广州地化所、深地科学卓越创新中心在利用团簇同位素技术研究岛礁碳酸盐成岩作用上取得新进展

岛礁碳酸盐是研究热带海洋气候环境演变的重要载体，其中富含的多种元素、同位素地球化学指标可以指示碳酸盐沉积环境的物理化学条件。然而，岛礁碳酸盐成岩蚀变过程可能改造了这些指标指示的原始信息。因此，我们需要识别岛礁碳酸盐的成岩环境和成因机制，从而更精准地评估岛礁碳酸盐在重建气候环境演变记录上的有效性。在以往研究中应用常规氧同位素温度计指示成岩温度时往往会受到成岩流体氧同位素组成(δ18O)的影响，而近年来不断发展的碳酸盐团簇同位素(clumped isotope，以Δ47值量化表示)温度计在指示温度时无需假设成岩流体的δ18O值。而联合这两种温度计可以在获得更准确的礁体成岩环境温度的同时也推导出成岩流体的δ18O值。这些信息可用于评估碳酸盐如次生方解石和白云石的形成环境和成因机制。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博士后、邓文峰研究员等和中国科学院南海研究所颜文研究员等人基于南沙群岛美济礁长达1千米的南科1井岩芯样本进行了相关的元素、同位素地球化学分析，结果获得了以下主要认识：

1)美济礁在过去约23 Ma里经历了至少两次礁体暴露于海平面之上的事件，对应深度的碳酸盐碳、氧同位素组成呈现显著的相关性，指示了明显的早期淡水成岩蚀变作用(图1);

图1 不同深度碳酸盐碳氧同位素组成特征

2)美济礁中部约128到540米之间整体发育有纯度较高的白云石，有序度在0.3-0.6之间。岩相分析表明，这些白云石主要为交代和胶结成因，联合碳酸盐δ18O和Δ47温度计获得流体δ18O值表明，这些白云石是在接近现代海水环境条件下的蚀变产物(图2);

图2 南科1井岩芯碳酸盐矿物成分、有序度和同位素地球化学组成

3)通过美济礁碳酸盐Δ47温度与海水垂向温度剖面对比分析，大部分成岩蚀变过程(方解石化、白云石化等)很可能发生在海平面以下约200米的水深范围以内(图3)。整个岩芯的Δ47值虽然记录了礁体早期成岩蚀变的温度，但依然反映了地表热带气候环境温度条件。

本研究利用团簇同位素技术，对成岩蚀变温度和成岩流体组成提供了有效的制约，为美济礁的成岩蚀变建立了基本环境框架，为进一步解析热带海岛白云石的成因和成岩模式提供了依据。

图3 团簇同位素温度与现代海水温度对比

该项研究受国家自然科学基金项目、中科院先导专项、国家重点研发计划和南方海洋科学与工程广东省实验室重大专项团队项目等联合资助，成果发表在《Marine Geology》上。