Nickel isotope fractionation during adsorption on the calcite surface and coprecipitation with calcite

Les compositions chimiques et isotopiques traces des métaux de traces dans la calcite sont à la base de la plupart des reconstructions de températures passées, de CO2 atmosphérique et de pH océanique. Les compositions isotopiques des métaux divalents incorporées dans la structure de calcite ont également la capacité d'enregistrer des informations précieuses reflétant les conditions géochimiques de la formation. (Galy et al., 2002; Chang et al., 2004; Beard et al., 2012; Mavromatis et al., 2013; Fantle and Tipper, 2014; Mavromatis et al., 2015; Mavromatis et al., 2019). De plus, comme la répartition à l'équilibre et la cinétique des métaux divalents entre la calcite et le fluide présentent des comportements contrastés, on peut s'attendre à ce que leur composition isotopique dans la calcite présente des tendances distinctes (Schott et al., 2014). Comme la spéciation aqueuse de Ni dépend fortement du pH et de l'alcalinité, la composition isotopique de Ni adsorbée à la surface de la calcite et / ou incorporée dans le réseau de calcite pourrait fournir des informations précieuses sur l'environnement chimique dans lequel ce minéral s'est formé à l'origine. Pour calibrer cet outil potentiellement utile, des expériences ont été effectuées à 25° C pour déterminer le fractionnement isotopique du Ni pendant 1) l'adsorption de Ni à la surface de la calcite en fonction du pH de la solution (de 7,5 à 8,7) et 2) la coprécipitation de Ni avec de la calcite à pH 6,2, pCO2 = 1 atm en fonction de taux de croissance de la calcite allant de 10-8,2 à 10-7,3 mol m-2 s-1. Les résultats montrent que le facteur de fractionnement à l'équilibre, solution Δ60Nisolid-solution, pour l'adsorption de Ni sur la calcite est égal à -0,49 ± 0,16 et indépendant du pH. Les isotopes de Ni léger sont également incorporés de manière préférentielle dans la calcite pendant sa coprécipitation. L'ampleur du fractionnement isotopique du Ni diminue de -0.3 and -1 lorsque le taux de précipitation de la calcite augmente de 10-8,2 à 10-7,3 mol m-2 s-1. Ce comportement, dû à la forte hydratation de l'ion aqueux Ni2+, peut servir à estimer les taux de précipitation de la calcite et la pCO2 dans les océans du passé.The chemical and isotopic compositions of trace elements in calcite are the basis for most past temperature, atmospheric CO2, and ocean pH paleo reconstructions. The isotope compositions of divalent metals incorporated into the calcite structure also have the ability to record valuable information that reflects the geochemical conditions of formation (Galy et al., 2002; Chang et al., 2004; Beard et al., 2012; Mavromatis et al., 2013; Fantle and Tipper, 2014; Mavromatis et al., 2015; Mavromatis et al., 2019). Moreover, as the equilibrium and kinetic partition of divalent metals between calcite and fluid exhibit contrasting behaviors, it can be expected that their isotope composition in calcite exhibits distinct trends (Schott et al., 2014). Because Ni aqueous speciation strongly depends on fluid pH and alkalinity, the isotopic composition of Ni adsorbed on calcite surface and/or incorporated into the calcite lattice could provide information on the chemical environment in which this mineral originally formed. To calibrate this potentially useful tool, experiments were performed at 25°C to determine Ni isotope fractionation during 1) Ni adsorption on calcite surface as a function of solution pH (from 7.5 to 8.7) and 2) Ni coprecipitation with calcite at pH = 6.2, pCO2 = 1 atm as a function of calcite growth rates (ranging from 10-8.2 to 10-7.3 mol m-2 s-1). Results show that the equilibrium fractionation factor, Δ60Nisolid-solution, for Ni adsorption on calcite is equal to -0.49 ± 0.16‰ and is pH - independent. Light Ni isotopes are also preferentially incorporated in calcite during its coprecipitation. The extent of Ni isotope fractionation decreases from -0.3 to -1 ‰ as the calcite precipitation rate increases from 10-8.2 to 10-7.3 .mol m-2 s-1. This behavior, due to the strong hydration of the Ni2+ aqua ion, may serve to approximate calcite precipitation rates and pCO2 in past oceans