橄榄岩、科马提岩和砖红壤的钒同位素地球化学

1、橄榄岩、科马提岩和砖红壤的钒同位素地球化学钒 (V) 在自然界中存在多种价态 (0,+2,+3,+4,+5) 。由于 V 的赋存状态和地球化学行为对环境的氧化还原状态非常敏感 , 因此 V 元素已被广泛应用于示踪高温和低温地质过程的氧化还原条件的变化。钒有两个稳定同位素 51V 和 50V。已有的实验研究、理论计算和自然观测结果发现 V 同位素在高温和低温过程中可以发生显著的分馏 , 显示了 V 同位素对于示踪宇宙射线照射、 核幔分异、壳幔演化、 古环境和古气候变化等过程具有重大的应用潜力。开展 V 同位素研究的基础包括建立高精度的 V 同位素分析方法、确定重要地质储库的 V 同位素组成以及查

2、明重要地质过程中 V 同位素行为。已有的 V 同位素研究存在以下几个问题 :(1) 缺乏对高 Mg低 V 含量的超基性岩石样品的 V 同位素高精度分析方法 ;(2) 硅酸盐全地球 (BSE)的 V 同位素组成是应用 V 同位素研究地球化学和天体化学过程的基准线。前人对 BSE的 V 同位素组成的估算值的误差很大 , 不利于各储库的 V 同位素组成的对比 , 因此需要对 BSE的 V 同位素组成进行更加精确的制约 ;(3) 洋中脊玄武岩 (MORB)和 BSE之间的 V 同位素组成的差别尚不清楚。 地幔部分熔融过程中是否会产生 V 同位素分馏尚不能确定 ;(4) 风化过程是元素从岩石到河流和海洋

3、的重要桥梁 , 但是岩石风化过程中的 V 同位素行为尚无工作研究。本论文中 , 首先对 V 元素和 V 同位素的地球化学性质和研究现状进行了详细的总结。然后针对以上问题 , 建立了一套适用于高 Mg低 V 的超基性岩石样品的高精度 V 同位素分析方法 ; 利用此方法 , 测量了一系列典型的地幔橄榄岩包体、 科马提岩和苦橄岩的 V 同位素组成 , 重新厘定 BSE的 V 同位素组成以及探究地幔部分熔融过程中的 V 同位素行为 ; 此外 , 对中国广东湛江的玄武岩强氧化风化剖面进行了 V同位素和 Fe 同位素研究 , 共同制约强风化过程中的V元素和 V同位素行为。在前人建立的 V 同位素分析流程的

4、基础上, 我们增加了两步阴离子和阳离子交换树脂的提纯步骤。 通过这两步 , 可以有效地将样品中的Fe 和 Mg去除 , 从而可以对样品中的 V 进行提纯分析。我们对超基性 - 基性岩石学标样进行了测量, 其51V 值分别为 :PCC-1,-0.99 0.07 (2SD,n=12);BIR-1,-0.900.099 (2SD,n=3);BCR-2,-0.750.05 (2SD,n=3), 与文献中的推荐值在分析误差范围内一致。利用此方法 , 我们对来自蒙古中部塔里亚特地区的一套地幔橄榄岩包体、五个不同地区的3.48 Ga 至 2.41 Ga 的科马提岩、 1.98 Ga 的奥涅加高原的苦橄岩的

5、V 同位素组成进行了分析。八个饱满的尖晶石二辉橄榄岩的 51V从-0.85 0.04 变化至 -0.95 0.04 , 平均值为 -0.91 0.06 (2SD,n=8) 。三个中高程度亏损的地幔橄榄岩的 51V从-0.92 0.03 变化至 -0.93 0.03 , 平均值为 -0.93 0.01 (2SD,n=3), 与饱满的地幔橄榄岩的V 同位素组成没有显著的差别。说明地幔部分熔融过程中残留的地幔橄榄岩的V 同位素组成没有发生明显改变。十个科马提岩样品的51 V 从-0.87 0.07 变化至 -0.95 0.08 , 平均值为 -0.91 0.05 (2SD,n=10) 。科马提岩的

6、V 同位素组成与饱满的地幔橄榄岩一致, 说明地幔高比例部分熔融不会改变科马提岩原始岩浆的V 同位素组成。结合饱满的地幔橄榄岩和科马提岩的 V 同位素组成 , 我们确定的硅酸盐全地球的V 同位素组成为 -0.91 0.09 (2SD,n=18) 。四个苦橄岩样品的 51V从-0.76 0.04 变化至 -0.82 0.06 , 平均值为-0.80 0.05 (2SD,n=4), 与前人发表的 MORB的51V值一致 , 都比 BSE的值系统偏重 , 说明地幔低比例部分熔融产生的熔体具有比源区更重的V 同位素组成。我们新估算的 BSE的 V 同位素组成与前人报道的月球和火星的V同位素组成在误差范围

7、内有重叠 , 说明这些星体可能具有相同的V 同位素组成。为了研究强风化过程中的V 同位素行为 , 我们测量了中国广东湛江的玄武岩风化产生的砖红壤剖面的V 同位素组成。该剖面中的砖红壤样品没有产生显著的V 同位素分馏 , 其 51V 从 -0.77 0.06 变化至 -0.94 0.05 , 与风化的玄武岩(-0.88 0.03 ) 以及未风化的玄武岩 (-0.79 0.06 ) 的 V 同位素组成都在分析误差范围内一致。砖红壤剖面中的 V元素含量和 Fe 元素含量存在很好的相关性, 说明 V 在风化过程中的行为与Fe 有关 , 因此我们分析了该剖面的Fe 同位素组成。砖红壤剖面的 Fe 同位素组成具有较小的变化, 砖红壤的 56Fe从 0.04 0.03 变化至 0.14 0.02 , 与母岩 (0.08 0.02 ) 的 Fe 同位素组成在误差范围内一致。此外 , 质量平衡模型计算得出整个剖面的Th,V 为-57%到-11%, Th,Fe 为-61%到-11%, 说明剖面中存在大量的Fe 和 V 的丢失。研究结果表明 , 在强氧化风化过程中 , 大量的 Fe 和 V 发生了迁移和丢失 , 但却没有引起显著的Fe 同位素和 V同位素分馏 , 说明迁移的 Fe 和 V 元素具有与母岩一致的同位素组成。基于以上观测结果 , 我们推测玄武