不同岩性风化剖面中铬同位素变化的比较研究

Chromium (Cr) isotopes have been recently developed as a new redox proxy to trace the evolution of oxygen in the ocean-atmosphere system in Earth's early history. This application requires clear understanding of how oxidative weathering affects the Cr isotopic composition of rocks of different lithology, which is still poorly understood. The weathering profiles of basalt, granite, carbonate rocks and black shales, exposed in Wenchang of Hainan, Longnan of Jiangxi, Guiyang of Guizhou and Enshi of Hubei, respectively, are selected to investigate the systematic patterns of Cr isotope fractionation during weathering of those rocks. Sequentially chemical extraction/leaching coupled with XAFS techniques will be used to shed light on the Cr association and speciation in samples from different weathering profiles. Chromium isotopic composition of bulk samples and different leached fractions will be determined with a high precision Cr isotope double spike (50Cr+54Cr) technique on a high resolution MC-ICP-MS. Patterns in the variations of Cr isotopic composition in samples from different weathering profiles will be compared, with the aim of revealing the controlling factors causing different Cr isotopic fractionations during weathering of different rocks. These results will provide critical information regarding the impact of oxidative weathering on the isotopic composition of weathered rocks of different lithology. Moreover, this work likely further enrich our knowledge on the geochemical behaviors of Cr release, mobility and precipitation during weathering processes of different rocks on the earth surface, and extend the applications of Cr isotope in earth and environmental sciences.

铬同位素已经发展成为指示地球早期历史海洋-大气系统中氧逸度演化的新兴氧化还原指标,这种应用必须厘定不同岩石的氧化风化如何影响铬同位素组成的变化。本项目分别以海南文昌、江西龙南、贵州贵阳和湖北恩施出露的玄武岩、花岗岩、碳酸盐岩和黑色岩系风化剖面为研究对象，利用高分辨MC-ICP-MS 和高精度铬同位素双稀释剂分析技术，进行不同岩性风化剖面中铬同位素变化的比较研究，探讨风化过程中铬同位素变化的系统趋势性。利用XAFS和针对不同岩性风化剖面的连续化学提取技术，研究不同风化剖面中铬结合态、形态和铬同位素组成的分布差异，查明风化过程中导致铬同位素发生分馏的控制因素及其地球化学行为差异，验证风化过程中重铬同位素是否存在倾向流失的普遍性。该研究结果将对不同岩性风化过程铬同位素组成的影响提供重要信息，并深化岩石风化过程中铬释放、迁移与固定的地球化学行为认识，拓展铬同位素在地球和环境科学中的应用。

铬是一种氧化还原敏感元素，其同位素体系的框架已基本构建，认为还原过程产生的同位素分馏远大于氧化、吸附等过程。由此，铬同位素被广泛用于示踪古海洋氧化还原条件的变化和大气氧逸度的演化等。然而，各种地质储库和地质过程中Cr同位素组成及其分馏系数的研究仍然匮乏。海洋中Cr主要来自大陆岩石的风化，开展不同类型岩石风化过程中Cr同位素分馏的趋势性变化及其制约因素的研究，对于认识风化作用如何影响地质档案中铬同位素组成和理解古海洋氧化还原条件变化等有重要的理论和现实意义。本项目在建立更具通用性的铬同位素双稀释剂高精度分析方法(≤0.06‰,2SD)的基础上，分析了国内外地质标样的Cr同位素组成，率先公布了国内56个标样的δ53Cr值。在系统分析冰碛岩、水系沉积物、黄土和花岗岩等样品基础上，估算了大陆上地壳Cr同位素的平均组成(-0.14±0.09‰, n=54)。开展了玄武岩、黑色页岩、花岗岩和碳酸盐岩风化剖面中Cr同位素变化的比较研究，得出了除花岗岩之外的，其他岩石风化过程中均会出现Cr同位素的相同趋势性变化，即重Cr同位素倾向流失，风化产物富集轻Cr同位素。但就不同岩性的风化剖面而言，玄武岩风化成土过程产生的分馏相对较大，母岩与极度风化产物间平均相差约0.4‰，剖面内最大可到1.1‰。页岩与碳酸盐岩风化剖面的Cr同位素变化相对较小，相差不超过0.35‰；而花岗岩风化剖面则相反，出现微弱重Cr同位素(<0.13‰)倾向富集在风化产物中。表明不同岩石类型的风化过程中Cr同位素行为既有共同点也存在差异。进一步的研究表明，玄武岩与页岩风化剖面中氧化还原和铁氧化物等吸附作用共同制约着Cr同位素的变化。碳酸盐岩和花岗岩风化剖面的Cr同位素变化很可能与其矿物相的差异性风化有关。这为揭示地表环境Cr的生物地球化学过程及其在古环境和现代环境中的示踪应用提供了新的认识和佐证，丰富了Cr的同位素地球化学理论。