斯洛文尼亚中部的白云石化驱动的喀斯特作用与洞穴形成：矿物学与地球化学研究

《Sedimentary Geology》：Dedolomitization-driven karstification and speleogenesis in Central Slovenia: mineralogical and geochemical insights

白云石岩壁岩石及关联次生白云石风化产物的岩相学、矿物学与地球化学研究表明，中斯洛文尼亚Go?arjevih rupah洞穴系统的风化过程形成了三类典型次生白云石（Type 1-3），其矿物组成、元素分布及稳定同位素特征揭示了风化与溶洞发育、喀斯特化及地貌演化的相互作用机制。风化显著增加了岩石孔隙度和异质性，促进地下溶腔形成与喀斯特景观演化，且受断裂带和层理面控制的水流运移与沉积过程影响显著。气象成因流体主导的近地表风化条件下，δ13C和δ1?O同位素示踪显示有机碳输入和氧化环境特征，而ΣREE+Y及Zr等元素富集表明碎屑物质参与，揭示了风化-沉积耦合机制。

　　在本次研究中，我们聚焦于斯洛文尼亚中部的Mravljetovo brezno v Go?arjevih rupah（MBGR）洞穴系统，分析了白云岩壁岩及其相关脱白云岩的岩石学和地球化学特征。这项研究旨在探讨脱白云岩化对洞穴形成和喀斯特化的影响，并识别出三种与脱白云岩化相关的岩石类型。通过这些分析，我们希望揭示脱白云岩化在喀斯特地貌演变中的作用，以及其对洞穴结构和岩石物理性质的改变。

MBGR洞穴系统是一个典型的喀斯特环境，其形成与复杂的地质过程和水文条件密切相关。洞穴位于斯洛文尼亚西南部，靠近Rovte，地处该地区的地质构造单元中。洞穴系统中的岩石类型和沉积物显示出不同层次的特征，反映了脱白云岩化在不同阶段的演化过程。这些岩石特征不仅影响洞穴的形成，还可能影响喀斯特地貌的进一步发展。此外，脱白云岩化在洞穴系统中起到关键作用，通过改变岩石的异质性和增加其溶解性，促进了洞穴的扩展和喀斯特化过程。

脱白云岩化通常指白云岩转化为碳酸钙的过程，这一现象最早在19世纪末被描述。其基本机制涉及白云岩在高钙离子/镁离子比的水溶液中的溶解，随后由碳酸钙沉淀和取代，从而在母岩中产生特定的微观结构和地球化学变化。此外，脱白云岩化还会改变岩石的孔隙度，促进其在不同环境中的进一步变化。这一过程的驱动因素包括钙和硫酸盐离子的存在，它们可能来源于石膏或硬石膏的溶解，以及硫化物氧化释放的硫酸盐。在某些情况下，脱白云岩化可能与钙-硫酸盐溶解无关，而是由铁白云岩在近地表氧化条件下的不稳定性所驱动。

在实验室条件下，脱白云岩化已被研究，使用高盐度的人工海水在100至200°C的温度范围内进行实验。此外，实验表明脱白云岩化也可以在50°C甚至更低的温度下发生，使用石膏饱和溶液作为研究材料。这些实验条件有助于理解脱白云岩化在不同环境中的作用，以及其对洞穴形成和喀斯特化的影响。

从全球范围来看，脱白云岩化已被记录在许多不同地质单元和环境条件下，包括干旱和湿润气候。这些气候差异在一定程度上影响了钙硫酸盐的可获得性，从而决定了脱白云岩化过程的可行性。脱白云岩化还被记录在从奥陶纪到中新世的岩石中，这表明其在不同地质年代中均有发生。在时间和成岩环境方面，脱白云岩化可能发生在多个阶段，包括浅埋早成岩作用、深埋中成岩作用等。

尽管脱白云岩化在岩石学上可能表现为碳酸钙对白云岩的取代，但这一过程在不同环境中具有不同的特征。例如，在深埋的中成岩条件下，脱白云岩化可能减少岩石的孔隙度，而在近地表的成岩条件下，脱白云岩化则可能增加孔隙度。这种孔隙度的变化可能是由于白云岩溶解和钙硫酸盐溶解共同作用，超过了碳酸钙沉淀的体积。此外，脱白云岩化还会导致岩石结构的异质性，形成不同孔隙度、渗透性和储层质量的区域。

从空间尺度来看，脱白云岩化可能在某些情况下成为洞穴形成的关键因素，即形成足以容纳人类活动的地下空腔。洞穴为研究脱白云岩化提供了独特的环境，因为这些地下环境受到地表侵蚀和风化的影响较小。在洞穴中，脱白云岩化与鬼岩喀斯特化和洞穴形成密切相关，但其在洞穴形成中的具体作用仍然不够明确。

在本次研究中，我们结合了岩石学、矿物学和地球化学方法，对MBGR洞穴中的脱白云岩化现象进行了详细分析。这些方法包括薄片显微镜、阴极发光（CL）、扫描电子显微镜（SEM）图像、X射线衍射（XRD）、微X射线荧光（μXRF）、电子探针（EMPA）和岩石地球化学分析，以及稳定同位素分析。通过这些多学科方法，我们揭示了矿物取代和流体-岩石相互作用如何改变岩石结构，并形成一些特征性的岩石纹理，这些纹理可能用于识别脱白云岩化过程，并促进白云岩景观的洞穴形成和喀斯特化。

MBGR洞穴系统不仅是一个有价值的案例研究，而且是未来研究喀斯特过程和地下水文地球化学动态的重要参考点。洞穴的形成与地表侵蚀和喀斯特化密切相关，而脱白云岩化则可能在这一过程中起到关键作用。脱白云岩化通过改变岩石的物理和化学特性，增加了其溶解性，从而促进了洞穴的扩展和喀斯特地貌的进一步发展。

通过本次研究，我们希望进一步理解脱白云岩化在喀斯特地貌演变中的作用，以及其与洞穴形成之间的关系。此外，我们还希望为未来的喀斯特研究提供新的视角和方法，帮助科学家更好地理解地下岩溶过程及其对地貌的影响。脱白云岩化不仅改变了原始白云岩的结构，还通过增加岩石的异质性和溶解性，促进了洞穴的形成和喀斯特化。这一过程对地下水的流动和储藏也具有重要意义，特别是在喀斯特含水层中。