塔里木盆地鹰山组白云岩成因与Mg同位素证据

中—下奥陶统鹰山组作为塔里木盆地中央隆起区潜在的重要勘探接替层系,其白云岩成因认识仍不清楚,因此制约了对该区域的进一步勘探。鹰山组由下至上依次发育白云岩、白云质灰岩和灰岩,表明发生了灰岩向白云岩的交代转化过程。交代白云岩的形成需要足够的含镁流体和长期的镁泵输送机制,而新兴的Mg同位素技术在示踪白云石化流体来源和迁移路径方面已经取得良好效果。因此,本研究通过系统采集鹰山组白云岩、白云质灰岩和灰岩,开展岩石学、微量元素、碳氧同位素和Mg同位素测试。实验结果显示,鹰山组发育6类岩石,分别是泥晶-微晶白云岩(D1)、粉晶-细晶白云岩(D2)、颗粒白云岩(D3)、中晶-粗晶白云岩(D4)、白云质灰岩(DL)和灰岩(L)。鹰山组碳酸盐岩的δ^(13)C_(V-PDB)值为-2.10‰~-0.37‰(平均值-1.37‰),δ^(18)O_(V-PDB)值为-7.51‰~-3.54‰(平均值-5.41‰),δ^(26)Mg值为-4.03‰~-1.28‰(平均值-2.55‰)。δ^(26)Mg、Na含量、Sr/Ba、Mn/Fe、δ^(13)C_(V-PDB)、δ^(18)O_(V-PDB)、古盐度(Z)和古温度(T)在垂向上显示出一定的联动性和系统性。通过综合分析与讨论得出以下几点认识:(1)鹰山组δ^(26)Mg值垂向变化趋势与沉积旋回具有密切联系,沉积旋回的顶部为富镁流体源区,旋回界面为流体迁移通道;(2)识别出4种Mg同位素变化趋势与白云石化流体迁移规律,即云灰互层结构(L→DL→D)、准同生白云岩结构(D1→D2)、渗透回流白云岩结构(D1→D2→D3→D4→L)和埋藏白云岩结构(D4→DL/D);(3)鹰山组白云岩形成主要与海平面周期性波动有关,海平面下降时,蒸发作用促使局限水体中富集Mg^(2+),并且富镁流体会沿着下伏高孔高渗的颗粒灰岩垂向迁移至下伏地层,有利于白云石化作用的持续进行,当富镁流体遇到孔隙度不发育的泥晶灰岩时,富镁流体无法进入矿物晶格中,白云石化作用停止。海平面上升时,局限水体转变为开阔水体,海水与富镁流体源区相互混合,降低了流体的白云石化驱动力,致使白云石化作用逐渐减弱,从而发育灰质白云岩和灰岩;(4)除受海平面控制外,深埋藏阶段经历的多期交代、重结晶或热液作用也有利于鹰山组白云岩的形成;(5)白云石化作用对鹰山组沉积储层具有建设性意义,早期白云石化作用有利于孔隙的继承和保存,而晚埋藏和热液白云石化对储层起破坏作用。

河流Mg同位素示踪流域化学风化研究进展

河流Mg同位素体系示踪大陆化学风化过程的潜力近年来受到重视。通过总结Mg同位素在流域地表过程中的地球化学行为,发现河流Mg主要来源于矿物化学风化、大气降水、地下水以及植物残骸。全球主要径流Mg同位素组成呈现较大的变异性,仅用流域Mg储库的保守混合难以完全解释,因为大陆化学风化过程中基岩的差异风化和Mg同位素分馏是河水Mg同位素组成的重要影响因素。影响河水Mg同位素组成的主要分馏过程包括原生矿物分解、次生矿物形成、可交换态的吸附-解吸以及植物吸收和残体释放等过程。目前对河流Mg同位素体系的一级控制过程仍了解不多。在全球尺度下,大型河流Mg同位素组成与碳酸盐矿物的化学风化强度成显著相关关系。此外,Mg-Sr、Mg-Li、Mg-Ca以及Mg-O等多同位素体系也为地表环境演变研究提供了有力的示踪工具。今后应加强对流域关键过程Mg同位素分馏因子、特殊化学风化类型、多同位素耦合联用以及Mg同位素定量示踪的探讨,推动河流Mg同位素在示踪流域化学风化研究中的应用。

碳酸盐岩Mg同位素分析方法及研究进展

Mg是中等挥发和流体活动性元素,也是生物所必需的元素,几乎参与了地球上所有的地球化学过程,包括物理、化学和生物循环。近20年来,随着多接收电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP-MS)高精度测定Mg同位素技术的快速发展,Mg同位素在碳酸盐岩研究中显示出非常广阔的应用前景,其中低Mg碳酸盐岩的研究对了解大陆地壳的化学演化具有非常重要的作用。然而,由于现有高Ca低Mg碳酸盐岩的分析方法并不能很好地将Ca完全去除,因此利用低Mg碳酸盐岩的Mg同位素特征进行地质研究仍然存在很大的局限性。通过对已有碳酸盐岩的Mg同位素分析方法进行归纳总结,认为可采取下列措施提高低Mg碳酸盐岩样品的Mg同位素分析精度,即上柱前完全溶解样品;化学分离过程中确保Mg与其他基质元素完全分离;淋洗基质过程中采用HF与HNO 3混合酸进行淋洗,同时提高Mg的进样量;采用新鲜的测试样品和标准溶液进行测试等。上述措施可为该分析方法的改进及其在碳酸盐岩类Mg同位素研究中的应用提供参考。

白云鄂博矿床成因的Mg同位素制约

白云鄂博Fe-REE-Nb矿床是世界著名的巨型多金属矿床,它的成因一直是个激烈争论的问题。近年来Mg同位素研究快速发展,在示踪幔源火成碳酸岩和沉积碳酸盐岩方面显示出一定的潜力,为白云鄂博矿床成因问题的究提供了新的途径。对白云鄂博矿床H8白云岩、碳酸岩墙白云岩,以及中元古代沉积白云岩,腮林忽洞微晶丘白云岩的Mg同位素进行了对比研究。研究结果表明:碳酸岩墙样品的δ26Mg-DSM3变化范围为-0.34‰～-0.14‰,平均值-0.24‰,落在地幔岩端元;中元古代沉积白云岩的δ26MgDSM3为-1.81‰～-1.53‰;H8白云岩的δ26MgDSM3变化范围为-1.13‰～-0.10‰,平均值-0.53‰,部分落在地幔岩范围,部分落在地幔岩和沉积白云岩之间;而腮林忽洞微晶丘白云岩的δ26MgDSM3最轻,为-1.99‰～-1.93‰。白云鄂博矿床赋矿白云岩的Mg同位素组成特征不支持正常白云岩沉积成因和微晶丘成因观点,更倾向于火成碳酸浆成因观点。

用于多接收器等离子质谱Mg同位素测定的分离方法研究

利用多接收器等离子体质谱仪(MC-ICP-MS)进行同位素组成的准确测定,必须首先对待测样品中元素进行分离纯化。目前,用于分离Mg的主要方法为阳离子树脂交换方法。然而,利用阳离子树脂不能有效除去Mg接收液中的Fe、Al,而溶液中Fe、Al会明显干扰样品中Mg同位素组成的测定。本研究结合离子交换法和共沉淀法,探讨了针对不同种类样品的Mg分离纯化方法,分离提取了实际样品中Mg并进行了同位素组成的测定。实验结果显示:①对于m(Fe)/m(Mg)≤0.1、m(Al)/m(Mg)≤0.2、m(Na)/m(Mg)≤1的样品,经过AG50 W-X12树脂一次交换分离,即可用于Mg同位素组成的测定;②对于m(Fe)/m(Mg)≤0.1、m(Al)/m(Mg)≤0.2、m(Na)/m(Mg)>1的样品,利用AG50 W-X12树脂二次交换分离,可以满足MC-ICP-MS对Mg同位素测定的要求;③对于含有m(Fe)/m(Mg)>0.1、m(Al)/m(Mg)>0.2、m(Na)/m(Mg)≤1的样品,可先利用稀释50倍的稀氨水沉淀除去样品中的Fe、Al后,再经过AG50 W-X12树脂一次交换分离,可以满足MC-ICP-MS对Mg同位素测定的要求;④对于含有m(Fe)/m(Mg)>0.1、m(Al)/m(Mg)>0.2、m(Na)/m(Mg)>1的样品,可先利用稀释50倍的稀氨水滴定沉淀除去样品中的Fe、Al后,再经过AG50 W-X12树脂二次交换分离,可以满足MC-ICP-MS对Mg同位素测定的要求;⑤运用所建立方法对海水和地幔样品进行了Mg的分离和同位素组成的测定,其中,青岛附近海水的同位素组成为:δ25MgDSM3=-0.43‰,δ26MgDSM3=-0.84‰;葫芦岛附近海水的同位素组成为:δ25MgDSM3=-0.44‰,δ26MgDSM3=-0.85‰。

多接收器等离子体质谱(MC-ICP-MS)测定Mg同位素方法研究

采用“样品-标准”交叉技术,以纯Mg试剂、水样和矿物岩石样品作为实验材料,尝试建立高精度多接收器等离子体质谱（MC-ICP-MS）测定Mg同位素方法。应用质谱仪上窄的进样狭缝,将来自Ar载气、空气和酸中的C2^＋、C2H^＋、C2H2^＋、CN^＋、NaH^＋等分子对Mg同位素的影响减至最小。当标准Mg浓度为3×10^-6时,保持样品与标准的浓度比在0.5-2之间,对Mg同位素比值测量没有影响。大量实验表明,不同基质的行为各异：Na、Fe和Al的基质效应使δ25Mg和δ26Mg偏负;Ca的基质效应使δ25Mg和δ26Mg偏正;Cr的基质效应使δ25Mg和δ26Mg波动。控制[元素]/[Mg]的浓度比在0.05范围内,可以忽略同质异位素的干扰和基质效应。通过对本实验室的两个工作标准CAGS1-Mg和CAGS2-Mg的长期测量,估计出Mg同位素测量的外精度（2SD）对于δ26Mg可达0.180‰,对于δ25Mg可达0.090‰。在25Mg/24Mg对26Mg/24Mg的同位素比值图上,所有样品的Mg同位素值都落在斜率约0.5的质量分馏线上,意味着建立的MC-ICP-MS测定Mg同位素方法既精确又无干扰。相对于DSM3国际标准,样品的Mg同位素组成大致变化范围是δ26Mg值为2.790‰,δ25Mg值为1.282‰。其中,CAGS1-Mg的δ26Mg值最大,为0.399‰,来自新疆喀纳斯湖水的δ26Mg值最小,为-2.091‰。

Mg同位素标准参考物质SRM980的同位素不均一性研究

SRM980是由美国标准物质与技术研究所研制的Mg同位素标准参考物质。运用MC-ICPMS Mg高精度测试方法．对该参考物质中的Mg同位素成分是否均一性进行了研究。在所测定的5片SRM980镁金属碎片的同位素成分存在明显的不均一性，其最大差异为：δ^25Mg为1．08，δ^26Mg为2．12，是该实验室Mg同位素测定外部精度的一个数量级以上。

Mg同位素应用研究进展

Mg是地球常量元素,几乎参与了地球上的所有地球化学过程;Mg也是陨石的重要元素,是构成陨石26Al-26Mg年代学的一部分。多接收器等离子体质谱(MC-ICP-MS)高精度测定Mg同位素技术的发展,使Mg同位素成为地球化学、宇宙化学和医学等方面研究的新工具。已取得的成果显示,Mg同位素在陨石难熔包体的形成年龄、古环境重建和人体的食物Mg吸收率等方面很有应用前途。

飞秒激光剥蚀-多接收等离子体质谱原位分析玄武岩玻璃样品Mg同位素组成

建立了飞秒激光剥蚀多接收等离子体质谱(fs LA-MC-ICP-MS)原位微区分析玄武岩玻璃中Mg同位素的方法。溶液进样-干气溶胶条件下浓度匹配实验表明,样品和标准样品中Mg浓度比在0.4~3.0时,可获得准确样品Mg同位素组成。激光剥蚀条件对Mg同位素的准确测定有明显的影响,激光剥蚀斑束和扫描速率变化,使得质谱仪的质量歧视效应随进样负载量不同而产生较大的变化,并影响样品Mg同位素组成;激光剥蚀频率与δ^(25)Mg正相关,与δ^(26)Mg负相关,当剥蚀频率大于4 Hz时,δ^(25)Mg和δ^(26)Mg趋于平稳;超快激光的能量密度对Mg同位素组成影响较小。利用本方法对国际标准样品的分析结果与参考值在误差范围内一致。本方法具有制样简单、快速的特点,且测试结果准确可靠,为火山玻璃中Mg同位素分析提供了有效的分析手段。

高REE-Nb-Fe-Mn样品Mg同位素测定的化学分离方法

利用多接收电感耦合等离子体质谱仪测定Mg同位素比值时,样品溶液中的基质元素可影响Mg同位素比值的准确测定。根据白云鄂博样品富含REE、Nb、Fe(REE质量分数可达10%、Nb质量分数可达0.1%)等元素的特性,本研究在评估测试溶液中Nd(REE)、Mn元素质量比对Mg同位素比值影响的基础上,建立了适用于富含REE、Nb、Fe等元素的特殊样品中Mg同位素的化学纯化方法。研究表明,当m(Nd)/m(Mg)>0.2、m(Mn)/m(Mg)>0.2时,REE和Mn的存在明显影响Mg同位素测定值的准确性,应予以去除。所建纯化方法首先是利用AG MP-1阴离子交换树脂,以10mol/L HCl+0.001%H2O2溶液为上样介质和淋洗液,接取前2.5mL淋洗液,去除样品中Fe、Mn等杂质元素;然后利用AG50W-X12阳离子交换树脂,以2mol/L HCl为上样介质和淋洗液,去除REE、Nb等杂质元素。所建方法满足多接收器等离子体质谱进行高REE-Nb-Fe-Mn样品中Mg同位素测定的要求。

深部碳循环的Mg同位素示踪:2015-2016的进展与问题

镁同位素示踪深部碳循环研究在过去一年取得了很大进展。这些进展包括蚀变洋壳、沉积物、深海橄榄岩和再循环榴辉岩的Mg同位素组成,具有EM-I和HIMU同位素特征的低δ^(26)Mg玄武岩成因,低δ^(26)Mg玄武岩熔融p-t条件的Mg-Sr同位素制约,Mg同位素揭示的大陆岩石圈地幔的碳酸盐交代作用,特提斯洋俯冲板块导致的深部碳循环,和富Na碳酸盐岩浆的Mg同位素分异。然而仍有许多重要科学问题尚不清楚,包括:(1)如何区分再循环沉积碳酸盐岩和再循环碳酸盐化榴辉岩对地幔Mg同位素的影响?(2)板块俯冲过程中Mg同位素地球化学行为和为什么岛弧玄武岩没有低δ^(26)Mg特征?(3)再循环碳在地幔的储存部位及存留时间?(4)普通碳酸盐岩浆的Mg同位素如何分异?(5)如何示踪那些不含Mg或含Mg很少的再循环碳酸盐,如方解石、文石、菱铁矿?这些问题指明了未来的重要研究领域。

高Cr地质样品的Mg同位素分析方法

使用多接收等离子体质谱仪测定Mg同位素比值时,Cr元素会干扰测定结果。高Cr地质样品如铬尖晶石和铬铁矿中的Cr/Mg值可高达5︰1。针对这些样品,本研究检测了Cr对Mg同位素测试的干扰程度,评估了实验室流程中Cr和Mg的分离效果,探讨了Cr在淋洗过程中的行为。实验采用1mol/L HNO_3及2.3mL AG50W-X8型阳离子树脂,仅通过一次分离纯化便能将Mg与Cr等其他基质元素有效分离,且Mg的回收率可达99.8%,测试结果可靠。此外,Cr在分离过程中分为两阶段被洗脱,这与其在样品中不同的赋存价态有关。

Mg同位素示踪中国东部中生代深部碳循环

地球深部碳循环对全球气候变化、生命探索和岩石圈演化的研究具有重要意义。中国东部岩石圈是地球深部碳循环的重要场所,其减薄和破坏与深部碳循环密切相关。中生代太平洋板块俯冲是制约中国东部岩石圈减薄和破坏的关键,对华北克拉通和华南板块的大规模金属成矿作用具有重要作用。笔者等系统阐述了Mg示踪地球深部碳循环原理,例举了镁同位素示踪中国东部深部碳循环的实例,论述了中生代俯冲的古太平洋板块所释放的碳酸盐熔体/流体与地幔相互作用,是造成中国东部地幔具有普遍的轻Mg同位素组成的重要原因。此外,指出轻镁同位素的多解性,提出多同位素联合示踪是未来研究地球深部碳循环的趋势。

非传统同位素在石笋研究中的应用——以Mg同位素为例

通过介绍非传统同位素在石笋研究中的应用,以Mg同位素为例,来探讨非传统同位素在石笋中的应用前景,以便开展对石笋非传统Mg同位素的研究。石笋具有分布广、定年精确、指标丰富、连续性好等优点,在全球气候变化中有着不可替代的作用。Mg同位素分析技术目前日趋完善,并且有着显著分馏的特征,有利于对比分析研究。将Mg同位素应用于石笋的研究已经在国外开展,并取得良好成果,但在我国还处于探索阶段。因此,对于我国季风区石笋Mg同位素的研究,不仅能够补充非传统同位素在石笋方面运用的研究,还为大尺度空间上的气候影响模式提供更全面、更深入的理解,并为未来气候模式提供较好的相似形。特别是对深入理解石笋δ26Mg的水文气候学意义、变化及其背后的动力学机制至关重要。

Mg同位素体系在壳--幔演化中的应用与展望

Mg同位素作为新兴地质示踪剂在非传统稳定同位素领域逐渐受到地学界的关注。根据自然界Mg同位素的组成特征,其地球化学的研究主要集中展示地质历史时期星云形成过程、海水的Mg同位素组成演变、回溯岩浆来源、估算大陆风化通量、记录亏损地幔、地幔交代作用和壳内物质循环等方面。在简要介绍Mg同位素体系的基础上,重点介绍近年来国际上有关Mg同位素体系在地幔地球化学、壳—幔物质交换等过研究中取得的重要成果,展示Mg同位素体系在地幔地球化学和壳—幔相互作用研究中的重要性及其可能的应用前景。

Mg同位素地球化学发展与应用

镁元素参与了地球上的绝大部分的地球化学过程,是地球中丰度值仅次于氧和铁的主要造岩元素。镁有3个稳定同位素:24Mg、25Mg和26Mg。随着同位素高精度测试分析技术的不断发展和成熟,显著提高了Mg同位素的测试精度,加速了Mg同位素的广泛应用。本文在简要介绍Mg同位素概念及其在地球上分布的基础上,对近年来Mg同位素地球化学在国内外有关研究中取得的重要突破和成果进行了归纳和总结,详述了现有的高精度Mg同位素测试的分析方法,对Mg同位素在地质学领域广阔的应用前景进行了展望。

塔里木盆地震旦纪-寒武纪之交白云岩成因机理及Mg同位素差异

白云岩成因是沉积学中的一个百年谜团.若要揭示白云岩成因机理,需要说明两个核心问题:一是白云岩石化过程中富Mg^(2+)流体来源与迁移机制问题;二是低温白云石沉淀过程中克服Mg^(2+)水合所造成的能量障碍动力学问题.为进一步约束“白云岩问题”,本研究在开展详细岩石学和沉积学研究基础上,运用主微量元素、C–O–Mg同位素等地球化学手段,对塔里木盆地上震旦统奇格布拉克组与下寒武统肖尔布拉克组白云岩,厘定了富Mg^(2+)流体来源和迁移规律,以及低温白云石沉淀所需要克服的动力学阻碍机制.研究发现:(1)肖尔布拉克组白云岩在白云石化过程所需的富Mg^(2+)流体主要来源于早寒武世海源流体.在沉积旋回的界面处,其δ^(26)Mg值会发生较大幅度的波动,说明层序界面是云化流体的迁移的起点与通道.海平面升降对肖尔布拉克组白云石化过程起主要的控制作用.(2)奇格布拉克组白云岩为低温白云岩,富Mg^(2+)流体是由海水、微生物和沉积有机质共同供给的.综合分析认为,奇格布拉克组白云岩为微生物诱导成因,是由厌氧甲烷菌诱导生成的白云岩.(3)白云石化流体性质、来源以及白云岩形成过程等因素是造成震旦纪-寒武纪之交白云岩Mg同位素组成出现差异的原因.本研究揭示了塔里木盆地震旦纪-寒武纪白云岩的成因机理,并建立了运用C–O–Mg同位素组合破译微生物白云岩成因的新手段,为白云岩形成演化过程重建提供了参考依据.

镁同位素示踪白云石化流体迁移路径——以四川盆地石炭系黄龙组为例

镁(Mg)是组成白云石的核心元素,直接参与了白云石化过程,因此白云岩Mg同位素能够用于示踪白云岩成因和白云石化流体迁移路径。四川盆地东部上石炭统黄龙组白云岩发育,也是重要储集层。通过对黄龙组连续取芯的七里53井开展详细的沉积学研究,系统选取样品开展元素地球化学和Mg同位素分析,发现Mg同位素波动变化与沉积旋回存在密切关联,旋回边界为白云石化流体迁移界面,即白云石化流体迁移通道;依据Mg同位素值垂向演化规律,识别出黄龙组白云岩5个流体交换界面通道,逐层白云石化。因此,厚层白云岩是由若干个薄层灰岩层逐层白云石化叠加而成。这一发现为预测白云岩成因及储层分布提供了重要理论依据。

冲绳海槽热液绿泥石沉积物的Mg同位素组成及对海洋Mg循环的指示意义

富镁(Mg)次生黏土矿物是海底热液过程中水-岩反应的重要产物,广泛存在于全球的海底热液系统中,从而在海洋Mg循环中发挥着重要作用.然而,目前对Mg在该类型矿物中的富集程度和Mg的同位素分馏,特别是对产生在弧和弧后盆地中-高温(100~300℃)热液系统的次生黏土矿物尚缺乏足够的认识.本研究以国际大洋钻探计划(IODP)331航次在冲绳海槽中部Iheya North Knoll热液区获得的富热液绿泥石沉积物、火山浮岩和陆源碎屑沉积物为研究对象,分析了其中的Mg含量和Mg同位素组成,并结合前期矿物学、主微量元素组成和Nd同位素组成的相关研究,系统探讨了绿泥石中Mg的来源和中-高温热液蚀变过程中Mg的同位素地球化学行为.研究表明,矿物学组成的差异决定了Mg同位素组成的变化,硅酸盐矿物的Mg同位素比值要高于碳酸盐和氧化物/氢氧化物的比值.Mg同位素在中-高温热液蚀变过程中发生显著分馏,其分馏程度(Δ^(26)Mg)在0.15~0.71‰,并与温度存在负相关关系.这进一步表明,较重的Mg同位素更容易被次生的绿泥石矿物所吸收.结合弧和弧后盆地在全球海洋中的分布范围,推断该构造类型中的热液系统是海洋Mg的重要汇,约占全球河流输入Mg通量的8~14%.虽然热液系统中绝大数的Mg被次生黏土矿物吸收,但仍然有少量的Mg残留在孔隙水和喷出的热液流体中.因为Mg同位素的分馏作用,较轻的Mg同位素留在了流体中,但该部分的通量尚需要更多的案例研究来澄清.

Fe-Mg同位素在蛇绿岩中铬铁矿床成因研究中的应用潜力

蛇绿岩中铬铁矿床成因一直存在较大争议,其主要原因可归结为:寄主蛇绿岩存在成因争议、产出状态不清、矿石及围岩矿物组合单一以及主要矿物成分简单但矿物包裹体复杂多样.针对这些研究瓶颈,率先对西藏普兰和罗布莎、土耳其Kizildag和Kop蛇绿岩中的地幔橄榄岩和铬铁岩进行了全岩和单矿物Fe-Mg同位素的探索性研究工作.结果表明:(1)蛇绿岩中的地幔橄榄岩具有较均一的Fe-Mg同位素组成,与世界上其他地区的地幔橄榄岩相似;(2)铬铁岩中铬铁矿和橄榄石之间存在明显的Fe-Mg同位素分馏,铬铁矿多具有比共存橄榄石轻的Fe同位素组成,与地幔橄榄岩中的尖晶石和橄榄石相反,Mg同位素变化较大;(3)铬铁矿和橄榄石的Fe-Mg同位素主要受控于结晶分异和Fe-Mg交换,且这两个过程造成的同位素变化趋势明显不同.因此,Fe-Mg同位素在揭示铬铁矿母岩浆来源、性质及成矿过程方面具有较大的应用潜力.