海洋地壳蚀变过程中的铁同位素分馏：ODP 801C钻孔样品的综合研究

作者及机构
本研究由Olivier Rouxel（法国国家科学研究中心CRPG-CNRS）、Nicolas Dobbek、John Ludden（同机构）及Yves Fouquet（法国海洋开发研究院IFREMER）合作完成，发表于2003年的《Chemical Geology》期刊（Volume 202, Pages 155–182）。

学术背景
铁（Fe）同位素地球化学是新兴的研究领域，可用于追踪地质和生物地球化学循环中的铁行为。海洋地壳与海水的低温相互作用是全球元素通量的关键控制过程，但铁在此过程中的同位素分馏机制尚不明确。本研究聚焦于大洋钻探计划（ODP）Site 801C钻孔的样品，该钻孔位于马里亚纳海沟外侧的侏罗纪太平洋洋壳，包含450米沉积物和500米玄武岩，并夹有两层低温（10–30°C）硅铁热液沉积。研究旨在揭示洋壳蚀变中铁的迁移规律、同位素分馏机制及微生物活动的潜在影响。

研究流程
1. 样品采集与描述
- 研究对象：70个选自ODP 801C钻孔的样品，涵盖深海黏土、燧石、玄武岩、热液沉积及蚀变产物（如绿鳞石、皂石）。
- 岩性分析：通过岩相学观察和化学组成（如Fe³⁺/ΣFe比值）划分蚀变程度，识别出两类蚀变带：（1）与热液沉积相关的强烈蚀变玄武岩（Fe损失达80%）；（2）氧化蚀变晕（富集Fe³⁺矿物）。

1. 化学处理与同位素分离

   • 溶解与纯化：样品经HF-HNO₃溶解后，通过阴离子交换树脂（Bio-Rad AG1-X8）分离铁，化学回收率>99%。
     
   • 质谱分析：采用多接收器电感耦合等离子体质谱（MC-ICP-MS，Isoprobe）测定⁵⁷Fe/⁵⁴Fe比值，以国际标准IRMM-14为基准，外部精度达±0.2‰（2σ）。
     

2. 数据校正与验证

   • 干扰校正：通过碰撞池技术（Ar气）降低ArO⁺/ArN⁺对⁵⁴Fe/⁵⁶Fe的干扰，空白溶液扣除背景信号。
     
   • 基质效应验证：通过掺杂实验证实单一色谱柱纯化可消除基质影响，同位素分馏为自然过程所致。
     

主要结果
1. 沉积物与蚀变产物的同位素特征
- 深海黏土和火山碎屑岩的δ⁵⁷Fe接近火成岩值（0.13±0.17‰），而燧石和热液沉积显示显著负偏（最低-2.49‰）。
- 蚀变玄武岩的δ⁵⁷Fe显著正偏（最高+2.05‰），伴生的蚀变产物（如绿鳞石脉）则富集轻同位素（δ⁵⁷Fe最低-2.49‰）。

1. 铁迁移与分馏机制

   • 动力学分馏模型：强烈蚀变玄武岩中Fe²⁺的优先淋失导致残余Fe³⁺富集重同位素（图6）。Rayleigh分馏模型显示，淋失Fe²⁺的δ⁵⁷Fe比原岩低0.5–1.3‰（图7）。
     
   • 矿物控制效应：绿鳞石（富K次生黏土）的形成可能选择性富集重铁同位素，导致流体中轻同位素亏损。
     

2. 微生物作用的评估

   • 尽管蚀变纹理和有机质分布暗示微生物参与（如铁氧化菌），但δ⁵⁷Fe的>4‰分馏范围可通过非生物过程（如氧化-沉淀动力学）解释，需进一步实验区分生物/非生物贡献。
     

结论与意义
1. 科学价值
- 首次系统揭示洋壳蚀变中铁同位素的分馏规律，提出Fe²⁺淋失与次生矿物形成是分馏主控因素。
- 为利用Fe同位素示踪海底风化、热液系统及古海洋化学循环提供理论基础。

1. 应用价值
   
   • 洋壳蚀变作为全球铁循环的重要汇，其同位素信号可影响深海沉积物（如锰结核）的记录，对重建古环境条件具潜在意义。
     

研究亮点
1. 创新方法：结合高精度MC-ICP-MS与严格化学纯化流程，实现复杂基质样品中铁同位素的准确测定。
2. 关键发现：揭示蚀变玄武岩与热液沉积间的显著同位素分馏（Δ⁵⁷Fe≈4‰），提出“淋失-氧化-矿物沉淀”三阶段分馏模型。
3. 跨学科意义：链接低温地球化学、微生物活动与同位素分馏理论，推动铁生物地球化学循环研究的交叉发展。

其他有价值内容
- 研究指出，洋壳蚀变的非均质性（如局部强烈氧化与区域背景蚀变共存）可能导致铁同位素信号的复杂空间分布，未来需开展原位微区分析验证。
- 理论计算（如平衡分馏系数）与实验结果（如Polyakov et al. 2000）的对比显示，动力学效应在低温蚀变中可能占主导地位。