中子计算机断层扫描：一种新型的高分辨率、无损检测方法，用于筛查化石珊瑚的成岩变化，以进行地质年代学和古气候重建

《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》：Neutron Computed Tomography: A Novel High-Resolution, Non-Destructive Method for Screening Fossil Coral for Diagenetic Alteration for Geochronologic and Paleoclimatic Reconstructions

本文提出了一种新型高分辨率非破坏性方法——中子计算机断层扫描（NCT），用于筛选化石珊瑚中适合年代学和古气候研究的优质文石样本。该方法通过检测氢含量差异，三维成像可区分文石与方解石，并揭示传统方法难以检测的微小文石区域。研究应用于 Holocene 和 Pleistocene 时期的珊瑚样本，验证了NCT在识别次生方解石替代和保存文石方面的优势，同时对比了X射线CT、拉曼光谱等传统方法，为化石珊瑚筛选提供了新工具。

　　在地质学与古气候研究中，珊瑚化石常被用于推断地质年代和重建过去气候环境。然而，传统方法在识别珊瑚骨骼中原始的霰石（aragonite）时存在诸多局限，如破坏性采样、二维成像的局限性以及对复杂水体相互作用的识别能力不足。为解决这些问题，本研究提出了一种全新的高分辨率、非破坏性方法——中子计算机断层扫描（Neutron Computed Tomography, NCT），用于珊瑚化石的成因学筛查。NCT能够提供珊瑚结构的三维可视化，并揭示碳酸盐矿物相的分布情况，从而有效区分原始霰石与次生低镁方解石（low-magnesium calcite），为后续的年代测定和古气候重建提供可靠的材料选择依据。

### NCT的原理与优势

中子计算机断层扫描技术（NCT）是一种利用中子束与物质相互作用的非破坏性检测方法。与X射线不同，中子与原子核相互作用，能够区分含水材料和非含水材料。在珊瑚化石中，霰石通常保留更多的水分和有机质，而方解石则相对贫乏。因此，NCT通过中子吸收比可以准确识别这些特征，从而揭示原始霰石的分布情况。此外，NCT的高分辨率和三维成像能力能够克服传统技术在识别珊瑚内部结构和微小矿物变化方面的不足，尤其适用于在复杂成因学背景下识别隐藏的原始矿物。

### 传统方法的局限性

现有的珊瑚成因学筛查方法主要包括薄片显微镜、X射线粉末衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）以及高光谱成像等。薄片显微镜虽然能够提供高分辨率的纹理图像，但其只能展示二维结构，难以反映整体的成因变化。XRD则通过分析粉末样品的X射线衍射图谱来识别矿物相，但样品研磨过程可能引起霰石向方解石的转变，导致结果偏差。SEM虽然能够检测微结构，但其分析范围有限，无法代表整个样品的特征。高光谱成像虽然可以实现亚毫米级的二维矿物分布识别，但在复杂样品中仍存在局限性，难以识别微小矿物变化。

### 实验样本与研究方法

本研究选取了四个样本进行分析，包括一个现代珊瑚样本和三个化石珊瑚样本。现代珊瑚样本来自澳大利亚的One Tree Reef，用于建立纯霰石的参考标准。其他三个化石珊瑚样本分别来自巴布亚新几内亚的Muschu Island、澳大利亚的Ribbon Reef 5和Ashmore Reef，这些样本均经历了不同程度的成因学改变。通过将NCT与薄片显微镜、XRD、高光谱成像和X射线断层扫描等方法进行对比，研究团队发现NCT在识别隐藏的原始霰石方面具有显著优势。

### NCT的应用与结果

在对现代珊瑚样本的NCT扫描中，研究人员成功识别了纯霰石的分布，并确认了其原始孔隙结构。对于来自Muschu Island的FM19-1样本，NCT不仅能够区分霰石和方解石，还发现了表面无法识别的次生方解石区域。同样，在Ribbon Reef 5的RR5-70-1样本中，NCT揭示了隐藏在珊瑚内部的微量霰石，这些区域在高光谱成像和SEM分析中未能被发现。此外，SWIFT N1-C-4A2样本的NCT扫描显示了霰石和方解石在三维空间中的分布，为后续的古气候分析提供了更精确的材料选择依据。

### NCT与其他技术的比较

与传统技术相比，NCT的优势在于其非破坏性和高分辨率的三维成像能力。例如，在对FM19-1样本的分析中，NCT能够揭示霰石与方解石之间的复杂过渡带，而高光谱成像和X射线断层扫描只能提供二维信息。此外，NCT在识别水含量和矿物相方面具有更高的灵敏度，能够更准确地反映成因学变化。虽然NCT在某些情况下可能受到样品厚度和密度的影响，但其通过高分辨率的灰度值分布和像素选择，能够有效区分不同矿物相。

### NCT的局限性与未来研究方向

尽管NCT在识别原始霰石方面表现出色，但该技术仍存在一些局限性。首先，NCT设备较为昂贵，且需要专业操作人员进行维护和使用。其次，扫描过程中可能会产生暂时性的放射性残留，这要求在扫描后进行适当的处理和等待。此外，NCT的分辨率虽然较高，但仍然受到样品厚度和密度的影响，可能导致数据的平均化和偏差。因此，未来的研究需要进一步优化NCT的参数设置，以提高其在不同样品中的适用性。

### NCT在化石珊瑚筛查中的应用建议

为了确保NCT的有效应用，研究人员提出了一些具体建议。首先，建议使用标准样品进行校准，以提高扫描结果的准确性。其次，需要保持一致的扫描参数，包括分辨率、中子强度和旋转步长，以确保不同样品之间的可比性。最后，建议将NCT与其他筛查方法结合使用，以验证矿物相的识别结果并提高研究的可靠性。通过这些方法的综合应用，NCT能够为化石珊瑚的成因学筛查提供更全面和准确的信息，从而支持更精确的年代测定和古气候重建。

### 研究意义与未来展望

本研究不仅展示了NCT在化石珊瑚筛查中的潜力，还为未来的研究提供了重要的参考。NCT能够提供三维的矿物分布和水含量信息，为识别隐藏的原始矿物相提供了新的视角。同时，NCT的非破坏性特点使其成为一种理想的筛查工具，尤其适用于珍贵且复杂的珊瑚样品。随着技术的不断发展，NCT有望在更多地质和古气候研究中得到应用，为科学家提供更精确的数据支持。未来的研究可以进一步探索NCT在不同矿物相和不同成因学条件下的表现，以提高其在实际应用中的准确性和可靠性。