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      技術進展
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      廣州地化所何宏平團隊揭秘:黏土礦物如何演化成高嶺石?
      來源:中國粉體技術網    更新時間:2020-05-22 16:20:09    瀏覽次數:
       
        黏土礦物是一類具有納米結構的含水層狀硅酸鹽礦物,廣泛分布于地球表層系統,對關鍵帶的物質循環具有重要影響。與此同時,黏土礦物的形成與演化不僅能很好地指示古氣候、古環境的演變,而且很可能是早期生命孕育和演化的催化劑和反應器。
       
        高嶺石化是自然界中最常見的2:1型黏土礦物向1:1型黏土礦物轉變的反應,但目前對其反應過程與機制還存在不同認識,即固相轉變(solid-state transformation)和溶解-再結晶(dissolution-recrystallization)。前者認為,黏土礦物的物相轉變通過固態條件下的脫硅實現,反應主要發生在前驅體礦物的層間;而后者則認為,礦物的轉變包括前驅體礦物的溶解和再結晶兩個反應過程。這兩種不同反應機制不僅對Si、Al、Mg、Fe等元素的地球化學循環具有重要影響,而且會顯著制約風化成壤、表生成礦等重要地質地球化學過程。
       
        基于對礦物結構與性質的認識,廣州地球化學研究所何宏平研究員、博士研究生李尚穎等人提出,黏土礦物的納米結構和特殊的物理化學性質是決定其演化途徑的關鍵因素。為此,該團隊以蒙脫石(完全膨脹)、累托石(伊-蒙混層礦物,半膨脹)和伊利石(非膨脹)三種具有不同膨脹性能的2:1型黏土礦物為主要研究對象,通過實驗礦物學方法與譜學、顯微電子學技術的結合,系統對比考察了上述黏土礦物的高嶺石化過程(圖1),并獲得了以下認識:(1)2:1型黏土礦物高嶺石化的反應區域為片層端面而非層間,促進其高嶺石化反應的關鍵結構因素為前驅體礦物的破裂端面。(2)2:1型黏土礦物高嶺石化的轉變機制為原位的溶解-再結晶,其間,前驅體礦物的“殘余”片層起到了“模板”作用,礦物再結晶作用發生在“殘余”片層構成的局域環境中(圖2)。(3)通過原位的溶解-再結晶機制形成的高嶺石結構片層在一定程度上“繼承”了前驅體礦物的片層大小和堆垛有序度。
       
        該研究為Putnis(2014)在Science上提出的“礦物表/界面是發生溶解-再結晶耦合反應的重要場所”這一觀點提供了重要的礦物學證據。但與三維結構礦物不同的是,2:1型黏土礦物的溶解發生在片層端面,而高嶺石的沉淀則發生在前驅體礦物的基面。此外,該研究還為理解自然界廣泛存在的2:1型黏土礦物層間復合物的成因提供了新機制。
       
      廣州地化所揭秘:黏土礦物如何變成高嶺石?
      圖1 蒙脫石、伊利石、累托石高嶺石化的高分辨透射電鏡(HRTEM)圖;(a)蒙脫石的高嶺石化;(b)伊利石的高嶺石化;(c)累托石的高嶺石化

      廣州地化所揭秘:黏土礦物如何變成高嶺石? 
      圖2 2:1型黏土礦物轉變為高嶺石的反應機制示意圖
       
        上述研究成果發表在American Mineralogist期刊上。該研究得到了國家自然科學基金(41530313, 41772039)等項目的資助。原文鏈接:https://doi.org/10.2138/am-2020-7339
       
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