发布时间：2024-04-26 浏览次数：10
钾是农作物的三大营养素之一，钾盐被誉为“粮食矿产”。我国作为一个农业大国，钾盐长期以来高度依赖进口，这严重影响了14亿人口的粮食安全，因此钾盐找矿增储工作对于我国具有重要战略意义。光卤石（KMgCl3·6H2O）作为一种富钾蒸发岩矿物，是生产氯化钾肥的主要原料之一。光卤石在全球多个著名的大型海相钾盐矿床中（如刚果、加蓬、巴西塞尔希培、泰国呵叻、加拿大萨斯喀彻温和德国蔡希斯坦等）广泛分布。然而，光卤石通常形成于卤水蒸发的晚期阶段，并且具有易溶解的特性，当前厚层光卤石的形成机制依然不明，这成为了制约我国固体钾盐勘探的理论瓶颈之一。
以往的研究主要通过微量元素的含量及同位素行为（例如溴含量、硼同位素）示踪光卤石成因，这些研究只能为解决光卤石成因问题提供间接证据。为了突破光卤石研究的难点，南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室骨干李伟强教授提出主量阳离子镁、钾的稳定同位素具有示踪光卤石物源与沉淀机理的潜力，但使用Mg-K同位素工具开展光卤石成因研究的前提是标定光卤石形成过程的平衡Mg-K同位素分馏系数。为此，李伟强教授带领学生，与多家单位的合作者形成研究团队，采用了三种不同的手段，即光卤石合成-重结晶实验、卤水蒸发实验、以及察尔汗盐湖样品测量，获得了高度一致的结果，从而标定了光卤石与卤水之间的Mg-K同位素平衡分馏系数（图1）。
图1. 不同温度、不同途径获得的光卤石与溶液之间的Mg-K同位素分馏系数。
研究结果表明，光卤石相比于饱和卤水，富集重的Mg同位素和轻的K同位素，Δ26Mg和Δ41K分别为0.8‰和-0.4‰左右（图1）。李伟强教授课题组进而对卤水蒸发过程的热力学-同位素质量平衡进行计算，模拟了不同化学组成的海水蒸发至光卤石析出阶段的镁、钾同位素演化路径（图 2）。此研究结果表明，从不同初始化学组成的海水中析出的光卤石具有独特的Mg-K同位素特征序列，奠定了光卤石成因研究的理论基础。光卤石Mg-K同位素平衡分馏系数的标定，还开辟了利用蒸发岩重建古海水Mg-K同位素组成，进而揭示地质历史时期的镁、钾循环及古海水化学组成演化的新路径。该研究成果是李伟强教授课题组在泻利盐（MgSO4·7H2O; Li et al., 2011 GCA），钾石盐（KCl; Li et al., 2017 GCA）,石盐（NaCl; Xia et al., 2020 CG; 2022 PPP; 2024 Sci. Adv.）之后，在蒸发岩金属稳定同位素研究领域取得的又一进展。
图2. 不同初始化学成分的海水蒸发至光卤石析出阶段卤水的Mg-K同位素演化路径，蒸发度代表蒸发过程海水的浓缩系数。
该研究成果以“Equilibrium Mg and K isotope fractionation between carnallite and saturated brine: Calibrations and applications”为题发表在国际一流地球化学期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》上。该论文的第一作者是博士研究生夏芝广（现成都理工大学博士后），通讯作者是李伟强教授。本论文的共同作者包括中国地质科学院矿产资源所林勇杰副研究员、中国科学院青海盐湖所李东东副研究员、德国基尔大学Lars Reuning博士、李伟强教授课题组胡忠亚博士（现同济大学副研究员）、刘传博士（现北京大学博雅博士后）以及博士生穆军。该研究得到了国家重点研发计划“滇西南中生代海相钾盐成钾条件与成矿预测”(No. 2023YFC2906504)、南京大学优秀博士研究生创新能力提升计划B (No. 202201B048) 的共同资助。