黏土矿物演化机制研究获进展

中国科学院广州地球化学研究所研究员何鸿平和博士生李尚英在粘土矿物演化机制研究方面取得新进展。相关结果最近发表在《美国矿物学家》上。

粘土矿物是一种具有纳米结构的含水层硅酸盐矿物，广泛分布于地球表面系统。它不仅对关键区域的物质循环有重要影响，而且有可能成为生命孕育和演化早期的催化剂和反应器。高岭土化是自然界中最常见的粘土矿物转化反应，但对其反应过程和机理仍有不同的认识。

基于对矿物结构和性质的认识，研究者提出粘土矿物的纳米结构和特殊的物理化学性质是决定其演化路径的关键因素。为此，他们以蒙脱石(膨胀)、累托石(部分膨胀)和伊利石(非膨胀)为主要研究对象，这三种2:1粘土矿物具有不同的膨胀特性。通过实验矿物学方法、光谱学和微电子技术的结合，对上述粘土矿物的高岭土化过程进行了系统的对比研究，取得了新的进展。

研究表明，2:1粘土矿物的高岭土化反应区是层状端面，而不是夹层，促进高岭土化反应的关键结构因素是前驱体矿物的断裂端面。2:1型粘土矿物高岭土化的转化机制是原位溶解-重结晶，在此过程中，前体矿物的“残余”片层充当“模板”，矿物重结晶发生在“残余”片层形成的局部环境中。原位溶解-重结晶机制形成的高岭石结构片层在一定程度上“继承”了前体矿物的片层尺寸和堆积顺序。

该研究为其他学者关于“矿物表面/界面是溶解-重结晶耦合反应的重要场所”的观点提供了重要的矿物学证据。然而，与三维结构矿物不同，2:1型粘土矿物的溶解发生在薄片的端面，而高岭石的沉淀发生在前体矿物的底面。该研究也为理解自然界广泛存在的2:1粘土矿物夹层复合体的成因提供了新的机制。

相关论文信息:https://doi.org/10.2138/am-2020-7339