廣州地化所、深地科學(xué)卓越創(chuàng)新中心在礦物生長(zhǎng)機(jī)制研究中取得新認(rèn)識(shí)
層生長(zhǎng)機(jī)理和螺旋生長(zhǎng)機(jī)理是礦物晶體生長(zhǎng)的兩大主流觀點(diǎn),其核心是單個(gè)原子(離子團(tuán))優(yōu)先占據(jù)晶核(體)表面的高能位,逐步向三維拓展。1998年,Banfield教授等率先報(bào)導(dǎo)了在水熱合成的銳鈦礦中發(fā)現(xiàn)納米顆粒定向附著生長(zhǎng)(oriented attachment, OA)的新機(jī)制(Penn and Banfield, Science, 1998)。隨后,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)在表生作用、生物成礦等過(guò)程中均存在這種非傳統(tǒng)礦物生長(zhǎng)機(jī)制,為認(rèn)識(shí)元素的地球化學(xué)循環(huán)、功能材料的合成等開(kāi)啟了新窗口。
然而,在復(fù)雜的地質(zhì)過(guò)程(如巖漿作用、變質(zhì)作用等)中,是否存在類似的礦物結(jié)晶與生長(zhǎng)機(jī)制是近年科學(xué)家們關(guān)注的熱點(diǎn),因?yàn)檫@種非傳統(tǒng)礦物生長(zhǎng)機(jī)制很可能會(huì)影響元素的地球化學(xué)行為,誘發(fā)尚未解譯的地質(zhì)地球化學(xué)過(guò)程。
基于表面生長(zhǎng)痕跡和晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)可記錄礦物生長(zhǎng)信息這一基本事實(shí),中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所、深地科學(xué)卓越創(chuàng)新中心何宏平研究員、博士研究生楊宜坪等人利用高分辨透射電鏡系統(tǒng)研究了巖漿巖和變質(zhì)巖中云母類礦物的微觀結(jié)構(gòu),并與人工合成的氟金云母對(duì)比,發(fā)現(xiàn)并率先提出了硅酸鹽巖漿結(jié)晶和高溫?zé)嵋哼^(guò)程中納米晶粒定向堆砌的礦物生長(zhǎng)機(jī)制,突破了基于單原子堆積的“層生長(zhǎng)”和“螺旋生長(zhǎng)”兩大傳統(tǒng)理論。相關(guān)成果以“Evidence for a two-stage particle attachment mechanism for phyllosilicate crystallization in geological processes”為題發(fā)表在礦物學(xué)權(quán)威期刊《American Mineralogist》上。國(guó)際同行指出,這是關(guān)于硅酸鹽熔體中礦物非傳統(tǒng)生長(zhǎng)機(jī)制的首次報(bào)道。

圖1 納米晶粒到宏觀晶體的礦物生長(zhǎng)過(guò)程示意圖

圖2 氟金云母沿(hk0)定向附著的TEM圖

圖3 黑云母納米片沿c軸方向堆垛的HRTEM和FFT圖
(顆粒1相對(duì)顆粒2存在1-2°旋轉(zhuǎn),顆粒2相對(duì)顆粒3存在約8°旋轉(zhuǎn))

圖4 氟金云母納米片沿c軸方向堆垛的TEM和FFT圖
(上下納米顆粒間存在約20°旋轉(zhuǎn))
需要指出的是,與已報(bào)道的表生環(huán)境礦物非傳統(tǒng)生長(zhǎng)機(jī)制相比,熔體中云母的生長(zhǎng)過(guò)程存在明顯差異:前者表現(xiàn)為納米晶粒在三維方向的直接附著,納米晶粒間的取向具有一致性;后者不僅表現(xiàn)為兩個(gè)階段生長(zhǎng)模式,而且納米顆粒在c軸方向的堆垛具有隨機(jī)性,并受控于熔體的物理化學(xué)條件。
上述研究不僅揭示了巖漿演化過(guò)程中礦物生長(zhǎng)的新機(jī)制,而且為認(rèn)識(shí)地球系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和元素的地球化學(xué)行為提供了新視角。此外,該研究也為闡釋黏土礦物等層狀硅酸鹽礦物的特殊形貌和結(jié)構(gòu),以及功能納米材料的合成提供了新思路。
該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金(41530313, 41772039, 41921003)等項(xiàng)目的資助。
文章信息:Hongping He*, Yiping Yang, Linya Ma, Xiaoli Su, Haiyang Xian, Jianxi Zhu, Hui Henry Teng and Stephen Guggenheim*. Evidence for a two-stage particle attachment mechanism for phyllosilicate crystallization in geological processes. American Mineralogist: 2021, 106(6): 983-993.
論文鏈接:https://doi.org/10.2138/am-2021-7529
(中國(guó)科學(xué)院礦物學(xué)與成礦學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室供稿)

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