碳酸鹽地層中Sr同位素實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵問題的討論

閆秋實(shí), 施澤進(jìn)

(1.成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，成都 610059；2.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，成都 610059)

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碳酸鹽地層中Sr同位素實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵問題的討論

閆秋實(shí)1, 施澤進(jìn)2

(1.成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，成都 610059；2.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，成都 610059)

減少或消除放射性成因Sr的影響是碳酸鹽地層Sr同位素研究技術(shù)之關(guān)鍵。碳酸鹽地層的Sr同位素研究，是建立在樣品不含放射性成因Sr的基礎(chǔ)上。離子交換柱不具有消除放射性成因87Sr影響的功能，只能減少或除去Ca2+、Ba2+等陽離子，以便在質(zhì)譜分析中提高Sr同位素的電離概率，獲取更高的靈敏度，同時(shí)消除87Rb(同質(zhì)異位素)對87Sr測定值的干擾。在質(zhì)譜分析時(shí)，一旦發(fā)現(xiàn)樣品中含Rb，就必然存在放射性成因87Sr的影響，導(dǎo)致測定值偏高。鑒于一些碳酸鹽地層內(nèi)含有富Rb的硅酸鹽和其他礦物組分，盲目使用氫氟酸、硝酸、高氯酸等強(qiáng)酸溶解樣品，有可能嚴(yán)重地影響到Sr同位素(87Sr/86Sr)的測定值。實(shí)驗(yàn)證明，采用選擇性溶解技術(shù)，用醋酸或濃度較低的稀鹽酸萃取碳酸鹽，可以減少或排除硅酸鹽及其他富含放射性成因Sr的礦物的影響。

碳酸鹽地層；Sr同位素；放射性成因Sr；選擇性溶樣；離子交換柱

碳酸鹽地層的Sr同位素研究，在近20年來得到了飛速的發(fā)展。其研究成果已經(jīng)在沉積地質(zhì)和油氣藏研究等領(lǐng)域大量涌現(xiàn)[1-6]，這是因?yàn)樘妓猁}地層中蘊(yùn)含有地殼構(gòu)造變動和陸地-海洋的物質(zhì)循環(huán)以及與生物滅絕有關(guān)聯(lián)的各種地質(zhì)事件的同位素信息。然而，隨著Sr同位素在沉積地層相關(guān)研究中應(yīng)用的不斷拓展，所涉及的樣品類型也逐步多樣化、復(fù)雜化，如碳酸鹽巖地層[7-9]、珊瑚礁[10]、洞穴次生碳酸鹽[11]等。即使同為碳酸鹽地層，由于沉積情況不同，依然不同程度地存在泥質(zhì)或其他硅酸鹽雜質(zhì)組分。這不但需要在采樣環(huán)節(jié)認(rèn)真鑒別，進(jìn)行有目的性的采集；而且特別應(yīng)該在實(shí)驗(yàn)室化學(xué)處理環(huán)節(jié)中，有選擇性地針對不同類型樣品建立與其配套的萃取方法。碳酸鹽巖中的Sr同位素分析屬于超痕量分析，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w)一般只有十萬分之幾到萬分之幾，在分析過程中，或許可以矯正由質(zhì)量歧視帶來的干擾，而對樣品處理方法本身所存在的缺陷則無能為力[4]。目前主要問題在于：因?yàn)樘妓猁}地層Sr同位素研究的歷史不長，實(shí)驗(yàn)程序缺乏嚴(yán)格的規(guī)范，大多數(shù)援引傳統(tǒng)Rb-Sr同位素地質(zhì)年代學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法，忽略了碳酸鹽地層內(nèi)可能含有非碳酸鹽組分的情況；特別是對含硅酸鹽雜質(zhì)較多的碳酸鹽地層，在實(shí)驗(yàn)中大量使用氫氟酸、硝酸、高氯酸等強(qiáng)酸溶解樣品，嚴(yán)重地影響到Sr同位素的測定值。此外，部分同位素實(shí)驗(yàn)工作的從業(yè)人員，對礦物、化學(xué)成分和同位素之間的關(guān)系缺乏深入了解；一些地質(zhì)研究人員對測試技術(shù)和實(shí)驗(yàn)方法的環(huán)節(jié)有所忽視，不能有效地判別測試方法和成果質(zhì)量的優(yōu)劣。同時(shí)，國內(nèi)的一些學(xué)術(shù)期刊在刊登論文時(shí)，對于樣品的化學(xué)處理、實(shí)驗(yàn)方法和流程的表述沒有嚴(yán)格的要求，很難對測定結(jié)果的可靠性作出評估。

1 Sr同位素研究的地球化學(xué)理論基礎(chǔ)

自然界中有4種Sr的同位素：88Sr、87Sr、86Sr 和84Sr，它們的原子數(shù)比例分別為82.58%、7.00%、9.86%和0.56%。鑒于目前的測試技術(shù)水平，自然界中88Sr、86Sr和84Sr的豐度，自元素合成至今，還沒有發(fā)現(xiàn)可感知的變化。但是，87Sr 的豐度卻隨時(shí)間推移呈明顯的增長，這是由于在自然界中87Rb的放射性β衰變，導(dǎo)致87Sr的豐度不斷增加。其放射性衰變公式為

式中：β-為負(fù)β粒子；γ-為反中微子；Q為衰變能(0.275 MeV)。

在同位素地球化學(xué)的研究中，習(xí)慣上采用Sr同位素比值，因?yàn)?7Sr和86Sr的同位素豐度較為接近，一般選用86Sr作為Sr同位素的基準(zhǔn)，即：88Sr/86Sr、87Sr/86Sr和84Sr/86Sr。實(shí)際應(yīng)用時(shí)88Sr/86Sr(8.375 209)或86Sr/88Sr(0.119 4)被視為常數(shù)，可用來校正質(zhì)譜測定中同位素的質(zhì)量歧視效應(yīng)。

研究表明，一個(gè)地質(zhì)體內(nèi)的Sr包含2部分：初始Sr和放射性成因Sr。所謂初始Sr，是指地質(zhì)體形成時(shí)所包含的Sr；放射性成因鍶，是指地質(zhì)體形成后，由于放射性元素Rb的衰變，87Rb計(jì)時(shí)啟動至今所積累的放射性成因Sr。Sr的同位素研究，只涉及到巖石或礦物形成時(shí)的87Sr/86Sr初始值，不包括放射性成因Sr。就Sr的同位素組成而言，只有初始Sr的同位素才具有物質(zhì)來源標(biāo)志的含義，而放射性成因Sr的同位素組成僅與年代學(xué)有關(guān)。不難理解，我們在Sr同位素測定中，實(shí)際測得的是2種不同來源Sr的混合值，稱之為普通Sr的同位素組成，不具有任何實(shí)際的地質(zhì)意義。在巖漿巖研究中，Sr同位素初始值(87Sr/86Sr)0的獲得，只有通過Rb-Sr同位素等時(shí)線作圖或計(jì)算，扣除了巖石形成到現(xiàn)在所積累的放射性成因Sr，或者通過直接測定與巖石同期形成的不含Rb的礦物中的87Sr/86Sr值[12](圖1)。

圖1 87Sr/86Sr增長與87Rb/86Sr之間的函數(shù)關(guān)系[12]Fig.1 The functional relationship between 87Sr/86Sr and 87Rb/86Sr (87Sr/86Sr)0為初始值

碳酸鹽地層Sr的同位素研究，也是基于巖石初始Sr的同位素值，而不是普通Sr的同位素組成。為了避開放射性成因Sr的影響，目前大多數(shù)研究僅限于碳酸鹽或磷酸鹽化學(xué)沉積物。因?yàn)榧儍舻奶妓猁}或磷酸鹽化學(xué)沉積物不含Rb，也就沒有放射性成因Sr的積累。因此，化學(xué)沉積碳酸鹽的Sr同位素測定值實(shí)際上等于成巖時(shí)的初始值。沉積地層Sr同位素研究的一個(gè)重要前提，就是基于以不含Rb的沉積物為主要研究對象，或者實(shí)驗(yàn)中盡量避開其他礦物中放射性成因Sr的加入。

2 碳酸鹽地層Sr同位素樣品的研究

碳酸鹽地層的Sr同位素研究，是建立在樣品不含Rb和不含放射性成因Sr的基礎(chǔ)上。然而，在碳酸鹽地層的樣品中，除生物化石外，真正達(dá)到化學(xué)純度的碳酸鹽樣品較少，這已經(jīng)是一個(gè)不爭的事實(shí)。特別是與大火成巖省、海退和大規(guī)模地殼變動等地質(zhì)事件有關(guān)的碳酸鹽地層內(nèi)，發(fā)現(xiàn)有大量當(dāng)時(shí)的火山灰和陸源剝蝕物。例如：

Wignall等[4]研究Guadalupian統(tǒng)末期生物滅絕事件和沉積相變化時(shí)，在廣西來賓的鐵橋剖面和蓬萊灘剖面茅口組頂部的海相碳酸鹽地層內(nèi)，發(fā)現(xiàn)有大量的火山灰，并認(rèn)為這些火山物質(zhì)很可能源于峨眉山大火成巖省激烈的玄武巖噴發(fā)；同時(shí)由于大規(guī)模的海退事件，有大量的陸源物質(zhì)進(jìn)入到同期的海相碳酸鹽地層中。最引人注目的二疊紀(jì)-三疊紀(jì)邊界的火山噴發(fā)和生物大滅絕事件，在相關(guān)的海相碳酸鹽地層內(nèi)，也同樣發(fā)現(xiàn)有大量的火山碎屑物質(zhì)[13]。此外，一些泥灰?guī)r或含泥質(zhì)較重的灰?guī)r，也含有一些硅酸鹽蝕變黏土礦物。這些礦物中都可能含有較高的Rb和放射性成因的Sr，它們都有可能給碳酸鹽地層Sr的同位素測定帶來影響。

成都理工大學(xué)同位素地質(zhì)研究室曾經(jīng)選用一些泥灰?guī)r樣品作對比實(shí)驗(yàn)，先用4 mol/L HAc(醋酸)溶液，在60℃水浴條件下反應(yīng)20 h，將溶解液用離心機(jī)離心分離，然后分別對醋酸提取液和樣品殘?jiān)鱏r同位素分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)殘?jiān)鼧悠返?7Sr/86Sr比值較高，大都在0.710 0以上，最高值為0.725 2，普遍高于同樣號的碳酸鹽巖石樣品的87Sr/86Sr比值。我們同時(shí)對部分碳酸鹽地層樣品，用2.5 mol/L的超純鹽酸和4 mol/L的分析純醋酸，分別對同一樣品溶解，最后的殘?jiān)捎肦b-Sr年代學(xué)化學(xué)流程，用優(yōu)級純氫氟酸(ρ=1.15 g/mL )、優(yōu)級純高氯酸(ρ=1.67 g/mL )和超純鹽酸 (cHCl=2.5 mol/L)處理，并分別測定(表1)。

結(jié)果表明，殘?jiān)鼧悠返腟r同位素測定值最高，使用2.5 mol/L鹽酸溶解樣品，其87Sr/86Sr測定值略高于醋酸。這一對比實(shí)驗(yàn)說明，用氫氟酸、高氯酸等強(qiáng)酸處理碳酸鹽地層樣品，測定值代表普通Sr的同位素組成。用較高濃度的鹽酸(2.5 mol/L)溶樣，也存在放射性成因Sr的干擾(圖2)。只有再降低酸的濃度，才有可能接近樣品初始Sr的真實(shí)值?；诘刭|(zhì)沉積環(huán)境和物質(zhì)來源的復(fù)雜性，對同期海相碳酸鹽沉積的貢獻(xiàn)和影響程度也不盡相同，很難給予準(zhǔn)確定量的評價(jià)。因此，在涉及到碳酸鹽地層Sr同位素樣品分析時(shí)，要有目的地選擇溶樣方式，避免放射性成因Sr的帶入。

表1 不同溶樣方式的87Sr/86Sr比值測定結(jié)果

LX-5、LX-13、LX-15、LX-22殘?jiān)鼧拥腟r含量太低，質(zhì)譜測定時(shí)無法獲得準(zhǔn)確的87Sr/86Sr比值。

圖2 不同溶樣方式的87Sr/86Sr測定結(jié)果對比Fig.2 Comparison of 87Sr/86Sr in deferent dissolutions of samples

3 Rb-Sr同位素地質(zhì)年齡與碳酸鹽地層Sr同位素研究的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

根據(jù)中華人民共和國地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(DZ/T 0184.4-1997)[14]：巖石、礦物Rb-Sr同位素地質(zhì)年齡及Sr同位素比值測定，主要是針對Rb-Sr同位素地質(zhì)年齡的樣品，一般涉及到巖漿巖和變質(zhì)巖及硅酸鹽礦物。因此，樣品的化學(xué)處理，一般采用氫氟酸、硝酸、高氯酸等，針對的是硅酸鹽、石英等難溶的礦物或巖石，目的是希望樣品中的礦物全部溶解，所有化學(xué)組分都釋放到溶液中，以滿足巖石、礦物Rb-Sr同位素地質(zhì)年齡的測試要求。

碳酸鹽地層樣品化學(xué)處理的目標(biāo)則完全不同，Sr同位素樣品的萃取，僅限于碳酸鹽，不希望有其他含Rb和含放射性成因Sr的礦物溶解(例如石英、硅酸鹽等)，一般采用弱酸或稀釋的鹽酸，通過選擇性溶解，以最大限度地排除樣品中的其他含Rb和放射性成因Sr組分的干擾。不分清研究對象，盲目套用Rb-Sr年代學(xué)或者硅酸鹽樣品的化學(xué)溶樣(氫氟酸、硝酸、高氯酸溶樣)，則可能給沉積巖樣品的測定結(jié)果帶來嚴(yán)重問題，造成碳酸鹽地層Sr的同位素測定值偏高，甚至可能出現(xiàn)完全錯誤的結(jié)果。

目前，國內(nèi)的部分實(shí)驗(yàn)室在處理碳酸鹽地層的Sr同位素樣品時(shí)，也參照了“DZ/T 0184.4-1997標(biāo)準(zhǔn)”的有關(guān)離子交換的化學(xué)分離流程，這是無可非議的。但是，應(yīng)該注意這一標(biāo)準(zhǔn)前言中的特別說明：“本標(biāo)準(zhǔn)不是同位素地質(zhì)樣品分析方法的全部，還有許多分析方法沒有涉及，例如油氣及有機(jī)物質(zhì)的同位素分析由于在起草編寫時(shí)不得其便未能納入；一些近期建立的新方法，也因需要一個(gè)成熟階段，或者還沒有成為常規(guī)方法，因此也沒有企圖在現(xiàn)階段全都納入本標(biāo)準(zhǔn)”。

4 碳酸鹽地層Sr同位素樣品的化學(xué)萃取和分離

海相碳酸鹽沉積地層中Sr的萃取，目前沒有通行的標(biāo)準(zhǔn)。但是，選擇性萃取樣品中的碳酸鹽組分，避開其他干擾組分的介入是實(shí)驗(yàn)的一個(gè)最基本原則。

目前，國際上大多采用選擇性萃取技術(shù)，用醋酸或濃度較低的稀鹽酸提取碳酸鹽組分。下面是幾個(gè)典型的例子。

a.廣西來賓市的鐵橋和蓬萊灘剖面茅口組頂部的碳酸鹽地層：樣品含有較多的火山灰和陸源剝蝕物，碳酸鹽樣品內(nèi)雜質(zhì)成分復(fù)雜。處理方法是：先用1 mol/L的NH4Cl 溶液清洗樣品，然后將其置于1 mol/L乙酸-醋酸銨緩沖液(pH=4.5)內(nèi)，在超聲波水浴內(nèi)(60℃)溶解 3 h，提取清液，用離子交換柱分離[4]。

b.樣品采自伊朗中部Abadeh剖面，二疊紀(jì)晚Guadalupian世到Lopingian世海相沉積碳酸鹽地層。樣品處理：采用3 mol/L醋酸1 mL溶樣，蒸干，得到醋酸鹽。然后經(jīng)3 mol/L的超純HNO3溶解，在一個(gè)陽離子樹脂交換柱(0.2 mL Eichrom鍶樹脂柱)分離Sr。樣品上柱前，先用3 mol/L的超純HNO3清洗；樣品溶液上柱后，注入3 mL濃度為3 moL/L的超純HNO3淋洗，用以除去一些像Ca2+和Ba2+的陽離子。然后，含Sr部分用另外的0.05 mol/L的HNO3淋洗、收集，蒸干，做同位素質(zhì)譜分析[15]。

c.腕足類生物殼化石樣品：采自central Spitsbergen, Van Keulenhamna, Eholmen 和 Forkastningsdalenin southern Spitsbergen。因?yàn)樯餁せ妓猁}組分純度很高，不含Rb的雜質(zhì)組分。樣品化學(xué)處理十分簡單，采用超純稀鹽酸溶解即可[16]。

以上是我們選擇的3個(gè)典型的案例。從中可以看到，對于海相碳酸鹽地層樣品的化學(xué)處理，目前仍然沒有任何固定的標(biāo)準(zhǔn)程序。只是根據(jù)沉積地層樣品的具體情況，制定處理方案。對于含硅酸鹽雜質(zhì)較多的樣品，一般選用醋酸或濃度較低的鹽酸。因此，在分析實(shí)驗(yàn)前，最好對樣品作一次Rb和Sr的含量分析，剔除Rb含量高的樣品。一般情況，選用醋酸或濃度較低的鹽酸溶樣，較為穩(wěn)妥。

5 結(jié) 論

離子交換柱沒有消除放射性成因87Sr影響的功能，只能減少或除去Ca2+、Ba2+等陽離子，以便在質(zhì)譜分析中提高Sr同位素的電離概率，獲取更高的靈敏度，同時(shí)消除87Rb(同質(zhì)異位素)對87Sr測定值的干擾。在質(zhì)譜分析時(shí)，一旦發(fā)現(xiàn)樣品中含有Rb，就必然存在放射性成因87Sr的影響，導(dǎo)致Sr同位素測定值偏高。實(shí)驗(yàn)證明，采用選擇性溶解技術(shù)，用醋酸或濃度較低的稀鹽酸萃取碳酸鹽組分，可以減少或有效地排除硅酸鹽及其他富含放射性成因Sr的礦物的影響。

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Discussions on key problem of Sr isotope analysis in carbonate strata

YAN Qiu-shi1, SHI Ze-jin2

1.CollegeofEarthSciences,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China; 2.StateKeyLaboratoryofOilandGasReservoirGeologyandExploitation,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China

Reduction or elimination of87Sr originated from87Rb decay is the key to strontium isotope study on carbonate strata. The strontium isotope study on carbonate strata is based on that there is no87Sr from87Rb decay after the strata were formed. The ion exchange column is no function for removing87Sr influence from the radioactive origin and can only remove Rb+, Ca2+, Ba2+and so on, meanwhile, improves Sr ionization efficiency and avoids87Rb influence for87Sr test. Once the87Rb signal occurs in isotope mass determination, it is likely that the87Sr influence comes from the radioactive origin of other no-carbonate minerals in the samples. Careless use of hydrofluoric acid, hydrogen nitrate and perchloric acid in the dissolution of samples could severely affect the values of87Sr/86Sr determination because some Rb-enriched silicate and other minerals, according to previous studies, could be found in the carbonate strata. Recently, a selectively dissolving technique, as used by acetic acid or hydrochloric acid with low concentration, can effectively extract pure carbonate components and eliminate the87Sr influence from the radioactive origin in the Rb-enriched silicate minerals. The application of this method to complex marine carbonate analysis proves to be successful.

carbonate strata; Sr isotopes; Sr isotope of radioactive origin; selectively dissolving technique; ion exchange column

10.3969/j.issn.1671-9727.2016.05.02

1671-9727(2016)05-0522-06

2016-04-30。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40739903)。

閆秋實(shí)(1976-)，男，碩士，研究方向：同位素地球化學(xué), E-mail:yanqiushi@cdut.cn。

施澤進(jìn)(1965-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：石油地質(zhì)學(xué), E-mail:szj@cdut.edu.cn。

P597; P599

A