近日，西安交通大学全球环境变化研究院张瑞博士生、张海伟教授、程海教授等在地学领域Nature Index期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》上发表了研究论文，题为：Dual pathways of aragonite-to-calcite transformation in stalagmites: Implications for paleoclimate reconstructions。该研究揭示了石笋中文石转变为方解石的两种不同过程及其对古气候重建的潜在影响，为判别文石-方解石型石笋是否能用于古气候研究提供了重要参考。
石笋作为重建古气候的重要地质载体，其主要矿物有方解石（calcite）和文石（aragonite）两种。石笋中文石向方解石的转变是一个常见但复杂的现象，通常受到形成环境和后期水文气候变化的影响。正确判别石笋中文石到方解石的转变类型及其地球化学指标的变化，对于评估文石-方解石型石笋能否用于古气候重建及其指标的可靠性具有重要意义。
本研究对中国江西省神农宫洞穴中的六根文石-方解石石笋样品进行了详细的岩相学和地球化学指标分析。研究表明，这些石笋中存在两种不同的文石转变为方解石的类型：一种是随着气候条件变化文石转变为原生柱状方解石(图1)，另一种是文石经历后期成岩作用转变为次生马赛克方解石(He et al., 2021; Zhang et al., 2014)。这两种类型对石笋地球化学指标和铀系年龄的影响各不相同。
图1 柱状方解石层中原生文石簇的矿物结构(B, C, E)，详细解释请见正文。
图2 文石-柱状方解石石笋铀系年龄结果
（红色为方解石年龄，黑色为文石年龄）
研究结果显示，文石转变为柱状方解石的过程中，尽管地球化学指标（如微量元素比值、δ18O和δ13C）的绝对值有所不同，但其变化趋势仍与文石一致。同时，柱状方解石的年龄与等深度的文石年龄相近(图2)，这表明柱状方解石为原生方解石，在进行古气候重建时，可以利用柱状方解石的地球化学指标。然而，对于次生马赛克方解石，由于其地球化学指标和铀系年龄的显著变化，则不适合作为古气候重建的材料。通过对比文石-方解石石笋和纯文石石笋在相同时期内的地球化学记录，进一步确认了柱状方解石的地球化学指标可以用于古气候重建，而且还发现原生柱状方解石沉积受气候的干湿交替影响(图3)。
图3 原生文石石笋记录（灰色）与文石-柱状方解石记录对比
（黑色：文石层；彩色：柱状方解石层）
（Ar：文石；Cc：方解石）
该研究为如何区分原生和次生方解石提供了可靠的判断证据，为评估文石-方解石型石笋能否用于古气候重建提供了重要的科学依据。该研究得到国家自然科学基金项目(42261144753、42488201和41972186)和西安交通大学青年拔尖人才项目的共同资助。
论文信息：Rui Zhang, Haiwei Zhang*, Christoph Spötl, Hai Cheng, Yanjun Cai, Carlos Pérez-Mejías, Xiyu Dong, Lijuan Sha, Youwei Li, Liangcheng Tan, Jingjie Zang, Xunlin Yang, Miaomiao Wang, Jiayu Lu, Youfeng Ning. 2024. Dual pathways of aragonite-to-calcite transformation in stalagmites: implications for paleoclimate reconstructions. Geochim. Cosmochim. Acta, 378, 45-57. https://doi.org/10.1016/j.gca.2024.06.003
相关论文：
Zhang, H., Cai, Y., Tan, L., Qin, S., An, Z., 2014. Stable isotope composition alteration produced by the aragonite-to-calcite transformation in speleothems and implications for paleoclimate reconstructions. Sediment. Geol. 309, 1–14.
He, M., Cai, Y., Zhang, H., Xue, G., Cheng, X., Lu, Y., Wang, G., Qin, X., Ma, L., Wei, Y., Huang, S., Chang, H., Yan, H., 2021. The impact and implications of aragonite-to-calcite transformation on speleothem trace element composition. Sediment. Geol. 425, 106010.
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