碳酸盐矿物的稳定同位素组成是重建过去气候环境条件的重要地球化学指标。然而，由于形成过程机制的复杂性，碳酸盐沉淀后其同位素组成可能无法与周围环境达到同位素平衡，这使得它们的同位素组成在指示气候环境条件时存在不确定性。碳酸盐同位素如碳、氧同位素(δ13C和δ18O)和团簇同位素(Δ47)的不平衡可源于溶解无机碳(dissolved inorganic carbon, DIC)溶液的不平衡。然而，在碳酸盐沉淀过程中也可能存在同位素不平衡现象，即使DIC离子(如碳酸氢根或碳酸根)在沉淀前已与流体达到同位素平衡。目前对在DIC离子沉淀为碳酸盐的过程中涉及的δ13C、δ18O和Δ47的动力学分馏机理还缺乏明确的认识，而深入理解这些分馏机理将有利于更准确地利用这些同位素组成进行气候环境演变记录的重建。
近日，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副研究员、邓文峰研究员和韦刚健研究员通过碳酸钡沉淀实验手段(图1)对DIC与碳酸钡晶体之间的δ13C、δ18O和Δ47的分馏特征进行准确的限定，揭示了在碳酸钡快速沉淀过程中δ13C、δ18O和Δ47动力学分馏现象。研究结果获得了以下主要认识：(1)在碳酸氢根溶液中快速沉淀可使得碳酸盐的δ13C、δ18O和Δ47值偏负，这种偏负特征反映了DIC与碳酸盐晶体之间最大程度的动力学同位素分馏效应，而且在低温条件下这种偏负程度更加显著;(2)在碳酸盐沉淀过程中，阳离子与不同DIC离子键合时存在偏好性，其中碳酸根比碳酸氢根更容易与阳离子发生沉淀;(3)在15oC–60oC温度和8.3–11.5pH范围内，快速沉淀使得碳酸盐δ18O和Δ47的分馏表现出显著的相关性(图2)，这些分馏方向和程度与一些快速生长的自然碳酸盐(如冷泉碳酸盐、蚀变方解石胶结物和特定种属的软体动物壳体等)的同位素特征相符。这表明这种分馏关系有可能用于校正因生长速率导致的δ18O和Δ47不平衡现象。该研究结果冲击了现有关于自然碳酸盐δ13C、δ18O和Δ47不平衡分馏现象的解释，对进一步构建更全面的同位素不平衡分馏模型具有重要贡献。
本研究受国家自然科学基金项目和南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)人才团队引进重大专项项目的联合资助，成果近期发表在国际期刊Geochemistry, Geophysics, Geosystems上。
图1 碳酸钡快速沉淀实验设计
图2 不同分馏机理下的δ18O和Δ47的分馏关系
