6月8日，中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）在白云石地質(zhì)成因領(lǐng)域的重要進展發(fā)表在國際著名綜合性學(xué)術(shù)期刊《美國國家科學(xué)院院報》(PNAS)上，題目為Massive formation of early diagenetic dolomite in the Ediacaran ocean: Constraints on the “dolomite problem”（埃迪卡拉紀(jì)海洋大規(guī)模早期成巖白云石的形成:對“白云石之謎”的約束），生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國家重點實驗室博士生常標(biāo)為第一作者，生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國家重點實驗室李超教授、地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室黃俊華教授為共同通訊作者。
白云石是一種含有鈣和鎂的碳酸鹽礦物。實驗表明：在白云石形成過程中，水合效應(yīng)會阻止鎂離子進入白云石結(jié)構(gòu)，使得在地表常溫常壓條件下難以形成白云石。然而，前寒武紀(jì)和古生代海洋沉積記錄中卻包含大規(guī)模的白云石沉積，其形成的白云巖地層厚度經(jīng)常達到數(shù)百米而其分布面積也經(jīng)常超過數(shù)百甚至上千平方公里，這與現(xiàn)代海洋缺乏大規(guī)模白云石沉積形成鮮明對比。因此，這一獨特的白云石地質(zhì)記錄及地球早期海洋大規(guī)模白云石沉積與實驗室合成實驗存在的矛盾被科學(xué)家稱為“白云石之謎”。
為回答“白云石之謎”，地質(zhì)學(xué)家通常認(rèn)為：早期海洋大規(guī)模白云石的形成很可能是由最初海水中沉淀出的方解石或文石等碳酸鈣礦物在漫長的地質(zhì)埋藏過程中，在高溫下（高于100℃）受到熱液或者富鎂流體交代作用（即高溫白云巖化模式）而形成。這一白云石的后期高溫交代形成機制雖然可以解釋“白云石之謎”，但也對地學(xué)界一直以來廣泛使用以碳酸鹽巖為載體的地球化學(xué)指標(biāo)追蹤地球表層環(huán)境歷史演化的努力構(gòu)成了實質(zhì)性的挑戰(zhàn)。
圖1 剖面位置圖
基于目前新興的碳酸鹽團簇同位素測溫技術(shù)，李超教授團隊與黃俊華教授團隊、童金南教授團隊、謝樹成教授團隊、美國加州大學(xué)洛杉磯分校Aradhna Tripati教授團隊、美國加州理工學(xué)院Max Lloyd博士、加州大學(xué)河濱分校Timothy Lyons教授和德國波鴻魯爾大學(xué)Adrian Immenhauser教授合作，對我國長江三峽樟村坪地區(qū)的兩個鉆孔中的距今5億年前的埃迪卡拉紀(jì)陡山陀組（635-551百萬年）沉積跨度超過6300萬年白云巖地層（圖1），開展了高分辨的碳酸鹽團簇同位素溫度研究。
圖2 華南三峽樟村坪地區(qū)鉆孔剖面埃迪卡拉紀(jì)陡山沱組白云巖后期成巖作用評估（A-E）與白云石團簇同位素古溫度（T47）記錄（F）
研究發(fā)現(xiàn)：87%的白云石樣品的團簇同位素溫度低于100 ℃（圖2F，實圈）。由于已知的地質(zhì)改造過程只能導(dǎo)致更高的碳酸鹽團簇同位素溫度值，因此，這一結(jié)果表明陡山陀組沉積了6300萬年的白云石其大部分應(yīng)該形成溫度低于100℃，這顯然不符合地質(zhì)學(xué)家通常認(rèn)為的白云石高溫交代形成機制。研究團隊依據(jù)淺水區(qū)陡山陀組地質(zhì)熱歷史，運用白云石熱動力學(xué)模型又進一步重現(xiàn)了地質(zhì)熱事件對陡山陀組碳酸鹽團簇同位素溫度記錄的影響，模擬發(fā)現(xiàn)地質(zhì)熱事件可能已將最初的陡山陀組白云巖形成的團簇同位素溫度提高了大約42-55℃（圖3），這也就是說幾乎全部研究的陡山陀組白云石應(yīng)該形成于0~60℃（圖2F，虛圈）。因此，該研究碳酸鹽團簇同位素溫度記錄為早期地球海洋大規(guī)模白云石的低溫形成提供了直接的證據(jù)。
圖3 基于淺水區(qū)陡山陀組熱歷史的白云石熱動力學(xué)模型
為了進一步探索埃迪卡拉紀(jì)陡山陀組大規(guī)模白云石低溫形成機制，研究團隊還對這些白云巖樣品開展了稀土元素、流體氧同位素組成分析和顯微巖相學(xué)觀察（圖4）。研究結(jié)果進一步表明：陡山陀組白云巖形成于一個低溫且微生物活躍的海水溶液環(huán)境，這與近年來實驗室和野外觀察所發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)代白云石在微生物及其有機質(zhì)作用下可低溫形成的機制相符（圖5）。
圖4 支撐材料中非常認(rèn)真仔細(xì)的巖心描述
基于這些發(fā)現(xiàn)，研究團隊提出了陡山陀海洋和早期地球海洋大規(guī)模白云石的早期成巖形成機制假說，即地球早期海洋大規(guī)模白云石沉積很可能首先是以方解石、文石、高鎂方解石或者晶格無序的白云石前體的形式從海水或沉積物空隙水中沉淀，隨后在巖石早期形成階段發(fā)生微觀層面上溶解和重結(jié)晶等白云巖化過程，從而形成我們今天觀察到的晶格有序排列的白云石。如果這一形成機制可行，那么困擾地學(xué)界百年的“白云石之謎”很可能代表了早期地球一種特定而廣泛存在的海洋條件，這種條件能導(dǎo)致大規(guī)模早期成巖白云巖的形成。由于早期成巖條件下形成的白云石能夠最大程度記錄了沉積時期的海洋條件，因此，地學(xué)界一直以來廣泛使用以碳酸鹽巖為載體的地球化學(xué)指標(biāo)追蹤地球表層環(huán)境歷史演化的努力是可行的。
圖5 現(xiàn)代和前寒武白云石對比
總體而言，該研究集成的碳酸鹽團簇同位素溫度-元素-同位素-巖石學(xué)證據(jù)證明現(xiàn)代白云石低溫形成機制可以用來解釋早期地球海洋大規(guī)模白云巖的形成。這一發(fā)現(xiàn)不僅為困擾地學(xué)界百年的“白云石之謎”的回答提供了新的解決思路，而且為碳酸鹽指標(biāo)用于地表環(huán)境記錄的合理性和科學(xué)性提供了理論基礎(chǔ)。
來源：中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）官網(wǎng)和 Marine Sedimentology OUC公眾號
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