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广州地化所在粘土矿物之间的转变机制上取得了新发现
发表日期: 2017-07-21
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  粘土矿物普遍存在于地壳中,粘土矿物之间的相互转变是宏观地质作用和环境变迁过程的微观缩影,对研究地质作用过程和机理起着至关重要的作用。此外,粘土矿物独特的层状结构赋予其优良的物化性质,研究粘土矿物之间的相互转变对粘土矿物在催化、化工、医药等领域的应用拓展也有重要的指导意义。而事实上,关于粘土矿物转变机制存在很多亟待深入研究的问题。 

  众多研究表明,粘土矿物的转变机制存在固相转变(Solid-state mechanism)和溶解再结晶(Dissolution-recrystallization mechanism)两种转变机制。固相转变主要通过2:1型粘土矿物的层间域进行离子的重组(如蒙皂石的伊利石化、海绿石化)、或2:1型粘土矿物剥离一层四面体片转变为1:1型粘土矿物(如蒙皂石的高岭石化)。该转变机制提供的普遍认识是:粘土矿物通常是从2:1型矿物转变到1:1型矿物。那么,是否存在1:1型粘土矿物向2:1型粘土矿物固相转变的可能?同时,研究这两种类型粘土矿物的转变过程可以为探讨自然界粘土矿物不均匀分布提供新见解,从微观角度解释粘土矿物长不大的原因。 

  据此,广州地球化学研究所矿物学与成矿学重点实验室何宏平研究员的课题组,以天然的1:1型粘土矿物高岭石和埃洛石为起始物,添加Si源进行水热反应,模拟自然界热液地质过程,研究1:1型粘土矿物向2:1型粘土矿物转变的可能性,并深入探讨粘土矿物的转变机制。运用矿物结构分析和矿物谱学分析研究等手段分析不同反应条件下生成产物的结构变化,进一步通过高分辨透射电镜等观察水热产物的形貌结构特征,结合固体核磁表征结果获得产物的配位特征,探讨转变的微观机理。研究获得以下的新认识: 

  1)高岭石和埃洛石可固相转变为贝得石,即1:1型粘土矿物可固相转变为2:1型粘土矿物。这可能是关于粘土矿物转变机制的新发现。 

  2)固体核磁结果表明,Al占据四面体位置是2:1型粘土矿物结构稳定的重要因素。但是,在自然界中蒙皂石中四面体片中的AlSi的比例少于0.3,少于拥有稳定结构云母类的0.5。因此,这就从结构上决定蒙皂石结构的不稳定性,即蒙皂石晶体很难长大,也就决定了蒙皂石类矿物在自然界分部要少于高岭石和埃洛石。 

  3)固体核磁结果也表明,同一层2:1型蒙皂石片层中,两层四面体片拥有不同的层电荷。因此,“polar layer”结构可以通过1:1型粘土矿物固相转变为2:1型粘土矿物形成。 

1. 埃洛石(H)和高岭石(K)水热产物的粉晶、定向处理后和乙二醇插层处理后的XRD

2. 1:1型粘土矿物转变为2:1型粘土矿物的示意图

    

    

  该成果发表于American Mineralogist。该研究获得国家自然科学基金和国家外专局/中国科学院矿物结构域表明物理化学创新国际团队项目等资助。 

    

  论文信息: 

    

  Hongping He, Shichao Ji, Qi Tao, Jianxi Zhu, Tianhu Chen, Xiaoliang Liang, Zhaohui Li, and Hailiang Dong. (2017) Transformation of halloysite and kaolinite into beidellite under hydrothermal condition. American mineralogist, 102, 997-1005. Doi: http://dx.doi.org/10.2138/am-2017-5935. 

    

  论文链接:https://www.degruyter.com/view/j/ammin.2017.102.issue-5/am-2017-5935/am-2017-5935.xml 

 

 

 

 

(中国科学院矿物学与成矿学重点实验室 & 所综合办公室 供稿)

    

    

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