科研进展

广州地化所、深地科学卓越创新中心在揭示沉积盆地埋藏演化过程中碳酸盐团簇同位素分馏机制研究中取得新进展

  
凭借碳酸盐晶格内13C-18O键的丰度和其形成温度之间的特殊相关性,碳酸盐团簇同位素(clumped isotope,其相对丰度以Δ47值表示)已经成为一种重要的地质温度计。然而,在实际应用中,原始的碳酸盐Δ47组成可能会在沉积盆地的热埋藏过程中以C-O键固态重排(solid-state reordering)或者碳酸盐重结晶的方式发生改变。准确识别碳酸盐在埋藏过程中可能发生的蚀变及类型对于正确解释团簇同位素组成、古温度重建以及盆地的埋藏演化历史至关重要。尽管基于不同温度和时间条件下的碳酸盐加热实验以及热历史重排模型等研究为蚀变类型的识别提供了可能的途径,但只有结合不同埋藏深度下的自然碳酸盐样品的研究,才能对不同时空尺度下Δ47的变化特征和沉积地层的热埋藏和成岩历史有更深入的认识。
针对这一科学问题,中国科学院广州地球化学研究所稳定同位素地球化学学科组博士生孔凯和邓文峰研究员等人选取青藏高原北部可可西里盆地的风火山群地层作为研究对象,对风火山群沉积物中的碳酸盐进行团簇同位素分析研究,结合相关动力学分馏模型进行分析,获得以下认识:
1)沉积样品的Δ47温度(T47))超过了合理的地表温度范围,且随埋藏深度而升高,表明风火山群碳酸盐明显受到了后期埋藏过程中地热蚀变的影响。结合不同水岩比条件下的流体氧同位素(δ18OW)与Δ47值对比结果(图2),进一步表明地热蚀变发生在极低水岩比条件下的封闭埋藏环境中。

图1 风火山群团簇同位素温度随地层厚度演化曲线(红色虚线)

2 AB:流体氧同位素(δ18OWvs团簇同位素温度(TΔ47)

CD:不同水岩交换模型背景下δ18OW vs TΔ47

2)结合前人对风火山群进行的热埋藏历史研究,分别利用固态重排模型以及重结晶模型对风火山群碳酸盐经历的蚀变作用进行了进一步探讨。对于固态重排模型,无论是一阶近似模型(first-order approximation model)还是反应-扩散模型(reaction-diffusion model),模型预测的Δ47值都普遍高于大部分实测数据(图3),表明风火山群碳酸盐受到C-O键固态重排作用的影响较小。而对于重结晶模型,大部分实测结果可以和“Pulse + Constantβ = 0.1)”模式下的重结晶模拟结果相匹配(图4),这表明碳酸盐在埋藏过程中经历了速率先上升后随时间衰减的弱重结晶作用。因此,本研究认为风火山群碳酸盐在埋藏过程中经历了微尺度的重结晶作用,部分碳酸盐不断与沉积体系内部的痕量水发生溶解-重结晶作用,使得重结晶作用下碳酸盐的Δ47组成在不同埋藏环境温度下达到平衡。同时,由于这种重结晶空间尺度较小,使得团簇同位素组成发生改变而碳、氧同位素组成没有明显变化。

图3 一阶近似(左)与反应-扩散(右)重排模型

4 不同重结晶速率背景下的Δ47重结晶模型

3)不同层位的碳酸盐中含有部分白云石,前人解释为形成自早期浅部成岩环境,且未受到后期埋藏蚀变的影响。而本研究的团簇同位素数据、水岩比模型以及重结晶模型结果表明这部分白云石同时受到了早期和晚期蚀变的影响。在晚期埋藏蚀变过程中,白云石在低水岩比的条件下持续重结晶并与周围环境温度达到团簇同位素平衡,最终记录较高的TΔ47
该研究受国家自然科学基金、南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)人才团队引进重大专项和广州地化所所长基金联合资助,近期发表于国际地学期刊Journal of Geophysical Research - Solid Earth。
论文信息:Kong, K., Deng, W., Guo, Y., Jin, C., Liu, Q., & Wei, G. (2021). Thermal alteration history of the Fenghuoshan Group, Hoh Xil Basin, northern Tibetan Plateau: Insights from clumped isotope thermometry. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 126, e2021JB022009.