憑借碳酸鹽晶格內13C-18O鍵的豐度和其形成溫度之間的特殊相關性，碳酸鹽團簇同位素（clumped isotope,其相對豐度以Δ47值表示）已經成為一種重要的地質溫度計。然而，在實際應用中，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鍵固態重排（solid-state reordering）或者碳酸鹽重結晶的方式發生改變。準確識別碳酸鹽在埋藏過程中可能發生的蝕變及類型對于正確解釋團簇同位素組成、古溫度重建以及盆地的埋藏演化歷史至關重要。盡管基于不同溫度和時間條件下的碳酸鹽加熱實驗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識。
針對這一科學問題，中國科學院廣州地球化學研究所穩定同位素地球化學學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火山群地層作為研究對象，對風火山群沉積物中的碳酸鹽進行團簇同位素分析研究，結合相關動力學分餾模型進行分析，獲得以下認識：
（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，表明風火山群碳酸鹽明顯受到了后期埋藏過程中地熱蝕變的影響。結合不同水巖比條件下的流體氧同位素（δ18OW）與Δ47值對比結果（圖2），進一步表明地熱蝕變發生在極低水巖比條件下的封閉埋藏環境中。
圖1 風火山群團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）結合前人對風火山群進行的熱埋藏歷史研究，分別利用固態重排模型以及重結晶模型對風火山群碳酸鹽經歷的蝕變作用進行了進一步探討。對于固態重排模型，無論是一階近似模型（first-order approximation model）還是反應-擴散模型（reaction-diffusion model），模型預測的Δ47值都普遍高于大部分實測數據（圖3），表明風火山群碳酸鹽受到C-O鍵固態重排作用的影響較小。而對于重結晶模型，大部分實測結果可以和“Pulse + Constant（β = 0.1）”模式下的重結晶模擬結果相匹配（圖4），這表明碳酸鹽在埋藏過程中經歷了速率先上升后隨時間衰減的弱重結晶作用。因此，本研究認為風火山群碳酸鹽在埋藏過程中經歷了微尺度的重結晶作用，部分碳酸鹽不斷與沉積體系內部的痕量水發生溶解-重結晶作用，使得重結晶作用下碳酸鹽的Δ47組成在不同埋藏環境溫度下達到平衡。同時，由于這種重結晶空間尺度較小，使得團簇同位素組成發生改變而碳、氧同位素組成沒有明顯變化。
圖3 一階近似（左）與反應-擴散（右）重排模型
（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境，且未受到后期埋藏蝕變的影響。而本研究的團簇同位素數據、水巖比模型以及重結晶模型結果表明這部分白云石同時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重結晶并與周圍環境溫度達到團簇同位素平衡，最終記錄較高的TΔ47。
該研究受國家自然科學基金、南方海洋科學與工程廣東省實驗室（廣州）人才團隊引進重大專項和廣州地化所所長基金聯合資助，近期發表于國際地學期刊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.
