冷泉系统中原生白云石（岩）形成环境的地球化学示踪

The formation mechanism of dolomite is a long-standing problem in sedimentary geology. Sedimentary dolomite is common in seep carbonates, which provides a unique opportunity to understand the formation mechanism of dolomite in the low temperature. Although it has been realized that the sulfate reduction collaborated with anaerobic oxidation of methane promotes dolomite precipitation at cold seeps, the geochemical environment in favor of dolomite precipitation caused by sulfate reduction is still under debate. Thus, this project intends to measure the concentrations and isotopic signatures of carbonate-associated sulfate and authgenic sulfide of dolomites deposited at seeps, to evaluate the role of sulfate reduction reaction in dolomite formation. Trace elements were also studied to indicate redox characteristics. Stable carbon and oxygen isotopic compositions were tested to demonstrate the fluid source. The aim of this project is to determine the geochemistry of sedimentary dolomite formation environment at cold seeps. Overall, the study will provide clues for the formation mechanism of sedimentary dolomite, and make essential contributions to solving “dolomite problem”.

白云岩成因是长期困扰沉积学界的难题。海底冷泉环境广泛并大量发育原生白云石（岩），使得冷泉系统形成的白云石（岩）很有可能成为解决低温白云石成因难题的突破点。尽管已经注意到与甲烷厌氧氧化作用耦合的硫酸盐还原反应对冷泉系统中白云石（岩）的形成有促进作用，但究竟微生物硫酸盐还原反应引起的哪些流体地球化学性质的变化促进了白云石形成仍不清楚，而冷泉系统发育的白云石很好地记录了其形成环境的地球化学信息。因此，本申请项目以冷泉系统中形成的白云石（岩）为研究对象，在沉积岩石学、矿物学基础上，根据高白云石含量冷泉碳酸盐岩中微量硫酸根和自生硫化物的含量及硫同位素组成，结合碳、氧同位素及微量元素特征，揭示冷泉系统中微生物硫酸盐还原作用在白云石形成过程中的作用，探讨冷泉系统中白云石（岩）形成所需要的特殊流体环境的地球化学特征，探索低温原生白云石成因，为解决“白云岩问题”提供参考。

项目研究了海底冷泉环境不同白云石含量的自生碳酸盐岩的岩石学、矿物学及元素和同位素特征，同时选取相同冷泉站位文石和高镁方解石为主的自生碳酸盐岩样品作为对比研究。结果表明冷泉环境白云石是富钙的无序或者有序度非常低的白云石，稳定碳和氧同位素以及微量元素结果说明冷泉白云石与文石和方解石在流体来源上并无显著差异。稀土元素的Ce异常特征显示冷泉白云石也形成于还原环境，但是大部分白云岩的Mo、U含量与同站位高镁方解石或文石样品类似，甚至比高镁方解石或文石样品更低，说明白云石形成于更加封闭的环境，这与白云石含量较高的样品显示了更加致密且不含生物碎屑的岩石学特征类似，说明白云石形成于比文石和高镁方解石深度更大的海底沉积物界面以下。含白云石的冷泉碳酸盐岩具有正Ce异常或者无Ce异常的特征，说明白云石形成于还原环境。含白云石的自生碳酸盐岩的微量硫酸根（CAS），显著低于相同及相邻站位冷泉方解石和文石样品，且CAS含量与自生碳酸盐中镁含量呈显著的负相关，说明低的硫酸根环境更加有利于镁进入碳酸盐的晶格，更加有利于白云石的形成。含白云石的冷泉碳酸盐岩的CAS的δ18O/δ34S值显著高于文石和高镁方解石组成的自生碳酸盐岩的δ18O/δ34S值，反映冷泉白云石发育于甲烷过量的环境。因此，甲烷硫酸盐还原带（SMTZ）下部及以下（包括甲烷生成带）更加有利于白云石的形成。通过三年的研究，项目在冷泉环境中形成的低温白云石的岩石学、矿物学及地球化学特征方面做了大量有益的尝试，在探索冷泉环境白云石形成的有利环境方面取得了原创性的研究成果，对为探索低温原生白云石成因，解决“白云岩问题”提供参考。