玄武岩及硫化物淋洗过程Cu同位素分馏实验

摘要

作为重要的过渡族金属元素和营养元素,Cu的地球化学循环对海洋生命演化非常重要.而海洋中的Cu大多来自大陆风化输入,因此研究风化过程的Cu同位素分馏行为至关重要.前人主要集中研究酸性条件下的含Cu硫化物淋洗过程中Cu同位素变化,但含Cu硫化物中的Cu只占硅酸岩总Cu中的一部分,现有硫化物的淋洗实验结果不能真实的反映大陆风化过程对自然界水体及土壤Cu同位素组成的影响.因此,需要查明硅酸岩风化过程中Cu同位素变化,从而更好地解释自然环境中Cu同位素变化及其循环过程.本研究选取了自然玄武岩样品(BHVO-2、GBW07105)和黄铜矿(Cpy)进行系统的酸淋洗实验研究，探讨了不同酸种类(HCl、HNO3)及酸浓度(pH=0.3、2、5)淋洗过程对淋洗液(solution)及固体残渣(residue)的Cu同位素组成影响。结果表明：三种样品在氧化淋洗过程中，淋洗液和固体残渣之间存在显著的Cu同位素分馏（Δ65Cusolution-residue）。对于玄武岩样品，酸性较弱时(GBW07105：pH=2，BHVO-2:pH=5)，淋洗液相对固体残渣始终富集重Cu同位素，该结果可有效的解释自然环境中，水体普遍富集重Cu同位素的现象；酸性相强时(GBW07105:pH=0.3，BHVO-2:pH=2)，淋洗液相对固体残渣先富集重Cu同位素，随着反应时间延长，其Cu同位素逐渐变轻，随后其Cu同位素组成又呈现出逐渐变重的趋势，这为解释为何酸性地区会产生富集轻Cu同位素流体的现象提供了依据。对于黄铜矿，酸性较强时(pH=0.3)，淋洗液相对固体残渣先富集重Cu同位素，而后相对富集轻Cu同位素；而酸性较弱(pH=2、5)时，淋洗液中始终富集重Cu同位素。根据同位素及XRD实验结果可知玄武岩淋滤过程中淋洗液与固体残渣的Cu同位素分馏与酸种类无关，主要是受矿物相的淋洗速率影响，而黄铜矿Cu同位素分馏主要受矿物中65Cu及63Cu的扩散速率影响。本实验选择变化较大的酸浓度范围进行淋洗实验，不仅扩大了硫化物淋洗实验结果应用范围，且填补了玄武岩淋洗过程中Cu同位素组成变化的空白，为解释自然界水体及土壤Cu同位素分馏行为提供了重要依据，有望将Cu同位素用于示踪古环境。