石笋是重建过去气候环境变化的重要地质档案，方解石和文石是石笋中最常见的两类碳酸钙矿物。室内实验发现高Mg/Ca比值有利于文石形成，但在天然洞穴环境中，文石和方解石的形成还受到洞穴水文过程、滴水速率、脱气过程和碳酸钙前期沉积等因素共同影响，其具体机制仍有待进一步明确。近日，西安交通大学全球环境变化研究院张海伟教授团队在地学知名 SCI期刊《Chemical Geology》发表题为“Geochemical and hydrological controls on aragonite versus calcite precipitation in speleothems and paleoclimatic implications”的研究论文，系统揭示了洞穴水文过程与地球化学条件共同调控石笋文石和方解石沉积的机制。
研究团队以江西神农宫洞穴为研究对象，开展了连续三年的洞穴环境与滴水地球化学监测，并结合全球洞穴滴水资料，系统分析了滴水Mg/Ca比值、方解石饱和指数（SIcc）、pH、pCO2和滴水速率等多种因素对文石和方解石沉积的影响。结果显示，文石与方解石的形成存在明显阈值效应。文石和方解石的形成受滴水Mg/Ca比值、SIcc及洞穴水文过程共同控制（图1）；当滴水Mg/Ca比值较高且SIcc处于适宜范围时，碳酸钙前期沉积可进一步提高滴水Mg/Ca比值，从而促进文石形成（图2）。
图1 全球洞穴滴水Mg/Ca比值与SIcc关系。洞穴监测资料显示，文石与方解石沉积存在明显阈值效应（灰色与蓝色为方解石沉积点位，红色为文石沉积点位）。
图2 不同洞穴的滴水Mg/Ca比值与SIcc的关系。蓝色和红色箭头分别表示方解石和文石沉积点位中Mg/Ca–SIcc的变化趋势。方解石点位中，Mg/Ca升高通常伴随SIcc升高；而文石点位中，较慢的滴水速率和更充分的洞穴脱气作用增强了碳酸钙前期沉积，使滴水Mg/Ca升高，同时SIcc维持在相对较低水平，从而形成更有利于文石沉积的水化学条件。
研究还发现，洞穴滴水Mg/Ca比值在不同时间尺度上受不同水文过程控制。在季节尺度上，夏秋季有效入渗减少和洞内脱气增强，会显著提高文石沉积点位的滴水Mg/Ca比值；而在年际尺度上，2022–2025年神农宫洞穴滴水Mg/Ca比值总体下降，与区域有效降水（降雨量-蒸发量）增加趋势基本一致，说明滴水Mg/Ca可记录不同时间尺度上的水文气候变化（图3）。
图3 神农宫洞穴滴水Mg/Ca比值与洞穴CO2及气象数据对比。文石沉淀点位D0和D1对夏秋季干旱和有效入渗变化响应更敏感，表现为滴水Mg/Ca比值快速升高；方解石沉淀点位的Mg/Ca变化相对缓和，主要反映补给条件和岩溶水储库的调节作用。
玻璃板现代碳酸钙沉积实验进一步发现，在文石沉积点位，滴水中心更容易形成方解石，而玻璃板边缘区域易形成文石。这表明滴水在玻璃板表面发生迁移和持续脱气后，碳酸钙前期沉积会提高水体Mg/Ca比值，从而促进文石形成。该结果为解释天然石笋中方解石–文石共层现象提供了现代洞穴监测证据（图4）。
图4 神农宫洞穴D1点位玻璃板上方解石和文石的空间分布。滴水撞击中心主要形成方解石，随着水膜向玻璃板边缘迁移，碳酸钙前期沉积逐渐消耗Ca2+，使残余水体Mg/Ca升高，并促进边缘区域文石沉淀。
本研究强调，石笋文石和方解石的形成并非由单一地球化学参数控制，而是滴水Mg/Ca比值、SIcc、pH、滴水速率、洞穴脱气和碳酸钙前期沉积等过程共同作用的结果。该研究深化了对石笋矿物形成机制的认识，为准确解读石笋地球化学信号的古气候意义提供了重要依据。
论文第一作者为西安交通大学全球环境变化研究院博士生张瑞，通讯作者为张海伟教授。合作者包括西安交通大学程海教授、蔡演军教授，奥地利因斯布鲁克大学Christoph Spötl教授，中国科学院地球环境研究所谭亮成研究员，以及瑞士苏黎世联邦理工学院Heather Stoll教授等。该研究得到国家自然科学基金（42261144753、42488201、41972186、42472244）以及西安交通大学青年拔尖人才支持计划和重庆市自然科学基金项目的资助。
原文信息：Zhang, R., Zhang, H*., Spötl, C., Pérez-Mejías, C., Guan, Z., Stoll, H., Cai, Y., Tan, L., Wang, F., Yang, X., Yang, Y., Sha, L., Wang, J., Song, Y., Duan, P., Ning, Y., Cheng, H., 2026. Geochemical and hydrological controls on aragonite versus calcite precipitation in speleothems and paleoclimatic implications. Chemical Geology, 719, 123517.
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2026.123517
