新生代岛屿白云岩中多种团簇同位素温度的研究：对白云岩形成机制的探讨

《Sedimentary Geology》：A wide range of clumped isotope temperatures of Cenozoic island dolostones: Perspectives on dolomite formation

研究南中国海Xisha群岛XK-1井中早-中中新世台地碳酸盐岩，发现Δ47同位素测温显示不同深度dolostone形成温度差异显著。其中DI-8L层位因样品矿物混合导致Δ47值（17-34℃）高于合理海水温度范围，而DI-8U至DI-5层位Δ47（11-18℃）与海水δ18O流体值吻合，表明其形成于深海水域。矿物后成作用可能影响测温结果，需谨慎解释原水温度。

　　

李蓉|布莱恩·琼斯|卢超进|常彪|邵雷

中国地质大学地球微生物学与环境变化国家重点实验室，武汉，430074，中国

摘要

新生代岛礁白云岩，如南海中的白云岩，通常由非常细小的（60–200微米长）平面亚晶-自形晶体组成，这些晶体的特征是内部含有脏污的核心，外部包裹着清晰的边缘。尽管这些白云岩在地质上相对年轻，但促进其白云化作用的条件仍存在争议，尤其是在介导白云化的水温方面，这通常是基于稳定同位素和聚集同位素（Δ₄₇）来解释的。然而，Δ₄₇值通常对应着广泛的水温范围（TΔ₄₇），其中许多值显得不切实际地高。在石岛钻探的XK-1井中，下中新统三亚组（DI-8L、DI-8U）和中中新统梅山组（DI-7至DI-5；南海）的白云岩层中含有最初沉积在浅水区（<30米深）的沉积物。来自DI-8L的白云岩的TΔ₄₇值表明它们形成时的水温为17–34°C，而DI-8U至DI-5的白云岩则是在海平面以下不同深度形成的，其形成时的水温为11–18°C。DI-8U至DI-5的白云岩的TΔ₄₇分布和计算出的δ¹⁸O_fluid值与周围海水温度一致。对于靠近海表面形成的DI-8L的白云岩，一些TΔ₄₇值甚至高于赤道海表面温度（25–30°C）。结合岩石学和地球化学数据估算的埋藏温度表明，这些异常高的TΔ₄₇值不能归因于固态重排，而是反映了样品整体分析过程中白云岩内部脏污核心与外部清晰边缘的混合。这些样品的白云石晶缘是在孔隙水逐渐变闭的成岩条件下形成的。研究结果表明，在确定白云岩形成时的原始水温时，应谨慎使用基于聚集同位素得出的温度解释。

引言

为了解决“白云岩问题”，人们通常关注加勒比海（例如，Vahrenkamp和Swart，1994；Jones和Luth，2002；Jones，2005；Zhao和Jones，2012；Ren和Jones，2018；Laya等人，2021）、太平洋（例如，Aharon等人，1987；Hein等人，1992；Wheeler等人，1999；Suzuki等人，2006）以及南海（例如，Wang等人，2018，2019；Na等人，2019；Li等人，2023a，Li等人，2025；Luo等人，2024）中发现的新生代岛礁白云岩厚层。正如Budd（1997）所指出的，由于这些岩石没有深埋，且化学和/或纹理上的叠加作用最小，因此可以合理推断其水文系统、流体化学和温度条件。许多这些白云岩层顶部存在不整合面，这表明白云化作用可能发生在海平面或接近海平面的地方（例如，Vahrenkamp和Swart，1994；Carnell和Wilson，2004；Ren和Jones，2018；Wang等人，2022）。然而，Saller（1984）和Li等人（2023a）认为，一些岛礁白云岩与不整合面没有遗传关系，可能是在海平面以下较深的深度形成的。例如，这些白云岩与马里恩高原（Ehrenberg等人，2006；Veillard等人，2019）和卡迪瓦平台（Laya等人，2025）中形成的白云岩相似。这些不同的观点也质疑了水温在这些新生代岛礁白云岩形成过程中的重要性。

无论采用何种模型，确定介导白云化作用的水温仍然存在问题，因为${\delta }^{18}{O}_{\mathrm{dol}}$得出的温度存在争议，这主要是由于低温下白云石和水之间的¹⁸O/¹⁶O分馏作用存在不确定性（Land，1980；Budd，1997）。然而，有人认为，碳酸盐聚集同位素（定义为Δ₄₇）古温度计提供了白云岩形成温度的独立指标（例如，Ferry等人，2011；Murray和Swart，2017；Chang等人，2020）。

本文评估了西沙群岛XK-1井中早-中中新统白云岩的Δ₄₇温度，以确定它们是否为白云岩的形成提供了实际的温度条件。这一评估包括：（1）与其他地区相似年龄的白云岩单元的温度进行比较；（2）评估可能在海平面以下较深深度发生白云化的西沙浅水层（<30米水深，参见Shao等人，2017）。

地质背景

西沙群岛位于南海（图1A），包括 Xuande群岛和 Yongle群岛（图1B）。Xuande群岛中的Xuande环礁有一个约50米深的潟湖，周围环绕着延伸至约1100米深的陡峭岩壁（图1C）。位于Xuande环礁石岛上的XK-1井（图1D）钻探并取芯至1257.52米深，是南海已知最厚的碳酸盐层（图1E）。该岛是地表...

方法

δ¹⁸O、δ¹³C和Δ₄₇分析数据来自中国地质大学（武汉）对11个白云岩样品（DI-8L中的5个，DI-8U中的3个，DI-7中的1个，DI-6中的1个，DI-5中的1个）的微钻粉末。为了避免次生产物（如孔洞中的陨石胶结物、裂缝中的热液胶结物）的影响，仅选取了具有均匀细粒结构（粒径<200微米）的白云岩样品进行测试，使用手持式碳化物微钻（钻头直径0.7–1.0毫米）进行采样。

结果

本研究直接基于对西沙群岛XK-1井中梅山组（中中新统）和三亚组（下中新统）的最新研究。此处使用的沉积学、矿物学和地球化学数据主要来源于Li等人（2023a，2025）的研究，仅总结最相关的观察结果。

DI-8至DI-5单元中的白云岩主要由平面亚晶-自形、长度为60–200微米的白云石晶体组成...

讨论

假设白云岩样品的聚集同位素组成可以用来重建其原始形成温度的理论认为，这些白云岩是均匀的且没有经历沉积后的改变（Ingalls和Snell，2021；Huntington和Petersen，2023）。然而，新生代岛礁白云岩通常具有分带状的白云石晶体和/或多代白云岩形成过程（例如，Vahrenkamp和Swart，1994；Jones和Luth，2002；Jones，2005；...

结论

对西沙群岛XK-1井中DI-8至DI-5（三亚组和梅山组）白云岩样品的聚集同位素组成进行分析后，得出以下结论：

(1)

DI-8U至DI-5的白云岩显示出11–18°C的TΔ₄₇分布和与周围海水温度一致的δ¹⁸O_fluid值，支持这些白云岩形成于海平面以下较深深度的观点。

(2)

DI-8L的白云岩显示TΔ₄₇值为17–34°C。

作者贡献声明

李蓉：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，研究资助，数据分析，概念构思。布莱恩·琼斯：撰写 – 审稿与编辑。卢超进：方法学。常彪：方法学。邵雷：资源获取，项目管理。

未引用参考文献

Locarnini等人，2024

利益冲突声明

我们声明与提交的工作没有任何可能构成利益冲突的商业或关联利益。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号42172122）的支持。我们感谢国家地球系统数据中心和国家科技基础设施（http://www.geodata.cn）提供的数据支持。同时，我们也感谢两位匿名审稿人和编辑M. Gradzinski博士提出的许多有益建议，这些建议促进了本文的改进。