碳酸鹽礦物的穩定同位素組成是重建過去氣候環境條件的重要地球化學指標。然而，由于形成過程機制的復雜性，碳酸鹽沉淀后其同位素組成可能無法與周圍環境達到同位素平衡，這使得它們的同位素組成在指示氣候環境條件時存在不確定性。碳酸鹽同位素如碳、氧同位素(δ13C和δ18O)和團簇同位素(Δ47)的不平衡可源于溶解無機碳(dissolved inorganic carbon, DIC)溶液的不平衡。然而，在碳酸鹽沉淀過程中也可能存在同位素不平衡現象，即使DIC離子(如碳酸氫根或碳酸根)在沉淀前已與流體達到同位素平衡。目前對在DIC離子沉淀為碳酸鹽的過程中涉及的δ13C、δ18O和Δ47的動力學分餾機理還缺乏明確的認識，而深入理解這些分餾機理將有利于更準確地利用這些同位素組成進行氣候環境演變記錄的重建。

近日，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副研究員、鄧文峰研究員和韋剛健研究員通過碳酸鋇沉淀實驗手段(圖1)對DIC與碳酸鋇晶體之間的δ13C、δ18O和Δ47的分餾特征進行準確的限定，揭示了在碳酸鋇快速沉淀過程中δ13C、δ18O和Δ47動力學分餾現象。研究結果獲得了以下主要認識：(1)在碳酸氫根溶液中快速沉淀可使得碳酸鹽的δ13C、δ18O和Δ47值偏負，這種偏負特征反映了DIC與碳酸鹽晶體之間最大程度的動力學同位素分餾效應，而且在低溫條件下這種偏負程度更加顯著;(2)在碳酸鹽沉淀過程中，陽離子與不同DIC離子鍵合時存在偏好性，其中碳酸根比碳酸氫根更容易與陽離子發生沉淀;(3)在15oC–60oC溫度和8.3–11.5pH范圍內，快速沉淀使得碳酸鹽δ18O和Δ47的分餾表現出顯著的相關性(圖2)，這些分餾方向和程度與一些快速生長的自然碳酸鹽(如冷泉碳酸鹽、蝕變方解石膠結物和特定種屬的軟體動物殼體等)的同位素特征相符。這表明這種分餾關系有可能用于校正因生長速率導致的δ18O和Δ47不平衡現象。該研究結果沖擊了現有關于自然碳酸鹽δ13C、δ18O和Δ47不平衡分餾現象的解釋，對進一步構建更全面的同位素不平衡分餾模型具有重要貢獻。

本研究受國家自然科學基金項目和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項目的聯合資助，成果近期發表在國際期刊Geochemistry, Geophysics, Geosystems上。
 

圖1 碳酸鋇快速沉淀實驗設計
 

圖2 不同分餾機理下的δ18O和Δ47的分餾關系