廣州地化所、深地科學卓越創(chuàng)新中心在揭示風化過程中Rb同位素分餾機理上取得新進展
銣(Rb)作為一個具有中度揮發(fā)性、流體活動性、在巖漿過程中呈強不相容性的堿金屬元素,其同位素體系已經(jīng)被應(yīng)用到提高Rb-Sr定年精度、制約太陽系內(nèi)部行星演化過程等方面。然而,受化學純化方法和分析精度的制約,前人認為地球上的Rb同位素基本不存在分餾,目前還沒有針對表生地質(zhì)過程中的Rb同位素分餾的報道。然而,Rb作為一個高質(zhì)量數(shù)元素,源區(qū)同位素組成變化小,在研究全球尺度的硅酸鹽巖風化方面有其獨特的優(yōu)勢,理解Rb在表生地球化學過程中是否存在分餾,及相應(yīng)的分餾機制可能對示蹤大陸硅酸鹽風化具有重要的指示意義。
為厘清Rb同位素在地殼巖石風化過程中的分餾機制,中國科學院廣州地球化學研究所穩(wěn)定同位素地球化學學科組的張卓盈博士和馬金龍高級工程師等人選取中國南部廣東省清遠市佛岡縣長約40 m的花崗巖風化剖面為研究對象,調(diào)查了全巖樣品的Rb元素遷移率變化和同位素組成,并對全巖中的不同單礦物、剖面附近的溪流水樣的Rb同位素組成進行了測定。結(jié)果顯示,佛岡花崗巖風化剖面全巖Rb同位素組成差異顯著,δ87Rb值從新鮮母巖的-0.30‰變化到風化產(chǎn)物的0.04‰。全巖Rb同位素組成與化學風化指數(shù)(CIA)、Rb元素遷移率的變化(
)之間存在良好的正相關(guān)關(guān)系,Rb同位素組成隨著化學風化程度的增強,Rb元素的富集逐漸偏重,87Rb富集在風化產(chǎn)物中。來自不同深度單礦物的Rb含量和Rb同位素組成數(shù)據(jù)顯示,粘土礦物對Rb的吸附解吸附過程是控制整個風化剖面Rb元素發(fā)生遷移,Rb同位素產(chǎn)生分餾的主要原因。伊利石作為化學風化的中間產(chǎn)物,Rb同位素組成約發(fā)生了0.18‰的變化,與全巖風化過程中發(fā)生的分餾趨勢相反,可能受到復雜過程的影響,例如伊利石吸附原生礦物釋放出的Rb+,又在分解形成高嶺石過程中再次被釋放。而高嶺石作為本剖面化學風化的最終產(chǎn)物,具有最重的Rb同位素組成,趨向于吸附87Rb同位素,是控制整個風化剖面Rb同位素組成逐漸變重的重要組分。佛岡花崗巖附近溪流的Rb同位素數(shù)據(jù)顯示,河水具有比剖面頂部風化殘積物更輕的δ87Rb值,85Rb傾向于進入流體相,這與K同位素表現(xiàn)出來的地球化學行為相反。
)之間存在良好的正相關(guān)關(guān)系,Rb同位素組成隨著化學風化程度的增強,Rb元素的富集逐漸偏重,87Rb富集在風化產(chǎn)物中。來自不同深度單礦物的Rb含量和Rb同位素組成數(shù)據(jù)顯示,粘土礦物對Rb的吸附解吸附過程是控制整個風化剖面Rb元素發(fā)生遷移,Rb同位素產(chǎn)生分餾的主要原因。伊利石作為化學風化的中間產(chǎn)物,Rb同位素組成約發(fā)生了0.18‰的變化,與全巖風化過程中發(fā)生的分餾趨勢相反,可能受到復雜過程的影響,例如伊利石吸附原生礦物釋放出的Rb+,又在分解形成高嶺石過程中再次被釋放。而高嶺石作為本剖面化學風化的最終產(chǎn)物,具有最重的Rb同位素組成,趨向于吸附87Rb同位素,是控制整個風化剖面Rb同位素組成逐漸變重的重要組分。佛岡花崗巖附近溪流的Rb同位素數(shù)據(jù)顯示,河水具有比剖面頂部風化殘積物更輕的δ87Rb值,85Rb傾向于進入流體相,這與K同位素表現(xiàn)出來的地球化學行為相反。 本研究首次發(fā)現(xiàn)在表生地球化學過程中Rb同位素存在明顯的分餾,完善了我們對地球上Rb同位素行為的認識;并指出花崗巖化學風化過程中粘土礦物的吸附解吸附過程是驅(qū)動Rb同位素發(fā)生分餾的主要因素,為利用δ87Rb示蹤大陸風化提供理論依據(jù)。

圖1:(a)研究區(qū)簡化地質(zhì)圖。(b)佛岡花崗巖風化剖面柱狀圖。
圖2:風化剖面
、TOC、pH、δ87Rb和CIA隨深度變化特征。
、TOC、pH、δ87Rb和CIA隨深度變化特征。
圖3:風化剖面中主要含Rb礦物的(a)Rb含量變化和(b)δ87Rb組成變化。
該研究成果近期發(fā)表于國際地球化學權(quán)威期刊Geochimica et Cosmochimica Acta。該項研究獲得了國家自然科學基金(41991325,41573003,42021002)、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金重大項目(2019B030302013)、南方海洋科學與工程廣東省實驗室(廣州)人才團隊引進重大專項(GML2019ZD0308)和中國科學院廣州地球化學研究所項目(GIGCAS135項目135PY201605)等聯(lián)合資助。
論文的實驗數(shù)據(jù)在中國科學院廣州地球化學研究所公共技術(shù)服務(wù)中心元素與同位素分析平臺完成測試。
論文信息:Zhang, Zhuoying; Ma, Jinlong*; Wang, Zhibing; Zhang, Le; He Xinyue; Zhu, Guanhong; Zeng, Ti, Wei, Gangjian. 2021. Rubidium isotope fractionation during chemical weathering of granite. Geochimica et Cosmochimica Acta.
(同位素地球化學國家重點實驗室供稿)

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