近日，中國科學院廣州地球化學研究所特任研究員陳錳、博士研究生周慧君等通過研究，揭示了黏土膨脹/收縮與離子分配的耦合機制。相關研究7月14日在線發表于《地球化學與宇宙化學學報》。
　　
　　30多年前地球化學家基于海底鉆探的流體成分記錄就對黏土的離子過濾作用非常感興趣，然而理論研究工作一直陷于停滯。該研究打開了重要的理論分析窗口，以本模型研究為開端，系統地解釋和預測黏土礦物對多離子體系物質分配影響的研究預期將可順利開展。
　　
　　富含黏土的地層與沉積物被視為“地質過濾膜”。蒙脫石是常見黏土沉積物的主要組成礦物。蒙脫石的層間域具有水化和脫水的能力，在宏觀上反映為黏土的膨脹與收縮。過往研究表明，不同離子造成蒙脫石層間域水合狀態的差異。然而層間域水合狀態的差異如何與離子的分配耦合？宏觀上，黏土的膨脹/收縮如何影響地層或沉積物的地質過濾膜功能？
　　
　　針對以上問題，研究人員通過結合分子動力學模擬和熱力學計算，建立了離子活度比、水活度、蒙脫石水含量與離子分配系數間的定量關系。研究選取常見的離子Na離子和K離子作為研究對象，力圖解釋沉積物記錄中Na離子和K離子分配差異的原因，并建立模型用于預測黏土對流體離子分配的作用。
 

　　
　　該研究對象為處于熱力學平衡的多個體系，其一為含Na離子和K離子的蒙脫石混合物體系，其二為含Na離子和K離子的流體。以離子活度比和水活度為環境變量，基于分子動力學模型模擬進行熱力學計算，闡明了平衡狀態下蒙脫石的水含量與離子分配系數問題。
　　
　　研究表明，任何環境條件下K離子都較Na離子更富集于蒙脫石中，與此同時環境中K離子顯著虧損；環境水活度的下降顯著加強了離子分配，即K離子在環境中的虧損更為明顯；離子分配耦合于蒙脫石的水合結構，K離子在蒙脫石層間形成內圈絡合結構，以致在較低水活度條件下蒙脫石層間形成穩定的單層水合結構，這是K離子更富集于蒙脫石層間的原因。
　　
　　該計算模擬研究闡釋了由于離子在蒙脫石層間域不同的水合結構造成了Na離子和K離子分配的顯著差異，解釋了地質記錄與過往的實驗結果。
　　
　　來源：中國科學報，作者：朱漢斌 鄧土連