锶同位素

随着锶同位素测试技术和分析精度的提高,以及人们对海水锶同位素组成在碳酸盐成岩作用中保存性的理解,锶同位素在海相碳酸盐领域已经得到了广泛应用。一般认为,锶同位素组成(78Sr/86Sr比值)不因物理、化学和生物过程发生同位素分馏作用（ et al.,1995),而主要是受到了锶来源的控制。根据不同锶的来源差异,一般可分为壳源、海源、幔源三大来源:壳源(陆源)主要包括了长石等陆源(铝)硅酸盐矿物和大气淡水等来源,海源主要包括了同期(近同期)海水和同期或非同期海相碳酸盐碎屑等来源,幔源(地球深部)主要包括了岩浆侵位和其他热液流体等来源(黄思静等,2002)。不同地质背景(成因)的储层碳酸盐矿物的锶同位素组成可以理解成上述三大来源锶共同混合的结果,可以是单一来源,也可以是多来源混合,人们可以依据不同组构碳酸盐矿物的锶同位素比值与壳源、海源、幔源三大主要锶来源的锶同位素比值之间的差异,研究这些碳酸盐矿物的物质来源以及形成的相对时间,推测成岩过程中孔隙流体锶同位素组成的变化趋势,评估壳源、海源和幔源物质对成岩过程的影响。

川东北地区三叠系飞仙关组所有白云岩(白云石)的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值平均值为0.707862,不同层段不同类型白云岩(白云石)的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值最小平均值为0.707473、最大平均值可达0.707985(表6.4;图6.16)。这些⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值均显著大于川东北地区三叠系飞仙关组同期海水的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值(表6.4;图4.10,图4.11,图4.12,图6.16,图6.17),显然这些白云岩(白云石)形成过程中存在着比同期海水富放射性成因锶的流体的混合作用。同时,这些样品的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值与1/Sr值之间出现了较为明显的正相关关系(图6.18),随着岩石中Sr含量的降低,⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值却增大,或者说,随着白云化作用的进行,Sr元素的丢失和减少导致了放射性成因锶在白云化过程中处于一个相对增加的趋势(图6.18)。这是川东北地区三叠系飞仙关组白云岩(白云石)⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值都比较高,且高于其对应时间段同期海水⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值(表6.4;图4.10,图4.11,图4.12,图6.16,图6.17)的原因。

但总的说来,川东北地区三叠系飞仙关组白云岩(白云石)的锶同位素组成仍然分布在早三叠世全球海水锶同位素组成分布范围内(0.7072～0.7083;Korte et al.,2003),显示它们与对应时期内全球海水的锶同位素组成具有较好的一致性(表4.2;图4.10,图4.11,图4.12,图4.23,图6.16,图6.17),这也表明川东北地区三叠系飞仙关组白云岩的白云化流体(或白云石的沉淀流体)与其同期或近同期海水仍然有着强烈的亲缘关系,海水或与之有关的海源流体是这个时间段白云化作用(或白云石沉淀作用)最为重要的流体,而不是其他一些具有很高放射性成因锶的外来非同期(或非近同期)的成岩流体。

图6.16 川东北地区三叠系飞仙关组不同层段不同类型白云岩(白云石)和同期海水的锶同位素组成直方图

川东北地区三叠系飞仙关组白云岩的形成机制

就川东北地区三叠系飞仙关组不同类型白云岩(白云石)而言,飞仙关组1段结晶白云岩和原始结构保存的粒屑白云岩、飞仙关组2段孔洞白云石和原始结构保存的粒屑白云岩的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值基本接近,显示它们的白云化流体有很大的相似性,也就是说,这些白云化流体有着相对一致的共同来源;与此同时,飞仙关组2段的结晶白云岩和微晶白云岩具有相对很高的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值,显示它们的白云化流体具有更多的富放射性成因锶(壳源锶),因而飞仙关组1段和2段白云岩(白云石)可能来自于不同来源或者不同时间的白云化流体,或者也有可能是在最初一期白云化流体的作用下共同形成,而后飞仙关组2段白云岩(白云石)又受到另外一些富放射性成因锶的外来非同期(或非近同期)白云化流体的直接影响。

图6.18 川东北地区三叠系飞仙关组白云岩(含过渡岩石类型)锶同位素组成与Sr含量倒数关系图

但事实上,我们很难知道哪些因素直接控制了上述情况的出现,是锶同位素发生了分馏作用,还是其他富放射性成因锶流体的侵位混合作用?由于同位素分馏作用不是控制锶同位素组成变化的原因(Aberg et al.,1995),显然是其他富放射性成因锶流体的侵位混合作用控制了上述白云化过程中放射性成因锶的增加,导致不同类型白云岩(白云石)的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值显著偏离了各自对应时间段同期海水的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值,但它们仍接近各自对应时间段同期海水的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值(表6.4;图4.23,图6.16,图6.17),或者说,这些白云化流体可以是在原有流体基础上,混合了少量来自于陆源(如长石等陆源(铝)硅酸盐矿物或者大气淡水等来源)放射性成因锶的“混合流体”,也可能是属于邻近层位(或邻近时间段)的具有稍高⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值的海源流体,那么究竟这些白云化流体是什么流体?或者说,这些白云化流体在锶同位素组成上是类似于海水、还是类似于大气淡水或者大气淡水和海水的“混合流体”?如果是“混合流体”,那么海水和大气淡水所占的比例分别是多少?为了定量地回答这些问题,本书利用Stein et al.(2000)提出的公式定量地描述海水与大气淡水混合时其锶同位素组成的变化:

川东北地区三叠系飞仙关组白云岩的形成机制

川东北地区三叠系飞仙关组白云岩的形成机制

式中:各有关物质的浓度用mol表示,L代表混合后的流体,ssw代表海水对混合后流体锶的贡献;m代表大气淡水对混合后流体锶的贡献。

对于川东北地区三叠系飞仙关组不同类型白云岩(白云石)而言,根据上述锶同位素混合方程(方程(6.9)),可以取样品分布时间段海水⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值变化范围的平均值(飞仙关组1段:0.707237、飞仙关组2段:0.707290,表6.4)作为同期海水的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值,即 、0.707290(飞仙关组2段),取现代海水Sr含量的平均值(0.097mmol/L;Koepnick et al.,1985)作为同期海水的Sr含量,即Srws=0.097mmol/L;取现代河流淡水⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值的平均值(0.7119;Palmer et al.,1989)作为同期大气淡水的锶同位素组成,即 ,取现代河水Sr含量的平均值(0.001mmol/L;Livingstone,1963)作为同期大气淡水的Sr含量,即Srm=0.001mmol/L; 对应各自白云岩(白云石)样品的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值,那么最后就可以知道:混合水白云化流体中海水和大气淡水所占的比例,从而可以具体了解白云岩(白云石)的形成是否受到了混合水流体来源的影响。

结果如图6.19所示,川东北地区三叠系飞仙关组不同类型白云岩(白云石)所对应的白云化流体中来自大气淡水的比例很大,主要集中在80%～95%之间,也就是说,白云化流体可以由80%～95%的大气淡水和20%～5%的海水混合而成,其中飞仙关组1段和2段白云岩(白云石)⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值平均值对应的来自大气淡水Sr所占的摩尔百分数也落在了大气淡水与海水混合区内,分别为85.9%、93.8%(图6.19)。按照经典的混合水白云化作用模式:70%～95%的大气淡水与30%～5%的海水混合后就可以发生混合水白云化作用(Badiozamani,1973),因而从经典的混合水白云化作用模式或理论上说,川东北地区三叠系飞仙关组的多数白云岩(白云石)似乎可以来自于由大气淡水与海水混合形成的白云化流体(图6.19),也就是说,川东北地区三叠系飞仙关组的白云化流体似乎可能主要与“混合流体”有关。相对而言,川东北地区三叠系飞仙关组1段白云岩所对应的白云化流体中大气淡水所占的比例明显小于飞仙关组2段白云岩(白云石)大气淡水所占的比例,似乎显示飞仙关组2段的白云化流体中大气淡水所占的比例要更大,而飞仙关组1段的白云化流体中海水所占的比例要更大。

值得注意的是,如果实际白云化流体类似于上述计算获得的几乎可以全由大气淡水组成的白云化流体,那么大气淡水应该是川东北地区三叠系飞仙关组白云化作用的主要参与者。不过,如此大比例(80%～95%;图6.19)大气淡水的参与肯定会提供相当多的Mn、Fe、¹²C和¹⁶O,但这与川东北地区三叠系飞仙关组白云岩(白云石)实际的地球化学特征大相径庭,因为大多数白云岩(白云石)都具有非常低的Mn和Fe含量(所有样品Mn含量平均值仅为48ppm、多数样品Fe含量300ppm以下;表6.3;图6.4,图6.5)、较高的Sr含量(所有样品平均值为131ppm,显著高于另外一些地方和地层的白云岩;表6.3;图6.7)、高的δ¹³C值(所有样品平均值高达1.92‰(PDB);表6.4;图6.11,图6.12),同时多数白云石的沉淀(白云化流体)可能出现在40～100℃的温度区间内(表5.4,表5.7;图5.5,图5.6,图5.9,图5.10),并具有较小的Ca/Mg比(Ca/Mg比<1.17;表6.1;图6.1)、较高的流体盐度(5%NaCl以上;表6.2;图6.2,图6.3)、较大的流体δ¹⁸O值(结晶白云岩对应的流体δ¹⁸O值分布在远高于正常海水值以上的4‰～8‰(SMOW),粒屑白云岩对应的流体δ¹⁸O值分布在正常海水值0‰(SMOW)附近;图6.15),因而这些证据显然不支持结晶白云岩和原始结构保存的粒屑白云岩的白云化过程中有显著的大气淡水参与,也就是说,大气淡水并不是其白云化流体的主要来源,贫Mn和Fe、富Sr、富¹³C和¹⁸O的海源流体才是其白云化流体的主要来源。当然,川东北地区三叠系飞仙关组微晶白云岩的一些地球化学特征显示其白云化流体很可能具有一定的大气淡水特征,尤其是飞仙关组4段微晶白云岩表现更为明显,大气淡水和海水的混合流体很可能是其主要的白云化流体。

图6.19 由海水与大气淡水混合的白云化流体中不同Sr来源所占比例的变化趋势图

由于川东北地区三叠系飞仙关组结晶白云岩和原始结构保存的粒屑白云岩的地球化学证据并不支持它们来自大气淡水的观点,它们也没有从碎屑岩地层中获取放射性成因的锶(这些白云岩的锶同位素组成仍然分布在早三叠世全球海水锶同位素组成的分布范围内(0.7072～0.7083;Korte et al.,2003);表6.4;图4.10,图4.11,图4.12,图6.16,图6.17),那么本书需要回答的是:这些⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值高于同期海水的白云化流体来自何处?在晚二叠世—三叠纪海水的锶同位素演化曲线中,早三叠世是—个全球海平面上升的时间间隔(图6.20),但全球海平面上升的背景下却出现了⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值的持续升高,前人(Kotre et al.,2003)对此的解释是:二叠/三叠纪之交生物绝灭带来的全球生态萧条、大陆植被缺乏、快速的风化作用导致了海水中放射性成因锶的持续增加,并在243Ma左右达到了晚二叠世—三叠纪全球海水⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值的最大值——0.708357(图4.10)。由图6.20可以看出,在早三叠世晚期和中三叠世的时间间隔中,海水⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值变化的最大值已超过川东北地区三叠系飞仙关组不同类型白云岩(白云石)中绝大多数白云岩的87Sr/86Sr比值(没有包括两个⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值异常高的结晶白云岩样品,分别为0.710073和0.710414,它们显然与高度富放射性成因锶流体的混合或者污染有关),因而在成岩过程中导致川东北地区三叠系飞仙关组白云岩(白云石)形成的海源流体应该与早三叠世晚期和中三叠世全球海平面上升过程中近同期而非同期的海水(大致在235～245Ma之间,跨越了大致10Ma的时间间隔)有关;同时,这种海源流体可能是直接下渗的海水,但更多地可能与埋藏成岩过程中上述时间间隔对应地层(嘉陵江组、雷口坡组—飞仙关组上覆地层)广泛分布的蒸发盐溶解(包括含水蒸发盐脱水作用)产生的流体有关,这些蒸发盐的78Sr/86Sr比值与该时间间隔的海水⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值(黄思静等,2006d)类似是这种假定的主要依据。

图6.20 晚二叠世—三叠纪全球海水的锶同位素组成演化趋势以及相应的海平面变化曲线