白雲石與水溶液之間鎂同位素分餾係數的實驗標定

《白雲石與水溶液之間鎂同位素分餾係數的實驗標定》是依託南京大學，由李偉強擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：白雲石與水溶液之間鎂同位素分餾係數的實驗標定
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：李偉強
• 依託單位：南京大學

項目摘要

白雲岩是一種重要的富鎂(Mg)碳酸鹽。白雲岩是主要的油氣儲層和許多熱液型礦床的宿主岩；地質歷史上大規模的白雲岩化事件被被認為是地質歷史上海水Mg/Ca比值變化的控制因素。Mg同位素作為一個新興的同位素地球化學示蹤工具，在與白雲岩有關的沉積學、礦床學和全球元素循環研究上有巨大套用前景。當前，白雲石與水溶液之間的Mg同位素分餾係數尚存巨大爭議，制約了Mg同位素在白雲岩研究中的套用。國內外尚無白雲石沉澱過程中Mg同位素分餾係數的實驗報導。本項目擬採用在熱液條件下的礦物合成和同位素交換兩種手段，獲取白雲石與水溶液之間的Mg同位素平衡分餾係數，並探討Mg同位素分餾係數與體系物理化學條件、反應路徑之間的關係，為深入認識白雲岩化，以及Mg同位素在白雲岩有關的生油生烴、熱液成礦、Mg元素循環研究上的套用提供基礎數據和理論依據。

結題摘要

為了實驗標定白雲石與水溶液之間的Mg同位素分餾係數，我們在220ºC, 160ºC和 130ºC的溫度下進行了系統的熱液實驗。熱液實驗包括直接合成實驗，以及重結晶實驗。白雲石的直接合成實驗使用了多種起始反應物，包括方解石，文石和三水菱鎂礦。不同的起始反應物最終都成功合成了白雲石，但是這些白雲石具有完全不一致的形貌特徵，暗示白雲石的合成反應路徑不一樣。總體而言，新合成的白雲石均具有細粒、有序度底的特徵，隨著反應的進行，這些細粒無序的白雲石重結晶變成粗粒和高有虛度的白雲石。這個過程中的同位素交換可以用87Sr/86Sr和25Mg稀釋劑兩種示蹤劑來示蹤，二者均顯示在直接合成和重結晶實驗過程中，白雲石與水溶液之間達到了接近完全的Mg同位素交換。不同條件下的白雲石合成實驗所獲得的Mg同位素分餾係數最後都趨向一致，顯示熱液實驗已經達到了Mg同位素平衡。而結合合成實驗和重結晶實驗的結果，我們最後獲得了一個Mg同位素在結晶白雲石和水溶液之間的溫度相關分餾方程：Δ26Mgdolo-aq =-0.1554(±0.0096)×106/T2。通過此分餾方程計算的低溫白雲石Mg同位素分餾係數與在自然環境下觀察到的Mg同位素分餾係數一致。同時，在受到埋深變質過程影響的白雲岩化地層中觀察到的白雲石與方解石之間的Mg同位素分餾係數也符合實驗方程。這顯示本實驗獲得的Mg同位素分餾方程代表了平衡分餾，具有廣泛的適用性。 另一方面，研究了鋇白雲石結晶過程的Mg同位素分餾，並確定了鋇白雲石的形成是一個三階段的過程，第一階段是先形成無定形的前置物，第二階段由無定形物轉化為結晶態的鋇白雲石，其轉化路徑不唯一，受到起始溶液的化學成分的影響，第三階段為鋇白雲石的重結晶階段。其中無定形物轉化為鋇白雲石的過程主要受溶解再沉澱機制控制，在此過程中固液兩相的鎂同位素在水溶液與礦物間經歷充分的交換。在鋇白雲石形成的三階段中，鎂同位素的分餾行為是各不相同的，但及時經過了長時間的重結晶，依然不能證明鋇白雲石與水溶液之間達到了Mg同位素平衡分餾。