GCA: 西南印度洋中脊热液区硫化物中汞同位素研究

目前，汞同位素在物质循环及生物地球化学过程中有着重要的应用，其具有极其特殊的地球化学及同位素地球化学性质。相比于其他金属同位素(如锌和铁等元素的同位素)，汞在多数生物过程中有着明显的非质量分馏，其机制主要是光化学还原及甲基化等过程控制，且汞的非质量信号伴随着汞的迁移而一直保存，是示踪物质循环的理想工具。

在海洋体系中，已有的研究表明，海水中具有较负的汞的质量分馏和较大的汞的非质量分馏;而在玄武岩等火山岩中，汞的同位素组成相对均一且没有汞的非质量分馏信号。因此，汞同位素在研究热液系统中金属元素的物质循环有着重要意义。

本项目选取了西南印度洋脊两个典型的硫化物热液区—玉皇和断桥热液区(49°E–52°E)：玉皇热液区离洋中脊7.5公里，硫化物主要为闪锌矿, 黄铁矿以及无定形硅等低温矿物组合(陶春辉等, 2011,2014; 杨伟芳, 2017; Liao et al., 2018);断桥热液区处于洋中脊上，硫化物主要为黄铜矿和颗粒状黄铁矿等高温矿物组合(见图.1)。

 
图1 西南印度洋洋中脊部分热液区位置分布图

通过对两个热区硫化物中汞及其同位素的研究发现，断桥硫化物中汞含量介于346至8121 ng/g之间;玉皇硫化物中汞含量介于435至44035 ng/g之间。同时，两个热区中黄铁矿和闪锌矿均显示比黄铜矿更高的汞含量，暗示汞可能取代铁和锌进入黄铁矿和闪锌矿中。而在汞同位素特征上，玉皇硫化物具有相对大的质量分馏和非质量分馏特征，其中δ202Hg和 Δ199Hg 变化范围分别为-1.23 to -0.05‰ 和 -0.10 to 0.20‰;然而，断桥热液区以相对较小的质量分馏和无非质量分馏为特征，其中δ202Hg和 Δ199Hg 分别介于 -0.63 至 -0.12‰和0.02 至 0.10‰之间。

根据前人发表的和海洋相关地质端元数据发现，海水中明显富集汞的轻同位素和较大的非质量分馏(δ202Hg=-1.8+0.68‰; Δ199Hg=0.14+0.14‰);而地幔中δ202Hg=-0.23+0.19‰; Δ199Hg=0.02+0.02‰。根据质量守恒定律，我们推测断桥和玉皇硫化物中，海水提供了~5% and ~29%的汞，而大部分的汞是来自于玄武岩。

 

图2 西南印度洋脊断桥和玉皇热液区汞循环

相关成果近期发表在国际地学期刊Geochimica et Cosmochimica Acta(2020，281：91–101)。详细下载地址见https://doi.org/10.1016/j.gca.2020.05.008。本成果由国家重点研发计划2018YFC0309902和国家自然科学基金面上项目资助 (41773012)