浅水碳酸盐台地的非骨架颗粒和灰泥沉积是海洋地球化学组成和生物地球化学循环的重建主要地质记录，这一应用的关键前提假设是：浅水碳酸盐沉积物与原始沉积环境已达到化学平衡，但该假说尚未被检验。大巴哈马滩（Great Bahama Bank）是世界上最大的（面积>10,000 km2）正在发育的碳酸盐台地，其沉积物主要由非骨架颗粒（鲕粒和球粒）和白色的灰泥（“Whitings”）组成，为本次研究提供了理想的天然样本。“双”团簇同位素该指标在同位素动力学效应（kinetic isotope effects）研究方面展现了巨大的潜力，因此本研究以“双”团簇同位素为主要手段，开展巴哈马现代碳酸盐岩沉积物的化学动力学平衡研究，取得以下认识：
巴哈马现代碳酸盐沉积物Δ48值与海水呈现不平衡状态。不同岩相的平均Δ47-温度相似，且与海水温度一致（图1A）；但与现代海水相比，Δ48值具有明显的不平衡特征，且不同岩相的不平衡特征存在明显差异，即灰泥的Δ48值比海水高，颗粒岩的Δ48值比海水低（图1B和C）。
巴哈马灰泥岩（也称为“whitings”）的Δ48正偏移是浮游生物的光合作用引起的。巴哈马碳酸盐台地的灰泥岩成因存在较大争议，两种主要的成因假说均有可能引起团簇同位素的动力学效应。第一种假说认为，粉尘的“施肥效应”导致浅水浮游藻类光合作用增加，光合作用吸收水体中CO2，导致局部pH和饱和度升高，引起灰泥沉淀。第二种假说认为，台地边缘和斜坡富含溶解无机碳（DIC）的冰冷海水入侵台内温暖水体，引起CO2去气作用，导致pH和饱和度的升高。本研究发现灰泥的Δ48不平衡主要集中在台地内部，向台地边缘减弱，该分布特征难以用冰冷海水入侵成因解释。相反，Δ48不平衡的分布特征与不溶物含量和Fe含量分布特征一致，支持了粉尘携带的Fe元素促进光合作用，增强CO2的吸收，引起pH值升高和碳酸盐过饱和，该过程引起的Δ48的动力学效应被记录在灰泥沉积中（图2）。
图1（A）巴哈马台地现代碳酸盐不同岩相的Δ47值；（B）巴哈马台地现代碳酸盐不同岩相的Δ48值；（C）巴哈马台地现代碳酸盐不同岩相的Δ47和Δ48与理论平衡值对比；（D）巴哈马台地现代碳酸盐不同岩相与骨架颗粒的Δ47和Δ48对比
图2 （A）巴哈马碳酸盐Δ48不平衡的分布特征；（B）巴哈马碳酸盐不溶物含量分布特征；（C）巴哈马碳酸盐Fe含量分布特征
图3（A）巴哈马颗粒岩Δ47和Δ48值与受到硫酸盐还原影响的白云石和方解石对比；（B）和（C）IsoDIC模型在不同pH和DIC浓度的模拟结果与巴哈马颗粒岩Δ47和Δ48不平衡对比
综上，本研究通过对巴哈马现代碳酸盐沉积物的“双”团簇同位素研究，发现了现代碳酸盐非骨架颗粒和灰泥沉积并未与海水达到化学平衡。揭示了碳酸盐台地内部灰泥岩的形成受到光合作用的控制，而非骨架颗粒的形成与硫酸盐还原作用紧密相关。该文章从生物化学动力学角度揭示了非骨架碳酸盐工厂的形成机制，为理解前寒武碳酸盐沉积提供了现代参照。
以上研究成果以“Dual clumped isotopes reveal an out-of-equilibrium state in shallow-water carbonate sediments on Great Bahama Bank”为题，发表在地球科学领域学术期刊Earth and Planetary Science Letters上。太阳成集团tyc151cc卢朝进特任教授为论文第一作者和通讯作者。共同作者包括佛罗里达大学Megan E. Moore博士和迈阿密大学Peter K. Swart教授。本研究得到了国家自然科学基金卓越研究群体项目（42488101），中石化科技部项目（P24246）和德国国家自然科学基金的资助。
论文信息：Lu, C., Moore, M.E. and Swart, P.K. (2025) Dual clumped isotopes reveal an out-of-equilibrium state in shallow-water carbonate sediments on Great Bahama Bank. Earth and Planetary Science Letters, 658, 119322.
文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X25001219
