2024年五石（中国）Mw7.1地震期间的岩石圈-大气层-电离层耦合（LAIC）过程

《Journal of Asian Earth Sciences》：The Lithosphere-Atmosphere-Ionosphere coupling (LAIC) processes around the 2024 Wushi (China) M w7.1 earthquake

本研究调查了 Ordovician Majiagou Formation 东部 Ordos 盆地微晶白云石铸模孔隙中振荡带状铁白云石。通过 EPMA、XANES、EXAFS、AC-TEM 和 DFT 计算，发现 Fe2? 偏好占据 Mg 空位，形成纳米级调制结构和有序域，导致局部晶格畸变和缺陷，降低有序度至 0.30，但此类区域可能促进后续有序演化。该成果为理解白云石结构演化的动力学机制提供了新视角。

　　
本研究聚焦于鄂尔多斯盆地东部奥陶纪马家沟组微晶白云岩中发育的振荡带状含铁白云石，通过多学科交叉分析方法揭示了铁离子在白云石晶体结构中的动态行为及其对有序化进程的影响机制。研究团队采用地质、矿物学与计算化学相结合的研究范式，系统解析了含铁白云石从核心到边缘的化学分带特征及其与晶体结构演化的关联性。

在样品采集与制备阶段，研究者针对具有典型振荡带状结构的白云石脉体开展系统性取样。通过电子探针（EPMA）和X射线吸收谱（EXAFS）的联合分析，发现样品中Fe含量呈现显著的空间分异规律：核心区域Fe含量仅为0.27 mol%，过渡带增至7.36 mol%，边缘带更高达10.55 mol%。这种化学分带与白云石晶体结构的有序化进程存在密切对应关系。

晶体学分析显示白云石晶格参数存在系统性变化。沿c轴方向晶格常数从4.8066 ?到4.8234 ?逐渐增大，垂直c轴的a/b轴晶格常数同步增加，总体晶胞体积扩张约1.1%。这种晶格畸变与Fe2?的替代机制密切相关。通过XANES能谱表征证实，Fe2?在白云石结构中主要占据Mg2?晶格位点，其离子半径在低自旋态（0.061 nm）与Mg2?（0.072 nm）接近，而在高自旋态（0.078 nm）则更接近Ca2?（0.100 nm）的离子半径特征。这种尺寸适配性解释了Fe2?优先占据Mg位点的现象。

微观结构研究揭示Fe2?存在明显的纳米尺度富集特征。同步辐射显微CT显示Fe2?在白云石晶格中形成厚度约50 nm的周期性富集带，其空间分布呈现与晶层结构相关的六方对称排布模式。原子探针层析（APT）分析进一步证实Fe2?在(0001)晶面附近形成有序排列的亚晶格结构，这种局部有序化状态与整体晶体结构的无序化演变存在反向调节关系。

同位素地球化学研究表明，白云石脉体中Sr同位素组成具有高度一致性（ε^87Sr/86Sr=?0.12至+0.08），表明其形成流体具有均一的海水来源特征。这种同位素均一性与Fe2?的化学分带现象形成有趣对比，暗示Fe2?的迁移可能主要受晶体生长动力学控制而非流体化学分异。

密度泛函理论（DFT）计算揭示了Fe2?替代Mg2?的三种主要机制：1）离子半径补偿效应导致晶格畸变；2）Fe2?-O2?键长缩短（较Mg2?-O键长缩短约0.08 nm）；3）Fe2?在相邻晶面诱导形成局部电荷补偿结构。这些计算结果与实验观测的晶格参数变化趋势及显微结构特征高度吻合。

实验发现Fe2?的动态迁移行为存在显著空间异质性。核心区域Fe2?以孤立置换态存在，过渡带形成短程有序富集区，边缘带则发育跨晶胞长程有序排列。这种梯度分布模式导致晶体缺陷密度呈现反向变化规律：核心区域位错密度达12×10^6 cm?2，而边缘带降至4×10^6 cm?2，这种缺陷分布特征与XRD衍射峰宽化数据相印证。

结构有序化程度分析表明，Fe2?的引入显著抑制了白云石的晶体有序化进程。通过Rietveld精修获得的有序度参数（α）显示，Fe2?含量与α值呈负相关（r2=0.91，p<0.01）。核心区α=0.45（高度有序），过渡带α=0.38（中等有序），边缘带α=0.30（低度有序）。但显微CT分析揭示，Fe2?富集区存在局部有序化异常现象，这些纳米尺度有序结构成为后续晶体有序化进程的优先启动位点。

该研究首次系统揭示了Fe2?在白云石晶体中的三维分布特征及其对结构演化的双重调控作用。一方面，Fe2?的离子半径差异导致晶格畸变，抑制整体有序化进程；另一方面，Fe2?诱导的局部晶格畸变与缺陷重构为有序化提供了动力学通道。这种矛盾作用机制解释了为何在低温度（25℃）环境下仍能观测到白云石向高有序化结构的自然转化过程。

在沉积构造演化方面，研究团队建立了Fe2?分带与流体-岩石相互作用的三维模型。显微Sr同位素示踪显示，Fe2?的迁移主要发生在白云石晶体生长的后期阶段（占成岩时间的约30%），这种时序性迁移模式与流体中Fe2?浓度波动（月尺度变化）存在统计相关性（Kendall相关系数r=0.67）。这种流体-晶体协同演化机制为理解碳酸盐岩孔隙介质中元素迁移提供了新思路。

研究结论对传统白云石成岩理论提出重要修正。传统观点认为Fe2?的引入会阻碍白云石有序化，但本研究所揭示的Fe2?动态迁移机制显示：在特定浓度阈值（Fe2?>5 mol%）和空间分布条件下，Fe2?的局部有序化富集反而能降低晶体重构的能垒，这种"催化剂效应"可能加速白云石的成岩有序化进程。计算模拟显示，当Fe2?局部有序度超过临界值（约15%晶格位点）时，会触发晶格参数的协同调整，促进有序超结构的形成。

该研究成果为解决困扰学界60余年的"白云石问题"提供了新的理论框架。研究证实，白云石的晶体有序化是一个多尺度、动态耦合的复杂过程，涉及元素迁移、缺陷调控和晶格重构等多重机制。特别提出的"缺陷介导有序化"模型，将晶体缺陷密度与有序度参数建立量化关系（Δα/ΔD=0.023 nm?1），为实验室合成天然白云石提供了新的理论指导。

在工业应用层面，研究成果对碳酸盐岩储层改造具有重要启示。通过调控Fe2?的浓度梯度（0.27-10.55 mol%）和空间分布模式，可有效改变白云石晶体的孔隙连通性（孔隙度变化达8.2%）、力学性能（抗压强度提升12.7%）及渗流特征（渗透率增加2.4倍）。这些发现为水力压裂改造碳酸盐岩储层提供了新的技术路径。

研究团队在方法学创新方面取得突破，开发了"多尺度同步辐射显微表征技术"（MS-SRMMCT），可同时实现元素分布（纳米级分辨率）、晶体缺陷（亚埃级精度）和力学性能（微米级应变场）的三维关联分析。该方法在白云石研究中首次实现晶格参数、元素分布和缺陷结构的同步解析，将成岩过程的多场耦合研究推进到新阶段。

后续研究计划包括：1）建立Fe2?浓度-空间分布-晶体缺陷的定量模型；2）开展多场耦合模拟（热-力-化学场），揭示白云石有序化动力学的多尺度耦合机制；3）开发基于机器学习的晶体缺陷预测算法，实现成岩过程的智能模拟。这些研究将深化对白云石成岩动力学过程的理解，为工业岩心改造提供理论支撑。