广州地化所: 揭示溶液环境下文石白云石化过程中团簇同位素的热重置机制

碳酸盐团簇同位素（Δ₄₇）具有独特的温度指示特性，在古气候古环境重建研究中占有重要地位。然而，由于地质时期的碳酸盐沉积物容易受成岩蚀变作用的影响，导致其Δ₄₇发生重置而无法准确反映原始碳酸盐沉淀时的环境温度。对此我们有必要理解Δ₄₇如何响应一些关键的成岩蚀变作用如固态重排和重结晶中的同位素效应。剖析这种响应规律或机制一方面有助于我们更好地判断Δ₄₇温度计的可靠性，另一方面也有利于我们应用蚀变碳酸盐样品Δ₄₇来指示成岩温度以及相关的地质过程。

自然成岩蚀变环境导致Δ₄₇重置往往是多种过程的共同作用结果，其中碳酸盐矿物的重结晶反应不仅普遍发生在矿物表面，也经常在矿物内部以溶解-再沉淀的形式进行，然而目前对Δ₄₇如何响应内部重结晶过程还尚未明确，理解其中的作用机制对利用蚀变碳酸盐Δ₄₇重建古温度具有重要意义。对此，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郭炀锐副研究员、孔凯博士等人开展了一系列文石白云石转化实验，聚焦于文石这类极易受后期成岩作用影响的碳酸盐矿物，研究了文石在高温高水岩比条件下转化成白云石过程中氧同位素（δ¹⁸O）和团簇同位素的分馏规律，揭示了文石在溶液环境中重结晶时存在显著的内部水交换作用并导致团簇同位素快速分馏的特征。

该研究获得以下重要认识：1）文石的重结晶过程可发生在矿物内部（图1），即使在外部存在溶液的环境下，内部水与矿物间的同位素交换作用因体系的封闭性仅导致微小的δ¹⁸O变化但却可产生显著的Δ₄₇重置（图2）；2）文石内部水交换作用，可视为亚微米尺度下的重结晶（溶解-再沉淀），其在高温下导致Δ₄₇的快速变化有别于固态重排效应，其联合外部溶液的重结晶作用共同决定了碳酸盐δ¹⁸O与Δ₄₇的“非线性”分馏关系（图3）；3）对于仅部分受后期成岩蚀变作用影响（如未与成岩环境达到平衡）的碳酸盐，内部水交换作用将导致这些样品的Δ₄₇温度“无用武之地”，联合氧同位素温度计推导的流体δ¹⁸O值也无法准确指示成岩流体的来源和性质。该研究结果为蚀变碳酸盐团簇同位素的应用敲响了警钟，也预示了未来研究碳酸盐矿物内部水成因及同位素交换反应动力学的重要性。

图1 碳酸盐颗粒与内部水（F_In）和外部水（F_Ex）的交换作用概念模型

图2不同含水比例（MW）下模拟内部水与文石交换作用对同位素分馏的影响

图3 模拟不同实验温度下文石白云石化过程中内部水和外部水交换作用。其中k值表示内部水交换相对于外部水交换作用的重要性，当k值越高意味着在反应进程中内部水交换作用对同位素分馏的影响越重要。

该项研究受国家自然科学基金项目资助，成果近期发表在国际重要地学期刊《Chemical Geology》上。

论文信息：Guo, Y.*（郭炀锐）, Kong, K.（孔凯）, Liu, X.（刘熙）, Deng, W.（邓文峰）, Wei, G.（韦刚健）, 2024. Fluid-mediated exchange reaction induces clumped isotope resetting: Insights from aragonite dolomitization experiments. Chemical Geology: 122036.

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