白云岩风化过程中Mg同位素的分馏:对白云岩、地表水和地下水Mg同位素组成的影响

摘要

目前,白云岩的Mg同位素有望成为一种有力的手段来示踪白云岩化和古环境及古气候.但是,白云岩在后期成岩及风化过程中极易发生改变,有可能伴随着Mg同位素的变化.Geske和Fantle等对白云岩成岩过程中Mg同位素的分馏做了研究,对于其在后期风化过程中Mg同位素的分馏至今还未有研究.据此，本文系统研究了一白云岩的风化剖面的Mg同位素和Sr同位素，希望通过研究了解白云岩风化过程中Mg同位素的分馏机制，以及量化风化作用对于白云岩Mg同位素的影响程度。根据δ26Mg和87Sr/86Sr的特征，白云岩风化剖面可分为三个风化区域，即弱风化带、中风化带和强风化带。在弱风化带，87Sr/86Sr几乎保持不变，Mg/Al值从5.78降低至1.03，δ26Mg从-1.90‰降低至2.22‰，而在此过程中Ca/Al值几乎保持不变。笔者认为，在弱风化阶段，与白云岩发生反应的流体是一种对方解石超饱和而对白云石不饱和的流体，所以在这个过程中白云石发生溶解逐渐减少而方解石发生沉淀逐渐增多，从而导致白云岩Mg同位素的变化。在中风化带，由于碳酸盐矿物的剧烈溶解导致硅酸岩碎屑中的Mg也成为了白云岩的主要来源，碳酸盐的矿物减少导致826Mg增大至-1.41‰。在强风化带，87Sr/86Sr值迅速增大，δ26Mg也增大至-0.41‰；表明大多数碳酸盐矿物已经被溶解，残留在风化土中的物质以黏土矿物为主。一方面黏土矿物本身δ26Mg比较重，另一方面在黏土形成的过程中也伴随着Mg同位素的分馏（重Mg易进入黏土），两方面共同的作用导致δ26Mg变重。我们模拟了与白云岩反应的流体是一种对方解石饱和而对白云石不饱和的流体的情况，发现影响程度由方解石与白云石的分馏系数、方解石的种类以及新鲜白云岩的Mg/Ca值共同决定。其中新鲜白云岩Mg/Ca值尤为重要，在低Mg/Ca的白云岩中，Mg同位素极易发生改变；这也就意味灰岩的Mg同位素极容易受后期风化作用影响。这也为人们用灰岩Mg同位素来示踪古环境带来了难题。此外还发现，如果地表水或者地下水与白云岩充分接触并相互作用，可以导致水的Mg同位素几乎与白云石的Mg同位素一致，这可能为人们了解河水及海水Mg同位素的组成提供新的指导意义。