Intramolecular hydrogen isotope exchange inside silicate melts – The effect of deuterium concentration
Intramolecular hydrogen isotope exchange inside silicate melts – The effect of deuterium concentration
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硅酸盐熔体内部分子内氢同位素交换 – 氘浓度的影响
DOI：
10.1016/j.chemgeo.2022.121076
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发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
3.9
通讯作者：
Mysen, Bjorn O.
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Kueter, Nico;Cody, George D.;Foustoukos, Dionysis I.;Mysen, Bjorn O.
追踪深层地质水循环需要含水物质之间和内部的氢同位素系统学知识。对于淬火含水碱硅酸盐熔体，氢NMR揭示了一个明显的异质性的稳定氢同位素（D，H）的分布在硅酸盐四面体网络，其中氘浓度强烈的网络区域，与碱金属阳离子。先前在四硅酸钠体系（Na 2 O x 4SiO 2，NS 4）中进行的氢NMR研究显示，在1：1的D2 O/H2O比例下，碱相关网络中平均氘富集1300 ‰，但不同的D2 O/H2O比例对分子内同位素效应的影响仍然不受约束。在1400 °C和1.5GPa下，在具有8wt%本体水和不同本体D2 O/H2O比率的含水四硅酸钠系统中进行实验。据发现，这两个氢同位素优选分区到硅酸盐网络，是与碱金属离子。分配总是强的氘比质子化的水合物种。在碱金属相关网络中氘相对于氚的相对富集，即，分子内同位素效应与含水NS_4体系的D_2O/H_2O体积比呈正相关。针对天然氘丰度建模（D/H接近1.56 × 10 - 4），1.4倍（c. 340 ‰）的氘富集的碱伴生硅酸盐网络。分配模型进一步预测的硅酸盐熔体的体积水含量和分子内氘分配到碱相关的硅酸盐网络之间的正相关性。这种不均匀性可以解释与硅酸盐饱和流体共存的含水硅酸盐熔体中氢同位素分馏的大小和方向。因此，这种分子内同位素效应似乎是氘分离的有效机制，特别是在含水岩浆环境中，如俯冲带。
Tracing the deep geological water cycle requires knowledge of the hydrogen isotope systematics between and within hydrous materials. For quenched hydrous alkali-silicate melts, hydrogen NMR reveals a distinct heterogeneity in the distribution of stable hydrogen isotopes (D, H) within the silicate tetrahedral network, where deuterons concentrate strongly in network regions that are associated with alkali cations. Previous hydrogen NMR studies performed in the sodium tetrasilicate system (Na2O x 4SiO2, NS4) with a 1:1 D2O/H2O ratio showed on average 1300 ‰ deuterium enrichment in the alkali-associated network, but the effect on varying bulk D2O/H2O ratios on this intramolecular isotope effect remained unconstrained. Experiments in the hydrous sodium tetrasilicate system with 8 wt% bulk water and varying bulk D2O/H2O ratios were performed at 1400 °C and 1.5 GPa. It is found that both hydrogen isotopes preferably partition into the silicate network that is associated with alkali ions. The partitioning is always stronger for the deuterated than for the protonated hydrous species. The relative enrichment of deuterium over protium in the alkali-associated network, i.e., the intramolecular isotope effect, correlates positively with the D2O/H2O bulk ratio of the hydrous NS4 system. Modeled for natural deuterium abundance (D/H near 1.56 × 10−4), a 1.4-fold (c. 340 ‰) deuterium enrichment in the alkali-associated silicate network is predicted. The partitioning model further predicts a positive correlation between the bulk water content of the silicate melt and the intramolecular deuterium partitioning into the alkali-associated silicate network. Such heterogeneities may explain the magnitude and direction of hydrogen isotope fractionation in hydrous silicate melts coexisting with silicate-saturated fluids. As such, this intramolecular isotope effect appears to be an effective mechanism for deuterium separation, particularly in hydrous magmatic settings, such as subduction zones.
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