鎂同位素在地質(zhì)學(xué)上的進(jìn)展及應(yīng)用

鎂同位素在地質(zhì)學(xué)上的進(jìn)展及應(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26Mg。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)鎂同位素分餾機(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1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。例如，Mg參與了控制氣候的地球化學(xué)反應(yīng)（Berneretal.，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，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去十年內(nèi)被確定，δ25Mg值和δ26Mg值分別為-0.40‰到-0.77‰和-0.69‰到-1.47‰，目前大多數(shù)研究縮小了以上范圍，即δ26Mg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。δ25Mg和δ26Mg的均值分別為-0.41±0.06（n=22；2s.d.）和-0.81±0.11‰（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δ25Mg和δ26Mg值的測(cè)定來源超過三個(gè)地方，顯而易見，需要有一個(gè)更綜合的調(diào)查δ25Mg和δ26Mg在海水中的變化。鎂同位素在河口環(huán)境中表現(xiàn)保守，但通過生物活動(dòng)有顯著的分餾，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)別的同位素分餾，例如有孔蟲（Changetal.，2003）和珊瑚（Krogstadetal.，2003），同樣在像葉綠素這種柔軟的組織中也存在這種現(xiàn)象（Blacketal.，2006；RaandKitagawa，2007）。鎂同位素在生物和化學(xué)過程中分餾，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海水Mg/Ca值的可靠的監(jiān)視器，因?yàn)樗鼈冊(cè)谏锏V化過程中不容易受生物分餾的影響，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?chǔ)?6Mg值的變化只跟海水的δ26Mg值有關(guān)，能夠比較可靠地記錄海水的Mg同位素變化。Changetal.（2004）認(rèn)為，表層居住的浮游有孔蟲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（deVilliersetal.，2005），現(xiàn)生海綿和珊瑚（Wombacheretal.，2005）。1.2風(fēng)化通量估算Galy（2002）認(rèn)為一系列δ26Mg陸上樣品中值為4.13‰。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（-1.09‰）的鎂同位素組成比海水（-0.82±0.11‰）中的輕。S.deVilliersetal.（2005）認(rèn)為，Mg同位素可以用來推斷河流的風(fēng)化變遷，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。PhilipA.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δ26Mg組成的寬泛范圍，與現(xiàn)在的玄武巖火山玻璃（δ26Mg=-0.29‰）相比較，范圍從-0.96‰到+0.64‰，而沉積作用和熱液過程中的δ26Mg值分別為-0.83‰和+0.85‰，比富集在溶解搬運(yùn)質(zhì)中鎂要低。在土壤和河流（膠體）中植被和有機(jī)生物體的活性好像對(duì)鎂同位素組成幾乎沒有產(chǎn)生影響。Fang-ZhenTen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)量來研究鎂同位素在大陸風(fēng)化過程中的表現(xiàn)。隨著風(fēng)化作用的進(jìn)行，鎂同位素嚴(yán)重分餾并且與鎂的富集，粘土礦物成分和腐巖的密度聯(lián)系起來。δ26Mg值從-0.22（未風(fēng)化的輝綠巖）到+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)化過程中鎂的損失可以使用Rayleigh蒸餾來實(shí)現(xiàn)，這種蒸餾方法使用了一個(gè)明顯的分餾參數(shù)，這個(gè)參數(shù)的值介于腐巖（1.00005）和流體（1.0004）之間。值的大的變化反映了鎂富集礦物初級(jí)溶解階段和風(fēng)化過程中次級(jí)礦物的成巖過程中，鎂同位素分餾中的礦物學(xué)控制。結(jié)果表明大陸風(fēng)化過程會(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有明顯作用。1.3示蹤巖性來源陸上物質(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，可作為巖性來源的示蹤劑。Agne`sBrenot（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（1.5–3.2）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δ26Mg在一年中相對(duì)較低（從1.4‰到1.6‰，1.2‰到1.4‰）。Epinal的下游地，Moselle河的樣品的δ26Mg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)通過徑流與溶解物元素的流溢也觀察研究了全年Moselle河δ26Mg和87Sr/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)來源。1.4記錄地幔交代作用通過對(duì)典型古老克拉通地區(qū)（西伯利亞、Kaapvaal和Slave）和澳大利亞東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δ26Mg和δ25Mg值的變化范圍分別為-3.01‰～1.03‰和-1.59‰～0.51‰。這種分餾可能屬于動(dòng)力學(xué)非平衡分餾，與高溫下Mg在高M(jìn)g橄欖石和低Mg熔體/流體之間的擴(kuò)散過程有關(guān)，高溫下與擴(kuò)散有關(guān)的動(dòng)力學(xué)過程對(duì)同位素的分餾起著至關(guān)重要的控制作用。WeiYang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δ26Mg值為-0.48到-0.12，平均值為-0.29±0.19（2SD，n=21），斜方輝石中的δ26Mg為-0.27到-0.10，平均值為-0.21±0.09（2SD，n=12），單斜輝石中的δ26Mg為-0.35到？0.08，平均值為-0.22±0.14（2SD，n=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餾是無關(guān)緊要的。這些結(jié)果與在橄欖巖分異中鎂同位素的分餾的缺乏相一致。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)的同位素分餾或熔融巖石的相互作用。因此，地幔的δ26Mg在橄欖巖礦物分析的基礎(chǔ)上，估計(jì)為-0.26±0.16（2SD）。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-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.存在問題及發(fā)展趨勢(shì)2.1存在問題第一，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殼體中的鎂同位素不易受到生物礦化作用而分餾，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)封閉體系的問題。2.2發(fā)展趨勢(shì)對(duì)于今后Mg同位素的發(fā)展，應(yīng)從以下幾個(gè)方面展開深入探索：（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同位素分餾程度與溫度的關(guān)系，進(jìn)而發(fā)展新的Mg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-ZhenTeng，Wang-YeLi，RobertaL.Rudnick，L.RobertGardner.Contrastinglithiumandmagnesiumisotopefractionationduringcontinentalweathering[J].EarthandPlanetaryScienceLetters，2010，300：63-71.[2]EstelleF.Rose-Koga，F(xiàn).Albarède.Adatabriefonmagnesiumisotopecompositionsofmarinecalcareoussedimentsandferromanganesenodules[J].Geochem.Geophys.Geosyst，2009.[3]PhilipA.E.PoggevonStrandmann.Precisemagnesiumisotopemeas