用都是影响矿物风化速率的重要因素。随着风化程度的加深,各矿物的相对风化速率也在发生着变化。所以,不同矿物的风化作用占优势时,风化岩石所释放的87Sr/86Sr比值不同。总之,在岩石风化过程中,各矿物的相对风化速率是动态变化的,所释放出Sr的87Sr/86Sr比值也随风化作用的进行而变化,这一点对利用Sr同位素示踪化学风化及其源区特点尤为重要。根据风化速率估算的结果,结合Sr同位素研究,就可建立生态系统营养元素循环的动态模型,认识生态系统营养平衡状况及其受人为活动影响的程度,以便采取相应的保护措施。6.2矿物风化时锶的优先淋滤释放把Sr同位素数据用于解释矿物风化速率及离子循环通量主要是基于以下两方面的条件:第一，Sr从矿物中的溶解释放是按化学计量比进行的,不存在离子的相对优先或滞后释放以及释放比例的时间变化;第二，风化释放的87Sr/86Sr比值等于矿物固相中Sr的同位素比值,而且该特征值不随风化时间而变化。但是最近的一些研究表明,随风化作用的进行,土壤中离子交换态Sr和河水中Sr的87Sr/86Sr比值都逐渐降低,表明矿物风化速率随时间而变化,并且离子的释放也存在一定的选择性。Sr作为矿物(黑云母、钾长石等)中的微量组分,在八面体晶格中的稳定性可能不及主要成分Na、K、Ca等;而且,在天然风化系统中,晶格缺陷(位错)及其他微结构上的不均一性,常常导致矿物中Sr的优先淋滤释放。因此,当用Sr同位素示踪风化反应并进行Sr来源识别时,首先应考虑矿物反应或溶解时,Sr与其他离子相比是否存在优先释放?Sr的风化释放及其87Sr/86Sr比值是否存在时间变化?7.总结：通过了解这些关于锶同位素应用方面的文献资料，我们可以看出当前锶同位素示在古环境评价、水文、生物地球化学物质循环等方面应用越来越广泛，同时，面对当前日益严重的环境问题，锶及其同位素在示踪污染来源，监测营养消耗与损失、评估风化速率等方面都有广阔的应用前景。当然，现有的锶同位素应用方法需要慢慢完善与实践证明填补不足，而且更多新的科技方法需要我们研究与探索。6参考文献：1.马英军，刘丛强，生态系统营养