中国科学家发表IODP 375航次新成果：火山灰蚀变驱动沉积物活跃锂循环

    火山灰蚀变作为一个重要的成岩过程，影响着海洋元素循环。锂同位素（δ⁷Li）是硅酸盐矿物成岩作用的敏感示踪剂，因为硅酸盐矿物中Li含量相对较高且相关成岩反应伴随明显的Li同位素分馏。在富含火山灰的主动大陆边缘沉积物孔隙水Li含量通常随沉积深度增加而降低，同时伴随δ⁷Li升高，这主要归因于火山灰蚀变后自生粘土矿物形成优先消耗孔隙流体中轻Li（⁶Li）同位素。然而，在新西兰Hikurangi 俯冲带U1518和U1520钻探站位孔隙流体Li含量随沉积深度增加而显著升高，表明存在某个成岩反应释放出大量的Li。U1519站位300米以浅孔隙流体则表现出Li消耗的特征（图1）。为了确定孔隙流体Li的来源和影响Li循环的成岩反应，我们对这三个站位孔隙水流体的δ⁷Li和沉积物分步提取不同组分（吸附Li，碳酸盐相Li和硅酸盐相Li）的δ⁷Li进行测量，结果显示孔隙流体Li收支受到沉积物离子交换、火山灰蚀变以及自生粘土矿物形成的共同控制。数值模拟计算结果表明，U1518和U1520站位离子交换和火山灰蚀变释放Li的深度积分速率大于粘土矿物形成消耗Li的速率，导致孔隙流体Li的积累和δ⁷Li值的降低。特别的，U1520站位海底以下约500米处出现孔隙流体Li含量升高至~252 μM（比海水Li含量高出一个数量级）而δ⁷Li值降低至10.4‰（海水δ⁷Li约为30‰）。尽管俯冲带孔隙流体Li含量升高和δ⁷Li值降低通常认为与粘土矿物脱水和流体渗漏有关，但结合沉积学和数值模拟研究发现，U1520站位不存在明显的流体渗漏证据，而是由于在约500米处原位强烈火山灰层蚀变释放的Li导致（图2）。类似的，在具有快速沉积作用的格陵兰岛伊尔明厄海盆ODP 918站位、哥斯达黎加俯冲带ODP 1040站位和南开海槽ODP 808站位都观察到类似的火山灰蚀变释放Li的现象。数值模拟计算显示这些以快速沉积（0.05-0.14 cm yr^-1）为特征的站位火山灰蚀变速率比自生粘土矿物形成速率高的多，而在沉积物速率极低的ODP 919站位（7.1×10^-3 cm yr^-1），自生粘土矿物形成主导了孔隙流体Li 循环（图2）。研究表明，在快速沉积且有足量火山灰供应环境下，火山灰蚀变是孔隙流体Li的源而不是汇。这种过去未被认识到的由火山灰蚀变释放的Li可能对海洋Li循环有重要影响。 

    该研究受到国家自然科学基金面上项目（42076057）和IODP中国办公室的资助。仅以此文纪念论文共同作者、DSDP/ODP孔隙水地球化学先驱—Joris Gieskes教授。