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重晶石Ba同位素分析与应用前景

14、古生物、古地理与古环境 > 专题8：金属稳定同位素示踪古环境演变

田兰兰1，卫炜1, 黄方1*
1. 中国科学技术大学中国科学院壳幔物质与环境重点实验室，合肥 230026
Ba是海洋中一个重要的生物营养元素，其生物地球化学循环与海洋中的生物生产力水平密切相关。作为海洋中Ba元素最主要的汇，重晶石（BaSO4）在沉积物中的累计速率常用来重建古海洋的生物生产力演化（Paytan和Griffith，2007）。但是，沉积物中其它组分的干扰以及重晶石的保存问题则会影响该指标的应用。近年来，Ba同位素地球化学的研究取得了长足进步，重晶石的Ba同位素可以为海洋中Ba元素及其同位素的循环提供了更为可靠的制约，是潜在的古海洋生产力指标。
但是，重晶石十分难溶解于水和酸，以至于重晶石Ba同位素分析至今没有一套完善的方法，使得重晶石Ba同位素的应用受到了限制。为此，我们建立了一套完善的重晶石Ba同位素分析方法，采用碳酸钠交换法溶解重晶石（BaSO4(s) + Na2CO3(l)excess→BaCO3(s) + Na2SO4(l)，BaCO3(s) + 2HCl(l) = BaCl2(l) + H2O(l) + CO2(q)），双稀释剂法测量Ba同位素组成。我们对碳酸钠置换法中的各项影响因素（包括置换反应的时间、次数、碳酸钠用量，除基质效应，化学流程潜在的分馏）进行了详细的评估，结果显示在我们的化学流程中上述影响因素并不会显著影响重晶石Ba同位素测试的结果。此外，我们还提出了一种新型简便的重晶石Ba同位素分析方法—“水溶解法”。该方法是基于重晶石的高溶解速率（10-6.8 mol m-2s-1），且在水溶解过程中不会引起Ba同位素分馏。结果显示，两种方法的测量结果完全一致。可见，水是溶解重晶石Ba的完美溶剂，水溶法相比碳酸钠法更加便捷简单，大大提高了实验效率。
我们还分析了从太古代至新生代的16件重晶石样品的Ba同位素组成。结果显示，太古代至新元古代（3.5 – 0.65 Ga）沉积的重晶石样品δ137/134Ba值较为均一，为0 ± 0.05 ‰；寒武纪早期沉积的重晶石样品则记录了显著的Ba同位素分馏，δ137/134Ba值可高达0.65 ‰；随后的重晶石样品，其δ137/134Ba值也较为均一，为0.08 ± 0.02 ‰，与现代海洋中重晶石的δ137/134Ba值一致（0.07 ± 0.01 ‰；Bridgestock等，2018）。前人的研究表明，寒武纪早期海洋发生了一次显著的氧化事件，可能促使了“寒武纪生命大爆发”（Chen et al., 2015）。寒武纪早期重晶石中显著的Ba同位素分馏，则可能与该时期海洋的显著氧化有关。由此可见，重晶石的Ba同位素组成对于示踪古海洋环境演变具有巨大的潜力。
[1] Paytan, A.,E.M. Griffith, Marine barite: Recorder of variations in ocean export productivity. Deep-Sea Res. II, 2007, 54(5-7), 687-705.
[2] Bridgestock, L., Y.-T. Hsieh, D. Porcelli, et al., Controls on the barium isotope compositions of marine sediments. Earth Planet. Sci. Lett., 2018, 481(101-110).
[3] Chen, X., H.-F. Ling, D. Vance, et al., Rise to modern levels of ocean oxygenation coincided with the Cambrian radiation of animals. Nat. Commun, 2015, 6(7142).