第七届青年地学论坛

        文石（CaCO₃）是自然界中常见的一种碳酸盐矿物，其既能形成于表生环境下，以洞穴沉积物、某些生物骨骼等形式出现(Gaetani and Cohen, 2006; Morse and Mackenzie, 1990; Wang et al., 2013)，也能在高温高压环境下，由方解石相变而来 (Suito et al., 2001)。自然界中发现的文石，往往含有Sr等杂质元素，而天然形成的菱锶矿（SrCO₃）中也往往含有一定量的Ca元素，这些含杂质的文石碳酸盐构成了天然的SrCaCO₃固溶体，这种固溶体成因及在环境气候中的应用一直被矿物学家和古气候学家所关注 (Casey et al., 1996; Cole et al., 2016; de Villiers et al., 1994; Finch and Allison, 2003, 2007; Ruiz-Hernandez et al., 2010)。
       本文利用活塞-圆筒高温高压装置，在1300 ℃，1.5 GPa的温压条件下，合成了8个文石结构的钙锶碳酸盐固溶体（Sr_xCa_1-xCO₃）。利用电子探针、粉末X射线衍射、拉曼光谱及红外光谱对这8个合成的固溶体样品及纯的文石和菱锶矿进行研究。实验结果表明，8个合成的钙锶碳酸盐固溶体的晶胞参数随着固溶体中Sr含量的增加而线性增加。样品的振动光谱峰值，也随着钙锶碳酸盐固溶体中Sr成分的增加而波数降低。通过本文的振动光谱实验数据，我们重新计算了形成Sr_xCa_1-xCO₃的过剩自由能，研究发现在300 K，Sr含量在0.26 < x < 0.70时，或者在350 K，Sr含量在0.35 < x < 0.60时，SrxCa1-xCO3会处于不稳定状态，而在温度高于400 K时，Sr与Ca能以任意比例形成稳定的碳酸盐固溶体。通过计算文石与海水之间的平衡交换常数，发现计算结果比前人实验数据系统性偏低，表明Sr在海水与文石之间的分异主要受到动力学效应控制。通过理论计算，我们分析了文石型碳酸盐和Sr_xCa_1-xCO₃中的碳、氧同位素平衡分馏因子，计算结果显示，文石中，不同阳离子会显著影响碳氧同位素分馏，随着阳离子质量的增加或者Sr含量的增加，碳、氧同位素分馏β因子（约化配分函数比率）呈线性降低。我们的研究，对于研究同构碳酸盐中同位素分馏具有重要意义。

参考文献:
1.    Casey W. H., Chal L., Navrotsky A. and Rock P. A. (1996a) Thermochemistry of mixing strontianite [SrCO₃(s)] and aragonite [CaCO₃(s)] to form Ca_xSr_1−xCO₃(s) solid solutions. Geochim. Cosmochim. Acta 60, 933-940.
2.    Cole C., Finch A., Hintz C., Hintz K. and Allison N. (2016) Understanding cold bias: Variable response of skeletal Sr/Ca to seawater ρCO₂ in acclimated massive Porites corals. Sci. Rep. 6, 26888.
3.    de Villiers S., Shen G. T. and Nelson B. K. (1994) The SrCa-temperature relationship in coralline aragonite: Influence of variability in (SrCa)_seawater and skeletal growth parameters. Geochim. Cosmochim. Acta 58, 197-208.
4.    Finch A. A. and Allison N. (2003) Strontium in coral aragonite: 2. Sr coordination and the long-term stability of coral environmental records. Geochim. Cosmochim. Acta 67, 4519-4527.
5.    Finch A. A. and Allison N. (2007) Coordination of Sr and Mg in calcite and aragonite. Mineral. Mag. 71, 539-552.
6.    Ruiz-Hernandez S. E., Grau-Crespo R., Ruiz-Salvador A. R. and De Leeuw N. H. (2010) Thermochemistry of strontium incorporation in aragonite from atomistic simulations. Geochim. Cosmochim. Acta 74, 1320-1328.
7.    Suito K., Namba J., Horikawa T., Taniguchi Y., SakuRai N., Kobayashi M., Onodera A., Shimomura O. and Kikegawa T. (2001) Phase relations of CaCO₃ at high pressure and high temperature. Am. Mineral. 86, 997-1002.
 

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