光谱断层扫描技术揭示碳酸盐矿物检测与定量分析的新突破：从二维到四维的化学反演可视化

本研究首次利用光谱计算机断层扫描（sp-CT）技术，成功区分了方解石（calcite）、镁方解石（Mg-calcite）、白云石（dolomite）和菱镁矿（magnesite）等关键碳酸盐矿物。通过多能级直方图分析建立了MgCO3摩尔百分比与光谱特征的定量关系，并应用于热液白云石化过程的动态监测。该非破坏性技术为碳酸盐岩成岩作用和矿物替代反应研究提供了全新工具，在油气储层表征和碳循环研究领域具有重要意义。

　　

碳酸盐岩作为地球岩石圈的重要组成部分，在油气储层、碳封存和地球化学循环等领域具有关键作用。然而，传统矿物鉴定技术如X射线衍射（XRD）和扫描电镜-能谱分析（SEM-EDS）存在破坏样本、难以实现三维表征等局限。尤其对于碳酸盐矿物（如方解石、白云石等）的固溶体系列，其化学组成的精确测定一直是个技术难题。

为突破这一技术瓶颈，Université de Pau et des Pays de l'Adour（法国波城大学）的研究团队创新性地将光谱计算机断层扫描（spectral computed tomography, sp-CT）技术应用于碳酸盐矿物研究。这项发表在《Marine and Petroleum Geology》的研究，通过开发基于双能量概念的后处理方法，成功实现了对含轻元素（C、Mg、Ca）碳酸盐矿物的非破坏性鉴别与定量分析。

研究采用六种天然碳酸盐样品（方解石、大理岩、鲕粒灰岩、白垩、白云石和菱镁矿）建立标准曲线，通过XRD确定其MgCO₃摩尔百分比。关键技术包括：1）实验室sp-CT系统（Tescan UniTOM XL Spectral）在20-160 keV能量范围内的光谱采集；2）多能级直方图分析（μ_{LE}ρ vs μ_{HE}ρ）建立矿物识别模型；3）热液白云石化实验的时间序列监测；4）结合电子探针显微分析（EPMA）和SEM-EDS进行结果验证。

研究结果部分，"矿物学和参考样品中Mg/Ca含量"显示，通过（104）晶面间距与MgCO₃含量的线性关系（y = -0.003x + 3.0387），准确标定了各参考样品的化学组成。"参考碳酸盐样品的光谱断层扫描"部分揭示，尽管原始光谱相似，但不同碳酸盐在多能级直方图上呈现独特斜率（方解石2.54、白云石1.93、菱镁矿1.53），且斜率与Mg含量呈强相关性。"实验白云石化鲕粒灰岩的光谱断层扫描"部分证实，sp-CT可检测到反应68小时后新相的形成（斜率2.18），对应32.75 mol.% MgCO₃的中间成分，而SEM-EDS和EPMA则证实最终产物为50 mol.% MgCO₃的白云石。

讨论部分强调，这项技术的突破性在于：1）首次实现轻元素碳酸盐矿物的非破坏性鉴别；2）建立MgCO₃含量与光谱特征的定量关系；3）展示动态监测矿物替代反应的能力。虽然目前sp-CT对Mg含量的估算较传统方法偏低，但该方法在三维化学成像（3D sp-CT）方面较聚焦离子束断层扫描（3D FIB-tomography）具有明显优势，可分析更大体积样品且无需破坏样本。这项技术为碳酸盐成岩作用研究提供了全新视角，特别是在白云石化动力学、碳封存过程监测等关键科学问题上具有重要应用前景。未来通过优化能量范围选择和开发自动分割算法，可进一步提升该技术的准确性和可重复性。