洋壳蚀变过程中锂同位素行为研究进展.pdf
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1、刘红玲,田丽艳,吴涛,等.洋壳蚀变过程中锂同位素行为研究进展 J.海洋地质与第四纪地质,2023,43(3):93-106.LIUHongling,TIANLiyan,WUTao,etal.BehaviorofLiisotopesduringthealterationofoceaniccrust:AreviewJ.MarineGeology&QuaternaryGeology,2023,43(3):93-106.洋壳蚀变过程中锂同位素行为研究进展刘红玲1,2,田丽艳1,吴涛3,陈凌轩1,2,沈晨曦1,21.中国科学院深海科学与工程研究所,三亚,5720002.中国科学院大学,北京,100049
2、3.浙江大学海洋学院,舟山,316022摘要:洋壳自洋中脊形成到俯冲进入地幔之前,与流体(如海水和热液流体)在海底表面及洋壳内部可以发生广泛的水-岩相互作用,通过对洋壳蚀变过程中元素迁移和同位素分馏行为的研究,可以帮助我们认识海底热液循环系统,探究地球表层和深部的物质及能量流通。锂(Li)元素对流体活动敏感,在很多地质过程中(如风化作用、海水及热液蚀变等)同位素分馏显著,因此其含量和同位素比值变化可以记录洋壳蚀变过程中的重要信息。但由于蚀变洋壳的直接测试数据仍很匮乏,已有的 Li 元素和同位素数据解释存在较大争议,导致关于洋壳蚀变过程中 Li 元素迁移和同位素分馏的机制尚未达成共识。本文主要汇
3、总了近年来针对大洋钻探获取的基岩岩芯 Li 同位素行为研究资料,探讨了在玄武岩蚀变和深海橄榄岩蛇纹石化过程中影响 Li 元素迁移和同位素分馏的主要因素(如蚀变温度、蚀变流体的化学组成、水-岩比值、次生矿物沉淀等),并进一步提出近期工作可以在以下方面加强:继续完善 Li 储库和提高分析测试精度;进行不同空间尺度下的 Li 同位素研究;关注动力学分馏对高温蚀变过程中 Li 同位素行为的影响;开展 Li 同位素与其他同位素体系的联用。关键词:锂;元素迁移;同位素分馏;蚀变洋壳中图分类号:P734.4文献标识码:ADOI:10.16562/ki.0256-1492.2022112001Behavior
4、 of Li isotopes during the alteration of oceanic crust:A reviewLIUHongling1,2,TIANLiyan1,WUTao3,CHENLingxuan1,2,SHENChenxi1,21.Institute of Deep-sea Science and Engineering,Chinese Academy of Sciences,Sanya 572000,China2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China3.Ocean College,Z
5、hejiang University,Zhoushan 316022,ChinaAbstract:Beforesubductionintothemantle,theoceaniccrustformedatmid-oceanridgeswouldundergofluid-rockinteractionontheseafloorandwithinthecrust.Studyinthisregardcanenhanceourunderstandingoftheseafloorhydrothermalsystemandcrust-mantlerecycling.Lithium(Li)is strong
6、ly mobilized by hydrous fluids and has significant isotopic fractionation during many geological processes(e.g.weathering,seawater,andhydrothermalalteration),thusthevariationinLicontentandisotopicratioprovideinformationoftheoceaniccrustalteration.Atpresent,geochemicaldataofalteredoceaniccrustarestil
7、llack,andtheinterpretationsofavailableLidataareoftencontroversial,whichcausednoconsensusonthemechanismofthealterationprocess.WesummarizedtheLidataofalteredbasaltsandserpentinizedperidotitesfromoceanicdrillingcores,discussedthemainfactorscontrollingLibehaviorsduringthealterationprocess(e.g.,thetemper
8、atureoffluid-rockreaction,chemicalcompositionoffluid,water-rockratio,secondarymineralprecipitation),andsuggestedthatfuturestudiesshallbestrengthenedinthefollowingdirections:(1)keepaddingnewLiisotopedataintothegeochemicalreservoirsandimprovingtheaccuracyofanalysis;(2)conductstudiesonLiisotopesatdiffe
9、rentspatialscales;(3)evaluatetheeffectsofbothequilibriumandkineticfractionationwhenconsideringthehigh-temperaturealterationprocesses;(4)combineLiandotherisotopesystemsthatdisplaysimilarbehaviorsduringtheoceaniccrustalteration.Key words:lithium;elementbehavior;isotopefractionation;thealterationofocea
10、niccrust资助项目:国家自然科学基金“南海初始洋壳(IODP1502B钻孔)的Li-Mg-O同位素组成:对洋壳蚀变过程中同位素组成和分馏行为的初步研究”(41876044)作者简介:刘红玲(1996),女,硕士研究生,主要从事海底岩石学及地球化学研究,E-mail:通讯作者:田丽艳(1979),女,博士,研究员,主要从事海底岩石学及地球化学研究,E-mail:收稿日期:2022-11-20;改回日期:2023-01-09.张现荣编辑ISSN0256-1492海洋地质与第四纪地质第43卷第3期CN37-1117/PMARINEGEOLOGY&QUATERNARYGEOLOGYVol.43,
11、No.3玄武质洋壳从大洋中脊生成至俯冲进入地幔的过程中,持续遭受蚀变作用,导致其化学组成发生改变,例如,经过低温海水蚀变作用的洋壳顶部,通常会富集来自海水的流体活动性元素(如 Li、Mg、Sr、Ba 等)1-3。当蚀变洋壳作为俯冲带输入物质进入地幔,再参与到岛弧岩浆的形成,则不仅可以影响海水的化学组成,而且影响了壳-幔物质及元素的交换4-5。因此,对蚀变洋壳化学组成以及相关的水-岩相互作用研究是理解地球系统物质循环的基础。锂(Li)位于元素周期表第二周期第A 族,是自然界最轻的金属元素,有 2 个天然稳定同位素6Li 和7Li,丰度分别为 7.5%和 92.5%,相对质量差高达约 15%6。L
12、i 元素具有多种特殊性质,例如,Li 几乎完全赋存于硅酸盐7-8,贫于碳酸盐9;Li 是痕量阳离子、单价态,不参与氧化还原反应,不构成水文、大气或生物循环的组成部分10;在部分熔融过程中,作为中度不相容元素,Li 优先富集于硅酸盐熔体11;此外,Li 具有极强的流体活动性,在很多地质过程(如风化作用、水-岩反应等)中会产生同位素分馏12-13,导致不同地质体的 Li 同位素组成差异显著(图 1)14。因此,Li 同位素体系成为示踪洋壳蚀变过程,进而揭示壳-幔物质再循环和制约地幔不均一性的有力指标。近年来,基于室内水-岩反应实验和天然样品的高精度测试,关于洋壳蚀变过程中的 Li 同位素行为已经取
13、得了很多认识。例如,在玄武岩低温海水蚀变和高温热液蚀变过程中,Li 同位素分馏显著1,15-18,可能受到次生黏土矿物、流体组成和蚀变温度等因素影响;深海橄榄岩的蛇纹岩化作用会导致 Li 元素迁移,并造成一定程度的同位素分馏19-22。但是,仍然有许多重要的科学问题存在争论,例如,玄武岩中的 Li 元素含量在蚀变过程中有时升高,有时降低,水-岩相互作用中控制 Li 元素迁移的机制仍不明确。在次生矿物沉淀、蚀变温度、蚀变流体的化学组成、水-岩比值等以外,其他因素(如蚀变程度、与水-岩界面的距离等)对水-岩相互作用中 Li 同位素分馏的影响仍不清楚。除了平衡分馏,动力学分馏对蚀变洋壳的 Li 同位
14、素组成影响仍待探究。由于大洋钻探获取的基岩岩芯可以涵盖玄武质洋壳和上地幔橄榄岩,且能显示 Li 同位素体系随水-岩反应深度的变化,本文主要汇总了近 20 年来针对大洋钻探样品开展的 Li 同位素研究资料,探讨了洋壳蚀变过程中的 Li 元素迁移和同位素分馏行为,对今后工作中需要加强的方向提出了建议。滑脱流体7Li=22.0蛇纹岩底劈体7Li=-0.511.0脱水轻7Li蚀变洋壳弧前地幔7Li=4.0重7Li水化地幔轻7Li地幔楔上地幔7Li=3.05.0俯冲板片大陆地壳平均7Li=1.2 上地壳7Li=-5.09.0中地壳7Li=1.77.5下地壳7Li=-14.014.3新鲜MORB7Li=1
15、.06.0海洋沉积物7Li=-4.024.0岛弧熔岩7Li=-6.012.0地幔楔7Li=-6.012.0海水7Li=32蚀变洋壳7Li=-2.021.0榴辉岩7Li=-35.08.0河流7Li=5.037.0图1不同环境下的 Li 同位素组成示意图14Li 具有极强的流体活动性,在很多地质过程中会产生同位素分馏。如图中所示,在地表风化过程中,6Li 优先进入固体相,而7Li 倾向于进入流体相,因此,河流具有比陆壳更重的 Li 同位素组成。河流将重 Li 同位素组分补给海洋,导致海水的 Li 同位素组成相对偏重。海水与玄武质洋壳发生相互作用形成的蚀变洋壳具有较大的 Li 同位素组成变化范围,但
16、与新鲜洋壳相比,整体偏重;而在俯冲带脱水过程中,7Li 优先进入流体相,形成具有轻 Li 同位素组成的脱水洋壳15。Fig.1IllustrationofLiisotopiccompositionindifferentenvironments14Liishighlyfluid-mobileanditsisotopescanfractionateinmanygeologicalprocesses.Duringsurfaceweathering,6Lipreferentiallyentersthesolidphase,while7Litendstoenterthefluidphase.Asares
17、ult,theLiisotopiccompositionofriverisheavierthanthatofthecontinentalcrust.Whenriversenterintotheocean,theseawaterthereforehasarelativelyheavyLiisotopiccomposition.ThealteredoceaniccrusthasalargerangeofLiisotopiccompositionaftertheinteractionbetweenseawaterandbasalticoceaniccrust,whichisalsoheavierth
18、anfreshMORB.Duringthedehydrationprocessinthesubductionzone,7LipreferentiallyentersthefluidphasetoformdehydratedoceaniccrustwithalightLiisotopecomposition15.94海洋地质与第四纪地质2023年6月1Li 同位素测试技术及其在自然界储库中的组成 1.1 Li 同位素的测试技术目前广为应用的 Li 同位素测量方法包括热电离质谱法(TIMS)23-25、多接收电感耦合等离子体质谱法(MC-ICP-MS)25-28、激光剥蚀多接收电感耦合等离子体质谱
19、法(LA-MC-ICP-MS)29-30和二次离子质谱法(SIMS)31-32。早期很多学者曾使用 6Li 来表示 Li 同位素组成,自 1996 年开始,国际理论与应用化学联合会(InternationalUnionofPureandAppliedChemistry,简称 IUPAC)规定 Li 同位素数据统一用7Li 表示:7Li()=(7Li/6Li)样品/(7Li/6Li)标样11000国际上通用的 Li 同位素标样物质包括两种,一种是美国国家标准局(NIST)的 L-SVEC(Li2CO3;6Li/7Li=0.08320.0002)33-34,另一种是欧洲共同体联合研究中心核测量中心
20、局(CBNM)的 IRMM-016(Li2CO3;6Li/7Li=0.081370.00034)35。(1)热电离质谱法(TIMS)应用 TIMS 测定 Li 同位素组成首先需要对样品进行前处理,即在全岩样品消解后,再利用离子交换柱分离提纯出纯净的 Li、将 Li 转化成 Li2BO2+、Li2F+、NaLiBO2+等大质量分子离子,以尽可能降低热电离过程中产生的同位素分馏,最后上机测试。此种方法分析精度较高,可达 0.30(2),但电离过程会产生分馏效应,对样品的纯度要求极高(尽量接近 100%),所需样品量大(200ngLi),分析时间也较长23-25。(2)多接收电感耦合等离子体质谱法(
21、MC-ICP-MS)目前 Li 同位素溶液分析技术主要是采用 MC-ICP-MS,与 TIMS 相比,其具有分析精度高(2 可达0.24)、所需样品量少(50ng)、测试速度快等诸多优点25-26,28。但在质谱测试之前,同样需要进行样品溶解和化学分离。对天然样品的分离提纯,一般采用阳离子交换树脂(AG50W-X12 或 AG50W-X8),通过两或三组离子交换柱移除样品中的 K、Ca、Fe、Mg、Na 等主量元素,最终获得提纯后的Li 溶液(Na/Li1),Li 的回收率大于 99%。(3)激光剥蚀多接收电感耦合等离子体质谱法(LA-MC-ICP-MS)通过与激光剥蚀技术联用,该技术不需要消
22、解样品及化学分离提纯过程,可以减少在上述两个过程中造成的质量分馏。此外,该技术可以在微米尺度上对样品进行原位分析,获得高空间分辨率的微区同位素组成变化,大幅提高了分析速度和效率。但 相 对 前 两 种 技 术 而 言,使 用 LA-MC-ICP-MS技术发表的数据较少,分析精度也较差。LeRoux等29使用该技术测试了一系列美国地质调查局(USGS)研制的标样物质(BIR-1G)和德国马普化学研究所研制的 MPI-DING 系列地质样品玻璃标样物质(MPIGOR28-G、MPIML3B-G、MPIT1-G、MPIKL2-G、MPIATHO-G)的 Li 同位素组成,分析精度约 1(2),当时的
23、测试针对大面积区域(500m150m)使用了较大的光斑尺寸(150m)。后续的研究则使用略小的光斑尺寸(40150m),提高了空间分辨率,但分析精度(2=1.53.0)和重现性都相对较差30。(4)二次离子质谱法(SIMS)与 LA-MC-ICP-MS 相同,该技术不需要消解样品和化学分离提纯,可以进行高效、快捷的微区原位 Li 同位素分析测试。该技术需要的取样量仅为全岩分析方法的百万分之一,并具有超高的灵敏度,在约 20m30m2m 的取样空间,分析精度可达 1(2)31。但是,该技术受基体效应的影响较为显著32,如果需要获得精确的 Li 同位素比值,必须使用与样品基体相同的标样进行校正。但
24、是,高质量的 Li 同位素微区分析标样还很有限,除了MPI-DING 岩石玻璃标样和 NIST 人工合成玻璃标样外,只有橄榄石、辉石、锆石等少数单矿物工作标样25。目前,国际上已发表的全岩 Li 同位素数据主要通过热电离质谱法(TIMS)和多接收电感耦合等离子体质谱法(MC-ICP-MS)两种方法获得。早期发表的数据,如 ODP504B、896A 钻孔基岩岩芯的Li 同位素数据主要是通过 TIMS 测试的,分析精度(2)为 0.511。近年来发表的数据则以 MC-ICP-MS 的测试为主,如 IODP1256C、1256D 钻孔基岩岩芯的测试数据,分析精度(2)高达 0.318。1.2 自然界
25、储库中的 Li 同位素组成在累积了大量测试数据的基础上,目前对自然界不同地质储库中 Li 同位素的组成特征已经有了较好的总结(图 2)36。例如,新鲜大洋中脊玄武岩(MORB)的 7Li 为 1624,37,平均组成为 4238;而地幔源橄榄岩及其捕虏体的 Li 同位素组成具有较大的变化范围,7Li 为341339。第43卷第3期刘红玲,等:洋壳蚀变过程中锂同位素行为研究进展95海水具有相对均匀且较重的 Li 同位素组成(7Li=32)40-41;大多数蚀变洋壳玄武岩的 7Li 值介于地幔和海水之间(图 2),其中,低温蚀变 MORB 的7Li 值 范 围 为 3 21 ,高 温 蚀 变 MO
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