硼、锂同位素地球化学

发布网友发布时间：2022-05-10 02:11

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热心网友时间：2023-07-29 16:49

20世纪80年代以来,分析技术的迅猛发展,解决了B和Li同位素分析上的困难,使其得到快速发展,现已观察到地球样品的¹¹B/¹⁰B 比值大约在9%的范围内。硼同位素已用于解释各种地球化学问题。其中最著名的是热液过程、成矿流体的性质与起源、蒸发岩与卤水的起源、古海洋的pH值、与消减有关的岩浆起源、地幔的地球化学演化。Li同位素还处于初期阶段。

硼的原子序数为 5,有¹⁰B和¹¹B 两个同位素,其丰度分别为 19.9%和 80.1%。锂的原子序数为3,有⁶Li和⁷Li两个同位素,它们的相对丰度分别为 7.42%和 92.58%。

尽管B和Li可作为矿物主要化学组分,但这些矿物的产出非常有限,在硅酸盐中这些元素一般替代其他元素。硼在海水中相对较丰富,其浓度为 4.5×10^-6。锂较少,其浓度为0.17×10^-6。在硅酸盐中,硼的浓度从新鲜玄武岩与橄榄岩中 0.0n×10^-6到黏土岩中的几十ppm。锂的浓度一般从几到几十 ppm。如表7-1 所示,¹¹B/¹⁰B 比值以与 NBS 951 标准的千分偏差表示 (δ¹¹B),⁶Li/⁷Li 以与 NBS Li₂CO₃(L-SVEC)标准的千分偏差表示 (δ⁶Li)。

自然界中,硼几乎总是与氧或氢氧根团或以三角形 (如 BO₃)或以四面体 (如B(

)配位结合在一起(唯一例外的是硼与氟的结合,如BF₃)。由于三角形与四面体形式的键长度与振动频率不同,这两种形式之间发生同位素分馏。在B (OH)₃与B(

之间大约有20‰的分馏,¹¹B优先进入到B(OH)₃的天然水溶液中,硼既以硼酸(B(OH)₃)又以硼酸盐离子(B(

)的形式出现。海水中,80%～90%的硼以B(OH)₃的形式存在。在淡水中,B (OH)₃更占优势;仅在高碱性溶液中,如咸水湖,B(

才占优势。地壳中最常见的硼矿物是电气石,其中硼是以BO₃形式存在。在黏土矿物中,硼看起来主要以B(

形式,最有可能替代四面体层中的二氧化硅。普通火成岩矿物中硼的配位不确定,可能取代四面体位置中的 Si。硼在火成岩中是不相容元素并极易呈流体活动。硼也易于吸附到黏土矿物表面。在溶解与吸附硼之间有-30‰～-20‰的同位素分馏 (即吸附B贫¹¹B),取决于pH与温度 (Palmer et al.,1987)。

图7-41 说明了硼同位素在各种地质体中的变化。Spivack et al.(1987)发现海水的δ¹¹B为+39.5‰,并且在分析误差 (±0.25‰)内是均一的。新鲜的洋中脊玄武岩一般其δ¹¹B大约为-4‰。洋岛玄武岩 (OIB)具稍轻的δ¹¹B (Chaussidon et al.,1994)。*地壳的平均硼同位素组成可能介于-13‰～-8‰之间 (Chaussidon et al.,1992)。也许硼同位素地球化学的最明显特征是海洋与硅酸盐地球之间具非常大的硼同位素分馏。有学者很早就认识到这种差异反映了硼吸附到黏土矿物上的过程中发生的分馏 (Schwarcz et al.,1969)。然而,这种分馏仅大约30‰或更少,而*地壳与海水间的差值接近 50‰。并且,海洋地壳与海水间热液交换的净效应是减小海水的δ¹¹B (Spivack et al.,1987)。这种差异反映海洋并不是一个简单的平衡系统,而是一个动力学控制的开放系统。由于在海洋中进行的所有过程看起来是优先移去¹⁰B,驱使海水成为极富¹¹B。另外,硼同位素的额外分馏可能发生于成岩过程中。Ishikawa et al.(1992)证明,古老灰岩与燧石比它们的现代物质、钙质和硅质软泥具更负的δ¹¹B,并提出在成岩过程中发生进一步分馏。

图7-41 地壳中有关物质的硼同位素组成

(据 White,2000)

一些地球物质的锂同位素变化研究结果如图7-42 所示。海水具-32.3‰的恒定δ⁶Li值 (Chan et al.,1988)。像硼一样,它代表着地球锂同位素组成谱的一个极端。同硼一样,与黏土矿物和其他自生矿物的反应优先去除轻同位素。Chan et al.(1992)估计黏土-溶液交换的分馏因子为-19‰,它一方面可能反映⁶Li 和⁷Li 与水结合能的差别,另一方面受黏土矿物结构中的阴离子 (O^2-与 OH^-)影响。

图7-42 地球物质的锂同位素组成

(据 White,2000)