碳酸鹽團簇同位素（Δ₄₇）具有獨特的溫度指示特性，在古氣候古環(huán)境重建研究中占有重要地位。然而，由于地質時期的碳酸鹽沉積物容易受成巖蝕變作用的影響，導致其Δ₄₇發(fā)生重置而無法準確反映原始碳酸鹽沉淀時的環(huán)境溫度。對此我們有必要理解Δ₄₇如何響應一些關鍵的成巖蝕變作用如固態(tài)重排和重結晶中的同位素效應。剖析這種響應規(guī)律或機制一方面有助于我們更好地判斷Δ₄₇溫度計的可靠性，另一方面也有利于我們應用蝕變碳酸鹽樣品Δ₄₇來指示成巖溫度以及相關的地質過程。

自然成巖蝕變環(huán)境導致Δ₄₇重置往往是多種過程的共同作用結果，其中碳酸鹽礦物的重結晶反應不僅普遍發(fā)生在礦物表面，也經常在礦物內部以溶解-再沉淀的形式進行，然而目前對Δ₄₇如何響應內部重結晶過程還尚未明確，理解其中的作用機制對利用蝕變碳酸鹽Δ₄₇重建古溫度具有重要意義。對此，中國科學院廣州地球化學研究所穩(wěn)定同位素地球化學學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化實驗，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化成白云石過程中氧同位素（δ¹⁸O）和團簇同位素的分餾規(guī)律，揭示了文石在溶液環(huán)境中重結晶時存在顯著的內部水交換作用并導致團簇同位素快速分餾的特征。

該研究獲得以下重要認識：1）文石的重結晶過程可發(fā)生在礦物內部（圖1），即使在外部存在溶液的環(huán)境下，內部水與礦物間的同位素交換作用因體系的封閉性僅導致微小的δ¹⁸O變化但卻可產生顯著的Δ₄₇重置（圖2）；2）文石內部水交換作用，可視為亞微米尺度下的重結晶（溶解-再沉淀），其在高溫下導致Δ₄₇的快速變化有別于固態(tài)重排效應，其聯(lián)合外部溶液的重結晶作用共同決定了碳酸鹽δ¹⁸O與Δ₄₇的“非線性”分餾關系（圖3）；3）對于僅部分受后期成巖蝕變作用影響（如未與成巖環(huán)境達到平衡）的碳酸鹽，內部水交換作用將導致這些樣品的Δ₄₇溫度“無用武之地”，聯(lián)合氧同位素溫度計推導的流體δ¹⁸O值也無法準確指示成巖流體的來源和性質。該研究結果為蝕變碳酸鹽團簇同位素的應用敲響了警鐘，也預示了未來研究碳酸鹽礦物內部水成因及同位素交換反應動力學的重要性。

圖1 碳酸鹽顆粒與內部水（F_In）和外部水（F_Ex）的交換作用概念模型

圖2不同含水比例（MW）下模擬內部水與文石交換作用對同位素分餾的影響

圖3 模擬不同實驗溫度下文石白云石化過程中內部水和外部水交換作用。其中k值表示內部水交換相對于外部水交換作用的重要性，當k值越高意味著在反應進程中內部水交換作用對同位素分餾的影響越重要。

該項研究受國家自然科學基金項目資助，成果近期發(fā)表在國際重要地學期刊《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.（韋剛健）, 2024. Fluid-mediated exchange reaction induces clumped isotope resetting: Insights from aragonite dolomitization experiments. Chemical Geology: 122036.

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