研究发现水动力条件对无机成因的碳酸盐碳同位素组成有重要影响

　　陆地和海洋碳酸盐的碳同位素组成（δ¹³C）被广泛用于重建古生态环境、古大气CO₂浓度、古海洋碳循环过程以及一些极端干旱事件。其原理是水体溶解无机碳（DIC）的δ¹³C值与周围气候环境有关，而碳酸盐很好地记录了DIC的δ¹³C变化。这其中有一个隐含的假设是CaCO₃与DIC的碳同位素分馏（ ）保持不变，与温度、沉积速率、pH和水动力条件变化无关。 

　　目前，学术界对于方解石生长速率对方解石δ¹³C值的影响尚有很大争论。同时，我们在自然界中观察到，的变化范围可达0~4‰。究竟是哪些因素控制着的变化目前尚不清楚。已有研究表明，方解石与溶液的界面上存在一层扩散边界层（DBL）。在DBL内部，溶质的传递只依赖于扩散。DBL的存在减慢了方解石界面与外部溶液的物质传输速率，因此它的厚度对方解石沉淀速率有重要影响：即使是在相同化学组成的水溶液中，由水动力变化导致的DBL厚度不同会造成沉积速率变化达十倍以上。 

　　中科院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室的刘再华研究员团队选取了云南省香格里拉县白水台内生钙华沉积点作为研究对象，发现钙华池内和边石坝收集的方解石的δ¹³C、Mg/Ca及Sr/Ca值存在有规律的锯齿状变化，池子内部的δ¹³C和Mg/Ca值更高，而Sr/Ca值比边石坝低。作者利用溶质传输模型（或者DBL模型）定量说明了以上变化是由于池子内部和边石坝不同的水动力条件所致。池子边石坝高Mg/Ca和低Sr/Ca值是由于池子边石坝流速更快、DBL更薄、方解石沉积速率更快（图1），而边石坝的δ¹³C值更低则是由于DBL更薄导致方解石界面处溶液的pH更高所致。作者认为，白水台的数据支持Romanek et al. (1992)的观点，即方解石沉积速率对方解石与HCO₃^-的碳同位素分馏影响不大。最后，作者通过模型计算，用DBL模型解释了自然界不同水动力沉积环境下（如湖泊、河流和洞穴系统）的变化（图2）。 

　　图1 水动力条件通过影响扩散边界层厚度从而影响方解石沉积速率和界面水化学的示意图

　　图2 外部均匀混合溶液和方解石界面处的水溶液中HCO₃^-的δ¹³C值差异

　　该研究首次提出了水动力条件通过影响扩散边界层（DBL）厚度从而影响方解石的同位素和元素组成这一控制机理。由于DBL在固-液界面普遍存在且厚度变化较大，该理论对于理解自然界和实验室方解石的同位素组成和元素比值有重要指示意义。

　　研究成果近期发表在地学知名刊物Earth and Planetary Science Letters上。中科院地化所晏浩副研究员为论文第一作者兼通讯作者，刘再华研究员为共同通讯作者。该研究得到中国科学院先导战略计划（No. XDB40000000, XDB18010104）以及国家自然科学基金项目（Nos. 41673019, U1612441和41921004）的大力支持。论文链接如下：

　　https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X21001916