何昕悅等-EPSL:玄武巖風(fēng)化Ti同位素組成及其分餾機(jī)理研究
Ti同位素作為新興的非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素示蹤沉積物源區(qū)的指標(biāo),其前提假設(shè)是表生過程中Ti同位素組成不受水-巖相互作用的影響。Greber等人(2017)Science的研究中應(yīng)用這一假設(shè),通過不同時(shí)代頁巖的Ti同位素組成反演早期接受風(fēng)化剝蝕的地殼化學(xué)組成,推測板塊活動(dòng)的起始時(shí)間早于35億年,邁出了Ti同位素示蹤源區(qū)的第一步。然而目前表生風(fēng)化過程中Ti同位素組成的分餾特征及其控制機(jī)制的研究還極為欠缺。
針對(duì)這一科學(xué)問題,中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所同位素國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室何昕悅博士、馬金龍正高級(jí)工程師、韋剛健研究員等選取了經(jīng)歷強(qiáng)烈化學(xué)風(fēng)化的海南新生代玄武巖風(fēng)化剖面,對(duì)其殘積土全巖、母巖全巖及單礦物、風(fēng)化產(chǎn)物化學(xué)提取的結(jié)晶鐵(氫)氧化物相和殘余相(由粘土礦物和鐵鈦氧化物組成)的Ti同位素組成進(jìn)行了綜合測定,以驗(yàn)證極端風(fēng)化過程中是否存在Ti同位素的分餾及其解析分餾控制的機(jī)制。
研究結(jié)果如圖1 所示,化學(xué)風(fēng)化過程中風(fēng)化剖面伴隨著Ti元素的遷移存在明顯的Ti同位素的分餾。剖面殘積土樣品之間的Ti同位素分餾可達(dá)0.14‰。并且瑞利分餾模型計(jì)算結(jié)果表明強(qiáng)烈化學(xué)風(fēng)化條件下流體與殘積土之間的Ti同位素分餾(Δ49Tifluid-remained)可達(dá)0.20‰,該研究首次證明了化學(xué)風(fēng)化作用對(duì)于Ti同位素分餾的影響。
圖1開放系統(tǒng)Ti同位素的瑞利分餾模型
進(jìn)一步的研究結(jié)果表明風(fēng)化產(chǎn)物中兩個(gè)最主要的富鈦相:結(jié)晶鐵(氫)氧化物相(15%)和殘余相(85%),兩者之間存在極為顯著的Ti同位素分餾,最高可達(dá)0.6‰(圖2)。其中殘余相具有輕的Ti同位素組成(δ49Ti = -0.165‰ ~ +0.043‰),繼承了具有低δ49Ti(-0.200 ± 0.055‰)組成的鈦鐵礦的特征。而結(jié)晶鐵(氫)氧化物相具有偏重的Ti同位素組成(δ49Ti = 0.108‰ ~ 0.540‰),繼承自具有偏重的δ49Ti值的輝石斑晶(0.176 ± 0.039‰)和基質(zhì)(0.153 ± 0.057‰)。Ti從輝石斑晶和玄武巖基質(zhì)中風(fēng)化釋放進(jìn)入流體再以替換Fe的方式進(jìn)入結(jié)晶鐵(氫)氧化物相的過程中亦存在明顯的Ti同位素分餾。并且可交換相、結(jié)晶的鐵(氫)氧化物相和有機(jī)物相是風(fēng)化剖面中Ti的主要遷移形式,它們的遷出可能是引起剖面重Ti同位素優(yōu)先遷移的主要原因。

圖2 玄武巖風(fēng)化殘積土及其主要礦物相的鈦同位素組成
綜上,化學(xué)風(fēng)化過程中含Ti礦物的形成和溶解控制了剖面的Ti同位素組成變化,此外,風(fēng)化產(chǎn)物在河流搬運(yùn)和沉積過程產(chǎn)生的礦物分選也可能產(chǎn)生Ti同位素的分餾。因此,Ti同位素組成在沉積物來源研究中的應(yīng)用需要謹(jǐn)慎。

圖 3 化學(xué)風(fēng)化過程Ti同位素分餾機(jī)理
論文信息:何昕悅,馬金龍,韋剛健,王志兵,張樂,曾提,張卓盈. Mass-dependent fractionation of titanium stable isotopes during intensive weathering of basalts [J]. Earth and Planetary Science Letters, 2022, 579: 117347。

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