大陆上地壳卤素元素丰度及其分析方法研究

Knowledge of the chemical composition of the upper crust is important for understanding formation and evolution of the continental crust. The estimated upper continental crust (UCC) abundance of chlorine vary by more than 600% between studies. There is only one estimate available for another halogen elements Br and I. One of the important reasons is that the accurate determination of halogen elements is very difficult. In this project, we will develop new analytical methods for the determination of halogen elements in geological samples based on the use of NH4F and NH4HF2 digestion solvents. Another important reason is that halogen elements belong to soluble elements, which make them cannot be estimated by using conventional sediments method. Our recent studies show that loess is the ideal sample for the estimates of UCC abundance of soluble elements, owing to its low chemical index of alteration (CIA = 53-69) compared to shales (CIA = 66-100). In this study, we will provide new estimates of abundances of halogen elements in the upper continental crust based on precise analysis of china and world classic loess samples. It is also quite for sure that the developed halogen elements analytical methods will definitely expand our work area, provide solutions for many geological problems, and support obtaining the fruitful geological results.

大陆上地壳中卤素元素准确的丰度值是地壳化学成分研究中一个需要重点解决的问题和突破点。现不同作者给出的卤素Cl丰度值相差可达6倍。Br和I只有一个作者曾经给出过丰度值。其中一个重要原因是因为卤素元素分析困难。另一个重要原因是因为卤素属易溶元素，所以常规细粒碎屑沉积岩方法无法较好的应用。本项目将利用氟化氢铵/氟化铵消解试剂，开发Cl、Br和I元素同时高质量分析新方法。新的研究表明，对于易溶和较易溶元素，采用低化学蚀变因子（CIA）的细粒碎屑沉积岩样品可以获得更准确的大陆上地壳元素的丰度。相对于页岩（CIA= 66-100），黄土遭受化学分化的影响明显更小（CIA = 53-69）。本项目提出了利用黄土来估计大陆上地壳中卤素元素丰度的新方法。通过充分利用中国拥有的丰富的黄土样品资源和广泛对比国际上典型的黄土样品，本项目将在国际上提供卤素元素可靠的上地壳丰度数据。

大陆地壳是地球中不相容元素的主要储库，大陆地壳化学成分是认识大陆地壳、地幔乃至整个地球形成和演化的基础，是制约化学地球动力学模型的基本边界条件。尽管对大陆地壳的主量元素和许多微量元素丰度人们已经较好了解，但是卤素（F，Cl，Br和I）在地壳中丰度还不清楚。缺乏高精度的卤素分析方法和缺乏代表性样品是限制卤素丰度准确刻画的主要原因。本研究通过氟化氢铵（NH4HF2）/氟化铵（NH4F）消解法，优化消解条件（消解温度、消解时间、消解试剂用量），建立了高效地质样品全岩卤素（Cl-Br-I）分析方法；以常见的细粒碎屑沉积物冰碛岩和黄土作为研究对象，通过新方法准确分析了冰碛岩和黄土中卤素含量和微量元素含量。大陆上地壳结晶基底的卤素丰度为：394 ± 67 ppm F, 83 ± 24 ppm Cl, 0.41 ± 0.04 ppm Br, 和 0.03 ± 0.01 ppm I；相对其他不相容元素，卤素在大陆结晶上地壳中总体亏损，可能主要与岩浆脱气和大陆风化有关。大陆表面（结晶基底+沉积盖层）卤素的平均组成（134 ± 17 ppm Cl, 1.40 ± 0.15 ppm Br和1.22 ± 0.12 ppm）明显高于大陆结晶基底的含量，反映卤素可以在大陆强烈富集，尤其I，可能与陆表的生物活动有关。另外，Cl, Br和I在大陆风化和生物富集过程中的元素比值（如Cl/Br，I/Cl和Br/I）存在明显分馏，类似的卤素信号也发现于大陆岩石地幔中，可能指示陆表沉积物中的卤素可以被俯冲循环至地球深部。