新聞動態(tài)廣州地化所、深地科學(xué)卓越創(chuàng)新中心在揭示沉積盆地埋藏演化過程中碳酸鹽團(tuán)簇同位素分餾機(jī)制研究中取得新進(jìn)展
憑借碳酸鹽晶格內(nèi)13C-18O鍵的豐度和其形成溫度之間的特殊相關(guān)性，碳酸鹽團(tuán)簇同位素（clumped isotope,其相對豐度以Δ47值表示）已經(jīng)成為一種重要的地質(zhì)溫度計(jì)。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，原始的碳酸鹽Δ47組成可能會在沉積盆地的熱埋藏過程中以C-O鍵固態(tài)重排（solid-state reordering）或者碳酸鹽重結(jié)晶的方式發(fā)生改變。準(zhǔn)確識別碳酸鹽在埋藏過程中可能發(fā)生的蝕變及類型對于正確解釋團(tuán)簇同位素組成、古溫度重建以及盆地的埋藏演化歷史至關(guān)重要。盡管基于不同溫度和時(shí)間條件下的碳酸鹽加熱實(shí)驗(yàn)以及熱歷史重排模型等研究為蝕變類型的識別提供了可能的途徑，但只有結(jié)合不同埋藏深度下的自然碳酸鹽樣品的研究，才能對不同時(shí)空尺度下Δ47的變化特征和沉積地層的熱埋藏和成巖歷史有更深入的認(rèn)識。
針對這一科學(xué)問題，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)科組博士生孔凱和鄧文峰研究員等人選取青藏高原北部可可西里盆地的風(fēng)火山群地層作為研究對象，對風(fēng)火山群沉積物中的碳酸鹽進(jìn)行團(tuán)簇同位素分析研究，結(jié)合相關(guān)動力學(xué)分餾模型進(jìn)行分析，獲得以下認(rèn)識：
（1）沉積樣品的Δ47溫度（T(Δ47)）超過了合理的地表溫度范圍，且隨埋藏深度而升高，表明風(fēng)火山群碳酸鹽明顯受到了后期埋藏過程中地?zé)嵛g變的影響。結(jié)合不同水巖比條件下的流體氧同位素（δ18OW）與Δ47值對比結(jié)果（圖2），進(jìn)一步表明地?zé)嵛g變發(fā)生在極低水巖比條件下的封閉埋藏環(huán)境中。
圖1 風(fēng)火山群團(tuán)簇同位素溫度隨地層厚度演化曲線（紅色虛線）
圖2 A和B：流體氧同位素（δ18OW）vs團(tuán)簇同位素溫度(TΔ47)；
C和D：不同水巖交換模型背景下δ18OW vs TΔ47
（2）結(jié)合前人對風(fēng)火山群進(jìn)行的熱埋藏歷史研究，分別利用固態(tài)重排模型以及重結(jié)晶模型對風(fēng)火山群碳酸鹽經(jīng)歷的蝕變作用進(jìn)行了進(jìn)一步探討。對于固態(tài)重排模型，無論是一階近似模型（first-order approximation model）還是反應(yīng)-擴(kuò)散模型（reaction-diffusion model），模型預(yù)測的Δ47值都普遍高于大部分實(shí)測數(shù)據(jù)（圖3），表明風(fēng)火山群碳酸鹽受到C-O鍵固態(tài)重排作用的影響較小。而對于重結(jié)晶模型，大部分實(shí)測結(jié)果可以和“Pulse + Constant（β = 0.1）”模式下的重結(jié)晶模擬結(jié)果相匹配（圖4），這表明碳酸鹽在埋藏過程中經(jīng)歷了速率先上升后隨時(shí)間衰減的弱重結(jié)晶作用。因此，本研究認(rèn)為風(fēng)火山群碳酸鹽在埋藏過程中經(jīng)歷了微尺度的重結(jié)晶作用，部分碳酸鹽不斷與沉積體系內(nèi)部的痕量水發(fā)生溶解-重結(jié)晶作用，使得重結(jié)晶作用下碳酸鹽的Δ47組成在不同埋藏環(huán)境溫度下達(dá)到平衡。同時(shí)，由于這種重結(jié)晶空間尺度較小，使得團(tuán)簇同位素組成發(fā)生改變而碳、氧同位素組成沒有明顯變化。
圖3 一階近似（左）與反應(yīng)-擴(kuò)散（右）重排模型
圖4 不同重結(jié)晶速率背景下的Δ47重結(jié)晶模型
（3）不同層位的碳酸鹽中含有部分白云石，前人解釋為形成自早期淺部成巖環(huán)境，且未受到后期埋藏蝕變的影響。而本研究的團(tuán)簇同位素?cái)?shù)據(jù)、水巖比模型以及重結(jié)晶模型結(jié)果表明這部分白云石同時(shí)受到了早期和晚期蝕變的影響。在晚期埋藏蝕變過程中，白云石在低水巖比的條件下持續(xù)重結(jié)晶并與周圍環(huán)境溫度達(dá)到團(tuán)簇同位素平衡，最終記錄較高的TΔ47。
該研究受國家自然科學(xué)基金（41991325, 41722301, 41973003, 42003001, 42021002）、南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（廣州）人才團(tuán)隊(duì)引進(jìn)重大專項(xiàng)（GML2019ZD0308）和廣州地化所所長基金（2019SZJJ-09）聯(lián)合資助，近期發(fā)表于國際地學(xué)期刊Journal of Geophysical Research - Solid Earth。
論文信息：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.
