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,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, 如洋底風化與俯沖帶變質(zhì)作用(Yo u et al .,1996 ;Brenan et al ., 1998b), 鋰具有強烈的流體活動性, 因而能夠在海水的蝕變作用過程中被強烈富集, 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式為:δ7Li (‰)

6、=[ (7Li/6Li)樣品/(7Li/6Li)標樣—1] ×1 000 國際上廣泛采用的標樣是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 ‰它反映了風化作用的影響.因為在風化作用過程中, 重的鋰同位素優(yōu)先進入地表水體、而在風化產(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-風化過程(含洋底蝕變過程)②俯沖帶過程。,2.1、蝕變-風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)生強烈的分餾，分餾的產(chǎn)物為追蹤俯沖(再循環(huán))進入地幔的地表物質(zhì)提供了穩(wěn)定的示蹤工具。 在風化過程中, 輕鋰同位素(6 Li)優(yōu)先進入固體相, 而7Li 則進入流體相，即地表風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), 強烈的風化作用可導(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, 所以不一致的風化作用能夠產(chǎn)生有意義的同位素分餾。大陸風化作用過程中鋰同位素的行為表明風化過程影響著風化層的同位素組成。例如, Kisakurek et al

10、.(2004)研究認為, 發(fā)育在暗色巖之上的厚層紅土含有相當一部分風力輸入的輕鋰同位素組分, 并推測輕鋰來自風化的結(jié)晶基底.,與一些用于檢測化學(xué)風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化作用強弱的變化。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給海洋，洋殼的蝕變作用使海水的鋰同位素組成進一步變重。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, 鋰從地表進入深部地幔

15、的過程中受到俯沖過程的強烈影響.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現(xiàn)的, 并認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