河流系统中凝灰岩形成的对比控制因素及其产物：巴西中西部博多奎纳山脉的凝灰岩沉淀系统

《Journal of South American Earth Sciences》：Contrasting controls on tufa formation in fluvial systems and their products: the tufa precipitation system of Serra da Bodoquena (West-Central Brazil)

　　摘要：大陆碳酸盐沉积物，如凝灰岩，是重建第四纪环境变化的重要依据，但其主要成分微晶石的成因仍需进一步研究。本研究探讨了巴西中西部博尼图市附近塞拉达博多克纳山脉及下游平原两个不同河流系统中微晶石的形成过程：一个是流经冲积平原的低能量苏库里河，另一个是以瀑布为特征的高能量米莫索河。研究采用了综合多参数分析方法，包括地理处理、岩石学分析、地球化学分析（XRF、μXRF、XRD）以及稳定同位素分析（δ13C、δ18O、δ15N和δ2H）。研究结果表明，米莫索河中沉淀出的碳酸盐纯度较高，陆源物质含量较低（CaO含量高达51.6%），且具有快速脱气作用形成的典型微晶石形态，如“花椰菜”状和“哑铃”状，其δ13C值约为-8.6‰，反映出有机来源与动力学分馏之间的平衡状态。而苏库里河的沉积物则含有更多的碎屑物质和黏土成分（SiO2含量高达49%，Al2O3含量为15%），其微晶石与细胞外聚合物相关，且轮藻的δ13C值有所升高（高达-4.38‰），表明生物因素的影响更为显著。这些数据表明，地貌是控制碳酸盐沉淀机制的关键因素：米莫索河复杂的地形有助于在瀑布处实现物理化学性的CO2脱气，而苏库里河平坦的地形则有利于在静水环境中通过光合作用驱动的生物化学沉淀过程。该研究证实了微晶石具有本地生成与外来物质的混合起源，并阐明了水动力、生物学和地质学在凝灰岩形成过程中的相互作用。

引言：大陆碳酸盐沉积物是记录环境、气候和生物变化的重要地质档案（Kano等人，2003；Kawai等人，2006）。其中，凝灰岩是在常温淡水环境中由碳酸钙沉淀形成的（Ford和Pedley，1996）。其形成主要受以下基本条件制约：持续的溶解碳酸盐来源，通常来自喀斯特化流域；以及以碳酸钙过饱和为特征的氢化学环境，同时几乎不含碎屑物质污染（Capezzuoli等人，2014）。除了这些基本要求之外，凝灰岩系统的结构还受到地貌环境、水动力能量和生物活动共同影响的调控（Pedley，1990；Capezzuoli等人，2014）。然而，不同文献中对凝灰岩的分类和术语存在差异，从而导致概念上的模糊性。为便于理解，有必要对这些定义和概念进行详细梳理，将广义上的凝灰岩这一岩石类型类别与狭义上的特定结构岩型区分开来。在本研究中，广义上的凝灰岩指的是在富含碳酸氢盐的当地水化学作用下形成的所有淡水碳酸盐相的宏观沉积岩类型类别（Pedley，1990；Ford和Pedley，1996；Boggiani等人，2002；Sallun Filho和Karmann，2007）。在这种通用分类下，凝灰岩作为一种整体岩石类型，包含了多种微相和沉积组分，如团块状结构、未固结微晶石、颗粒状微晶石以及钙化的轮藻。而狭义上的凝灰岩则特指那些在高能量水区及显著地形起伏处形成的坚硬、多孔的原位堆积结构岩型（Pedley，1990；Ford和Pedley，1996；Capezzuoli等人，2014）。在本研究中，这类狭义岩型被进一步细分为苔藓凝灰岩和凝灰岩壳两种类型，前者是指溅水区中苔藓植物表面的碳酸盐覆盖层，后者则表现为致密的结晶层状结构（Pedley，1990；Ford和Pedley，1996）。这两种狭义岩型共同构成了该地区河流地貌中典型的坝体、瀑布等地质构造（Boggiani等人，2002；Sallun Filho和Karmann，2007；Oste等人，2021）。巴西中西部的塞拉达博多克纳山脉是全球最典型的活跃凝灰岩沉淀系统之一，这里的河流流经广阔的前寒武纪碳酸盐高原。该地区的河流水质清澈且富含碳酸氢盐，其水源来自科伦巴群（埃迪卡拉纪）岩石的喀斯特溶蚀作用，这些岩石中含有高浓度的Ca2+和HCO3-离子，正是这些离子使得碳酸盐沉积速率如此之高（Boggiani等人，2002；Sallun Filho和Karmann，2007）。通过对全新世未固结微晶石和化石的放射性碳定年分析，“塞拉达博多克纳地层”的沉积速率约为每100年7.5厘米（Utida，2009）。值得注意的是，这一大规模的喀斯特系统由多个子系统组成，每个子系统都具有独特的地貌和水文特征，进而决定了所形成的碳酸盐产品的性质。这些内部差异体现在现代活跃凝灰岩与已停止活动的沉积物的分布上，后者通常位于较高的地貌位置或废弃的河流段，反映了过去的的水文和气候状况。在这些子系统之中，微晶石既是狭义凝灰岩结构及其相关宏观岩型的主要组成成分，也是其基本的矿物框架，这类宏观岩型还包括团块状结构、未固结微晶石（其特征为圆形的微晶石聚集体）以及钙化的轮藻。除了这些结构化或岩化的形式之外，该系统还主要由颗粒状微晶石构成，它们与有机物一起在河床中积累，形成细粒的河床沉积物。微晶石的形成涉及多种过程，包括从过饱和水中直接化学沉淀、微生物诱导的矿物成核，以及较大晶体的破碎和搬运（Flügel，2010）。因此，微晶石可作为环境和气候条件的敏感指示物（Reid和Macintyre，2000；Dupraz等人，2009）。在古气候学研究中，凝灰岩微晶石中所保存的同位素和地球化学信号为重建过去的环境和水文变化提供了重要依据（Kano等人，2003；Kawai等人，2006）。从经济角度来看，这类沉积物可视为巴西前盐层石油储层的碳酸盐岩的类似物，其中孔隙度、渗透率以及微晶石的晶体形态都是决定储层性质的关键因素（Deville de Periere等人，2011）。此外，凝灰岩沉积物在全球碳循环中也起着重要作用——大气降水及土壤水分会促进基底碳酸盐的大量溶解，释放出自前寒武纪以来就储存在科伦巴群中的碳酸氢根离子。这些离子会一直溶解在水中，直到CO2释放并发生沉淀，从而通过瀑布和急流中的剧烈脱气作用成为大气中CO2的来源（Chen等人，2004；Raymond等人，2013）。尽管凝灰岩具有如此重要的意义，但关于博尼图地区河流中碳酸盐形成的具体机制仍不甚清楚。目前仍存在一个知识空白，即由微生物介导或受物理化学因素控制的原位过程，与外来碎屑微晶石的作用相比，究竟哪种作用更为重要。研究假说认为，微晶石的形成是生物化学、化学和碎屑作用三种过程共同作用的结果，而这三种过程的相对重要性则取决于不同沉积环境的地质和地貌特征。本研究通过对比分析苏库里河和米莫索河这两个差异显著的子系统来解答这些问题。这两个“天然实验室”在地貌和水力能量方面存在显著差异：苏库里河以清澈的河水、较低的坡度和流速为特征，而米莫索河则以浑浊的河水、瀑布以及高能量的急流为主。通过结合岩石学、地球化学和稳定同位素分析方法，本研究旨在明确驱动碳酸盐形成的机制，并分析子系统差异如何影响所观察到的沉积相，从而为更准确的古环境重建提供依据。

地质背景：塞拉达博多克纳地区处于复杂的地质和地貌环境中，这种环境是由前寒武纪基底与上覆显生宙沉积盆地相互作用所形成的（Boggiani等人，2002；Campanha等人，2011）。该地区的主要构造单元是巴拉圭带（新元古代），它被认为是在西冈瓦纳大陆合并过程中形成的向西倾斜的褶皱-逆断层系统（Alvarenga和Trompette，1993；Campanha等人，2011）。

研究方法：研究区域包括巴西中西部南马托格罗索州博尼图市附近的苏库里河和米莫索河（见图1）。苏库里河的样本采集自圣热拉尔多农场（UTM坐标7,649,388S / 544,775W），而米莫索河的样本则采集自米莫萨农场（UTM坐标7,679,709S / 550,283W）。为研究碳酸盐的沉淀机制，共分析了五类材料（见图2），其中包括四种固体成分、四种水柱沉积物以及一种……

地貌分析：空间分析结果显示，福尔莫索河流域是研究区域内的主要集水区。在该流域中，米莫索河流域被视作一个次级流域，而苏库里河流域则是福尔莫索河的微型流域。福尔莫索河流域的面积为1,474平方公里，其排水网络可达第五级。米莫索河次级流域的面积为260平方公里，其排水系统仅达到第三级，且具有不对称的排水特征，下游呈现网格状分布。

讨论：通过整合地貌、岩石学和地球化学数据，研究发现福尔莫索河流域内共存在着两种截然不同却又紧密相关的凝灰岩沉积系统。米莫索河属于高能量河流系统，该地区地形复杂，结构控制明显，有利于形成瀑布状和坝体状的凝灰岩。相比之下，苏库里河则属于低能量河流系统，流经冲积平原，更有利于在静水环境中形成沉积物。

结论：通过研究塞拉达博多克纳地区河流中碳酸盐的成因，本研究表明凝灰岩的形成是区域地貌与微观环境化学条件之间强烈耦合的结果。当地地貌起着至关重要的作用，它决定了水动力边界条件，而这些水动力条件又直接影响了沉积作用和碳酸盐沉淀的主要驱动因素，整个过程极为复杂。

作者贡献说明：Ingrid Maria Geraldino：负责原文撰写——初稿撰写、方法设计、研究实施、正式分析、概念构建。Anelize Manuela Bahniuk Rumbelsperger：负责原文撰写——审阅与编辑、结果验证、研究监督、资源协调、项目管理、资金申请、数据整理、概念构建。Larissa da Rocha Santos：负责原文撰写——审阅与编辑、研究监督、研究实施、数据整理、概念构建。Adelita Carolina Rodrigues：负责原文撰写——审阅与编辑、结果验证、研究实施。

未引用参考文献：Della Porta等人，2015；Merz，1992；Moore和Reynolds Jr，1997；Riding和Awramik，2000；Riding，2006。

利益冲突声明：? 作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢：本研究得到了GeoQI项目（项目编号23075.039121/2022-97）的支持，该项目是由巴拉那联邦大学LAMIR研究所与巴西国家石油公司之间开展的科学研究合作项目，相关研发工作遵循巴西国家石油、天然气和生物燃料局的规定。作者感谢巴拉那联邦大学及该校地质学研究生项目所提供的机构支持和基础设施保障。同时，我们也感谢巴拉那联邦大学地质系下属的矿物与岩石分析实验室提供的帮助。

Ingrid Maria Geraldino|Adelita Carolina Rodrigues|Larissa da Rocha Santos|Anelize Manuela Bahniuk Rumbelsperger
巴拉那联邦大学地质系矿物与岩石分析实验室（LAMIR研究所），巴西巴拉那州库里蒂巴市