陆地和海洋碳酸盐的碳同位素组成（δ¹³C）被广泛用于重建古生态环境、古大气CO₂浓度、古海洋碳循环过程以及一些极端干旱事件，其原理是碳酸盐记录了水体溶解无机碳（DIC）的δ¹³C变化，而DIC的δ¹³C值可以反映气候环境变化。该原理应用的前提是CaCO₃与DIC的碳同位素分馏（ ）保持不变，且与温度、沉积速率、pH和水动力条件等变化无关。

目前，学术界对于方解石生长速率对方解石δ¹³C值的影响尚有很大争论，同时，我们观察到自然界中 的变化范围可达0~4‰，而目前仍不清楚控制 变化的因素。已有研究表明，方解石与溶液的界面上存在一层扩散边界层，它减慢了方解石界面与外部溶液的物质传输速率，因此它的厚度对方解石沉淀速率有重要影响：即使是在相同化学组成的水溶液中，由水动力变化导致的不同扩散边界层厚度会造成沉积速率差异达十倍以上。

中国科学院地球化学研究所刘再华研究员团队通过在云南省香格里拉县白水台内生钙华沉积点开展研究，发现钙华池内和边石坝收集的方解石的δ¹³C、Mg/Ca及Sr/Ca值存在锯齿状变化，且池子内部的δ¹³C和Mg/Ca值更高，而Sr/Ca值比边石坝低，通过溶质传输模型（或者扩散边界层模型）解析认为以上变化是水动力条件所致，池子边石坝流速更快、扩散边界层更薄、方解石沉积速率更快而导致池子边石坝高Mg/Ca和低Sr/Ca值（图1），而边石坝的δ¹³C值更低则是由于DBL更薄导致方解石界面处溶液的pH更高所致。最后，通过模型计算，用扩散边界层模型解释了自然界不同水动力沉积环境下（如湖泊、河流和洞穴系统） 的变化（图2）。该研究结果也表明，沉积速率对方解石与HCO3-的碳同位素分馏影响不大。

图1 水动力条件通过影响扩散边界层厚度从而影响方解石沉积速率和界面水化学的示意图

图2 外部均匀混合溶液和方解石界面处的水溶液中HCO₃^-的δ¹³C值差异

该研究首次提出了水动力条件通过影响扩散边界层（diffusion boundary layer）厚度控制方解石的同位素和元素组成的机理。由于扩散边界层在固-液界面普遍存在且厚度变化较大，该理论对于理解自然界和实验室方解石的同位素组成和元素比值异同有重要指示意义。

研究成果发表在自然指数刊物Earth and Planetary Science Letters上,该研究得到中国科学院先导战略计划以及国家自然科学基金项目的大力支持。

论文信息：Yan Hao^*, Dreybrodt Wolfgang, Bao Huiming, Peng Yongbo , Wei Yu, Ma Song, Mo Bing, Sun Hailong, Liu Zaihua^*. The influence of hydrodynamics on the carbon isotope composition of inorganically precipitated calcite. Earth and Planetary Science Letters, 2021, 565, 116932. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2021.116932.