DOI: https://doi.org/10.5194/essd-17-79-2025
تاريخ النشر: 2025-01-16
المؤلف: Patrice de Caritat وآخرون
الموضوع الرئيسي: المياه الجوفية وكيمياء النظائر
نظرة عامة
تقدم هذه الورقة البحثية تحليلًا شاملاً لنظائر السترونتيوم ($^{87}\text{Sr}/^{86}\text{Sr}$) من عينات الرواسب النهرية المؤرشفة التي تم جمعها من كراتون ييلغارن في جنوب غرب أستراليا. تم تحديد ما مجموعه 120 تركيبة نظيرية جديدة من 97 عينة رواسب من مخرج حوض، مع التركيز بشكل أساسي على عينات الرواسب من المخرج السفلي (BOS) المستخرجة من أعماق تتراوح بين 60-80 سم تقريبًا. كشفت التحليلات النظيرية عن نطاق واسع من قيم $^{87}\text{Sr}/^{86}\text{Sr}$، من 0.7152 إلى 1.0909، مع وسطي قدره 0.7560، مما يشير إلى تباين كبير في صخور المصدر والعمليات الجيولوجية عبر المنطقة. كانت القيم الأكثر إشعاعًا ($^{87}\text{Sr}/^{86}\text{Sr} > 0.8$) مرتبطة بصخور فليسية متطفلة من العصر الأركي، بينما قدمت الصخور الأساسية غير الجرانيتية الأحدث توقيعات أقل إشعاعًا.
تسلط الدراسة أيضًا الضوء على التوزيع المكاني لنسب $^{87}\text{Sr}/^{86}\text{Sr}$، والتي تتوافق مع الجيولوجيا السطحية ووجود المعادن داخل الأحواض. ومن الجدير بالذكر أن أكثر من 40 وجودًا معدنيًا تم ربطه بقيم نظيرية أعلى، مما يشير إلى ارتباطات محتملة مع مجموعات السلع المختلفة. تسهم النتائج في واحدة من أكبر خرائط نظائر السترونتيوم في نصف الكرة الجنوبي، مما يوفر مجموعة بيانات قيمة للدراسات الجيولوجية والبيئية والأثرية المستقبلية. يقترح المؤلفون تطوير خريطة نظائر سترونتيوم على نطاق وطني لأستراليا، والتي يمكن أن تعزز فهم الأنماط الجيولوجية الإقليمية وتسهيل البحث بين التخصصات.
مقدمة
تناقش المقدمة أهمية نسب نظائر السترونتيوم ($^{87}\text{Sr}/^{86}\text{Sr}$) في سياقات جيولوجية وأنثروبولوجية مختلفة. السترونتيوم (Sr) وفير في المواد الجيولوجية ويحل محل الكالسيوم (Ca) في المعادن، بينما يؤثر الروبيديوم (Rb)، الذي يتحلل إلى سترونتيوم مستقر، على نسبة $^{87}\text{Sr}/^{86}\text{Sr}$ مع مرور الوقت. يظل هذا النظام النظيري ثابتًا خلال العمليات الجيولوجية والبيولوجية، مما يجعله أداة قيمة في علوم الأرض ودراسات أصل الغذاء.
على الرغم من الأبحاث الواسعة التي تستخدم نظائر السترونتيوم، هناك نقص ملحوظ في خرائط نظائر السترونتيوم في نصف الكرة الجنوبي، خاصة بالنسبة للتربة. تبرز المقدمة ثلاث استثناءات في أستراليا، والتي تشمل دراسات تغطي مناطق كبيرة من الأراضي. تهدف الدراسة الحالية إلى معالجة هذه الفجوة من خلال تقديم بيانات جديدة عن نسب $^{87}\text{Sr}/^{86}\text{Sr}$ في منطقة تتميز بالمواد المتآكلة وغياب التجليد الحديث، مما يسهم في فهم عالمي أكثر توازنًا لتباينات نظائر السترونتيوم. يبرز التركيز على إجمالي السترونتيوم، بدلاً من السترونتيوم المتاح حيويًا، تأكيد الدراسة على المصادر والعمليات الجيولوجية.
الطرق
في هذه الدراسة، تم تحليل نظائر السترونتيوم ($^{87}$Sr/$^{86}$Sr) باستخدام عينات تم إعدادها في مختبر وولونغونغ لجيولوجيا النظائر (WIGL). تم هضم حوالي 50 ملغ من كل عينة في خليط 2:1 من حمض الهيدروفلوريك وحمض النيتريك، تلا ذلك إعادة الذوبان في الماء الملكي ثم في حمض النيتريك 2 M لإزالة الفلوريدات. تم عزل السترونتيوم من مصفوفة العينة باستخدام نظام كروماتوغرافي آلي منخفض الضغط مع عمود Sr-Ca سعة 1 مل. ثم تم إعادة إذابة السترونتيوم المعزول في حمض النيتريك 0.3 M للتحليل النظيري.
تم إجراء تحليل نظائر السترونتيوم على جهاز مطياف الكتلة المتعدد المجمعات من طراز ثيرمو ساينتيفيك نيبتون بلس (MC-ICP-MS). شمل نظام إدخال العينة جهاز نيبوليزر ESI Apex-ST PFA MicroFlow وغرفة رذاذ مزدوجة SSI Quartz، مع أخذ القياسات في وضع الدقة المنخفضة. تم ضبط الجهاز في بداية كل جلسة باستخدام محلول Sr بتركيز 20 ppb، محققًا حساسية تبلغ حوالي 4 فولت لـ $^{88}$Sr. تم تقييم إزالة الروبيديوم أثناء الكروماتوغرافيا من خلال مقارنة تركيزات Rb قبل وبعد العملية، وتم تصحيح انحياز الكتلة الآلي باستخدام نسبة $^{87}$Sr/$^{86}$Sr المقاسة، مع تصحيحات إضافية للتداخلات الإيزوبارية من $^{87}$Rb و$^{86}$Kr.
النتائج
يكشف تحليل 107 عينة BOS من NGSA بأحجام جزيئية أقل من 2 مم عن نطاق من قيم 87 Sr/86 Sr من 0.7152 إلى 1.0909، مع وسطي قدره 0.7560 ومتوسط قدره 0.7691 (الانحراف المعياري = 0.0521). يتميز توزيع هذه القيم بكورتوز مرتفع قدره 14.4 وانحراف إيجابي قدره 3.1، مما يشير إلى مجموعة بيانات ذات كورتوز مرتفع وانحراف إيجابي. ومن الجدير بالذكر أنه تم تحديد ست قيم تتجاوز 0.8500 كقيم شاذة وفقًا لتوكاي.
مكانيًا، تظهر قيم 87 Sr/86 Sr أنماطًا متماسكة، مع تشكيل قيم عالية (إشعاعية) كبيرة منطقة ممتدة من الشمال إلى الجنوب عبر المنطقة الجيولوجية المركزية والغربية من ييلغارن. على العكس من ذلك، تتركز القيم المنخفضة (غير الإشعاعية) البارزة على طول الهامش الجنوبي الشرقي من ييلغارن. سيتم وضع هذه النتائج في سياق أكبر في القسم 5، حيث سيتم مقارنتها بالمعرفة الحالية لتراكيب الصخور النظيرية للتحقق من النتائج.
المناقشة
تركز قسم المناقشة في الورقة البحثية على التحقق من صحة ونطاق تأثير نسب نظائر السترونتيوم ($^{87}Sr/^{86}Sr$) المستمدة من عينات الرواسب في كراتون ييلغارن في جنوب غرب أستراليا. تُظهر الدراسة تطابقًا قويًا بين قيم $^{87}Sr/^{86}Sr$ للرواسب في الأحواض والتوقيعات النظيرية للصخور الأساسية الكامنة، مما يشير إلى أن بيانات الرواسب النظيرية تعكس بدقة الخصائص الجيولوجية للمنطقة. على سبيل المثال، تتماشى قيم الرواسب مثل 0.7347 و0.7235 بشكل وثيق مع عينات النيس التي تم الإبلاغ عنها في دراسات سابقة، مما يشير إلى أن التوقيعات النظيرية تمثل الصخرية وعمر الصخور في مناطق الأحواض.
علاوة على ذلك، يكشف التحليل أن الصخور الجرانيتية عمومًا تظهر قيم $^{87}Sr/^{86}Sr$ أعلى مقارنة بالصخور المافية والأولترامافية، مع ميل الصخور الأقدم (أكثر من 2600 مليون سنة) نحو قيم أكثر إشعاعًا. يتم أيضًا استكشاف العلاقة بين نظائر الرواسب والتعدين، مما يبرز أن الأحواض ذات قيم $^{87}Sr/^{86}Sr$ الأعلى مرتبطة بإيداعات معدنية كبيرة، بما في ذلك الذهب والنيكل. وهذا يشير إلى إمكانية استخدام نظائر السترونتيوم كأداة في تحليل احتمالية المعادن، على الرغم من أن تعقيد العوامل الجيولوجية التي تؤثر على هذه العلاقات يتطلب مزيدًا من التحقيق. تسهم النتائج في فهم أوسع للمناظر الطبيعية النظيرية عبر أستراليا، مما يمهد الطريق لتطوير خريطة نظائر سترونتيوم وطنية تدمج بيانات جيولوجية وبيئية متنوعة.
DOI: https://doi.org/10.5194/essd-17-79-2025
Publication Date: 2025-01-16
Author(s): Patrice de Caritat et al.
Primary Topic: Groundwater and Isotope Geochemistry
Overview
This research paper presents a comprehensive analysis of strontium isotopes ($^{87}\text{Sr}/^{86}\text{Sr}$) from archived fluvial sediment samples collected from the Yilgarn Craton in southwestern Australia. A total of 120 new isotopic compositions were determined from 97 catchment outlet sediment samples, primarily focusing on bottom-outlet-sediment (BOS) samples retrieved from depths of approximately 60-80 cm. The isotopic analysis revealed a wide range of $^{87}\text{Sr}/^{86}\text{Sr}$ values, from 0.7152 to 1.0909, with a median of 0.7560, indicating significant variability in source rock lithologies and geological processes across the region. The most radiogenic values ($^{87}\text{Sr}/^{86}\text{Sr} > 0.8$) were associated with Archaean felsic intrusive lithologies, while younger, non-granitic bedrock yielded less radiogenic signatures.
The study also highlights the spatial distribution of $^{87}\text{Sr}/^{86}\text{Sr}$ ratios, which correlate with surface geology and mineral occurrences within the catchments. Notably, over 40 mineral occurrences were linked to higher isotopic values, suggesting potential associations with various commodity groups. The findings contribute to one of the largest strontium isoscapes in the Southern Hemisphere, providing a valuable dataset for future geological, ecological, and archaeological studies. The authors propose the development of a national-scale strontium isoscape for Australia, which could enhance understanding of regional geological patterns and facilitate interdisciplinary research.
Introduction
The introduction discusses the significance of strontium isotope ratios ($^{87}\text{Sr}/^{86}\text{Sr}$) in various geological and anthropological contexts. Strontium (Sr) is abundant in geological materials and substitutes for calcium (Ca) in minerals, while rubidium (Rb), which decays to stable strontium, influences the $^{87}\text{Sr}/^{86}\text{Sr}$ ratio over time. This isotopic system remains constant during geological and biological processes, making it a valuable tool in geosciences and food provenance studies.
Despite extensive research utilizing Sr isotopes, there is a notable scarcity of strontium isoscapes in the Southern Hemisphere, particularly for soils. The introduction highlights three exceptions in Australia, which include studies covering significant areas of land. The current study aims to address this gap by providing new data on $^{87}\text{Sr}/^{86}\text{Sr}$ ratios in a region characterized by weathered materials and a lack of recent glaciation, thus contributing to a more balanced global understanding of strontium isotopic variations. The focus on total Sr, rather than bioavailable Sr, underscores the study’s emphasis on geological sources and processes.
Methods
In this study, strontium isotopes ($^{87}$Sr/$^{86}$Sr) were analyzed using samples prepared at the Wollongong Isotope Geochronology Laboratory (WIGL). Approximately 50 mg of each sample was digested in a 2:1 mixture of hydrofluoric and nitric acids, followed by re-dissolution in aqua regia and subsequently in 2 M nitric acid to eliminate fluorides. Strontium was isolated from the sample matrix using an automated low-pressure chromatographic system with a 1 mL Sr-Ca column. The isolated strontium was then re-dissolved in 0.3 M nitric acid for isotopic analysis.
The strontium isotope analysis was conducted on a Thermo Scientific Neptune Plus multicollector inductively coupled plasma mass spectrometer (MC-ICP-MS). The sample introduction system included an ESI Apex-ST PFA MicroFlow nebulizer and an SSI Quartz dual cyclonic spray chamber, with measurements taken in low-resolution mode. Instrument tuning was performed at the beginning of each session using a 20 ppb Sr solution, achieving a sensitivity of approximately 4 V for $^{88}$Sr. Rubidium removal during chromatography was evaluated by comparing Rb concentrations before and after the process, and instrumental mass bias was corrected using the measured $^{87}$Sr/$^{86}$Sr ratio, with additional corrections for isobaric interferences from $^{87}$Rb and $^{86}$Kr.
Results
The analysis of 107 NGSA BOS samples with particle sizes less than 2 mm reveals a range of 87 Sr/86 Sr values from 0.7152 to 1.0909, with a median of 0.7560 and a mean of 0.7691 (standard deviation = 0.0521). The distribution of these values is characterized by a high kurtosis of 14.4 and a skewness of 3.1, indicating a leptokurtic and positively skewed dataset. Notably, six values exceeding 0.8500 are identified as Tukey outliers.
Spatially, the 87 Sr/86 Sr values exhibit coherent patterns, with significant high (radiogenic) values forming a north-south elongated area across the central and western Yilgarn geological region. Conversely, prominent low (unradiogenic) values are concentrated along the southeastern margin of the Yilgarn. These findings will be further contextualized in Section 5, where they will be compared to existing knowledge of rock isotopic compositions to validate the results.
Discussion
The discussion section of the research paper focuses on the validation and implications of strontium isotope ratios ($^{87}Sr/^{86}Sr$) derived from sediment samples in the Yilgarn Craton of southwestern Australia. The study demonstrates a strong correspondence between the $^{87}Sr/^{86}Sr$ values of catchment sediments and the isotopic signatures of the underlying bedrock, suggesting that the sediment isotopic data accurately reflect the geological characteristics of the region. For instance, sediment values such as 0.7347 and 0.7235 align closely with gneiss samples reported in previous studies, indicating that the isotopic signatures are representative of the lithology and age of the rocks in the catchment areas.
Furthermore, the analysis reveals that granitic rocks generally exhibit higher $^{87}Sr/^{86}Sr$ values compared to mafic and ultramafic rocks, with older rocks (over 2600 million years) showing a tendency towards more radiogenic values. The relationship between sediment isotopes and mineralization is also explored, highlighting that catchments with higher $^{87}Sr/^{86}Sr$ values are associated with significant mineral deposits, including gold and nickel. This suggests potential for using strontium isotopes as a tool in mineral prospectivity analysis, although the complexity of geological factors influencing these relationships warrants further investigation. The findings contribute to a broader understanding of the isotopic landscape across Australia, paving the way for the development of a national strontium isoscape that integrates diverse geological and environmental data.