岩浆演化、变质流体活动和风化过程中的硅同位素分馏

论文摘要

硅（Si）是地壳和地幔中最重要的元素之一,作为Si-O四面体的核心组分,参与着硅酸盐地球（BSE）中几乎所有的地球化学过程。前人的研究结果表明,很多地质过程都会导致Si同位素的分馏,因此Si同位素在包括高温和低温在内的不同地球化学领域都已经得到了广泛的应用。在这篇论文中我们利用Si同位素作为工具,分别对火山岩形成、俯冲带变质流体演化以及玄武岩风化等过程进行了研究。Si同位素分析方法是利用该同位素体系来研究地质过程的基础。在前人工作的基础上,我们在中国科学技术大学建立了高精度的Si同位素分析方法,包括Si的纯化分离,以及Si同位素的MC-ICP-MS分析。样品前处理流程包括碱熔法溶样,以及色谱柱离子交换过程。基质检测和回收率检测结果证实了我们的化学流程的可靠性。之后我们使用MC-ICP-MS来进行Si同位素分析,在分析过程中使用样品-标样间插法,间插标样为国际标准样品NBS-28。我们对四种不同成分的USGS标准岩石样品进行了 Si同位素分析,测量结果均和文献中报道的一致。对玄武岩样品BHVO-2进行的长期的Si同位素检测,在长达两年以上的Si同位素测试过程中,得到的δ30Si值结果为-0.29±0.06‰（2SD,n=249）,表明我们的Si同位素数据具有很好的精确度和准确度。目前关于高温下各种地质过程的高精度硅同位素研究只有少数成果发表,还有众多问题没有得到解决。例如在俯冲带有大量地壳物质通过板块俯冲过程循环进入地幔,这些物质的加入是否会导致上地幔硅同位素组成的不均一?此外在岩浆演化过程中,有很多火成岩可能通过硅同位素特征记录下了它们的形成和演化过程。为了更深入的研究经历过复杂演化的火山岩形成过程中的硅同位素分馏,我们对采自海拉尔盆地的双峰式火山岩样品进行了硅同位素分析。研究结果表明海拉尔火山岩的基性岩石和酸性岩石之间存在显著的Si同位素分馏。其中基性的玄武质粗面安山岩具有最低的δ30Si值,从-0.34±0.03‰到-0.20±0.01‰,粗面岩-流纹英安岩的δ30Si值从-0.25±0.01‰到-0.05±0.06‰,而流纹岩具有三类样品中最重的平均硅同位素组成,δ30Si值变化范围为-0.16±0.05‰到-0.07±0.03‰。所有海拉尔火山岩样品的δ30Si值和SiO2含量之间均呈现出显著的线性正相关关系,且Si同位素变化趋势和岩浆演化趋势线相吻合。此外样品的δ30Si也和其他分离结晶过程的指标例如Mg含量呈正相关关系。这些证据说明岩浆演化过程是导致海拉尔火山岩中Si同位素分馏的主要因素。为了研究变质流体活动中的Si元素迁移过程和同位素分馏机制,我们测量了中国东部大别山港河和花凉亭地区的高压-超高压榴辉岩-脉体系统的Si同位素。结果表明两处的脉体和榴辉岩围岩之间均存在显著的Si同位素分馏。其中港河地区的榴辉岩δ30Si=-0.50～0.39‰,高于绿辉石-绿帘石脉体的δ30Si=-0.63±0.04‰。花凉亭地区的榴辉岩δ30Si从-0.36到-0.29‰,而岩脉的Si同位素组成变化较大,δ30Si变化范围为-0.45到0.05‰。以上结果表明在变质流体演化以及脉体形成过程中可以产生显著的Si同位素分馏。港河和花凉亭脉体中单矿物30Si富集的顺序是白云母（-0.01～0.13‰）≈石英（δ30Si=-0.14～0.10‰）>绿辉石（-0.63～0.33‰）≈绿帘石（-0.60～0.30‰）≈蓝晶石（-0.42～-0.28‰）>石榴石（-0.92～0.44‰）。我们还利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算了几种变质矿物之间的平衡Si同位素分馏值。计算得到的几种矿物30Si/28Si的简约配分系数103lnβ的顺序为石英≈白云母>绿辉石≈绿帘石,和所测得的变质矿物样品Si同位素特征顺序相符合。这说明脉体中的矿物之间可能处于Si同位素平衡状态。花凉亭脉体中不同期次结晶产物之间具有显著的δ30Si-SiO2线性正相关关系,斜率略大于岩浆演化过程的斜率。结合脉体样品的矿物学特征,我们认为这显示了脉体矿物组成和流体Si同位素的变化趋势。在变质流体结晶过程中,结晶产物的Si含量和δ30Si值都持续升高,同时流体的δ30Si值也逐步升高。假设Δ30Si石英-流体=0.15±0.03‰,根据我们的计算结果,花凉亭流体的初始δ30Si值约为-0.22±0.08‰,在第二阶段的结晶过程中约为一0.17±0.09‰,而到结晶的最后阶段,流体的δ30Si值上升至约-0.07±0.10‰。这说明Si同位素可以被用来示踪俯冲带的物质循环和流体活动过程。Si同位素是研究风化过程非常有效的工具,前人已经在这一领域进行了很多探索,包括土壤中的Si同位素研究。但是因为风化过程和成土过程非常复杂,仍然有很多重要的问题没有得到深入的探究,其中一个就是热带强风化条件下砖红壤形成过程中的Si同位素分馏机制问题。母岩风化和砖红壤形成过程是地表Si迁移与循环的重要环节,为了更好的理解强烈风化和砖红壤形成这一系列过程中的Si元素迁移和同位素分馏机制,我们对中国华南广东省湛江市的玄武岩风化剖面进行了 Si同位素分析。分析结果表明,湛江风化剖面中的砖红壤δ30Si变化范围为-2.45～0.63‰,相比未风化的母岩（δ30Si=-0.29‰）具有更轻的Si同位素组成,,导致分馏最主要的原因是在风化过程中,次生黏土矿物（如高岭石等）相对土壤溶液中更容易富集轻Si同位素。在整个风化剖面中,Si同位素组成也并不均一,影响砖红壤中Si同位素分布最重要的因素有风化程度、Si迁移率以及Fe-Al氢氧化物的淀积。风化完全的土壤相比未完全风化的土壤具有更大的Si迁移量,越接近基岩,风化程度越低的土壤中,Si同位素组成也越重。随着风化程度的增加,次生矿物的比例增加,Si丢失量也增加,而Si同位素也随之变轻。在风化完全的土壤中,δ30Si值和τTh,si值表现出一种负相关的关系。除此之外,在Fe-Al氧化物/氢氧化物大量淀积的层次,也会同时出现Si的富集和δ30Si值的降低,这可能是由于土壤溶液中的Si在氧化物/氢氧化物表面的吸附作用导致的。以上研究结果展现了 Si同位素在研究岩浆活动、俯冲带流体活动以及风化过程中良好的应用前景。这也为今后在这些领域,特别是变质流体活动和风化过程中开展进一步的研究工作提供了有价值的信息。

论文目录

摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 硅的元素地球化学性质

1.1.1 硅的基本化学性质

1.1.2 硅在自然界中的分布

1.2 硅同位素地球化学

1.2.1 硅同位素组成的表示方式

1.2.2 硅同位素分析方法的演化历程

1.2.3 硅同位素的分馏机理

1.2.4 自然界中的硅同位素组成

1.2.5 硅同位素在地球化学中的应用举例

1.3 选题依据与研究意义

1.4 研究内容与博士期间工作量总结

1.4.1 研究内容

1.4.2 博士期间工作量小结

第二章高精度硅同位素分析方法的建立

2.1 引言

2.2 硅的化学分离纯化

2.2.1 实验器材与化学试剂

2.2.2 样品溶解

2.2.3 硅的分离纯化

2.3 硅同位素质谱分析

2.4 结果与讨论

2.4.1 基质的去除与回收率

2.4.2 岩石学标准样品的测量结果

2.4.3 建立Si同位素分析方法当中遇到的问题总结与解决方法

2.5 小结

第三章海拉尔双峰式火山岩中的硅同位素分馏

3.1 引言

3.2 地质背景与样品描述

3.3 分析方法

3.4 结果与讨论

3.4.1 排除其他非岩浆演化过程的影响

3.4.2 岩浆演化过程中的硅同位素分馏

3.5 小结

第四章俯冲带变质流体活动中的硅同位素演化

4.1 引言

4.2 地质背景和样品描述

4.2.1 港河榴辉岩-脉体系统（单一种类脉体）

4.2.2 花凉亭脉体（多期次脉体）

4.3 分析方法和结果

4.3.1 Si同位素分析

4.3.2 Si同位素平衡分馏理论计算

4.4 讨论

4.4.1 矿物间的Si同位素分馏

4.4.2 水岩相互作用中的Si同位素分馏

4.4.3 绿辉石-绿帘石脉体形成过程中的Si同位素分馏

4.4.4 花凉亭变质流体演化过程中的Si同位素分馏

4.4.5 Si同位素分馏在俯冲带变质流体活动中的应用

4.5 小结

第五章砖红壤中的硅同位素分馏

5.1 引言

5.2 地质背景及样品描述

5.2.1 研究区域地质背景

5.2.2 样品描述

5.3 样品处理流程及分析方法

5.3.1 主量元素含量分析

5.3.2 微量元素含量分析

5.3.3 其他分析

5.4 实验结果

5.4.1 砖红壤中的主微量元素含量分布及其他地球化学特征

5.4.2 砖红壤中的Si同位素组成

5.5 讨论

5.6 小结

第六章总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

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文章来源

类型: 博士论文

作者: 李原鸿

导师: 黄方

关键词: 同位素,岩浆演化,双峰式火山岩,俯冲带流体,变质岩脉,化学风化,砖红壤

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地质学

单位: 中国科学技术大学

分类号: P597

DOI: 10.27517/d.cnki.gzkju.2019.000442

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