页岩风化过程锂同位素分馏及其指示意义研究

The lithium isotope system is an ideal candidate to use to study weathering because there is significant isotope fractionation between solid and liquid phase but the fractionation is hardly influenced by biological processes. However, the controlling mechanism of primary mineral dissolution, secondary mineral formation, and mineral-fluid adsorption-desorption processes on Li isotope fractionation are unclear. The field study in Li isotope behavior during typical silicate types is seldom reported, which limits Li isotopes application in surface geochemistry research. In this study, we plan to choose a mono-lithology small catchment developed on shale to carry out the lithium isotope behavior study. The catchment components including weathering profile, stream and atmospheric deposition samples will be examined for their Li isotopic composition, as well as other geochemical indexes. Also, dilute acid leaching experiment will be conducted. All these are aiming at exploring the behavior of lithium isotope fractionation and its implications in chemical weathering of shale, thus to make more contributions to continental weathering research and related biogeochemical cycling study.

Li同位素因其在固-液相之间发生显著分馏和分馏基本不受生物作用影响的优势，对大陆岩石风化过程具有重要指示意义。然而，岩石化学风化过程中原生矿物溶解、次生矿物形成和矿物-流体吸附解吸等对Li同位素分馏作用的控制机理研究尚处于初步阶段，尤其是针对典型硅酸盐岩风化过程锂同位素行为和控制因素研究更为缺乏，限制了该手段在地表地球化学过程指示中的应用。本项目以硅酸盐岩中具有典型代表性的岩类——页岩为研究对象，选取单一岩性页岩小流域，对小流域不同地形位置发育的风化剖面、溪流和大气沉降时间序列样品等的锂元素和Li同位素地球化学特征进行探究，结合实验室稀酸淋溶实验，探讨页岩风化过程Li同位素分馏行为，以期阐明页岩不同矿物风化带Li同位素的分馏行为及其控制因素，以及锂同位素对页岩风化关键环节的指示意义。研究成果将有助于Li同位素地球化学理论的完善，进而推动其对大陆岩石风化过程和元素生物地球化学循环的示踪应用。

Li 同位素作为新兴的同位素体系，其在固-液相分配过程中的分馏特性，对大陆风化过程的指示具有独特优越性。目前对风化过程Li同位素的研究主要集中在火成岩。页岩作为占地表岩石面积25%的岩石类型，对其风化过程中锂同位素体系的行为研究相对欠缺，限制了Li同位素在大陆风化研究中的应用。本项目针对页岩风化开展Li同位素地球化学特征与分馏机制的研究。项目团队针对扬子地台北缘，重庆城郊一系列黑色页岩风化剖面和附近的溪流样品进行了样品采集，通过对页岩风化的固体（风化剖面和表土）和液体（溪流）样品的矿物学、主微量元素、锂同位素、碳同位素等地球化学指标分析，对页岩风化过程和及其过程中Li同位素的行为取得了如下研究进展和结果认识：1）溪流水化学和碳同位素等数据显示，研究区具有明显的硫酸参与碳酸盐和硅酸盐（尤其是高钙镁硅酸盐）的特征，结合剖面矿物和主量元素数据，发现包括黏土矿物在内的硅酸盐溶解是页岩风化体系中锂的主要来源；2）综合典型风化剖面的研究显示，风化剖面整体样品的平均锂含量分别为26.5ppm，对应基岩样品的平均锂含量分别为20.23ppm，与研究团队前期在花岗岩等其他岩性的小流域的研究结果相比，认为页岩风化对Li的释放非常有限，甚至出现了锂在固体产物中的轻微富集，主要由于页岩和火成岩原岩中Li分别以角闪石等原生矿物和粘土矿物形式存在，二者风化对Li的释放和同位素分馏机制不同；3）与相对较为稳定的Li含量形成对比的是，页岩风化过程剖面内部Li同位素组成变化最高可达到约10‰，结合矿物学和其他地球化学指标的研究结果，发现页岩风化过程中粘土矿物的演化和细颗粒矿物的迁移，是导致页岩风化过程不同风化物质端元锂同位素产生较大分异的主要原因，这两个过程对产物化学成分的变化影响并不大，但会产生较大的锂同位素组成的变化。本研究显示，锂同位素对页岩风化过程的矿物化学变化和物理迁移都具有重要指示意义。