Silicon isotope fractionation at low temperatures in the presence of Aluminum: An experimental approach and application to different weathering regimes

Abstract

During the weathering of minerals and rocks elements are released into the ambient solution. The isotope ratios potentially trace the way Si is released from Si-bearing solids into soil and (diagenetic) interstitial solutions. They also trace how silica is precipitated into secondary solids from these solutions. In particular, the partitioning of Si isotopes in the presence of Al has not been explored in detail under controlled laboratory conditions and the related Si isotope fractionation factors need to be determined. The determination of these fractionation factors is so important as in virtually all Earth surface reactions, Si being released from primary silicates is accompanied by variable amounts of Al. Crucial in the understanding of Si isotope fractionation in the presence of Al are two processes: 1.) Si isotope fractionation during adsorption onto Al precipitates and 2.) Si isotope fractionation during Si precipitation from solutions in the presence of variable Al concentrations. Si precipitation experiments reveal that during cyclic freeze-thaw of dissolved Si-containing solutions, Si is removed from the solution. In the absence of appreciable amounts of Al this removal is not accompanied by a fractionation of Si isotopes. In contrast if Al is present in these solutions at high concentrations (here 1 mmol/l), Si removal is faster and accompanied by strong Si isotope fractionation favoring the light isotopes in the solids. The conducted adsorption experiments presented reveal that adsorption of monomeric silicic acid onto gibbsite is accompanied by a significant kinetic Si isotope fractionation and that light Si isotopes are preferentially adsorbed. The calculated Si isotope fractionation factors are dependent on the initial Si concentration. High initial Si concentrations result in a strong kinetic Si isotope fractionation during adsorption. This initial kinetic signature begins to re-equilibrate only after ca. two months. Having established the principle fractionation factors in these experiments also the Si isotopic composition of natural samples have been explored, to investigate the dependence of Si isotope fractionation related to soil processes under different kinetic weathering regimes. The Si isotope measurements of the amorphous and clay fraction extracted from soils and saprolites reveal that a strong relationship between the Si isotopic composition of these pools and the regolith residence time of the three different weathering regimes exists. An increase in regolith residence time leads to lower 30Si/28Si ratios for secondary silicates formed in different weathering regimes. An isotope mass balance model reveal that the proportion of particulate export flux increases over the dissolved import Si flux according to the decrease in regolith residence time. This change is mirrored in the 30Si/28Si ratios of secondary precipitates.

Während der chemischen Verwitterung von gesteinsbildenden Mineralen und anstehendem Festgestein werden Elemente in die umgebene Bodenlösung abgegeben. Verhältnisse der stabilen Si Isotope zeigen dabei den möglichen Pfad von Si von der Freisetzung bei der Verwitterung von primären Mineralen und anstehenden Festgestein bis zum anschließenden Einbau in sekundäre Minerale auf. Die Bestimmung von Si Isotopenfraktionierungsfaktoren von Reaktionen zwischen Al und Si sind daher von grundlegender Bedeutung, da es sich mit hoher Wahrscheinlichkeit um die ersten Reaktionen nach der Freisetzung der beiden Elemente handelt. Bei Reaktionen von Al und Si nehmen zwei wesentliche Prozesse eine führende Rolle ein: 1.) Si Isotopenfraktionierung bei der Adsorption von Si an Al Ausfällungen und 2.) Si Isotopenfraktionierung bei der Ausfällung von Si aus wässrigen Lösungen in An- und Abwesenheit von Aluminium. Die durchgeführten Si Ausfällungsexperimete zeigen, dass es beim zyklischen Gefrieren und Auftauen von Si enthaltenen Lösungen zur Ausfällung von Si kommt. Wenn es sich dabei um reine Si Lösungen (ohne Zugabe von Al) handelt, dann findet bei der Ausfällung keine Si Isotopenfraktionierung statt. Im Gegensatz zu den Al freien Si Ausfällungsexperimenten ist die Si Ausfällung bei der Zugabe von Al (hier 1 mmol/l) schneller und geht mit einer Si Isotopenfraktionierung einher, bei der bevorzugt leichtes Si in die Ausfällungen eingebaut wird. Die durchgeführten Si Adsorptionsexperimente zeigen, dass es bei der Adsorption von Monokieselsäure an Gibbsit zu einer signifikanten Si Isotopenfraktionierung kommt, wobei die leichten Si Isotope bevorzugt adsorbiert werden. Die bestimmten Si Isotopenfraktionierungsfaktoren sind stark abhängig von der initialen Si Konzentration. Die initiale kinetische Si Isotopensignatur zeigt Anzeichen einer Reequilibrierung erst nach ca. zwei Monaten Versuchsdauer. Weiterhin wurde die Si Isotopenzusammensetzung von natürlichen Proben und der Zusammenhang zwischen der Si Isotopensignatur und Bodenbildungsprozessen in unterschiedlichen Verwitterungsregimen untersucht. Resultate der Si Isotopenmessungen der amorphen Si Fraktion und der Tonfraktion von Böden und Saprolit zeigen, dass es einen starken Zusammenhang zwischen der Si Isotopenzusammensetzung dieser Phasen und der Verweilzeit im Regolith in den unterschiedlichen Verwitterungsregimen gibt. Längere Regolith--Verweilzeiten führen zu niedrigeren 30Si/28Si Verhältnissen in den sekundär gebildeten Si Ausfällungen. Ein Isotopen--Massenbilanzmodel zeigt, dass das Verhältnis von partikulären Export von Si enthalten in sekundären Phasen zu dem Import von gelösten Si in die Verwitterungszone ansteigt, wenn die Regolith--Verweilzeit abnimmt. Dieser Wechsel wird in den 30Si/28Si Verhältnissen der sekundär gebildeten Si Ausfällungen abgebildet.