白云石与水溶液之间镁同位素分馏系数的实验标定

Dolomite is a type of important Mg-bearing carbonate. Dolomite is a major host rock for oil and gas reservoirs, and several types of hydrothermal deposits such as the Mississippi Valley-type deposits and some skarn deposits. Massive dolomitization has been considered as an important contributor to secular changes in seawater Mg/Ca ratios. As an emerging isotopic tool, Mg isotopes hold great potential for dolomite-related studies in sedimentology, as well as mineral deposits and global elemental cycling. Currently, applications of Mg isotopes in dolomite studies are hampered by a lack of consensus in the equilibrium Mg isotope fractionation factors between dolomite and aqueous solutions. No experimental data has been reported to resolve this issue. This proposed project aims at obtaining the equilibrium Mg isotope fractionation factors between dolomite and aqueous solutions, by hydrothermal synthesis of dolomite and direct isotope exchange between dolomite and aqueous solutions at elevated temperatures and pressures. Furthermore, the control factors for Mg isotope fractionation during dolomitization, including temperature, fluid composition, and reaction pathways, will be investigated experimentally. The outcomes of this project will shed insights into dolomitization, and promote applications of Mg isotopes in dolomite-related geological problems, including hydrocarbon formation, hydrothermal mineralization, and global Mg cycling.

白云岩是一种重要的富镁(Mg)碳酸盐。白云岩是主要的油气储层和许多热液型矿床的宿主岩；地质历史上大规模的白云岩化事件被被认为是地质历史上海水Mg/Ca比值变化的控制因素。Mg同位素作为一个新兴的同位素地球化学示踪工具，在与白云岩有关的沉积学、矿床学和全球元素循环研究上有巨大应用前景。当前，白云石与水溶液之间的Mg同位素分馏系数尚存巨大争议，制约了Mg同位素在白云岩研究中的应用。国内外尚无白云石沉淀过程中Mg同位素分馏系数的实验报道。本项目拟采用在热液条件下的矿物合成和同位素交换两种手段，获取白云石与水溶液之间的Mg同位素平衡分馏系数，并探讨Mg同位素分馏系数与体系物理化学条件、反应路径之间的关系，为深入认识白云岩化，以及Mg同位素在白云岩有关的生油生烃、热液成矿、Mg元素循环研究上的应用提供基础数据和理论依据。

为了实验标定白云石与水溶液之间的Mg同位素分馏系数，我们在220ºC, 160ºC和 130ºC的温度下进行了系统的热液实验。热液实验包括直接合成实验，以及重结晶实验。白云石的直接合成实验使用了多种起始反应物，包括方解石，文石和三水菱镁矿。不同的起始反应物最终都成功合成了白云石，但是这些白云石具有完全不一致的形貌特征，暗示白云石的合成反应路径不一样。总体而言，新合成的白云石均具有细粒、有序度底的特征，随着反应的进行，这些细粒无序的白云石重结晶变成粗粒和高有虚度的白云石。这个过程中的同位素交换可以用87Sr/86Sr和25Mg稀释剂两种示踪剂来示踪，二者均显示在直接合成和重结晶实验过程中，白云石与水溶液之间达到了接近完全的Mg同位素交换。不同条件下的白云石合成实验所获得的Mg同位素分馏系数最后都趋向一致，显示热液实验已经达到了Mg同位素平衡。而结合合成实验和重结晶实验的结果，我们最后获得了一个Mg同位素在结晶白云石和水溶液之间的温度相关分馏方程：Δ26Mgdolo-aq =-0.1554(±0.0096)×106/T2。通过此分馏方程计算的低温白云石Mg同位素分馏系数与在自然环境下观察到的Mg同位素分馏系数一致。同时，在受到埋深变质过程影响的白云岩化地层中观察到的白云石与方解石之间的Mg同位素分馏系数也符合实验方程。这显示本实验获得的Mg同位素分馏方程代表了平衡分馏，具有广泛的适用性。..另一方面，研究了钡白云石结晶过程的Mg同位素分馏，并确定了钡白云石的形成是一个三阶段的过程，第一阶段是先形成无定形的前置物，第二阶段由无定形物转化为结晶态的钡白云石，其转化路径不唯一，受到起始溶液的化学成分的影响，第三阶段为钡白云石的重结晶阶段。其中无定形物转化为钡白云石的过程主要受溶解再沉淀机制控制，在此过程中固液两相的镁同位素在水溶液与矿物间经历充分的交换。在钡白云石形成的三阶段中，镁同位素的分馏行为是各不相同的，但及时经过了长时间的重结晶，依然不能证明钡白云石与水溶液之间达到了Mg同位素平衡分馏。