困扰地学界百年的“白云石之谜”有了新答案

6月8日，中国地质大学（武汉）师生在白云石地质成因领域取得重要进展，相关成果发表于国际著名综合性学术期刊《美国国家科学院院报》，题目为《埃迪卡拉纪海洋大规模早期成岩白云石的形成：对“白云石之谜”的约束》，生物地质与环境地质国家重点实验室博士生常标为第一作者，生物地质与环境地质国家重点实验室李超教授、地质过程与矿产资源国家重点实验室黄俊华教授为共同通讯作者。

白云石是一种含有钙和镁的碳酸盐矿物。实验表明：在白云石形成过程中，水合效应会阻止镁离子进入白云石结构，使得在地表常温常压条件下难以形成白云石。然而，前寒武纪和古生代海洋沉积记录中却包含大规模的白云石沉积，其形成的白云岩地层厚度经常达到数百米而其分布面积也经常超过数百甚至上千平方公里，这与现代海洋缺乏大规模白云石沉积形成鲜明对比。因此，这一独特的白云石地质记录及地球早期海洋大规模白云石沉积与实验室合成实验存在的矛盾被科学家称为“白云石之谜”。

白云石是一种含有钙和镁的碳酸盐矿物。实验表明：在白云石形成过程中，水合效应会阻止镁离子进入白云石结构，使得在地表常温常压条件下难以形成白云石。然而，前寒武纪和古生代海洋沉积记录中却包含大规模的白云石沉积，其形成的白云岩地层厚度经常达到数百米而其分布面积也经常超过数百甚至上千平方公里，这与现代海洋缺乏大规模白云石沉积形成鲜明对比。因此，这一独特的白云石地质记录及地球早期海洋大规模白云石沉积与实验室合成实验存在的矛盾被科学家称为“白云石之谜”。

长江三峡地区五亿年前的埃迪卡拉纪钻孔白云岩岩芯

长江三峡地区五亿年前的埃迪卡拉纪钻孔白云岩岩芯打磨后手标本显示微晶白云岩岩性

为回答“白云石之谜”，地质学家通常认为：早期海洋大规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钙矿物在漫长的地质埋藏过程中，在高温下（>100℃）受到热液或者富镁流体交代作用（即高温白云岩化模式）而形成。这一白云石的后期高温交代形成机制虽然可以解释“白云石之谜”，但也对地学界一直以来广泛使用以碳酸盐岩为载体的地球化学指标追踪地球表层环境历史演化的努力构成了实质性的挑战。

为回答“白云石之谜”，地质学家通常认为：早期海洋大规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钙矿物在漫长的地质埋藏过程中，在高温下（>100℃）受到热液或者富镁流体交代作用（即高温白云岩化模式）而形成。这一白云石的后期高温交代形成机制虽然可以解释“白云石之谜”，但也对地学界一直以来广泛使用以碳酸盐岩为载体的地球化学指标追踪地球表层环境历史演化的努力构成了实质性的挑战。

基于目前新兴的碳酸盐团簇同位素测温技术，李超教授团队与黄俊华教授团队、童金南教授团队、谢树成教授团队、美国加州大学洛杉矶分校AradhnaTripati教授团队、美国加州理工学院MaxLloyd博士、加州大学河滨分校TimothyLyons教授和德国波鸿鲁尔大学AdrianImmenhauser教授合作，对我国长江三峡樟村坪地区的两个钻孔中的距今5亿年前的埃迪卡拉纪陡山陀组（635-551百万年）沉积跨度超过6300万年白云岩地层，开展了高分辨的碳酸盐团簇同位素温度研究。研究发现：87%的白云石样品的团簇同位素温度<100℃（图1F，实圈）。由于已知的地质改造过程只能导致更高的碳酸盐团簇同位素温度值，因此，这一结果表明陡山陀组沉积了6300万年的白云石其大部分应该形成于<100℃，这显然不符合地质学家通常认为的白云石高温交代形成机制。研究团队依据浅水区陡山陀组地质热历史，运用白云石热动力学模型又进一步重现了地质热事件对陡山陀组碳酸盐团簇同位素温度记录的影响，模拟发现地质热事件可能已将最初的陡山陀组白云岩形成的团簇同位素温度提高了大约42-55℃（图2），这也就是说几乎全部研究的陡山陀组白云石应该形成于0~60℃（图1F，虚圈）。因此，该研究碳酸盐团簇同位素温度记录为早期地球海洋大规模白云石的低温形成提供了直接的证据。

图1.华南三峡樟村坪地区钻孔剖面埃迪卡拉纪陡山沱组白云岩后期成岩作用评估（A-E）与白云石团簇同位素古温度（T△47）记录（F）。后期成岩作用评估显示研究钻孔保存了最佳的碳酸盐团簇同位素温度记录。

图2.基于浅水区陡山陀组热历史的白云石热动力学模型（A-C）重现地质热事件对研究钻孔陡山陀组白云石团簇同位素温度（T△47）记录的影响（D）。模拟发现地质热事件可能已将最初的陡山陀组白云岩形成的团簇同位素温度值提高了大约42-55oC。

为了进一步探索埃迪卡拉纪陡山陀组大规模白云石低温形成机制，研究团队还对这些白云岩样品开展了稀土元素、流体氧同位素组成分析和显微岩相学观察。研究结果进一步表明：陡山陀组白云岩形成于一个低温且微生物活跃的海水溶液环境，这与近年来实验室和野外观察所发现的现代白云石在微生物及其有机质作用下可低温形成的机制相符。基于这些发现，研究团队提出了陡山陀海洋和早期地球海洋大规模白云石的早期成岩形成机制假说，即地球早期海洋大规模白云石沉积很可能首先是以方解石、文石、高镁方解石或者晶格无序的白云石前体的形式从海水或沉积物空隙水中沉淀，随后在岩石早期形成阶段发生微观层面上溶解和重结晶等白云岩化过程，从而形成我们今天观察到的晶格有序排列的白云石。如果这一形成机制可行，那么困扰地学界百年的“白云石之谜”很可能代表了早期地球一种特定而广泛存在的海洋条件，这种条件能导致大规模早期成岩白云岩的形成。由于早期成岩条件下形成的白云石能够最大程度记录了沉积时期的海洋条件，因此，地学界一直以来广泛使用以碳酸盐岩为载体的地球化学指标追踪地球表层环境历史演化的努力是可行的。

常标博士在办公室

李超教授在化学实验室做化学分析

黄俊华教授在野外

总体而言，该研究集成的碳酸盐团簇同位素温度-元素-同位素-岩石学证据证明现代白云石低温形成机制可以用来解释早期地球海洋大规模白云岩的形成。这一发现不仅为困扰地学界百年的“白云石之谜”的回答提供了新的解决思路，而且为碳酸盐指标用于地表环境记录的合理性和科学性提供了理论基础。

来源：中国地质大学（武汉）