近日，中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)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(jī)制。相關(guān)研究7月14日在線發(fā)表于《地球化學(xué)與宇宙化學(xué)學(xué)報(bào)》。
30多年前地球化學(xué)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(tǒng)地解釋和預(yù)測黏土礦物對多離子體系物質(zhì)分配影響的研究預(yù)期將可順利開展。
富含黏土的地層與沉積物被視為“地質(zhì)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(tài)的差異。然而層間域水合狀態(tài)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(zhì)過濾膜功能？
針對以上問題，研究人員通過結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬和熱力學(xué)計(jì)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(shù)間的定量關(guān)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(yù)測黏土對流體離子分配的作用。
該研究對象為處于熱力學(xué)平衡的多個(gè)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(huán)境變量，基于分子動(dòng)力學(xué)模型模擬進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算，闡明了平衡狀態(tài)下蒙脫石的水含量與離子分配系數(shù)問題。
研究表明，任何環(huán)境條件下K離子都較Na離子更富集于蒙脫石中，與此同時(shí)環(huán)境中K離子顯著虧損；環(huán)境水活度的下降顯著加強(qiáng)了離子分配，即K離子在環(huán)境中的虧損更為明顯；離子分配耦合于蒙脫石的水合結(jié)構(gòu)，K離子在蒙脫石層間形成內(nèi)圈絡(luò)合結(jié)構(gòu)，以致在較低水活度條件下蒙脫石層間形成穩(wěn)定的單層水合結(jié)構(gòu)，這是K離子更富集于蒙脫石層間的原因。
該計(jì)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(jié)構(gòu)造成了Na離子和K離子分配的顯著差異，解釋了地質(zhì)記錄與過往的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
來源：中國科學(xué)報(bào)，作者：朱漢斌 鄧土連
更多精彩！歡迎掃描下方二維碼關(guān)注中國粉體技術(shù)網(wǎng)官方微信（粉體技術(shù)網(wǎng)）
|
