穩(wěn)定Nd同位素是近年來新興的非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素體系，已經(jīng)在高溫巖漿分異、早期地球演化和太陽系冷凝歷史等方面的研究中顯示出良好的應(yīng)用潛力。然而，目前在低溫地球化學(xué)過程會造成多大程度的穩(wěn)定Nd同位素分餾、什么因素控制著穩(wěn)定Nd同位素分餾以及穩(wěn)定Nd同位素分餾與傳統(tǒng)放射成因同位素143Nd/144Nd有什么關(guān)系等一系列問題的認(rèn)知幾乎還處于空白。
針對這一科學(xué)問題，中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所穩(wěn)定同位素地球化學(xué)學(xué)科組白江昊博士生在韋剛健研究員、馬金龍正高級工程師、王志兵副研究員、張樂高級工程師和嚴(yán)爽副研究員等老師的指導(dǎo)下，與廣東省科學(xué)院生態(tài)環(huán)境與土壤研究所鐘松雄博士合作，選取了經(jīng)歷強(qiáng)烈化學(xué)風(fēng)化的海南新生代玄武巖風(fēng)化剖面HK06開展系統(tǒng)的研究。該剖面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)非常齊全，具有詳細(xì)的礦物組成、主微量元素含量、以及Mg- Fe-Cu-Mo -Zn-Ti等穩(wěn)定同位素組成的結(jié)果，是探索低溫化學(xué)風(fēng)化過程中穩(wěn)定Nd同位素分餾行為非常理想的研究對象。除開展全巖樣品的分析，本論文還對風(fēng)化產(chǎn)物進(jìn)行了化學(xué)分相提取，分別測定各相態(tài)的穩(wěn)定Nd同位素組成，以便揭示不同賦存狀態(tài)Nd的穩(wěn)定同位素組成特征。
圖1 HK06玄武巖風(fēng)化剖面位置圖
結(jié)果表明，該風(fēng)化剖面整體τ Th,Nd值的變化幅度為456 %，相應(yīng)的δ 146/144Nd值變化幅度為0.21‰，說明化學(xué)風(fēng)化過程中會發(fā)生明顯的Nd元素遷移并伴隨著顯著的穩(wěn)定Nd同位素分餾。剖面3 m以下，τ Th,Nd值和全巖δ 146/144Nd值均相對于未風(fēng)化的基巖偏高，這可能是由于三水鋁石優(yōu)先吸附了重質(zhì)量數(shù)同位素 146Nd或者鐵氧化物從富集重質(zhì)量數(shù) 146Nd的相態(tài)中發(fā)生了吸附或者共沉淀作用，從而導(dǎo)致了穩(wěn)定Nd同位素的分餾。相反，在剖面3 m以上，τ Th,Nd值和全巖δ 146/144Nd值均低于未風(fēng)化的基巖，并向地表呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，這可能是由于高嶺石優(yōu)先解吸了重質(zhì)量數(shù)同位素 146Nd或者高嶺石形成過程中優(yōu)先并入了輕質(zhì)量數(shù)同位素 144Nd進(jìn)入其晶格中所導(dǎo)致的。剖面上部偏低的τ Th,Nd值和δ 146/144Nd值，進(jìn)一步表明大陸風(fēng)化釋放的重質(zhì)量數(shù)Nd同位素（ 146Nd）進(jìn)入河流，然后被轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入海洋，最后沉淀在海洋沉積物的自生組分中。
圖2 玄武巖風(fēng)化殘積土及其各相態(tài)穩(wěn)定Nd同位素組成
圖3 次生礦物對穩(wěn)定Nd同位素的影響
此外，本文對同一套樣品的穩(wěn)定和放射成因Nd同位素組成的同時(shí)測試提供了絕佳的機(jī)會來評估穩(wěn)定Nd同位素分餾與放射成因 143Nd/ 144Nd比值的關(guān)系。最終結(jié)果表明，放射成因 143Nd/ 144Nd比值是示蹤物質(zhì)來源非常有效的指示劑，而穩(wěn)定Nd同位素提供了在放射成因Nd同位素研究中被消除的地質(zhì)過程信息。因此，后續(xù)的研究應(yīng)該同時(shí)測試穩(wěn)定Nd和放射成因同位素 143Nd/ 144Nd比值，從多維度來揭示物質(zhì)來源和地質(zhì)過程的信息，綜合限定自然界中叁釹同位素的行為，以完善Nd同位素體系并提高對全球稀土循環(huán)的認(rèn)識。
圖 4 低溫過程中Nd同位素的傳輸模式圖
相關(guān)成果發(fā)表在地球科學(xué)領(lǐng)域頂級期刊《Earth and Planetary Science Letters》，該研究受到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2022YFF0800501）、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41991325；42021002；42203005；42207052）、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目（2019B030302013）和廣州地化所所長基金（2021SZJJ-2）等聯(lián)合資助。
論文信息：Bai J.H.,(白江昊) Luo K.,(雒愷) Wu C.,(吳超) Wang, Z. B., (王志兵) Zhang L.,(張樂) Yan S.,(嚴(yán)爽) Zhong S.X., (鐘松雄) Ma J. L.,(馬金龍) Wei G.J.,* (韋剛健) 2023. Stable neodymium isotopic fractionation during chemical weathering[J]. Earth and Planetary Science Letters. 617, 118260.
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