Molybdenum isotope behaviour in aqueous systems

Abstract

Molybdenum isotopes are used to quantify changes in Earth’s paleoredox conditions but their application relies upon a simplified model in which rivers dominate the ocean input with minor contributions from hydrothermal fluids. The effect of groundwater discharge is rarely considered. This study finds that cold groundwaters (δ98MoGROUNDWATER -0.1‰) are compositionally similar to their host rocks (δ98MoBASALT -0.15‰) whilst hydrothermal waters are enriched in heavy isotopes (δ98MoHYDROTHERMAL +0.2‰ to +1.8‰). Using flux estimates from the literature, the inclusion of these data results in the revaluation of the Mo ocean input from +0.5‰ (just rivers) to +0.35‰ (combined), in the modern day. As a bioessential element, Mo is important in many biogeochemical cycles: especially, as a cofactor in nitrogenase, the most common nitrogen fixing enzyme. Biological fractionations of some 1.5‰ are observed, with light Mo removed from Lake Mývatn by cyanobacterial uptake during an algal bloom. If preserved, these biological fractionations may need to be considered in the interpretation of the sedimentary record. Despite the growing evidence that the vapour-phase - formed through magma degassing and fluid boiling - can selectively concentrate and transport metals, the effects on metal stable isotopes remain poorly understood. For example, Mo isotopes show great variability in ore deposits, some of which is attributed to vapour-phase transport. Here we examine the vapour-phase in four geothermal systems in Iceland; the vapour-phase is always lighter than the brine with enrichment factors of some εV-L -2.9‰. This is an important first step towards understanding the mechanisms behind vapour transport and isotopic effects.

Mólýbden (Mo) samsætur eru oft notaðar til að meta oxunarstig við yfirborð jarðar á ýmsum skeiðum jarðsögunnar. Aðferðin, sem beitt er, byggist á einföldu sjávarlíkani, þar sem styrkur og samsætur Mo í sjó stjórnast fyrst og fremst af árvatni, en jarðhiti á úthafshryggjum hefur til þessa verið talinn hafa lítil áhrif. Þessi rannsókn sýnir að kalt grunnvatn (δ98MoGROUNDWATER -0,1‰) er með svipaða samsætusamsetningu og berggrunnurinn sem það flæðir um (δ98MoBASALT -0,15‰), en jarðhitavatn inniheldur þyngri samsætur (δ98MoHYDROTHERMAL +0,2‰ til +1,8‰). Þessi gögn voru notuð, ásamt áður birtu mati á efnaflutningum til sjávar, til að endurreikna Mo-samsætuhlutföll innflæðis til sjávar við núverandi aðstæður, frá +0,5‰ (árvatn) í +0,35‰ (blanda árvatns og jarðhitavatns). Mólýbden er nauðsynlegt lífverum og hefur því áhrif á næringarefnahringrásina, sér í lagi sem þáttur í nítrógenasa sem er algengasta niturbindandi ensímið. Aðgreining Mo samsæta vegna ljóstillífunar bláþörunga („cyanobacteria”) í Mývatni mældist vera -1,5‰. Þetta er í fyrsta sinn sem þessi aðgreining er mæld í vatnaumhverfi þar sem létta samsætan binst í þörungunum og þunga samsætan verður eftir í vatninu. Nauðsynlegt er að hafa líffræðileg ferli í huga við túlkun og greiningu setlaga, því þessi samsætuaðgreining kann að varðveitast í lögunum. Í jarðhitakerfum myndast gufufasi vegna afgösunar kviku og suðu jarðhitavökva. Þrátt fyrir vísbendingar um að gufufasinn geti safnað í sig málmum og flutt þá, er lítið vitað um áhrif þessa flutnings á stöðugar samsætur málmanna. Til dæmis eru Mo samsætur í málmgrýti mjög breytilegar, en orsökina má að einhverju leyti rekja til þessa flutnings. Samsætuhlutföll mólýbdens í vatns- og gufufasa fjögurra íslenskra jarðhitakerfa voru rannsökuð í þessu verkefni. Samsætur gufufasans (V) reyndust ávallt léttari en jarðhitavökvans (L), og er auðgunin (εV-L) -2,9‰. Þetta er mikilvægt fyrsta skref í átt að skilningi á ferlum þeim sem stjórna gufuflutningum og túlkun á áhrifum flutninganna á samsætur.