郭煬銳等-G-cubed:碳酸鹽沉淀過程中碳、氧和團(tuán)簇同位素的動(dòng)力學(xué)分餾機(jī)理
碳酸鹽礦物的穩(wěn)定同位素組成是重建過去氣候環(huán)境條件的重要地球化學(xué)指標(biāo)。然而,由于形成過程機(jī)制的復(fù)雜性,碳酸鹽沉淀后其同位素組成可能無法與周圍環(huán)境達(dá)到同位素平衡,這使得它們的同位素組成在指示氣候環(huán)境條件時(shí)存在不確定性。碳酸鹽同位素如碳、氧同位素(δ13C和δ18O)和團(tuán)簇同位素(Δ47)的不平衡可源于溶解無機(jī)碳(dissolved inorganic carbon, DIC)溶液的不平衡。然而,在碳酸鹽沉淀過程中也可能存在同位素不平衡現(xiàn)象,即使DIC離子(如碳酸氫根或碳酸根)在沉淀前已與流體達(dá)到同位素平衡。目前對(duì)在DIC離子沉淀為碳酸鹽的過程中涉及的δ13C、δ18O和Δ47的動(dòng)力學(xué)分餾機(jī)理還缺乏明確的認(rèn)識(shí),而深入理解這些分餾機(jī)理將有利于更準(zhǔn)確地利用這些同位素組成進(jìn)行氣候環(huán)境演變記錄的重建。


近日,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、鄧文峰研究員和韋剛健研究員通過碳酸鋇沉淀實(shí)驗(yàn)手段(圖1)對(duì)DIC與碳酸鋇晶體之間的δ13C、δ18O和Δ47的分餾特征進(jìn)行準(zhǔn)確的限定,揭示了在碳酸鋇快速沉淀過程中δ13C、δ18O和Δ47動(dòng)力學(xué)分餾現(xiàn)象。研究結(jié)果獲得了以下主要認(rèn)識(shí):(1)在碳酸氫根溶液中快速沉淀可使得碳酸鹽的δ13C、δ18O和Δ47值偏負(fù),這種偏負(fù)特征反映了DIC與碳酸鹽晶體之間最大程度的動(dòng)力學(xué)同位素分餾效應(yīng),而且在低溫條件下這種偏負(fù)程度更加顯著;(2)在碳酸鹽沉淀過程中,陽離子與不同DIC離子鍵合時(shí)存在偏好性,其中碳酸根比碳酸氫根更容易與陽離子發(fā)生沉淀;(3)在15oC–60oC溫度和8.3–11.5pH范圍內(nèi),快速沉淀使得碳酸鹽δ18O和Δ47的分餾表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性(圖2),這些分餾方向和程度與一些快速生長的自然碳酸鹽(如冷泉碳酸鹽、蝕變方解石膠結(jié)物和特定種屬的軟體動(dòng)物殼體等)的同位素特征相符。這表明這種分餾關(guān)系有可能用于校正因生長速率導(dǎo)致的δ18O和Δ47不平衡現(xiàn)象。該研究結(jié)果沖擊了現(xiàn)有關(guān)于自然碳酸鹽δ13C、δ18O和Δ47不平衡分餾現(xiàn)象的解釋,對(duì)進(jìn)一步構(gòu)建更全面的同位素不平衡分餾模型具有重要貢獻(xiàn)。

圖1 碳酸鋇快速沉淀實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖2 不同分餾機(jī)理下的δ18O和Δ47的分餾關(guān)系
本研究受國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和南方海洋科學(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)項(xiàng)目的聯(lián)合資助,成果近期發(fā)表在國際期刊Geochemistry, Geophysics, Geosystems上。
論文信息:Guo, Y., Deng, W., & Wei, G. (2022). Experimental constraints on clumped isotope fractionation during BaCO3 precipitation. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 23, e2021GC010249.

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