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橄榄岩、科马提岩和砖红壤的钒同位素地球化学

2020-12-02阅读(415)

橄榄岩、科马提岩和砖红壤的钒同位素地球化学

论文摘要

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δ51V值分别为:PCC-1,-0.99±0.07‰（2SD,n=12）;BIR-1,-0.90±0.099‰（2SD,n=3）;BCR-2,-0.75±0.05‰（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δ51V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δ51V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δ51 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δ51V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δ51V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δ51V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δ56Fe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τTh,V为-57%到-11%,τTh,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,我们推测玄武岩发生强氧化风化的过程中,Fe在原位被完全氧化为正三价的Fe后,以胶体的形式向下迁移。风化产生的正三价和正四价的V进入了Fe氧化物和黏土矿物的晶格中,或原位被氧化为正五价的V吸附在Fe氧化物和黏土矿物表面,随着胶体发生迁移。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  •   1.1 钒元素地球化学
  •     1.1.1 钒元素的基本性质
  •     1.1.2 钒元素的高温地球化学
  •     1.1.3 钒元素的表生地球化学
  •   1.2 钒同位素地球化学
  •     1.2.1 钒同位素及其表达方式
  •     1.2.2 钒同位素分析方法研究现状
  •     1.2.3 钒同位素地球化学研究现状
  •   1.3 选题依据及其意义
  •   1.4 研究内容及论文工作量小结
  •     1.4.1 研究内容
  •     1.4.2 论文工作量小结
  • 第二章 高镁岩石样品的钒同位素分析流程的建立
  •   2.1 引言
  •   2.2 高镁岩石样品的钒的化学纯化
  •     2.2.1 实验器材和化学试剂
  •     2.2.2 岩石样品的溶解
  •     2.2.3 化学纯化流程
  •   2.3 质谱测试
  •   2.4 测试结果的准确度和精确度
  •   2.5 小结
  • 第三章 地幔的钒同位素组成研究
  •   3.1 引言
  •   3.2 样品描述
  •     3.2.1 地幔橄榄岩
  •     3.2.2 科马提岩
  •     3.2.3 苦橄岩
  •   3.3 分析方法
  •   3.4 结果
  •   3.5 讨论
  •     3.5.1 蚀变、变质、交代和陆壳混染作用的影响
  • 51V的影响'>      3.5.1.1 蚀变和交代作用对橄榄岩δ51V的影响
  • 51V的影响'>      3.5.1.2 蚀变和变质作用对科马提岩和苦橄岩δ51V的影响
  • 51V的影响'>      3.5.1.3 陆壳混染作用对科马提岩δ51V的影响
  • 51V的影响'>    3.5.2 岩浆分异过程对科马提岩和苦橄岩δ51V的影响
  •     3.5.3 地幔部分熔融过程中钒同位素分馏
  •       3.5.3.1 地幔低比例部分熔融过程中钒同位素分馏
  •       3.5.3.2 地幔高比例部分熔融过程中钒同位素分馏
  •     3.5.4 与前人的橄榄岩的钒同位素数据对比
  •     3.5.5 硅酸盐全地球的钒同位素组成
  •     3.5.6 与天体样品的钒同位素组成对比
  •   3.6 小结
  • 第四章 玄武岩强风化过程中的钒同位素行为
  •   4.1 引言
  •   4.2 地质背景和样品描述
  •     4.2.1 土壤类型和发育过程
  •     4.2.2 剖面描述和样品采集
  •   4.3 分析方法
  •     4.3.1 钒同位素分析方法
  •     4.3.2 铁同位素分析方法
  •   4.4 分析结果
  •   4.5 讨论
  •     4.5.1 玄武岩强风化过程中钒和铁的迁移
  •     4.5.2 铁同位素制约玄武岩强风化过程中铁元素行为
  •     4.5.3 玄武岩强风化过程中钒元素和钒同位素行为
  •   4.6 小结
  • 第五章 结论与展望
  •   5.1 结论
  •   5.2 展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 在读期间发表学术论文目录

    • 文章来源

    类型: 博士论文

    作者: 戚玉菡

    导师: 黄方

    关键词: 钒同位素,地幔橄榄岩,科马提岩,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

    总页数: 117

    文件大小: 8143K

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