矿物在成岩演化过程中，会因不同的流体环境条件形成差异化的微观结构特征。传统观点认为，矿物内部体系（如微晶结构）因具有相对封闭、低应变、低流体通量等特点，对宏观流体流动与物质输运等地质过程的贡献可忽略不计。然而，随着高精度表征技术的发展与相关研究的深入，越来越多的证据表明：矿物内部的微观特征不仅是流体-岩石长期相互作用的“关键指纹”，有助于反演成岩温压条件与流体状态；同时，它也构成了深部资源开发（如非常规油气开采）与处置（如CO2地质封存）中的重要储集与运移空间，并伴随溶解-沉淀等作用直接影响深部工程长期稳定性。因此，全面揭示影响矿物内部结构的作用机制，并识别不同流体-岩石相互作用下的差异化演化模式，成为亟待解决的关键科学问题。
针对上述问题，中国科学院地质与地球物理研究所的张倩副研究员、董艳辉研究员与北京大学的邓航研究员开展了系统性的多场耦合数值模拟研究，从反应动力学的视角定量剖析了物质非平衡状态与矿物结构演化间的互馈机制。
关键发现：化学反应-溶质运移耦合机制对矿物结构形态的控制
研究以高分辨率鲕粒灰岩微观结构图像为约束，构建了“鲕粒外部流体流动-内部微晶溶蚀”的模拟体系，探究了流体流速（Pé number）与鲕粒反应性(DaⅡ number)等条件影响下的演化过程（图1）。
图1 鲕粒灰岩中矿物孔隙结构特征。（a）鲕粒纹层结构及矿物内部微晶结构，鲕粒周围的流体流动可进一步促进溶解-沉淀反应，引起鲕粒结构演化；（b）鲕粒内部微晶结构的类型划分及对应特征
模拟结果表明，在高流速与快反应的共同作用下，流体-矿物界面快速向内部推进，导致鲕粒发生显著收缩，并形成不规则的界面形状（图2）。反之，在低流速与慢反应的动力学条件下，溶解作用更倾向于从鲕粒内部开始，形成多级层状结构，有效抑制了鲕粒整体的收缩过程。这一特征与鲕粒灰岩常见的同心纹层结构高度吻合，为其成因提供了创新的反应动力学机制解释。此外，研究进一步揭示了初始孔隙度及其空间非均质性对所形成纹层的宽度、对称性和连通性等关键结构特征的控制效应，从而建立了流体-矿物反应参数与矿物结构形态之间的严格定量关联，为高精度反演成岩演化环境提供了理论基础。
图2 不同流体-矿物相互作用条件下的矿物结构演化模式。根据矿物界面形状、内部层状结构等特征识别了4种典型演化模式（Type I至Type IV）
模型创新：Hybrid-SPM 理论框架的建立
基于对不同演化模式的物理机制分析，研究在经典颗粒缩聚模型（Shrinking particle model，SPM）的基础上，创新性地引入了矿物初始孔隙度、颗粒等效直径、反应界面形状因子等关键结构参数，并耦合了其对反应动力学的影响，构建了新型混合颗粒缩聚模型（Hybrid-SPM）（图3）。
图3 不同颗粒缩聚模型（SPM）的概念示意图。（a）经典SPM模型未考虑矿物内部结果，溶解反应引起矿物界面移动；（b）该研究建立的混合SPM通过引入不同假设与特征参数量化了矿物微观结构与界面移动、纹层形成之间的对应关系。图中C、d、ρ分别表示流体浓度、矿物直径、矿物密度，参数下标bulk、surf、core、gav分别表示环境流体、矿物界面、未反应矿物、平均值
Hybrid-SPM模型能够高效、定量的评估矿物内部结构对岩石水力特性演化过程的影响，为成岩环境反演及工程行为预测的快速计算提供了先进工具。对比分析结果显示：经典SPM由于忽略矿物内部结构，可能低估实际反应速率达两倍以上；同时，在宏观尺度上，其对岩石整体渗透率变化的高估误差可达 2 个数量级。上述偏差有力地证明了矿物内部孔隙微结构对流体-岩石相互作用和岩石宏观水力特性的主导性影响。此外，该研究提出的Hybrid-SPM也为催化剂、锂电池反应等领其他涉及微结构-动力学耦合的工程与科学领域提供了普适性的理论基础与建模框架。
相关成果发表于国际学术期刊GCA（张倩，邓航*，董艳辉. The impacts of well-connected intragranular porosity on mineral dissolution rates [J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2025. DOI: 10.1016/j.gca.2025.11.030.）。研究得到国家自然科学基金项目（42202285，42277224）资助。
