黏土礦物是一類具有納米結(jié)構(gòu)的含水層狀硅酸鹽礦物，廣泛分布于地球表層系統(tǒng)，對(duì)關(guān)鍵帶的物質(zhì)循環(huán)具有重要影響。與此同時(shí)，黏土礦物的形成與演化不僅能很好地指示古氣候、古環(huán)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(yīng)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(zhuǎn)變的反應(yīng)，但目前對(duì)其反應(yīng)過(guò)程與機(jī)制還存在不同認(rèn)識(shí)，即固相轉(zhuǎn)變（solid-state transformation）和溶解-再結(jié)晶（dissolution-recrystallization）。前者認(rèn)為，黏土礦物的物相轉(zhuǎn)變通過(guò)固態(tài)條件下的脫硅實(shí)現(xiàn)，反應(yīng)主要發(fā)生在前驅(qū)體礦物的層間；而后者則認(rèn)為，礦物的轉(zhuǎn)變包括前驅(qū)體礦物的溶解和再結(jié)晶兩個(gè)反應(yīng)過(guò)程。這兩種不同反應(yīng)機(jī)制不僅對(duì)Si、Al、Mg、Fe等元素的地球化學(xué)循環(huán)具有重要影響，而且會(huì)顯著制約風(fēng)化成壤、表生成礦等重要地質(zhì)地球化學(xué)過(guò)程。
基于對(duì)礦物結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的認(rèn)識(shí)，廣州地球化學(xué)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(jié)構(gòu)和特殊的物理化學(xué)性質(zhì)是決定其演化途徑的關(guān)鍵因素。為此，該團(tuán)隊(duì)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(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)礦物學(xué)方法與譜學(xué)、顯微電子學(xué)技術(shù)的結(jié)合，系統(tǒng)對(duì)比考察了上述黏土礦物的高嶺石化過(guò)程（圖1），并獲得了以下認(rèn)識(shí)：（1）2:1型黏土礦物高嶺石化的反應(yīng)區(qū)域?yàn)槠瑢佣嗣娑菍娱g，促進(jìn)其高嶺石化反應(yīng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)因素為前驅(qū)體礦物的破裂端面。（2）2:1型黏土礦物高嶺石化的轉(zhuǎn)變機(jī)制為原位的溶解-再結(jié)晶，其間，前驅(qū)體礦物的“殘余”片層起到了“模板”作用，礦物再結(jié)晶作用發(fā)生在“殘余”片層構(gòu)成的局域環(huán)境中（圖2）。（3）通過(guò)原位的溶解-再結(jié)晶機(jī)制形成的高嶺石結(jié)構(gòu)片層在一定程度上“繼承”了前驅(qū)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(fā)生溶解-再結(jié)晶耦合反應(yīng)的重要場(chǎng)所”這一觀點(diǎn)提供了重要的礦物學(xué)證據(jù)。但與三維結(jié)構(gòu)礦物不同的是，2:1型黏土礦物的溶解發(fā)生在片層端面，而高嶺石的沉淀則發(fā)生在前驅(qū)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(fù)合物的成因提供了新機(jī)制。
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
圖2 2:1型黏土礦物轉(zhuǎn)變?yōu)楦邘X石的反應(yīng)機(jī)制示意圖
上述研究成果發(fā)表在American Mineralogist期刊上。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（41530313, 41772039）等項(xiàng)目的資助。原文鏈接：https://doi.org/10.2138/am-2020-7339
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