【研究亮点】张蕾、李海兵等—GSA Bulletin：假玄武玻璃中磁黄铁矿和Fe-P合金的形成及其对断裂带孕震环境的约束

　　断裂带深部孕震环境是认识地震机制的关键。由于缺乏深部来源的物质，制约了对断裂带深部孕震环境以及地震发生机制的认识。作为“地震化石”的假玄武玻璃，能够完整记录地震破裂过程中的动力学行为与环境信息，成为揭示地震机制的重要窗口。近期在假玄武玻璃中发现的单质铁球粒和单斜磁黄铁矿是假玄武玻璃重要的铁磁性物质。但对假玄武玻璃中单质铁球粒和单斜磁黄铁矿的成因机制仍缺乏系统认识，限制了对断裂带物质循环过程的理解，成为地震机制与孕震环境研究的关键科学问题。

　　中国地质科学院地质研究所李海兵研究员团队以龙门山断裂带汶川地震断裂带科学钻探2号钻孔（WFSD-2）岩心中的假玄武玻璃的围岩（碎裂岩）为研究对象，系统开展了高温模拟实验（最高温度为1750℃），通过对1300℃、1500℃和1750℃实验产物的高分辨率显微结构分析、地球化学测试及岩石磁学研究，取得了以下主要进展：

　　（1）阐明了单质铁和单斜磁黄铁矿在高温条件下的形成机制，首次提出假玄武玻璃中的单斜磁黄铁矿可作为≥1500℃高温还原环境的地质温度计。

　　实验证实，碎裂岩在≥1300℃条件下可大规模生成单质铁球粒（图1）。其形成源于铁的氧化物和硫化物在强还原性环境下的热化学还原反应。尤为关键的是，在≥1500℃条件下，单质铁与微量单质硫反应直接形成单斜磁黄铁矿（图2和图3），这一发现改变了传统认知，表明假玄武玻璃中的单斜磁黄铁矿可作为高温（≥1500℃）还原环境的可靠地质温度计。

图1. 在1300℃以上熔体中发育的富铁球粒

图2. 1500℃温度样品的透射电镜（TEM）测试结果图

图3. 代表性样品的低温磁学特征曲线

1500℃和1750℃两组样品中含有少量的单斜磁黄铁矿

　　（2）揭示了铁磷合金的高温演化过程，并首次提出单质磷可作为古地震活动的新指标。

　　实验揭示，单质磷在高温（≥1300℃）条件下与单质铁结合形成铁磷合金（图4），其形态随温度升高呈现规律性演变：1300℃时，形成表面粗糙的次球状结构；1500℃时，发育典型的等轴多面体球晶；1750℃时，球晶几何形态趋于完美，内部更形成多级有序结构。这一形貌-温度响应关系为定量重建断层摩擦热历史提供了纳米级结构标尺，同时证实单质磷可作为古地震活动的新指标。

图4. 富铁球粒的显微结构和组成变化随温度变化图

　　（3）WFSD-2钻孔岩心假玄武玻璃中发现的单斜磁黄铁矿和过剩铁揭示了汶川地震断裂带的高温还原性的孕震环境。

　　基于WFSD-2钻孔岩心中假玄武玻璃内单斜磁黄铁矿和过剩铁的发现，明确限定了地震破裂滑移时的环境条件：高温（≥1500℃）、强还原性且流体活动微弱。该成果为理解大地震孕震机制提供了关键实验证据。

　　本研究综合利用高温实验、显微-超显微结构观测、地球化学成分分析和岩石磁学测试等多种研究方法对龙门山断裂带的假玄武玻璃和碎裂岩进行了研究，深入解析熔融过程中单斜磁黄铁矿与富铁球粒的微观结构演化、成分转变及相变路径，提出了新的地震地质温度计，建立了古地震活动的新指标，不仅为大地震孕震环境重建提供直接证据，也推动了断裂带岩石磁学理论的突破性进展。

　　本研究得到了国家自然科学基金项目（42230312, 42172262, 42072240, 42372266）、深地国家科技重大专项（2024ZD1000500）、中国地质调查局地质调查项目（DD20190059）、自然资源部古地磁与古构造重建重点实验室开放课题（DD20221630）和中国地质科学院基本业务费（J2403）的共同资助。

　　相关成果发表在国际知名地学期刊《GSA Bulletin》上：Lei Zhang, Haibing Li, Zhiming Sun, Yong Cao, Chunrui Li, Lijing Sun, Huan Wang, Yong Zheng, Jialiang Si. 2025. Pyrrhotite and Fe-P alloy formed in pseudotachylyte and their implications for seismic environments: Evidence from rock-heating experiments. GSA Bulletin, 137, 7/8: 3011-3020.