最近，西安交通大学全球变化研究院贺梅博士和蔡演军教授等人在期刊《Sedimentary Geology》上发表了研究论文，题为：Calcite recrystallization and its impact on speleothem geochemistry。该研究揭示了石笋中方解石重结晶的过程和机制，探究了该过程对地球化学组分的影响，为方解石石笋在古气候的应用提供了新的认识。

石笋是研究过去气候和环境变化重要的载体之一。一些研究发现石笋沉积后可能会发生后期成岩作用，包括文石-方解石转变（Zhang et al., 2014），方解石重结晶（Frisia et al., 2018）。这些过程会改变石笋原生的结构和地球化学组分，进而影响石笋地球化学指标在重建古气候和古环境中的可靠性。此前，研究团队已经对江西神农宫两个部分发生文石-方解石转变的石笋（SN3，SN15）进行了各项分析，并讨论了文石-方解石转变对稳定碳、氧同位素和微量元素的影响（Zhang et al., 2014；He et al., 2021）。然而，石笋中方解石重结晶的过程和机制，及其对地球化学指标的影响仍然不够清晰。

本研究对陕西汉中一个部分发生方解石重结晶的石笋进行了岩相学观察，荧光和地球化学组分分析，发现：（1）在研究石笋中，开放型长柱状方解石重结晶为封闭型长柱状方解石（图1）。在此过程中，颗粒有机物（POM），腐殖酸（FA，HA）被移除，而芳香化合物被保留且吸收进入次生方解石中（图2）；（2）方解石重结晶多种因素影响，包括外源流体化学组分，原生方解石显微构造，以及有机质；（3）重结晶方解石中的稳定同位素（δ¹⁸O，δ¹³C）（图3）和微量元素组分（图4）相对于原生方解石均发生了改变，其变化主要取决于外源流体的组分，研究石笋的方解石重结晶发生于开放的地球化学体系中，而且在不同的重结晶阶段，外源流体对次生方解石微量元素组分（Mg，Sr）的影响程度不同。

因此，研究组认为，由封闭型长柱状方解石组成的石笋很可能经历了重结晶过程，它的地球化学指标记录了重结晶时反应流体的组分；在古气候研究中，应该谨慎使用由无包裹体的长柱状方解石组成的石笋；对于判定石笋后期成岩作用的地球化学体系，应考虑反应流体的来源和母源物质的贡献度。

图1石笋DDH-Z-2的光学显微镜图片

图2原生和次生方解石的荧光强度和有机质分布图

     图3沿生长轴方向，比较DDH-Z-2石笋中原生方解石（绿线）和次生方解石（紫线）δ¹³C和δ¹⁸O值。

 图4石笋DDH-Z-2的Mg/Ca（A）和Sr/Ca（B）分布图。

该成果受国家自然科学基金委（42130503和42488201）、中国科学院战略性先导科技专项（XDB40010203）、西安交通大学青年人才支持计划项目的资助。

论文信息

He, M., Cai, Y., Zhao, X., Xue, G., Lu, Y., Cheng, X., et al., 2024. Calcite recrystallization and its impact on speleothem geochemistry.Sediment. Geol. 470,106725.

相关论文

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.

Frisia, S., Borsato, A., Hellstrom, J., 2018. High spatial resolution investigation of nucleation, growth and early diagenesis in speleothems as exemplar for sedimentary carbonates. Earth Sci. Rev. 178, 68-91.

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.