2021年7月12日上午9:00~10:30，南京大学李伟强教授在行星中心学术报告厅做了《白云岩Mg同位素研究：进展、争议与展望》的报告。

白云岩是重要的碳酸盐岩油气储层，其成因机制是一个悬而未决的“谜团”，是地质学家关注的重要热点之一。白云岩在前寒武纪和古生代地层中十分普遍，但是在Mg/Ca过饱和的现代海水中却十分罕见。在常温常压的实验条件下，几乎不能通过无机沉淀的方式合成白云石。

显生宙以来，海水的化学成分在“方解石海”和“文石海”之间相互转变，而白云石在其中扮演了重要的作用。海水的Mg/Ca比值与白云石的含量之间存在周期性的变化。Mg是构成白云石的主要元素，与白云岩的成因本质密切相关。因此，李伟强教授认为白云岩的Mg同位素组成可以反映海水的化学变化，Mg同位素地球化学是解决白云岩问题的重要手段之一。

白云石含量与海水化学成分协同变化

在白云石沉淀过程中Mg同位素会发生同位素分馏，其分馏尺度可能受控于温度、矿物生长速度、生物作用、海水化学成分等多种因素。目前对白云石形成过程中Mg同位素分馏的研究手段主要包括理论计算、实际观测和实验模拟等三种。在热液条件下，白云石的合成十分普遍，为探讨这一过程中Mg同位素分馏机制，李伟强教授团队设计了一系列条件实验：（1）分别以文石、方解石和三水菱镁矿为初始反应物，通过Mg、Ca离子交换的方式形成白云石；（2）以²⁵Mg作为地球化学示踪剂，探讨白云石重结晶过程中的Mg同位素分馏。结果发现，△²⁶Mg_dolo-aq随着反应时间增长而增大，但与白云石的合成路径无关。通过实验得到了一个高精度的Mg同位素分馏系数与温度的函数：△²⁶Mg_dolo-aq = 0.1554 (±0.0096) × 10⁶/T²。通过这一关系，推断出显生宙以来白云石与海水的△²⁶Mg_dolo-aq约为1.9‰。

△²⁶Mg_dolo-aq与温度的关系

白云岩的Mg同位素可能与埋藏变质作用、热液交代作用、早期成岩作用以及同期海水化学成分等因素有关。以江苏宜兴剖面为例，白云石的δ²⁶Mg比方解石稳定，可以用以记录原岩的Mg同位素信号。以塔里木盆地奥陶纪白云岩为例，热液蚀变过程中流体并不能改造白云岩的Mg同位素组成，反过来白云岩影响热液的Mg同位素组成。以色列中部Shoresh白云岩记录了不同程度的早期成岩作用。白云石重结晶程度越高，有序度越高，Sr含量越低。白云石的δ²⁶Mg变化很大，但与成岩作用程度不存在相关性。以以色列南部MG碳酸盐岩地块为例，发现白云岩可以记录同时期海水的Mg同位素组成。以上这些研究表明白云石Mg同位素具有较高的稳健性，白云石形成以后，埋藏变质作用、热液交代作用、早期成岩作用均难以改变其Mg同位素组成。

显生宙以来海水的Mg同位素变化

白云岩Mg同位素可以记录盆地尺度的局限-封闭事件。在二叠纪末，发生了地球历史上最大的生物灭绝事件，大约有81%的海洋生物灭绝。这次灭绝事件破坏了长达2亿年之久的海洋生态系统。前人已提出诸多假说来解释此次灭绝事件，比如大陆风化增强、全球变暖、海洋酸化、西伯利亚大火山岩省的爆发等等。这次重大的生物灭绝事件同时在海洋沉积物中保留了元素和同位素证据。经典的研究表明在P-T交界点存在明显的δ¹³C值负漂和δ¹³O负漂现象。李伟强教授团队发现白云石的δ²⁶Mg在P-T边界变化很大，且与δ¹³C存在耦合关系。这是由于在相对封闭的海洋生态系统中，白云岩化强度增加，δ²⁶Mg明显变化。在此基础上，提出了P-T生物灭绝事件的新假说，即古特提斯洋在二叠纪末经历过短暂的封闭事件，洋流循环被阻断，生态系统脆弱性增强，海水缺氧硫化并诱发生物灭绝。与传统的CHONS等稳定同位素相比，金属稳定同位素的发展尚处于初级阶段，将在更多的领域大有作为，具有十分广泛的应用前景。

晚二叠-三叠纪的白云岩Mg同位素记录

来自行星中心、地球科学学院、地球物理学院、沉积院等的师生参加了本次报告。李伟强教授的报告内容丰富，通俗易懂，系统阐述了白云石中Mg同位素的研究进展，引起了大家深入的讨论。这是第15期行星科学报告会。