钙华沉积过程中的钙同位素分馏研究取得新进展

钙华是岩溶区一种常见的次生碳酸钙沉积物，同时也是一种高分辨率的古气候环境载体。由于钙华具有较高的沉积速率(0.1~20mm/a)，使得其重建古气候的分辨率可达年、季尺度。这有利于对突发且持续短的重大气候环境事件(如重大洪水或干旱事件、地震等)和年—百年尺度气候变化的揭露。  

古气候环境的变化可以通过钙华的微层厚度、微量元素比值以及同位素组成记录下来。其中，氧和碳同位素组成是最为常用的气候指代指标。由于影响因素复杂，氧和碳同位素组成都存在指向性模糊的缺点。钙是钙华中除氧和碳以外的另一个主量元素，然而目前却没有关于钙华钙同位素组成控制机理以及气候指代意义的研究。  

中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室刘再华研究员带领的钙华研究小组通过对云南白水台钙华沉积渠道和钙华水池进行系统的监测取样，发现在钙华形成过程中，轻的钙同位素优先沉积下来，导致剩余水体中钙离子的同位素组成变重，从而表现出向下游增大的变化规律，钙华的钙同位素组成也继承了这个规律。由于泉水的钙同位素组成很稳定，因此在白水台地区，沉积水体和钙华的钙同位素组成主要受沉积的钙离子的量控制，也就是说，泉水流到某一地点钙离子浓度的减少量决定了该点水体和钙华的钙同位素组成。前期研究表明，钙离子的减少量与水动力条件有关，因此在白水台地区，钙华的钙同位素组成可用于反映水动力条件的改变。  

此外，研究还发现钙华与沉积水体间钙同位素分馏的大小与沉积速率有关：在渠道系统，沉积较快，两者的钙同位素分馏值约为-1.6‰，在池子系统，沉积较慢，分馏值为-1.2‰左右。这是首次用自然样品证实了沉积速率对碳酸钙沉积时钙同位素分馏有显著影响。通过对数据进行模拟，得到在碳酸钙沉积时钙同位素的平衡和动力分馏常数分别为1.0000 ± 0.0002和0.9983± 0.0002，这与前人实验研究(Tang et al., 2008)和野外研究(Nielsen & DePaolo, 2013)得到的结果一致，这意味着自然界中碳酸钙沉积过程导致的钙同位素分馏在-2~0‰之间。 

相关成果发表在国际权威地球化学杂志《Chemical Geology》上： 

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0009254116300481 

　　                                                          （刘再华课题组 供稿）