玄武岩强烈化学风化过程中的元素和同位素体系:变化特征及其控制机制

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论文通过对海南岛北部文昌和澄迈两个新生代玄武岩风化剖面的元素、同位素、矿物组成以及有机物质含量的综合分析,结合酸浸取风化产物中元素的分布特征,以及通过不活动性元素Th标准化后相对于新鲜母岩计算所得的百分比变化量,来探讨元素在强烈风化过程中的迁移和再分布特征和机制,获得以下一些主要认识:1)易活动元素碱金属-碱土金属等在强烈风化作用后几乎全部从剖面中迁移出去,而在剖面上层碱金属元素含量有所增加,可能是外源物质的加入,并按照离子半径大小的顺序选择性结合、吸附于有机质或高岭石等次生矿物中;2)活动性元素Al、Mn、Cr、Co、U和REE等在剖面上部均有不同程度的丢失,而在剖面中部明显富集。与有机质的结合可明显提高上述元素的迁移能力,剖面中氧化还原条件的变化控制着有机质含量,从而影响上述元素的迁移和再分布。其中在还原性条件下低价Mn和Ce易活动,而在氧化条件下其形成高价难溶性的Mn的氧化物/水合物和Ce的氧化物,从而在剖面中大量富集。Cr的行为则相反,在氧化条件下迁移较明显,而在还原条件下大量沉积。文昌剖面上层高有机质含量使得REE明显被迁出,而在剖面中部随着有机质被氧化分解,REE大量被释放并沉积在剖面中形成明显的REE富集层,同时显示明显的Ce*正异常和明显的Gd*正异常。Ce*正异常是由于Ce(Ⅲ)被氧化为难溶解的CeO2所致,而Gd*正异常则直接和有机质含量变化有关。Gd与有机质特别是腐植酸的结合能力较其它REE更弱,氧化条件下有机质的分解优先释放携带REE中的Gd,从而导致低机质含量层出现Gd正异常,并伴随氧化层中的Ce富集;低含量的REE(-Ce)与P和Fe以及高含量的REE(-Ce)与Mn的正相关关系说明P、Fe和Mn的次生矿物相是REE的主要赋存矿物。3)Fe、Ti、Nb、Ta、Zr和Hf等通常认为不活动性的元素在强烈风化过程中也有不同程度的丢失,其元素的活动性与有机质的参与也有密切关系。   用2N HCl对风化产物的浸取实验发现,绝大部分REE(>50%)都容易被稀盐酸浸出。剖面上层浸出的REE(不包括Ce)和剖面下层浸出含量较高的REE(>250μg/g)与Al2O3显示良好的正相关性,与Mn显示弱的正相关关系,说明了粘土矿物、Mn氧化物对高REE含量的附存起到了主要控制作用;剖面下层中浸出含量较低的REE(<150μg/g)与P显示很好的正相关关系,也与Mn呈现弱的正相关性,说明了P和Mn的矿物相对REE的赋存也有着密切的关系。Mn与Ce显示的正相关性也证明了氧化条件下Ce和Mn的依附关系。   风化产物的Sr-Nd-Hf同位素研究表明,距离南海更近的文昌剖面的Sr同位素可能主要受到海水来源的降雨的控制,而雨水对Nd-Hf同位素的影响甚少;距离南海稍远,位于县城附近的澄迈剖面的Sr-Nd同位素组成可能受到雨水溶解更多外来高Sr低Nd同位素组成的物质或者干尘降的影响。文昌剖面中Nd-Hf同位素的变化可能是长期风化过程中同位素体系分馏作用的结果,即低质量数的143Nd和176Hf可能比高质量数的144 Nd和177Hf有更高的活动性而被优先迁移出去,导致风化产物中具有较母岩低的143Nd/144Nd和176Hf/177Hf比值。风化产物中Nd-Hf同位素相对母岩的偏移值△εNd和△εHf和Nd和Hf元素的百分迁移量有很好的正相关关系,再次证实我们上述的同位素分馏机制的假说。同时,剖面上部相对母岩净丢失Nd-Hf的风化产物其Nd-Hf同位素的相关线与“全球大陆Nd-Hf同位素演化线”一致,而剖面下部相对母岩富集Nd-Hf的风化产物其Nd-Hf同位素的相关线接近“海水Nd-Hf同位素演化线”,再次表明风化迁移出去的Nd-Hf具有较母岩高的143Nd/144Nd和176Hf/177 Hf比值,而残余风化产物中143Nd/144Nd和173Hf/177Hf比值较母岩低。这样的结果支持海水Nd-Hf同位素的演化主要受控于陆源岩石风化产物输入的假设。另外,风化产物中Sr-Nd-Hf同位素的变化也说明风化过程中明显的Sr同位素的变化影响其作为沉积物示踪源区指标的可靠性,而变化相对小的Nd-Hf同位素可做为理想的沉积物示踪源区的手段。
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