鎂同位素在地質(zhì)學(xué)上進(jìn)展和應(yīng)用

1、鎂同位素在地質(zhì)學(xué)上進(jìn)展和應(yīng)用摘要鎂是重要的成巖元素，也是海洋和生物系 統(tǒng)中重要的元素，鎂有3個(gè)穩(wěn)定同位素分別是：24mg. 25mg 和26mgo mg同位素地球化學(xué)的研究主要集中揭示地質(zhì)歷史 時(shí)期海水的mg同位素組成演化、估算大陸風(fēng)化通量、追溯 巖性來(lái)源、記錄虧損地幔和地幔交代作用。關(guān)于鎂同位素的 研究目前處于初級(jí)階段，相關(guān)數(shù)據(jù)及成果非常少，但隨著新 技術(shù)的發(fā)展和對(duì)鎂同位素分館機(jī)制的深入了解，鎂同位素的 地質(zhì)應(yīng)用將會(huì)日益廣泛。關(guān)鍵字鎂同位素測(cè)定方法地質(zhì)應(yīng)用中圖分類號(hào)p5 文獻(xiàn)碼b 文章編號(hào)1000-405x(2013) -3-66-21地質(zhì)學(xué)上的應(yīng)用地球表面的mg循環(huán)在生物地球化學(xué)上尤為重要

2、。例如, mg參與了控制氣候的地球化學(xué)反應(yīng)(berner et al. , 1983) 和地質(zhì)時(shí)間尺度上海水的碳酸鹽礦物學(xué)(hardie, 1996)。 隕石、火成巖、沉積巖、水圈、生物圈是自然界mg的主要 儲(chǔ)庫(kù)。近年來(lái)，隨著分析方法的改進(jìn)和現(xiàn)代質(zhì)譜儀器的發(fā)展, mc-icp-ms已經(jīng)使得鎂同位素比測(cè)量的精確度達(dá)到-0. 10%每 amu甚至于更好。目前，鎂同位素地球化學(xué)作為一個(gè)年輕的 研究領(lǐng)域，主要集中在示蹤太陽(yáng)系星云形成過(guò)程、記錄虧損 地幔和地幔交代作用、估算大陸風(fēng)化通量等方面。1. 1海水中的mg同位素海水中的鎂同位素的組份在過(guò)去十年內(nèi)被確定，s25mg 值和s26mg值分別為-0. 4

3、0 %。到-0. 77 %。和-0.69%。到 -1.47 %0,目前大多數(shù)研究縮小了以上范圍，即6 26mg值 為-0. 69 %。到-0. 89 %。明確提出此值的原因是以往不均一 的同位素標(biāo)準(zhǔn)變得均一化。6 25mg和8 26mg的均值分別為 -0. 41 ± 0. 06 (n = 22；2 s. d.)和-0.81 ± 0. 11 %o (n= 22；2s.d.)。各個(gè)實(shí)驗(yàn)室對(duì)鎂同位素系統(tǒng)的認(rèn)同比較高。然而，由于鎂同位素提純的方法有很多，許多結(jié)果顯示出顯 著分歧，而且很少有報(bào)告中海水中5 25mg和5 26mg值的測(cè) 定來(lái)源超過(guò)三個(gè)地方，顯而易見(jiàn)，需要有一個(gè)更綜合的

4、調(diào)查 5 25mg和8 26mg在海水中的變化。鎂同位素在河口環(huán)境中 表現(xiàn)保守，但通過(guò)生物活動(dòng)有顯著的分館，植物會(huì)優(yōu)先吸取 輕同位素，驅(qū)動(dòng)剩余溶液中的重同位素升高。因此，盡管鎂 的利用通過(guò)海洋有機(jī)體經(jīng)歷了一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的停留時(shí)間，可能 潛在的導(dǎo)致局部的鎂同位素在海水中的變化。鎂同位素在生物成因的碳酸鹽中的可區(qū)別的同位素分 館，例如有孔蟲(chóng)(chang et al. , 2003)和珊瑚(krogstad et al. , 2003),同樣在像葉綠素這種柔軟的組織中也存在 這種現(xiàn)象(black et al. , 2006； ra and kitagawa, 2007)o 鎂同位素在生物和化學(xué)過(guò)程中分館

5、，可能與環(huán)境因素相關(guān)。因此鎂同位素成分的變化不僅在了解與生物合成作用相關(guān) 的機(jī)制上還是在古海洋學(xué)的研究中作為一種探明生物成因 和非生物成因的方解石潛在的替代性指標(biāo)都是重要的工具。 dickson (2002)用棘皮動(dòng)物(echinoderm)化石作為顯 生宙以來(lái)海水mg/ ca值的可靠的監(jiān)視器，因?yàn)樗鼈冊(cè)谏?礦化過(guò)程中不容易受生物分館的影響，能很好地保留mg的 信息。選取的棘皮類動(dòng)物化石(成分為含鎂方解石)所處的 環(huán)境溫度變化范圍很小，因此它們5 26mg值的變化只跟海 水的8 26mg值有關(guān)，能夠比較可靠地記錄海水的mg同位素 變化。chang et al. (2004)認(rèn)為，表層居住的浮

6、游有孔蟲(chóng) 種的鎂同位素變化可以作為古溫度的替代性指標(biāo)。鎂同位素 也可被用于古測(cè)溫中，但僅限于十分有限的材料，例如，碳 酸鹽分泌棘皮類化石(de villiers et al. , 2005),現(xiàn)生海綿和珊瑚(wombacher et al. , 2005)o1.2風(fēng)化通量估galy(2002)認(rèn)為一系列6 26mg陸上樣品中值為413%。 tipper (2006)則認(rèn)為硅酸鹽土壤中的鎂同位素組成比巖石 中的重，而河水中(t09%o)的鎂同位素組成比海水 (-082±0 11%。)中的輕。s. de villiers et al. (2005)認(rèn)為，mg同位素可以用來(lái)推斷河流的風(fēng)化變

7、遷，古老大洋 中的鎂同位素組成的記錄被用于對(duì)全球大陸風(fēng)化變遷的不 同巖性分布的一種推斷，特別是碳酸鹽和硅酸鹽風(fēng)化。philip a. e. （2008）等對(duì)icelandic河的溶解搬運(yùn)質(zhì) 和懸浮微粒質(zhì)做了鎂同位素研究，結(jié)果表明在碳循環(huán)中鎂被 賦予了重要角色，這些變化為地球氣候的調(diào)節(jié)上提供了重要 的信息。溶解搬運(yùn)質(zhì)顯示出5 26mg組成的寬泛范圍，與現(xiàn) 在的玄武巖火山玻璃（§26mg=-0.29%o）相比較，范圍從 -0. 96%o到+0.64%。，而沉積作用和熱液過(guò)程中的8 26mg值 分別為-0. 83%。和+0. 85%0,比富集在溶解搬運(yùn)質(zhì)中鎂要低。 在土壤和河流（膠體）中植

8、被和有機(jī)生物體的活性好像對(duì)鎂 同位素組成幾乎沒(méi)有產(chǎn)生影響。fang-zhen ten等（2010） 對(duì)一個(gè)南加州輝綠巖脈上腐巖剖面的鎂同位素組成進(jìn)行測(cè) 量來(lái)研究鎂同位素在大陸風(fēng)化過(guò)程中的表現(xiàn)。隨著風(fēng)化作用 的進(jìn)行，鎂同位素嚴(yán)重分館并且與鎂的富集，粘土礦物成分 和腐巖的密度聯(lián)系起來(lái)。5 26mg值從-0. 22 （未風(fēng)化的輝綠 巖）至（j+0.65 （嚴(yán)重風(fēng)化的腐巖）。這些觀察結(jié)果與輕鎂釋放 到水圈和風(fēng)化產(chǎn)物中重鎂的成巖相一致。在風(fēng)化過(guò)程中鎂的 損失可以使用rayleigh蒸館來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種蒸僧方法使用了 一個(gè)明顯的分館參數(shù)，這個(gè)參數(shù)的值介于腐巖（1.00005） 和流體（1.0004）之間。值的

9、大的變化反映了鎂富集礦物 初級(jí)溶解階段和風(fēng)化過(guò)程中次級(jí)礦物的成巖過(guò)程中，鎂同位 素分館中的礦物學(xué)控制。結(jié)果表明大陸風(fēng)化過(guò)程會(huì)導(dǎo)致陸殼 的鎂同位素組份高于地幔，然而，在地球歷史中地殼的循環(huán) 對(duì)于地幔中鎂同位素的組成沒(méi)有明顯作用。1.3示蹤巖性來(lái)源陸上物質(zhì)的鎂同位素研究仍然處于起步階段，其在碳酸 鹽和硅酸鹽的組成上有明顯的不同，可作為巖性來(lái)源的示蹤 劑。agne's brenot (2008)等認(rèn)為，在 lorraine 高原，支 流排出的泥灰?guī)r，碳酸鹽和蒸發(fā)巖與當(dāng)?shù)靥妓猁}巖石(ca/mg = 29 - 59； ca/sr = 370 -2200)相比，擁有典型的低 ca/mg (1.5-

10、3.2)和低ca/sr (80 - 400),與其他河流的排出的 碳酸鹽相似。大于這些河流中的mg和sr的最重要原因在于 含碳酸鹽的早期地下水熱動(dòng)力的飽和，與地下水化學(xué)物質(zhì)在 含水層中的日益增多相關(guān)。支流主要排出的碳酸鹽和蒸發(fā)巖 中溶解的8 26mg在一年中相對(duì)較低(從1.4%。到1.6%。， 1.2%0到1.4%o)。epinal的下游地，moselle河的樣品的 5 26mg和87sr/86sr可以被解釋為含硅酸鹽、碳酸鹽和蒸發(fā) 巖水的混合，vosgian的硅酸鹽巖性對(duì)此有十分重大的貢獻(xiàn) (>70%)。同時(shí)通過(guò)徑流與溶解物元素的流溢也觀察研究了 全年moselle河6 26mg和87

11、sr/86sr的時(shí)間總和變化，其 與冬季的vosges山的貢獻(xiàn)相一致。鎂同位素可以在水、巖 石和土壤中被測(cè)定，因此像sr同位素一樣可以作為示蹤劑, 被用于追溯河口區(qū)的物質(zhì)來(lái)源。1.4記錄地幔交代作用通過(guò)對(duì)典型古老克拉通地區(qū)(西伯利亞、kaapvaal和 slave)和澳大利亞?wèn)|南部顯生宙造山帶地幔橄欖巖捕虜體中橄欖石和巨晶的研究發(fā)現(xiàn)，巖石圈地幔的mg同位素組成 具有明顯的不均一性，其s26mg和s25mg值的變化范圍分 別為-3. 01%o1. 03%。和t. 59%。0. 51%。這種分徭可能屬 于動(dòng)力學(xué)非平衡分館，與高溫下mg在高mg橄欖石和低mg 熔體/流體之間的擴(kuò)散過(guò)程有關(guān)，高溫下與擴(kuò)

12、散有關(guān)的動(dòng)力 學(xué)過(guò)程對(duì)同位素的分館起著至關(guān)重要的控制作用。wei yang 等(2009)研究了中國(guó)北部克拉通地區(qū)sanyitang和beiyan 的一系列特征明顯的地幔橄欖巖捕擄體。結(jié)果顯示， sanyitang和beiyan的橄欖巖有不同的起源(不同的巖性、 化學(xué)成分、熔融溫度以及變質(zhì)程度)。鎂同位素在成分上有 小變化，橄欖石中的626mg值為-0.48到-0. 12,平均值為 -0. 29±0. 19 (2sd, n=21),斜方輝石中的 8 26mg 為-0. 27 到-0. 10,平均值為-0. 21±0. 09(2sd, n=12),單斜輝石中的 6 26mg為

13、-0.35 到？ 0.08,平均值為-0. 22±0. 14 (2sd, n二15)。共存于橄欖石、斜方輝石和單斜輝石中的鎂同位素 成分在橄欖巖中是相同的，當(dāng)溫度大于900 ° c時(shí)在橄欖石 和輝石間鎂同位素的分館是無(wú)關(guān)緊要的。這些結(jié)果與在橄欖 巖分異中鎂同位素的分館的缺乏相一致。在這些橄欖巖鎂同 位素的變化(0.4%。)比客觀精確度大，可能是因?yàn)闊釘U(kuò) 散驅(qū)動(dòng)的同位素分館或熔融巖石的相互作用。因此，地幔的 6 26mg在橄欖巖礦物分析的基礎(chǔ)上，估計(jì)為-0. 26±0. 16 (2sd)o這個(gè)值與最新的橄欖巖和大洋玄武巖的研究極度吻 合。同樣，也與dts-1和dts

14、-2和兩個(gè)碳球粒隕石(allende 和murchison)類似。因此硅質(zhì)地球有一個(gè)球粒隕石的鎂同 位素組成。2存在問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)2. 1存在問(wèn)題第一，mg同位素作為一種古海洋的替代性指標(biāo)而言，其 局限性太大。因?yàn)橹挥屑?dòng)物化石和部分有孔蟲(chóng)殼體中的 鎂同位素不易受到生物礦化作用而分館，因此可能會(huì)記錄下 歷史時(shí)期的海水的鎂同位素變化，而顆石藻中的mg同位素 則不能作為一種溫度的替代性指標(biāo)。第二，mg同位素的測(cè)定 需要的要求非常高，雖然測(cè)試技術(shù)在近幾年有了突飛猛進(jìn)的 發(fā)展，但是數(shù)據(jù)是否可靠還是一個(gè)值得商榷的問(wèn)題。像其他 同位素方法一樣，mg同位素也存在一個(gè)封閉體系的問(wèn)題。2.2發(fā)展趨勢(shì)對(duì)于今后m

15、g同位素的發(fā)展，應(yīng)從以下幾個(gè)方面展開(kāi)深 入探索：(1)由于mg同位素的數(shù)據(jù)還不夠完善，因此不能 對(duì)水圈、生物圈等主要儲(chǔ)庫(kù)中的mg同位素做質(zhì)量平衡計(jì)算, 從而討論整個(gè)地球系統(tǒng)的mg的地球化學(xué)循環(huán)循環(huán)。(2)繼 續(xù)探討mg同位素作為古溫度替代性指標(biāo)的可能性，尋找新 的生物指標(biāo)進(jìn)行研究，特別要針對(duì)有孔蟲(chóng)種群和組合做深入 探討。(3)加大對(duì)mg同位素成為地質(zhì)溫度計(jì)研究。、作為 主要造巖元素的mg廣泛分布在各種礦物中，系統(tǒng)研究更多 具有不同mg配位數(shù)的礦物對(duì)之間mg同位素分館程度與溫度 的關(guān)系，進(jìn)而發(fā)展新的m g同位素地質(zhì)溫度計(jì)，是mg同位 素研究中一個(gè)具有重要應(yīng)用前景的領(lǐng)域。參考文獻(xiàn)1 fang-zh

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