Fe同位素地球化學(xué)

Fe同位素地球化學(xué)第十節(jié)課英文名字：iron原子序數(shù)：26原子量：55.845密度：7.86g/cm310.1Fe的元素地球化學(xué)Fe+H2O+O2=?

銀白色晶體這個反應(yīng)常發(fā)生在自然界哪個過程中？自然界Fe的分布質(zhì)量體積地核：鐵、鎳合金地幔：Si、O、

Mg、Fe地殼：豐度第四地核主要的含鐵礦物輝石

(Ca,Mg,Fe,Al)2(Si,Al)2O6

橄欖石

Mg2SiO4·FeSiO4角閃石

(Ca，Na)2(Mg2+，F(xiàn)e2+，F(xiàn)e3+，Al3+)5[(Al，Si)8O22](OH)2黑云母

K(Mg,Fe)3AlSi3O10(F,OH)2磁鐵礦

Fe3O4赤鐵礦

Fe2O3鈦鐵礦

FeTiO310.1Fe的元素地球化學(xué)變價元素：+3：鐵氧化物等+2：橄欖石等0：鐵合金等Wikipedia10.1Fe的元素地球化學(xué)生命元素：血紅蛋白微生物作用異化還原生物氧化WikipediaTaylorandKonhauser,Elments,201110.1Fe的元素地球化學(xué)礦產(chǎn)資源：鋼鐵，現(xiàn)代工業(yè)的基本材料黃鐵礦、鐵的氧化物等是各類礦床的常見礦物10.1Fe的元素地球化學(xué)生命元素細菌基本元素金屬穩(wěn)定同位素10.2Fe同位素體系自1990s末迄今，有大量的國際文獻發(fā)表14篇Science/Nature文獻: Science11;Nature1;NatureGeoSci.1數(shù)百篇一流期刊文獻:

包括近10篇分析方法文獻10.2Fe同位素體系研究程度最高的非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素之一！Fe有四個穩(wěn)定同位素：54Fe，56Fe，57Fe，58Fe標準：IRMM-014，歐洲標準局平均火成巖，Beardetal.,2003AverageigneousrocksbyIRMM-014:0.09permil鐵同位素及組成表達方式熱電離質(zhì)譜（TIMS）JohnsonandBeard,IJMS,1999多道等離子體質(zhì)譜儀（MC-ICPMS）含Ar基團干擾消除降低Ar基團信號膜去溶,冷Plasma,動態(tài)反應(yīng)池BelshawandZhu,2000;Beardetal.,2003;Kehmetal.,2003提高質(zhì)量分辨率Neptune,HRNuinstrumentWeyeretal.,2003;Milletetal.,2012>3%peramu的儀器分餾校正SSB+(CuorNi-doping,Doublespike)高分辨+SSB@CUGB10.2鐵同位素分析方法

自然樣品中的鐵同位素分餾有限，例如：高溫巖漿過程的鐵同位素分餾尺度δ56Fe<0.3‰；應(yīng)用研究需要高精確度的分析方法

目前國際上多個實驗室均可進行鐵同位素高精度分析，δ56Fe日常分析精度優(yōu)于0.03‰，尤其是使用雙稀釋劑

10.3鐵同位素分析方法Dauphasetal.,EPSL,2009Schoenberg,EPSL,2006-0.015±0.020‰(2SE)-0.016±0.045‰(2SE)10.3各儲庫的Fe同位素組成硅酸巖地球橄欖巖包體/造山帶橄欖巖δ56Fe≈0.02atMg#=89.4

WeyerandInov,EPSL,2007深海橄欖巖Meanδ56Fe≈0.01‰Craddocketal.,EPSL,200710.3各儲庫的Fe同位素組成上地幔MORB具有均一的鐵同位素組成，

δ56Fe≈0.105‰OIB

，Meanδ56Fe≈0.121‰目前分析精度下相對不均一Tengetal.,GCA,2013玄武巖MORB&OIB10.3各儲庫的Fe同位素組成上地殼的δ56Fe≈0.11‰e.g.,Poitrassonetal.,2004;PoitrassonandFreydier,2005;WeyerandIonov,2007;Heimannetal.,2008;Tengetal.,2008b;Dauphasetal.,2009a;Schuessleretal.,2009;Sossietal.,2012;Telusetal.,2012;WeyerandSeitz,2012;Tengetal.,201310.3各儲庫的Fe同位素組成大陸上地殼碎屑沉積物相對火成巖沒有發(fā)生較大分餾δ56FebyIRMM014Ferhetal.,2008;Severmanetal.,2006;Staubwasser,2006Beardetal.,2003?河流水，海底熱液，低溫?zé)崛叵滤锌扇芙忤F一般具有比硅酸鹽地球輕Fe同位素組成Johnsonetal.,Annualreview,2008河水、海水、熱液、地下水10.3各儲庫的Fe同位素組成現(xiàn)代海洋10.3各儲庫的Fe同位素組成Anbaretal.,Annualreview,2007Iron

FormationPlanavskyetal.,GCA,2012黃鐵礦硫化海洋碳酸鹽化學(xué)沉積巖或沉積巖中化學(xué)沉淀組分具有高度不均一的鐵同位素組成Craddocketal.,EPSL,2011化學(xué)沉積巖Fe的價態(tài)物相晶格、基團結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵類型e.g.,Johnsonetal.,2002;Heimannetal.,CG,2008顯著鐵同位素分餾與價態(tài)變化有關(guān)一般規(guī)律10.4自然界Fe同位素分餾機制巖漿系統(tǒng)10.4自然界Fe同位素分餾機制火星、HED、Vesta具有近球粒隕石的鐵同位素組成地球和月球樣品、Angrite具有顯著重的鐵同位素組成10.4自然界Fe同位素分餾機制ChondriteTerrestrialbasaltsPoitrassion,EPSL,2004;Weyer

et

al.,

2005;

Wang

et

al.,

2012EarlyEarthEarlyMoonTheEarlySolarSystemDoestheBulkSilicateEarthisChondritic?

大碰撞VS核幔分異Poitrasson，2004，2009Polyakov,etal.,2009行星間鐵同位素差異理論計算表明，在核幔邊界條件下，金屬相相對下地幔硅酸鹽礦物富集輕鐵同位素2000oC,CMB0.13±0.053‰Polyakov,etal.,2009行星間鐵同位素差異巖漿過程橄欖巖包體/造山帶橄欖巖δ56Fe≈0.02atMg#=89.4

WeyerandInov,EPSL,2007深海橄欖巖Meanδ56Fe≈0.01‰Craddocketal.,EPSL,2007巖漿過程有顯著的鐵同位素分餾，玄武巖樣品不能代表地球的平均組成。地幔橄欖巖研究揭示地球可能也具有近球粒隕石的鐵同位素組成基性巖相對上地幔略重0.1‰左右地幔橄欖巖的δ56Fe和Mg#負相關(guān)地幔部分熔融過程中發(fā)生顯著的鐵同位素分餾WeyerandInov,EPSL,2007;Tengetal.,GCA,2013部分熔融：地幔10.4自然界Fe同位素分餾機制在地幔部分熔融時，F(xiàn)e3+中度不相容，優(yōu)先進入熔體在硅酸鹽體系，

Fe3+一般相對Fe2+富集重鐵同位素熔體相對殘留相和源區(qū)富集重鐵同位素WeyerandInov,EPSL,2007Dauphasetal.,EPSL,2009夏威夷玄武巖：結(jié)晶分異過程中存在顯著地Fe同位素分餾橄欖石分離結(jié)晶：平衡分餾Fe-Mg互擴散Tengetal.,2008;2011Tengetal.,2008堆晶<-橄欖石->分離結(jié)晶部分熔融：殼內(nèi)分異10.4自然界Fe同位素分餾機制巖漿分異前期硅酸鹽礦物分離結(jié)晶，殘余熔體Fe同位素變重巖漿分異后期磁鐵礦分離結(jié)晶，殘余熔體Fe同位素變輕Sossietal.,CMP,2012斜方輝石等磁鐵礦斜方輝石等磁鐵礦部分熔融：殼內(nèi)分異10.4自然界Fe同位素分餾機制？10.4自然界Fe同位素分餾機制e.g.,Poitrassonetal.,2004;PoitrassonandFreydier,2005;WeyerandIonov,2007;Heimannetal.,2008;Tengetal.,2008b;Dauphasetal.,2009a;Schuessleretal.,2009;Sossietal.,2012;Telusetal.,2012;WeyerandSeitz,2012;Tengetal.,2013Heimannetal.,CG,2008Δ56FeBulkmineral-melt≈0.03~0.07‰，非分離結(jié)晶非氯流體相對磁鐵礦和硅酸鹽礦物富輕鐵同位素流體出溶10.4自然界Fe同位素分餾機制Schussleretal.,CG,2009鋰（流體活動性強）同位素沒有發(fā)生顯著分餾

排除：流體出溶FromIceland10.4自然界Fe同位素分餾機制Telusetal.,GCA,2012鋅（流體活動性強）同位素沒有發(fā)生顯著分餾

排除：流體出溶10.4自然界Fe同位素分餾機制△56Feol-cpx=-0.10±0.12%△56Feol-opx=-0.05±0.11%(2SD,n=18)Huangetal.,GCA,2011礦物間平衡分餾10.4自然界Fe同位素分餾機制礦物間、礦物/熔體的Fe-Mg交換可導(dǎo)致顯著地Fe，Mg同位素分餾Dauphasetal.,GCA,2010礦物熔體間非平衡分餾10.4自然界Fe同位素分餾機制礦物間、礦物/熔體的Fe-Mg交換可導(dǎo)致顯著地Fe，Mg同位素分餾Tengetal.,EPSL,2011礦物熔體間非平衡分餾10.4自然界Fe同位素分餾機制表生系統(tǒng)10.4自然界Fe同位素分餾機制Johnsonetal.,2002,2005;Weltchetal.,2003;Wieslietal.,2004;BeardandJohnson,2004;Balcietal.,2006;DauphasandRouxel,2006Fe2+(aq)Fe3+(aq)2.8~3.0‰Fe2O3~-0.14‰(E)~-0.1~-0.8‰(K)~-0.4~-1.7‰(B)~-0.9~-0.2‰(K)FeSFeS4~0.32‰(E)~-1.2~0.32‰(K)FeCO3~-0.48‰(E)~-2.1‰(K)常見分餾系數(shù)優(yōu)先富集輕同位素優(yōu)先富集重同位素風(fēng)化作用在硅酸巖風(fēng)化過程中，流體一般優(yōu)先溶解輕Fe同位素流體洗脫的鐵有限，殘留固相同位素組成變化不大Chapmanetal.,GCA,2009酸淋洗試驗TheNsimilateriticprofiles,SouthCameroonPoitrassonetal.,CG,2008剖面條件：赤道氣候，年平均溫度：24℃，降雨量：1630mm紅土，主要次生礦物：高嶺石，伊利石，針鐵礦，赤鐵礦風(fēng)化作用Poitrassonetal.,CG,2008整個剖面的鐵含量有巨大的變化，然而全巖鐵同位素組成在分析誤差范圍內(nèi)和平均大陸地殼一致解釋：整個剖面以三價鐵為主，溶解度有限，同位素分餾有限風(fēng)化作用NW,GermanySW,GermanyWiederholdetal.,GCA,2007灰土雛形土DarkOrganicsurfacelayerGraydepleted

EluvialhorizonEnrichedilluvialBhor.Fe,Al灰土一般形成于酸性基巖（石英砂巖、花崗巖等）、冷+潮濕、針葉林條件下，有機酸性物質(zhì)向下淋濾（Fe、Al）形成剖面排水良好，干體系，氧化條件灰土基巖：砂沉積物，砂巖；雛形土基巖：火山巖PH<4PH~5.5~5.9風(fēng)化作用FantleandDePalo,2004低鐵含量河水（可溶鐵端元）總體上同位素組成偏輕風(fēng)化作用與水圈的Fe同位素組成河水顆粒物BergquistandBoyle,EPSL,2006Pinheiroetal.,JSAES,2013雖然單個河流攜帶的顆粒物鐵同位素組成有差異，但流域上總體攜帶的顆粒物鐵同位素組成和平均陸殼相近Negroriver:黑水河流經(jīng)雨林盆地，有機質(zhì)高Negro,dis.Fe海底熱液，低溫?zé)崛?，地下水中可溶解鐵一般具有比硅酸鹽地球輕Fe同位素組成Johnsonetal.,Annualreview,2008熱液、地下水風(fēng)化作用與沉積巖δ56FebyIRMM014碎屑沉積物相對火成巖沒有發(fā)生較大分餾;

總體上，全巖尺度風(fēng)化殘留物的分餾不顯著Beardetal.,2003;FantleandDepalo,2004化學(xué)沉積，亞鐵溶液連續(xù)氧化（平衡分餾）平衡分餾水鐵礦與溶液始終平衡瑞利分餾水鐵礦一旦結(jié)晶，立即離開體系沉淀水鐵礦殘余溶液海底熱液，低溫?zé)崛叵滤糠盅趸瘯r，隨著富重鐵同位素的氧化物沉淀，殘余水體Fe含量越低，同位素組成越輕Johnsonetal