镁同位素在地质学上的进展及应用

镁同位素在地质学上的进展及应用[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26Mg。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馏机制的深入了解，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1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。例如，Mg参与了控制气候的地球化学反应（Berneretal.，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，δ25Mg值和δ26Mg值分别为-0.40‰到-0.77‰和-0.69‰到-1.47‰，目前大多数研究缩小了以上范围，即δ26Mg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。δ25Mg和δ26Mg的均值分别为-0.41±0.06（n=22；2s.d.）和-0.81±0.11‰（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δ25Mg和δ26Mg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调查δ25Mg和δ26Mg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馏，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馏，例如有孔虫（Changetal.，2003）和珊瑚（Krogstadetal.，2003），同样在像叶绿素这种柔软的组织中也存在这种现象（Blacketal.，2006；RaandKitagawa，2007）。镁同位素在生物和化学过程中分馏，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馏的影响，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δ26Mg值的变化只跟海水的δ26Mg值有关，能够比较可靠地记录海水的Mg同位素变化。Changetal.（2004）认为，表层居住的浮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（deVilliersetal.，2005），现生海绵和珊瑚（Wombacheretal.，2005）。1.2风化通量估算Galy（2002）认为一系列δ26Mg陆上样品中值为4.13‰。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（-1.09‰）的镁同位素组成比海水（-0.82±0.11‰）中的轻。S.deVilliersetal.（2005）认为，Mg同位素可以用来推断河流的风化变迁，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。PhilipA.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δ26Mg组成的宽泛范围，与现在的玄武岩火山玻璃（δ26Mg=-0.29‰）相比较，范围从-0.96‰到+0.64‰，而沉积作用和热液过程中的δ26Mg值分别为-0.83‰和+0.85‰，比富集在溶解搬运质中镁要低。在土壤和河流（胶体）中植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-ZhenTen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，镁同位素严重分馏并且与镁的富集，粘土矿物成分和腐岩的密度联系起来。δ26Mg值从-0.22（未风化的辉绿岩）到+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蒸馏来实现，这种蒸馏方法使用了一个明显的分馏参数，这个参数的值介于腐岩（1.00005）和流体（1.0004）之间。值的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，镁同位素分馏中的矿物学控制。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`sBrenot（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（1.5–3.2）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δ26Mg在一年中相对较低（从1.4‰到1.6‰，1.2‰到1.4‰）。Epinal的下游地，Moselle河的样品的δ26Mg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δ26Mg和87Sr/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δ26Mg和δ25Mg值的变化范围分别为-3.01‰～1.03‰和-1.59‰～0.51‰。这种分馏可能属于动力学非平衡分馏，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，高温下与扩散有关的动力学过程对同位素的分馏起着至关重要的控制作用。WeiYang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δ26Mg值为-0.48到-0.12，平均值为-0.29±0.19（2SD，n=21），斜方辉石中的δ26Mg为-0.27到-0.10，平均值为-0.21±0.09（2SD，n=12），单斜辉石中的δ26Mg为-0.35到？0.08，平均值为-0.22±0.14（2SD，n=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馏是无关紧要的。这些结果与在橄榄岩分异中镁同位素的分馏的缺乏相一致。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馏或熔融岩石的相互作用。因此，地幔的δ26Mg在橄榄岩矿物分析的基础上，估计为-0.26±0.16（2SD）。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-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馏，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Mg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同位素分馏程度与温度的关系，进而发展新的Mg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-ZhenTeng，Wang-YeLi，RobertaL.Rudnick，L.RobertGardner.Contrastinglithiumandmagnesiumisotopefractionationduringcontinentalweathering[J].EarthandPlanetaryScienceLetters，2010，300：63-71.[2]EstelleF.Rose-Koga，F.Albarède.Adatabriefonmagnesiumisotopecompositionsofmarinecalcareoussedimentsandferromanganesenodules[J].Geochem.Geophys.Geosyst，2009.[3]PhilipA.E.PoggevonStrandmann.Precisemagnesiumisotopemeas