付挺　曹立成

[摘要]近年來， 海洋中放射成因同位素體系已被廣泛用來示蹤和恢復(fù)古洋流的循環(huán)。其中，Nd同位素體系已經(jīng)成為最重要的研究手段之一，并且取得了許多重大的研究成果，極大地推動(dòng)了海洋組成及演化等方面的研究。本文圍繞海洋沉積物中的碎屑組分及自生組分來分別闡述Nd同位素體系在物源分析及古海洋演化中應(yīng)用的可行性及最新的研究進(jìn)展，并結(jié)合實(shí)例進(jìn)行分析說明。

[關(guān)鍵詞]Nd同位素 海洋沉積物 物源分析 古海洋演化

[中圖分類號(hào)] P714+.6 [文獻(xiàn)碼] B [文章編號(hào)] 1000-405X（2015）-8-322-3

1前言

地球的內(nèi)部活動(dòng)（巖漿活動(dòng)、板塊運(yùn)動(dòng)、地幔柱活動(dòng)、大陸的聚散等）和外部狀態(tài)（地理、氣候、風(fēng)化等）影響和控制著海洋環(huán)流、海水成分以及沉積作用。海洋沉積物中保存了古海洋的某些信息，因此，通過研究這些沉積物的同位素組成，可獲得古環(huán)境、物源、古氣候以及與此相關(guān)的地球內(nèi)部活動(dòng)的信息。近年來，這一研究領(lǐng)域已發(fā)展成當(dāng)今地球科學(xué)研究中的前沿領(lǐng)域之一，具有十分重要的科學(xué)意義。

近年來， 多種放射性同位素體系（Nd、Pb、Hf、Sr、Os等）已被廣泛應(yīng)的用來示蹤物源和恢復(fù)古洋流循環(huán)的研究中[1]。其中，Nd同位素的研究程度相對較高且應(yīng)用最為廣泛，并取得了許多重要的成果。本文目的在于介紹國內(nèi)外Nd同位素的最新研究方法和成果，提高我們對這一領(lǐng)域的認(rèn)識(shí)和研究。

2 Nd同位素簡介

Nd屬于輕稀土元素，在自然界中共有7種同位素，其中常用的主要為143Nd和144Nd。

144Nd是由放射性元素147Sm衰變形成，主要來自于海底地幔物質(zhì)如洋脊超基性—基性系列巖石，因此也稱其為放射性成因Nd；而143Nd則多富集與酸性鋁硅酸鹽中，是Nd的穩(wěn)定同位素，通常被認(rèn)為是陸源Nd。Sm-Nd同位素體系最初并沒有被應(yīng)用于古海洋學(xué)研究，而是作為巖石地球化學(xué)的示蹤體系來指示各種殼-幔演化過程[2]。

最早研究海洋中的Nd同位素是在20世紀(jì)70年代，O'Nions等[3]首次報(bào)道了海洋鐵錳結(jié)核以及熱液沉積物的Nd同位素組成。

為了應(yīng)用的方便，通常Nd同位素組成的表達(dá)為εNd，其計(jì)算方式下：

其中CHUR代表球粒隕石儲(chǔ)庫。Nd模式年齡是一個(gè)研究海洋沉積物同位素組成的半定量方法。

TDM依據(jù)Goldstein et al. （1984）[4]的方法假設(shè)從地球處于4.56Ga的εNd=0到現(xiàn)今的εNd=10是一個(gè)線性的演化模式，能有效區(qū)分不同源區(qū)的物質(zhì)。

3海洋沉積物Nd來源

海洋中的Nd含量在10-12g/g（10pmol/kg），海水中的Nd主要以溶解態(tài)（90%—95%）[5]的形式存在，大多表現(xiàn)為+3價(jià)狀態(tài)。

海洋中Nd的組成受到Nd源-匯系統(tǒng)和洋流的共同控制，其中來自大陸輸送的物源影響最為重要。

據(jù)統(tǒng)計(jì)每年由河流輸入海洋的Nd大概約為7.2×108g；海底熱液活動(dòng)也是提供Nd元素的另一種方式，但這種貢獻(xiàn)在海洋中所占比例很小。

另外，邊界交換作用對Nd的源與匯起著重要影響，例如Rempfer， J.， et al.（2011）[6]基于Bern3D模型對全球大洋的Nd含量濃度及εNd的分布進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示與觀察數(shù)據(jù)一致：河流輸送及風(fēng)力搬運(yùn)的物質(zhì)是沉積物中Nd的主要來源，陸架區(qū)域?qū)d的清掃作用有重要影響。

4海洋沉積物分類

Tessier et al. （1979）[7]依據(jù)微量元素的活動(dòng)差異性對海洋沉積物進(jìn)行了分類。源自海水的元素可以吸附在礦物表面、參與形成碳酸鹽巖或被鐵錳氧化物清掃。而存留在沉積物的微量元素可通常與有機(jī)化合物有關(guān)或?qū)儆谒樾冀M分。分離步驟對于海洋沉積物中各組分的研究十分重要。

G. Bayon et al.（2002）[8]以大西洋東南部Cape盆地北部的深海沉積物為例，通過對比幾種實(shí)驗(yàn)方案得到一套標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)步驟，能夠分離出較為純凈的各個(gè)組分（圖1）。

Asahara et al.（2012）[9]指出G. Bayonet al.（2002）的組分分離方法主要適用于深海沉積物的限定，與該文總結(jié)的陸架沉積物有些差別，因此其采用長時(shí)間和高劑量的分離方法進(jìn)行對比，結(jié)果顯示該實(shí)驗(yàn)方法對Bering Sea和Chukchi Seas的物源供給特征有較好的限定。

5物源分析

物源分析是盆地分析的重要內(nèi)容，主要用于確定物源區(qū)位置、母巖性質(zhì)及搬運(yùn)途徑等以及對原盆地恢復(fù)、古地理再造和評(píng)價(jià)儲(chǔ)層品質(zhì)等方面。

近年來，在傳統(tǒng)物源分析方法的基礎(chǔ)上，Nd同位素分析已經(jīng)成為物源分析的重要指標(biāo)[10]，尤其適用于細(xì)粒沉積物。

Nd同位素可應(yīng)用于物源分析主要基于以下假設(shè)：沉積物中的碎屑物質(zhì)雖然經(jīng)歷了風(fēng)化剝蝕以及后期的成巖作用，但仍保持著母巖的性質(zhì)，Sm、Nd有著相似的化學(xué)性質(zhì)，沉積過程中的風(fēng)化作用和成巖作用對同位素體系影響很小[11]。

另外，Nd和Sm均為不相容元素，但Nd相對與Sm更加不相容，從而導(dǎo)致Nd在殼幔分異過程中更加富集，因此部分熔融形成的地殼具有較低Sm/Nd比值和負(fù)的εNd值，而虧損地幔則具有較高的Sm/Nd比值和正的εNd值，由地幔直接產(chǎn)生的巖漿巖也具有類似的εNd模式[12]。

Nd同位素的物源指示參數(shù)被廣泛應(yīng)用于陸架、陸坡及深海沉積物的物源分析中。

VanLaningham， S et al.（2009）[13]通過對太平洋北部白令海附近的碎屑沉積物的Nd和Ar同位素分析，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域冰期-間冰期的物源存在較大的改變。

另外Sr與Nd同位素性質(zhì)的差異使得Sr-Nd同位素體系被廣泛應(yīng)用在碎屑沉積物的物源分析中。

εNd-87Sr/86Sr圖解是物源判定中常見的方法，如Gourlan et al.（2010）[14]研究了孟加拉灣ODP758、757航次沉積物與陸上河流系統(tǒng)（包括恒河、雅魯藏布江、伊洛瓦底江和怒江）的Sr-Nd同位素特征，從而對它們的源區(qū)進(jìn)行了限定（圖2）。

6古海洋演化

研究表明，海洋中的Nd主要是被沉積物中鐵錳氧化物所清掃[5]?，F(xiàn)代海洋中Nd的滯留時(shí)間約為300-1000年，比Sr的滯留時(shí)間（20Ma）短的多，但略小于海水的平均混合時(shí)間。

因此海水中Nd同位素組成在全球尺度上不會(huì)被混合均勻，這使得Nd同位素組成可有效的示蹤現(xiàn)代大洋和古海洋洋流。

研究發(fā)現(xiàn)，在絕大多數(shù)海域中海水Nd同位素組成與海水的鹽度和SiO2含量具有很好的相關(guān)關(guān)系[1]。由于海水鹽度和SiO2含量是海洋學(xué)中常用的兩種保守指標(biāo)，因此，大部分海域中的海水Nd同位素都具有保守性質(zhì)，從而進(jìn)一步印證了在物源保持穩(wěn)定的條件下，海水Nd同位素的異常變化主要是由于具有不同Nd同位素組成的洋流間的混合。

雖然自80年代初期Nd同位素就被應(yīng)用在古海洋的研究中，但是對海洋中Nd同位素組成在全球尺度上的研究一直處于空白，直到Arsouze et al（2007）[15]Lacan et al（2012）基于全球范圍內(nèi)的海洋Nd數(shù)據(jù)資料對Nd循環(huán)進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果顯示北大西洋的中深層水團(tuán)經(jīng)印度洋至太平洋具有遞增的趨勢，這表明εNd除了全球化的環(huán)流作用之外，局部海洋地形地貌和沉積物顆粒的再礦化作用對此均有一定的影響，但是由于獲取數(shù)據(jù)的不均勻性以及精度有限性，對全球尺度海洋Nd同位素特征的精細(xì)刻劃有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

運(yùn)用Nd同位素示蹤古洋流的演化，不僅要了解Nd同位素組成的地區(qū)差異性，還要了解Nd同位素組成隨時(shí)間推進(jìn)產(chǎn)生的變化。研究表明：60Ma年來，太平洋中鐵猛結(jié)殼的研究顯示，最低值（-5.81）出現(xiàn)在22Ma，最高值（-4.06）出現(xiàn)在4.6Ma[16]。期間大西洋的εNd在20Ma年波動(dòng)范圍較大，出現(xiàn)了-10.1的低值和-6.4的高值[17]；相對于大西洋和太平洋而言，印度洋的資料較少。O'Nions等[18]的研究顯示，25Ma以來，εNd變化范圍為-7.02～-8.11。

綜上所述，新生代以來（至少20Ma以來），同一大洋不同水團(tuán)中的εNd基本保持不變，而不同大洋之間的εNd差異逐漸明顯（圖3），這可能是因?yàn)橥淮笱驨d同位素組成隨時(shí)間的變化在區(qū)域內(nèi)幾乎沒有變化，而在洋間則呈現(xiàn)較大差異性，因此，Nd同位素可被用來研究新生代以來的洋流演化過程。

7結(jié)論

當(dāng)前地球系統(tǒng)科學(xué)著重強(qiáng)調(diào)對各圈層相互作用的研究，海洋Nd同位素可以很好地用于物源分析及古海洋演化分析，因此可以將物質(zhì)供給、洋流循環(huán)的改變與氣候變化和板塊構(gòu)造聯(lián)系起來，進(jìn)而探討它們之間的耦合成因。目前這一研究手段已經(jīng)在一些重大地質(zhì)事件的研究中取得了許多重要的研究成果，成為國際上古海洋學(xué)研究中的熱點(diǎn)，且在將來的研究中也有著誘人的發(fā)展前景。當(dāng)前對古海洋和古氣候的研究更加強(qiáng)調(diào)“深時(shí)”研究，無論是沉積物中的碎屑組分還是自生組分，保存的Nd同位素信息的尺度一般只適于新生代，個(gè)別能達(dá)到白堊紀(jì)晚期。Nd同位素能夠在一系列時(shí)間尺度內(nèi)作為物源分析和示蹤古海洋演化的有效指標(biāo)的前提條件是對沉積物合適的獲取方法和組分分離步驟。今后如果在這些方面取得突破，將極大地推動(dòng)海洋沉積物中Nd同位素組成的研究，從而加強(qiáng)對海洋在地質(zhì)歷史時(shí)期演化的認(rèn)識(shí)。

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