鋰的同位素示蹤

1、鋰的同位素示蹤,小組成員：馬亞麗娜（主講人） 毛慶飛 李淑霞,選題原因,在自然界中,Li通常作為微量元素而廣泛分布于各地質(zhì)體系中。由于Li在多數(shù)巖石中含量較低且難以測準(zhǔn),因此早期(1998年之前)的地學(xué)研究者很少有人關(guān)注Li的微量元素數(shù)據(jù)。同時,由于Li離子質(zhì)量很小,而它的同位素在樣品的處理、準(zhǔn)備以及儀器測量的過程中都極易產(chǎn)生同位素的分餾,這一困難直接限制了過去Li同位素的廣泛應(yīng)用(Toinascak,2004)。,近年來,隨

2、著分析技術(shù)的快速發(fā)展,尤其是多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜(MC-ICP-MS)測定輕質(zhì)量穩(wěn)定同位素技術(shù)的出現(xiàn),Li同位素的研宄逐漸發(fā)展起來并成為重要的國際地學(xué)前沿之一。由于Li在硅酸鹽熔體中屬于中等不相容性元素,而在流體相中則屬于強(qiáng)烈的不相容元素。因此,涉及到熔體、流體和巖石相互作用的地質(zhì)過程中往往都伴隨著Li元素分異和同位素分餾,使得Li同位素成為一個新的可以用于示蹤各種地質(zhì)過程的地球化學(xué)手段。,主要內(nèi)容,一、自然條件下鋰的同位素組

3、成二、鋰同位素的行為與示蹤原理2.1、蝕變-風(fēng)化過程中鋰同位素的行為與示蹤原理2.2、殼幔物質(zhì)循環(huán)過程中鋰同位素的行為與示蹤原理三、結(jié)論,一、自然條件下鋰的同位素組成,相對于傳統(tǒng)的穩(wěn)定同位素( 如 C 、 H 和 O) 而言 ，鋰同位素是一種非傳統(tǒng)的穩(wěn)定同位素.鋰同位素具有許多特殊的地球化學(xué)性質(zhì), 主要表現(xiàn)在:(1)鋰是一種堿金屬元素, 具有與鎂離子(≈0 .57 ×10-10m)相近的離子半徑(≈0 .59 &

4、#215;10-10 m), 在礦物中能夠與鎂發(fā)生類質(zhì)同像替代(Sei tz and Woo dland , 2000)。,(2)在許多與流體有關(guān)的過程中, 如洋底風(fēng)化與俯沖帶變質(zhì)作用(Yo u et al .,1996 ;Brenan et al ., 1998b), 鋰具有強(qiáng)烈的流體活動性, 因而能夠在海水的蝕變作用過程中被強(qiáng)烈富集, 然后在俯沖帶釋放。(3)在自然條件下，鋰有兩種穩(wěn)定同位素:6Li(7 .5 %)和7Li(92

5、 .5 %), 其質(zhì)量上的差異(～ 15 %)導(dǎo)致了較大的同位素分餾.鋰同位素在近地表的分餾程度可從-20 ‰～ 40 ‰, 其7Li/6Li 的變化可達(dá)80 ‰,這些特性使鋰同位素體系成為一個良好的地球化學(xué)示蹤工具, 其應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了從地表到地幔的流體與礦物之間的相互作用。如用于示蹤河流中的地球化學(xué)過程、洋殼蝕變與熱液活動以及殼-幔物質(zhì)循環(huán)等重要的地質(zhì)過程。,不同儲源的鋰同位素組成及成因,鋰同位素組成的表達(dá)式為:δ7Li (‰)

6、=[ (7Li/6Li)樣品/(7Li/6Li)標(biāo)樣—1] ×1 000 國際上廣泛采用的標(biāo)樣是NIS TL-SVEC (Li2CO3), 其7Li/6Li =12 .02 ±0 .03 ‰(Flesch et al .1973)。,主要地球化學(xué)儲源的鋰同位素組成特征,海水的鋰同位素組成非常重δ7Li ≈+32 組成的均一性與鋰在海洋中較長的存留時間相一致。,大陸上地殼鋰同位素組成較輕δ7 Li =0 &

7、#177;2 ‰它反映了風(fēng)化作用的影響.因為在風(fēng)化作用過程中, 重的鋰同位素優(yōu)先進(jìn)入地表水體、而在風(fēng)化產(chǎn)物中留下輕的鋰同位素。,不同儲源的鋰同位素組成,二、鋰同位素的行為與示蹤原理,與放射性同位素不同, 鋰同位素不受時間或母/子體分餾的影響。因而地球化學(xué)儲源中的鋰同位素組成能夠提供與放射性同位素互補(bǔ)的信息。 由于地表物質(zhì)(包括洋殼和大洋沉積物)可能經(jīng)歷了復(fù)雜的過程, 如地表風(fēng)化作用、洋底蝕變作用和俯沖過程中的脫水反

8、應(yīng)。因此, 鋰同位素的行為可概括為兩方面:①蝕變-風(fēng)化過程(含洋底蝕變過程)②俯沖帶過程。,2.1、蝕變-風(fēng)化過程中鋰同位素的行為與示蹤原理,鋰同位素在近地表易發(fā)生強(qiáng)烈的分餾，分餾的產(chǎn)物為追蹤俯沖(再循環(huán))進(jìn)入地幔的地表物質(zhì)提供了穩(wěn)定的示蹤工具。 在風(fēng)化過程中, 輕鋰同位素(6 Li)優(yōu)先進(jìn)入固體相, 而7Li 則進(jìn)入流體相，即地表風(fēng)化作用淋濾出了巖石中的重鋰。所以, 河水具有比原始基巖和懸浮載荷較重

9、的鋰同位素組成(Huh et al ., 2001)。,在穩(wěn)定地區(qū)和溫暖的氣候條件下, 因風(fēng)化作用緩慢, 鋰同位素分餾較弱；相反, 在構(gòu)造活動地區(qū), 強(qiáng)烈的風(fēng)化作用可導(dǎo)致較大的同位素分餾，礦物表面的吸附作用也能夠造成鋰同位素的分餾，由于不同的礦物具有不同的7Li/6Li 比值, 所以不一致的風(fēng)化作用能夠產(chǎn)生有意義的同位素分餾。大陸風(fēng)化作用過程中鋰同位素的行為表明風(fēng)化過程影響著風(fēng)化層的同位素組成。例如, Kisakurek et al

10、.(2004)研究認(rèn)為, 發(fā)育在暗色巖之上的厚層紅土含有相當(dāng)一部分風(fēng)力輸入的輕鋰同位素組分, 并推測輕鋰來自風(fēng)化的結(jié)晶基底.,與一些用于檢測化學(xué)風(fēng)化作用的放射性同位素相比, 河水中的鋰同位素組成的變化沒有基巖靈敏。因此, 可以利用海水中鋰同位素特征的演化來推測過去大陸風(fēng)化作用強(qiáng)弱的變化。換言之, 古代海洋中較輕的鋰同位素組成可能反映了過去較低的風(fēng)化速率。Marriot t et al .(2004b)通過對方解石和文石的δ7 Li和

11、Li/Ca 比值與溫度的關(guān)系的研究, 指出生物的控制作用不影響生物成因碳酸鹽巖中Li的行為.因此,碳酸鹽巖的δ7 Li 值可能提供了海水鋰同位素組成隨時間變化的可靠記錄.,在海洋系統(tǒng)中, 鋰在海水與粘土之間的分配能夠產(chǎn)生強(qiáng)烈的同位素分餾。海水中的鋰同位素組成重于它的輸入來源。這一現(xiàn)象可以用洋殼的低溫蝕變作用來解釋.蝕變產(chǎn)物(如蒙脫石)是海洋中鋰的重要吸收匯, 在蝕變過程中它們優(yōu)先吸收了海水中的6Li，提高了海水中6 Li

12、的去除率, 從而使得海水具有δ7 Li ≈+32 ‰的同位素組成。,不同儲源的鋰同位素組成,總之，地表風(fēng)化作用使得河水具有重的鋰同位素組成，河水又將重的鋰同位素組分補(bǔ)給海洋，洋殼的蝕變作用使海水的鋰同位素組成進(jìn)一步變重。盡管蝕變洋殼的鋰同位素組成輕于河水的平均組成，但它卻明顯重于地幔。作為低溫鋰循環(huán)的重要組成部分，蝕變洋殼δ7 Li 增加的過程揭示了大洋板片的一個明顯的特征, 我們可以利用這一特征對其示蹤。,圖2 　鋰同位素的地球化

13、學(xué)行為示意圖(據(jù)Tan g et al ., 2007b 修改),2.2、殼-幔物質(zhì)循環(huán)過程中鋰同位素的行為與示蹤原理,在低溫地球系統(tǒng)如蝕變洋殼、脫水地幔巖以及榴輝巖質(zhì)的俯沖板片中, 鋰同位素的分餾非常強(qiáng)烈。然而，鋰同位素在溫度高于350 ℃的情況下的分餾作用相對較弱(Chan et al ., 1994b ;Tomascak etal ., 1999b)。而且在高于900 ℃的巖漿作用過程中鋰同位素幾乎不發(fā)生有意義的分餾，這意味著幔源

14、巖漿的鋰同位素組成能夠指示源區(qū)的鋰同位素特征。因此，不同火成巖中鋰同位素系統(tǒng)的變化特征(尤其是幔源巖石)，因為保留了近地表水-巖相互作用的印記，從而能夠揭示俯沖的地表物質(zhì)對源區(qū)的影響。,由于低溫蝕變洋殼具有比地幔較重的鋰同位素組成, 所以俯沖洋殼在地幔中分布的不均一性導(dǎo)致了地幔鋰同位素組成的變化。已有的數(shù)據(jù)顯示， 幔源物質(zhì)的鋰同位素組成在一個較大的范圍內(nèi)變化， 這為再循環(huán)物質(zhì)在地幔的廣泛分布提供了有力的證據(jù).然而, 鋰從地表進(jìn)入深部地幔

15、的過程中受到俯沖過程的強(qiáng)烈影響.在俯沖過程中, 俯沖板片首先由于受到擠壓而釋放孔隙水, 之后隨俯沖板片下降、溫度升高而發(fā)生一系列遞進(jìn)脫水反應(yīng)，與近地表環(huán)境相似,鋰在殘余固相與液相中的分配造成了鋰同位素的分餾，盡管隨著溫度的升高鋰同位素的分餾逐漸減弱, 但根據(jù)推測(Chan etal ., 1993 ;Huh et al ., 1998)和測定(Ry an et al .,2001)的結(jié)果, 在溫度為350 ℃左右的熱液循環(huán)過程中, 礦物

16、與水之間仍然存在有意義的同位素分餾。,例如：俯沖過程中釋放的熱液具有比伴隨的沉積物更重的鋰同位素組成。蛇紋巖的δ7Li 也顯示了較大的變化范圍, 說明俯沖板片中的重鋰轉(zhuǎn)移給了上部地幔楔。地幔楔可能是俯沖洋殼釋放出的高δ7Li 的聚集區(qū), 它構(gòu)成了高δ7Li 蛇紋巖的源區(qū)。,較少數(shù)的島弧熔巖具有比MORB 重的鋰同位素組成，說明俯沖帶中僅有較少的重鋰釋放到地表, 這可能與鋰在地幔礦物相中的親合性有關(guān).盡管實(shí)驗表明鋰是中等不相容元素，但是

17、它能夠占據(jù)地幔礦物晶格中大量鎂的位置。最初被俯沖板片攜帶的重鋰, 進(jìn)入流體后(因板片脫水)與地幔發(fā)生了同位素再平衡。這樣, 俯沖板片中的重鋰被傳遞給了上覆地幔中“冷” 的部分, 這一推理得到了最近研究成果的支持(Elliot t et al ., 2006).,,,島弧熔巖,,MORB,,阿爾卑斯榴輝巖具有的非常輕的鋰同位素組成，它為俯沖洋殼脫水過程中重鋰的損失提供了證據(jù),,Zack et al .(2003)提出, 在變質(zhì)作用早期粘土

18、礦物和(或)綠泥石脫水的過程中, 低δ7Li 很可能是通過瑞利蒸餾作用的方式實(shí)現(xiàn)的, 并認(rèn)為阿爾卑斯榴輝巖代表了重鋰同位素轉(zhuǎn)移給上覆地幔、而剩下的具有輕鋰同位素特征的俯沖板片.這些推論與地幔楔具有重的鋰同位素特征相吻合, 而具有輕鋰同位素特征的板片繼續(xù)向深部俯沖, 形成一個不同的地幔儲源, 從而成為與地幔柱有關(guān)的巖漿源區(qū).,俯沖作用的結(jié)果表明了鋰同位素在地幔對流研究中的潛在用途.由于俯沖作用, 深俯沖的蝕變洋殼的鋰同位素組成變輕, 而與

19、之相鄰的“ 冷”的地幔的同位素組成變重。因此, 俯沖作用產(chǎn)生了兩個與地幔自身同位素組成不同的地幔輸入端元.由于鋰是穩(wěn)定同位素, 所以這些特征能夠與近地表的低溫過程相聯(lián)系.因此, 鋰同位素地球化學(xué)研究為追蹤俯沖板片與地幔楔之間的混合作用提供了一個途徑.,三、結(jié)論,鋰同位素體系是一個新興的地球化學(xué)示蹤工具, 它對于更好地理解風(fēng)化作用和殼-幔物質(zhì)再循環(huán)、尤其是地?；瘜W(xué)不均一性的認(rèn)識都具有重要意義.若將鋰同位素與放射性同位素(例如Sr 、Nd