镁同位素在地质学上进展和应用

1、镁同位素在地质学上进展和应用摘要镁是重要的成岩元素，也是海洋和生物系 统中重要的元素，镁有3个稳定同位素分别是：24mg. 25mg 和26mgo mg同位素地球化学的研究主要集中揭示地质历史 时期海水的mg同位素组成演化、估算大陆风化通量、追溯 岩性来源、记录亏损地幔和地幔交代作用。关于镁同位素的 研究目前处于初级阶段，相关数据及成果非常少，但随着新 技术的发展和对镁同位素分馆机制的深入了解，镁同位素的 地质应用将会日益广泛。关键字镁同位素测定方法地质应用中图分类号p5 文献码b 文章编号1000-405x(2013) -3-66-21地质学上的应用地球表面的mg循环在生物地球化学上尤为重要

2、。例如, mg参与了控制气候的地球化学反应(berner et al. , 1983) 和地质时间尺度上海水的碳酸盐矿物学(hardie, 1996)。 陨石、火成岩、沉积岩、水圈、生物圈是自然界mg的主要 储库。近年来，随着分析方法的改进和现代质谱仪器的发展, mc-icp-ms已经使得镁同位素比测量的精确度达到-0. 10%每 amu甚至于更好。目前，镁同位素地球化学作为一个年轻的 研究领域，主要集中在示踪太阳系星云形成过程、记录亏损 地幔和地幔交代作用、估算大陆风化通量等方面。1. 1海水中的mg同位素海水中的镁同位素的组份在过去十年内被确定，s25mg 值和s26mg值分别为-0. 4

3、0 %。到-0. 77 %。和-0.69%。到 -1.47 %0,目前大多数研究缩小了以上范围，即6 26mg值 为-0. 69 %。到-0. 89 %。明确提出此值的原因是以往不均一 的同位素标准变得均一化。6 25mg和8 26mg的均值分别为 -0. 41 ± 0. 06 (n = 22；2 s. d.)和-0.81 ± 0. 11 %o (n= 22；2s.d.)。各个实验室对镁同位素系统的认同比较高。然而，由于镁同位素提纯的方法有很多，许多结果显示出显 著分歧，而且很少有报告中海水中5 25mg和5 26mg值的测 定来源超过三个地方，显而易见，需要有一个更综合的

4、调查 5 25mg和8 26mg在海水中的变化。镁同位素在河口环境中 表现保守，但通过生物活动有显著的分馆，植物会优先吸取 轻同位素，驱动剩余溶液中的重同位素升高。因此，尽管镁 的利用通过海洋有机体经历了一个相当长的停留时间，可能 潜在的导致局部的镁同位素在海水中的变化。镁同位素在生物成因的碳酸盐中的可区别的同位素分 馆，例如有孔虫(chang et al. , 2003)和珊瑚(krogstad et al. , 2003),同样在像叶绿素这种柔软的组织中也存在 这种现象(black et al. , 2006； ra and kitagawa, 2007)o 镁同位素在生物和化学过程中分馆

5、，可能与环境因素相关。因此镁同位素成分的变化不仅在了解与生物合成作用相关 的机制上还是在古海洋学的研究中作为一种探明生物成因 和非生物成因的方解石潜在的替代性指标都是重要的工具。 dickson (2002)用棘皮动物(echinoderm)化石作为显 生宙以来海水mg/ ca值的可靠的监视器，因为它们在生物 矿化过程中不容易受生物分馆的影响，能很好地保留mg的 信息。选取的棘皮类动物化石(成分为含镁方解石)所处的 环境温度变化范围很小，因此它们5 26mg值的变化只跟海 水的8 26mg值有关，能够比较可靠地记录海水的mg同位素 变化。chang et al. (2004)认为，表层居住的浮

6、游有孔虫 种的镁同位素变化可以作为古温度的替代性指标。镁同位素 也可被用于古测温中，但仅限于十分有限的材料，例如，碳 酸盐分泌棘皮类化石(de villiers et al. , 2005),现生海绵和珊瑚(wombacher et al. , 2005)o1.2风化通量估galy(2002)认为一系列6 26mg陆上样品中值为413%。 tipper (2006)则认为硅酸盐土壤中的镁同位素组成比岩石 中的重，而河水中(t09%o)的镁同位素组成比海水 (-082±0 11%。)中的轻。s. de villiers et al. (2005)认为，mg同位素可以用来推断河流的风化变

7、迁，古老大洋 中的镁同位素组成的记录被用于对全球大陆风化变迁的不 同岩性分布的一种推断，特别是碳酸盐和硅酸盐风化。philip a. e. （2008）等对icelandic河的溶解搬运质 和悬浮微粒质做了镁同位素研究，结果表明在碳循环中镁被 赋予了重要角色，这些变化为地球气候的调节上提供了重要 的信息。溶解搬运质显示出5 26mg组成的宽泛范围，与现 在的玄武岩火山玻璃（§26mg=-0.29%o）相比较，范围从 -0. 96%o到+0.64%。，而沉积作用和热液过程中的8 26mg值 分别为-0. 83%。和+0. 85%0,比富集在溶解搬运质中镁要低。 在土壤和河流（胶体）中植

8、被和有机生物体的活性好像对镁 同位素组成几乎没有产生影响。fang-zhen ten等（2010） 对一个南加州辉绿岩脉上腐岩剖面的镁同位素组成进行测 量来研究镁同位素在大陆风化过程中的表现。随着风化作用 的进行，镁同位素严重分馆并且与镁的富集，粘土矿物成分 和腐岩的密度联系起来。5 26mg值从-0. 22 （未风化的辉绿 岩）至（j+0.65 （严重风化的腐岩）。这些观察结果与轻镁释放 到水圈和风化产物中重镁的成岩相一致。在风化过程中镁的 损失可以使用rayleigh蒸馆来实现，这种蒸僧方法使用了 一个明显的分馆参数，这个参数的值介于腐岩（1.00005） 和流体（1.0004）之间。值的

9、大的变化反映了镁富集矿物 初级溶解阶段和风化过程中次级矿物的成岩过程中，镁同位 素分馆中的矿物学控制。结果表明大陆风化过程会导致陆壳 的镁同位素组份高于地幔，然而，在地球历史中地壳的循环 对于地幔中镁同位素的组成没有明显作用。1.3示踪岩性来源陆上物质的镁同位素研究仍然处于起步阶段，其在碳酸 盐和硅酸盐的组成上有明显的不同，可作为岩性来源的示踪 剂。agne's brenot (2008)等认为，在 lorraine 高原，支 流排出的泥灰岩，碳酸盐和蒸发岩与当地碳酸盐岩石(ca/mg = 29 - 59； ca/sr = 370 -2200)相比，拥有典型的低 ca/mg (1.5-

10、3.2)和低ca/sr (80 - 400),与其他河流的排出的 碳酸盐相似。大于这些河流中的mg和sr的最重要原因在于 含碳酸盐的早期地下水热动力的饱和，与地下水化学物质在 含水层中的日益增多相关。支流主要排出的碳酸盐和蒸发岩 中溶解的8 26mg在一年中相对较低(从1.4%。到1.6%。， 1.2%0到1.4%o)。epinal的下游地，moselle河的样品的 5 26mg和87sr/86sr可以被解释为含硅酸盐、碳酸盐和蒸发 岩水的混合，vosgian的硅酸盐岩性对此有十分重大的贡献 (>70%)。同时通过径流与溶解物元素的流溢也观察研究了 全年moselle河6 26mg和87

11、sr/86sr的时间总和变化，其 与冬季的vosges山的贡献相一致。镁同位素可以在水、岩 石和土壤中被测定，因此像sr同位素一样可以作为示踪剂, 被用于追溯河口区的物质来源。1.4记录地幔交代作用通过对典型古老克拉通地区(西伯利亚、kaapvaal和 slave)和澳大利亚东南部显生宙造山带地幔橄榄岩捕虏体中橄榄石和巨晶的研究发现，岩石圈地幔的mg同位素组成 具有明显的不均一性，其s26mg和s25mg值的变化范围分 别为-3. 01%o1. 03%。和t. 59%。0. 51%。这种分徭可能属 于动力学非平衡分馆，与高温下mg在高mg橄榄石和低mg 熔体/流体之间的扩散过程有关，高温下与扩

12、散有关的动力 学过程对同位素的分馆起着至关重要的控制作用。wei yang 等(2009)研究了中国北部克拉通地区sanyitang和beiyan 的一系列特征明显的地幔橄榄岩捕掳体。结果显示， sanyitang和beiyan的橄榄岩有不同的起源(不同的岩性、 化学成分、熔融温度以及变质程度)。镁同位素在成分上有 小变化，橄榄石中的626mg值为-0.48到-0. 12,平均值为 -0. 29±0. 19 (2sd, n=21),斜方辉石中的 8 26mg 为-0. 27 到-0. 10,平均值为-0. 21±0. 09(2sd, n=12),单斜辉石中的 6 26mg为

13、-0.35 到？ 0.08,平均值为-0. 22±0. 14 (2sd, n二15)。共存于橄榄石、斜方辉石和单斜辉石中的镁同位素 成分在橄榄岩中是相同的，当温度大于900 ° c时在橄榄石 和辉石间镁同位素的分馆是无关紧要的。这些结果与在橄榄 岩分异中镁同位素的分馆的缺乏相一致。在这些橄榄岩镁同 位素的变化(0.4%。)比客观精确度大，可能是因为热扩 散驱动的同位素分馆或熔融岩石的相互作用。因此，地幔的 6 26mg在橄榄岩矿物分析的基础上，估计为-0. 26±0. 16 (2sd)o这个值与最新的橄榄岩和大洋玄武岩的研究极度吻 合。同样，也与dts-1和dts

14、-2和两个碳球粒陨石(allende 和murchison)类似。因此硅质地球有一个球粒陨石的镁同 位素组成。2存在问题及发展趋势2. 1存在问题第一，mg同位素作为一种古海洋的替代性指标而言，其 局限性太大。因为只有棘皮动物化石和部分有孔虫壳体中的 镁同位素不易受到生物矿化作用而分馆，因此可能会记录下 历史时期的海水的镁同位素变化，而颗石藻中的mg同位素 则不能作为一种温度的替代性指标。第二，mg同位素的测定 需要的要求非常高，虽然测试技术在近几年有了突飞猛进的 发展，但是数据是否可靠还是一个值得商榷的问题。像其他 同位素方法一样，mg同位素也存在一个封闭体系的问题。2.2发展趋势对于今后m

15、g同位素的发展，应从以下几个方面展开深 入探索：(1)由于mg同位素的数据还不够完善，因此不能 对水圈、生物圈等主要储库中的mg同位素做质量平衡计算, 从而讨论整个地球系统的mg的地球化学循环循环。(2)继 续探讨mg同位素作为古温度替代性指标的可能性，寻找新 的生物指标进行研究，特别要针对有孔虫种群和组合做深入 探讨。(3)加大对mg同位素成为地质温度计研究。、作为 主要造岩元素的mg广泛分布在各种矿物中，系统研究更多 具有不同mg配位数的矿物对之间mg同位素分馆程度与温度 的关系，进而发展新的m g同位素地质温度计，是mg同位 素研究中一个具有重要应用前景的领域。参考文献1 fang-zh

16、en teng, wang-ye li, roberta l. rudnick,lrobert gardner. contrasting lithium and magnesium isotopefractionationduring continentalweatheringjearth and planetary science letters , 2010, 300： 63-712 estelle f. rose-koga, f. albar e dea data briefon magnesium isotope compositions of marine calcareous sedimentsandferromanganesenodulesj geochem. geophys geosyst, 20093 philip a. e. pogge von strandmarm. precise magnesium isotope mea