碳酸鹽團(tuán)簇同位素（Δ47）具有獨(dú)特的溫度指示特性，在古氣候古環(huán)境重建研究中占有重要地位。然而，由于地質(zhì)時(shí)期的碳酸鹽沉積物容易受成巖蝕變作用的影響，導(dǎo)致其Δ47發(fā)生重置而無法準(zhǔn)確反映原始碳酸鹽沉淀時(shí)的環(huán)境溫度。對(duì)此我們有必要理解Δ47如何響應(yīng)一些關(guān)鍵的成巖蝕變作用如固態(tài)重排和重結(jié)晶中的同位素效應(yīng)。剖析這種響應(yīng)規(guī)律或機(jī)制一方面有助于我們更好地判斷Δ47溫度計(jì)的可靠性，另一方面也有利于我們應(yīng)用蝕變碳酸鹽樣品Δ47來指示成巖溫度以及相關(guān)的地質(zhì)過程。
自然成巖蝕變環(huán)境導(dǎo)致Δ47重置往往是多種過程的共同作用結(jié)果，其中碳酸鹽礦物的重結(jié)晶反應(yīng)不僅普遍發(fā)生在礦物表面，也經(jīng)常在礦物內(nèi)部以溶解-再沉淀的形式進(jìn)行，然而目前對(duì)Δ47如何響應(yīng)內(nèi)部重結(jié)晶過程還尚未明確，理解其中的作用機(jī)制對(duì)利用蝕變碳酸鹽Δ47重建古溫度具有重要意義。對(duì)此，中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所穩(wěn)定同位素地球化學(xué)學(xué)科組郭煬銳副研究員、孔凱博士等人開展了一系列文石白云石轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，聚焦于文石這類極易受后期成巖作用影響的碳酸鹽礦物，研究了文石在高溫高水巖比條件下轉(zhuǎn)化成白云石過程中氧同位素（δ18O）和團(tuán)簇同位素的分餾規(guī)律，揭示了文石在溶液環(huán)境中重結(jié)晶時(shí)存在顯著的內(nèi)部水交換作用并導(dǎo)致團(tuán)簇同位素快速分餾的特征。
該研究獲得以下重要認(rèn)識(shí)：1）文石的重結(jié)晶過程可發(fā)生在礦物內(nèi)部（圖1），即使在外部存在溶液的環(huán)境下，內(nèi)部水與礦物間的同位素交換作用因體系的封閉性僅導(dǎo)致微小的δ18O變化但卻可產(chǎn)生顯著的Δ47重置（圖2）；2）文石內(nèi)部水交換作用，可視為亞微米尺度下的重結(jié)晶（溶解-再沉淀），其在高溫下導(dǎo)致Δ47的快速變化有別于固態(tài)重排效應(yīng)，其聯(lián)合外部溶液的重結(jié)晶作用共同決定了碳酸鹽δ18O與Δ47的“非線性”分餾關(guān)系（圖3）；3）對(duì)于僅部分受后期成巖蝕變作用影響（如未與成巖環(huán)境達(dá)到平衡）的碳酸鹽，內(nèi)部水交換作用將導(dǎo)致這些樣品的Δ47溫度“無用武之地”，聯(lián)合氧同位素溫度計(jì)推導(dǎo)的流體δ18O值也無法準(zhǔn)確指示成巖流體的來源和性質(zhì)。該研究結(jié)果為蝕變碳酸鹽團(tuán)簇同位素的應(yīng)用敲響了警鐘，也預(yù)示了未來研究碳酸鹽礦物內(nèi)部水成因及同位素交換反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的重要性。
圖1 碳酸鹽顆粒與內(nèi)部水（FIn）和外部水（FEx）的交換作用概念模型
圖2不同含水比例（MW）下模擬內(nèi)部水與文石交換作用對(duì)同位素分餾的影響
圖3 模擬不同實(shí)驗(yàn)溫度下文石白云石化過程中內(nèi)部水和外部水交換作用。其中k值表示內(nèi)部水交換相對(duì)于外部水交換作用的重要性，當(dāng)k值越高意味著在反應(yīng)進(jìn)程中內(nèi)部水交換作用對(duì)同位素分餾的影響越重要。
該項(xiàng)研究受國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助，成果近期發(fā)表在國際重要地學(xué)期刊《Chemical Geology》上。
論文信息：Guo, Y.*（郭煬銳）, Kong, K.（孔凱）, Liu, X.（劉熙）, Deng, W.（鄧文峰）, Wei, G.（韋剛?。? 2024. Fluid-mediated exchange reaction induces clumped isotope resetting: Insights from aragonite dolomitization experiments. Chemical Geology: 122036.
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