島礁碳酸鹽是研究熱帶海洋氣候環境演變的重要載體，其中富含的多種元素、同位素地球化學指標可以指示碳酸鹽沉積環境的物理化學條件。然而，島礁碳酸鹽成巖蝕變過程可能改造了這些指標指示的原始信息。因此，我們需要識別島礁碳酸鹽的成巖環境和成因機制，從而更精準地評估島礁碳酸鹽在重建氣候環境演變記錄上的有效性。在以往研究中應用常規氧同位素溫度計指示成巖溫度時往往會受到成巖流體氧同位素組成(δ18O)的影響，而近年來不斷發展的碳酸鹽團簇同位素(clumped isotope，以Δ47值量化表示)溫度計在指示溫度時無需假設成巖流體的δ18O值。而聯合這兩種溫度計可以在獲得更準確的礁體成巖環境溫度的同時也推導出成巖流體的δ18O值。這些信息可用于評估碳酸鹽如次生方解石和白云石的形成環境和成因機制。對此，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郭煬銳博士后、鄧文峰研究員等和中國科學院南海研究所顏文研究員等人基于南沙群島美濟礁長達1千米的南科1井巖芯樣本進行了相關的元素、同位素地球化學分析，結果獲得了以下主要認識：

1)美濟礁在過去約23 Ma里經歷了至少兩次礁體暴露于海平面之上的事件，對應深度的碳酸鹽碳、氧同位素組成呈現顯著的相關性，指示了明顯的早期淡水成巖蝕變作用(圖1);

圖1 不同深度碳酸鹽碳氧同位素組成特征

2)美濟礁中部約128到540米之間整體發育有純度較高的白云石，有序度在0.3-0.6之間。巖相分析表明，這些白云石主要為交代和膠結成因，聯合碳酸鹽δ18O和Δ47溫度計獲得流體δ18O值表明，這些白云石是在接近現代海水環境條件下的蝕變產物(圖2);

圖2 南科1井巖芯碳酸鹽礦物成分、有序度和同位素地球化學組成

3)通過美濟礁碳酸鹽Δ47溫度與海水垂向溫度剖面對比分析，大部分成巖蝕變過程(方解石化、白云石化等)很可能發生在海平面以下約200米的水深范圍以內(圖3)。整個巖芯的Δ47值雖然記錄了礁體早期成巖蝕變的溫度，但依然反映了地表熱帶氣候環境溫度條件。

本研究利用團簇同位素技術，對成巖蝕變溫度和成巖流體組成提供了有效的制約，為美濟礁的成巖蝕變建立了基本環境框架，為進一步解析熱帶海島白云石的成因和成巖模式提供了依據。

圖3 團簇同位素溫度與現代海水溫度對比

該項研究受國家自然科學基金項目、中科院先導專項、國家重點研發計劃和南方海洋科學與工程廣東省實驗室重大專項團隊項目等聯合資助，成果發表在《Marine Geology》上。