Applications of lithium isotopes to chemical weathering processes

Abstract

본 연구는 수계에 용해되어 있는 리튬 동위원소를 기반으로 남극 킹조지섬에 위치한 바톤반도 및 대한민국의 한강에서 화학적 풍화과정 동안 일어나는 리튬 동위원소 분별의 과정 및 정도를 규명하는데 목적을 두고 있다. 남극과 같은 극지방은 해당 환경의 기후적 특성으로 인하여 화학적 풍화보다는 물리적 풍화가 우세하다고 여겨진다. 이러한 배경에서, 남극에 위치한 바톤반도에서 융빙수, 부유 퇴적물 및 기반암 시료를 채취하여 각각의 원소 및 리튬동위원소 분석을 통해 바톤반도에서 일어나는 화학적 풍화과정을 이해하고자 하였다. 융빙수의 주 원소 및 리튬 동위원소 분석 결과, 물속에 용해된 리튬은 해양기원 에어로졸, 파타고니아 기원 먼지 및 기반암의 세 가지 성분에서 기원하며, 해양기원 에어로졸의 성분이 평균 74%이상으로 대부분을 차지한다. 그러나 융빙수의 리튬 동위원소 성분은 위 세가지 성분의 단순한 혼합으로 인해 설명할 수 없으며, 화학적 풍화 동안 융빙수와 기반암 사이의 리튬 동위원소 분별 과정의 결과로 여겨진다. PHREEQC 프로그램의 모델링 결과 침철석과 적철석과 같은 이차광물이 침전되며, 레일리히 분별식에 따른 계산결과에 의하면 물 속에 침전된 이차광물에 의해 0.9945 ± 0.0045의 분별계수를 가지고 분별이 일어남을 예측할 수 있다. 위와 같은 분별계수 값은 유사한 환경을 가진 그린란드의 강에서 계산된 분별계수(α=0.980)에 비해 상대적으로 낮은 값을 가지며, 이는 바톤반도에서 형성된 계류의 작은 배수량 및 짧은 길이로 인해 약한 화학적 풍화가 일어나기 때문으로 생각된다. 한강의 물, 부유 퇴적물, 및 기반암 시료를 채취하여 각각의 원소 및 리튬동위원소 분석을 통해 한강에서 일어나는 화학적 풍화과정을 이해하고자 하였다. 한강은 크게 남한강 및 북한강의 지류로 나뉘어져 있으며, 각각 규산암과 탄산암질 기반암 위를 흐른다. 북한강 및 남한강에서 분석된 원소의 지구화학적 특성은 각각의 기반암 특성을 반영하지만, 분석된 리튬 동위원소는 기반암에 따라 구분되지 않는다. 북한강과 남한강의 물과 암석 사이의 리튬 동위원소 분별 값은 각각 31‰, 20‰의 값을 가지며, 이는 남한강에서 더 강한 화학적 풍화가 일어나고, 더 많은 이차광물이 침전되기 때문으로 생각된다. 또한 기반암의 종류와 관계없이 물속에 용해된 리튬의 80% 이상이 규산암의 용해로부터 기원된 것으로 보아, 탄산암질의 기반암을 가진 지역에서도 리튬 동위원소는 규산암의 화학적 풍화를 추적하는데에 용이하게 사용될 수 있을 것으로 여겨진다.;First, we investigated elemental and lithium isotope geochemistry in various types of samples collected at the Barton Peninsula, King George Island, Antarctica, in order to see how and to what extent Li isotope fractionation may occur during chemical weathering. Although elemental and lithium isotope geochemistry indicates that dissolved lithium is mainly derived from three different end-members (i.e., seawater, bedrock, and dust), of which seawater contributes, on average, 74%, lithium isotope compositions (δ7Li) of water however could not be explained by a mixing. Therefore, the difference of δ7Li values between dissolved and suspended sediments result from Li isotope fractionation during chemical weathering in the study area. We estimated Li isotope fractionation factor of 0.9945 ± 0.0045 using Rayleigh fractionation equations. This is supported by PHREEQC results that water chemistry is supersaturated with secondary mineral formations, such as goethite and hematite. These results suggest that, in particular environment even polar region which predominant physical weathering, lithium isotope can be used a good tracer of chemical weathering. Second, we investigated Li concentrations and its isotopes of dissolved loads, suspended sediments, and bedrocks of the Han River, to investigate how and to what extent chemical weathering occurs in the Han River, South Korea. The Han River is divided into two major tributaries, the North (NHR) and the South Han River (SHR), which drains silicates and carbonates, respectively. Although elemental geochemistry reflects the characteristics of its bedrock type, δ7Li values are little different in each tributary; the NHR has δ7Li values ranging from 28.5‰ to 37.6‰ (average of 32.3‰, n=6), while SHR ranging from 26.1‰ to 32.0‰ (average of 29.4‰, n=8). The calculated Δ7Liwater-rock in the NHR and SHR are 31‰ and 20‰, respectively, indicating that much intensive chemical weathering occurs and the more secondary minerals precipitates in the NHR. A simple mass balance equation related to the sources of dissolved Li shows that silicate rock dissolution account for more than 80% of the total Li, with minor of groundwater input and precipitation. Also, the result of Rayleigh equation suggests that ca. 10‰-20‰ (α=0.985±0.005) are fractionated by precipitated secondary minerals regardless of bedrock types. This study suggests that lithium isotopes can be used to trace silicate weathering even in carbonate-dominated area.