纳米结构矿物的特殊结构和表-界面反应性

纳米矿物是纳米地球科学（Nanogeoscience）的核心研究对象之一.鉴于"纳米矿物"的概念在实际运用时较宽泛,有时与经典定义不符,建议用"纳米结构矿物"代替"纳米矿物",并简析了纳米结构矿物（Nanostructured Minerals）的概念.以管状纳米结构矿物（埃洛石和伊毛缟石）、球状纳米结构矿物（水铝英石）、层间纳米结构矿物（蒙脱石和伊/蒙混层矿物）和多孔纳米结构矿物（硅藻质蛋白石）为例,分析了纳米结构矿物的结构、表面基团的特殊性及其所衍生的特殊界面反应性,讨论了它们对矿物资源利用和油气生成等地球物质循环过程的重要意义.      

纳米矿物及其环境效应

纳米矿物作为连接原子/分子和块体矿物材料的桥梁,在建立矿物微观反应机制和宏观现象的研究中具有重要的意义.随着纳米地质学的迅速发展,纳米矿物在地表环境中的分布、存在形式及其反应活性引起了越来越多关注.综述了天然环境中常见的纳米矿物的成因、存在方式、特殊的尺寸效应、团聚行为、生物/非生物界面反应的分子机制,及其对地表环境和元素生物地球化学循环的影响;着重介绍了具有重要环境意义的纳米矿物与其对应的大尺寸矿物颗粒在吸附行为、溶解速率、团聚状态、催化活性、界面电子传递效率等方面的差异.对于纳米矿物与其对应的宏观矿物晶体之间差异的研究,有助于全面认识矿物对各种地质过程的作用,对于推动地球科学向更加微观和深入的方向发展具有极其重要的意义.      

纳米颗粒物:独具特性的地球化学组成

至少一维尺度上小于100 nm的颗粒物均称为纳米颗粒物,在人工纳米颗粒物产生的几十亿年前,地球已经通过其特有的生物地球化学过程合成各类天然纳米颗粒物.这些纳米颗粒物及其次生产物具有独特的理化特性,并参与各种地球化学过程,体现其非凡的地球化学意义.从地球化学的角度,解析了环境纳米颗粒物的定义和分类,重点阐述了风化壳与水体中天然和次生纳米颗粒物的形成,并在天然纳米颗粒物中区分了纳米矿物和矿物纳米颗粒物;同时,也讨论了大气纳米颗粒物的来源、成因与环境影响.该综述列举了目前环境中纳米颗粒物表征与鉴别的技术和方法,重点剖析了纳米颗粒物的地球化学功能和环境意义,并对该领域的研究前沿问题进行了概述.      

纳米矿物与纳米矿物资源

为促进对纳米矿物及纳米矿物资源的认识、深入研究及开发应用,阐述了矿物纳米颗粒、纳米矿物狭义和广义概念、纳米矿物形貌分类和主要类型,并从晶体结构和晶体化学理论讨论纳米矿物形成和稳定的本质,即纳米矿物和矿物纳米颗粒形成分别受内因和外因控制.阐明了纳米矿物学研究内容及其在关键带研究的重要性,提出了纳米矿物资源的概念、属性及其开发利用的方向.      

纳米尺度下的生物矿物和生物矿化:基于介晶的视角

纳米地质学的兴起和发展,促使地质工作者从纳米尺度重新认识固体地球物质,将对地球科学的各个领域产生广泛而深刻的影响.作为纳米地质学的重要分支,纳米矿物学也将走出传统矿物学只把矿物看成理想晶体点阵的局限,从纳米尺度深入探究矿物包括生物矿物在内的矿物结构与性质,突破口之一是介晶.介晶是一种特殊的结晶纳米结构,近年来得到了物理学家和化学家尤其是材料化学家越来越多的关注.介晶是非经典结晶过程产物,以纳米颗粒为基本构筑单元,具备纳米颗粒的性质和宏观尺寸.现已发现,许多生物矿物如脊椎动物骨骼和牙齿、贝壳珍珠层、蛋壳、海胆骨针、有孔虫和珊瑚等都具有介晶结构.因此,从纳米尺度和介晶角度重新理解生物矿化,有助于揭示生物矿物中纳米多级结构的成因机制,拓展纳米矿物学的科学内涵.首先介绍生物矿化和生物矿物的基本概念,之后对介晶的概念和结构特征进行阐述,最后介绍生物矿物中的介晶结构及介晶形成的典型机制,涉及有机基质辅助、物理场驱动、矿物桥或有机桥连接、空间限域、取向附集和晶面选择性分子作用等多种物理化学过程,有望进一步推动纳米矿物学的发展.      

黏土矿物—水界面的量子力学模拟研究

黏土矿物广泛分布于自然界中,其对地质和地球化学过程有重要意义,也是工业、环境等领域中的重要矿物材料。黏土矿物的众多物化性质均与其表界面结构和性质有关。作为实验研究方法的重要补充,量子力学模拟被广泛用于黏土表界面性质的研究。本文回顾了利用量子分子动力学模拟对黏土矿物-水界面性质的研究,包括表界面结构、表面酸度和离子络合等方面。     

西藏蛇绿岩中不寻常的地幔矿物群

在西藏雅鲁藏布江蛇绿岩的铬铁矿中，首次发现由100余种（亚种）矿物组成的地幔矿物群，其中包括：自然元素，合金，氧化物，硫（砷）化物和硅酸盐。根据实验资料，其中一部分是超高压成因矿物。可能来自地球核-幔边界，是地球外核与下地幔底部硅酸盐之间化学反应的产物，另一部分矿物可能来自下地幔，过渡带和上地幔。西藏地幔矿物群，无论在矿物学和地球动力学上均有重要意义。     

铁矿物催化氧化技术在水处理中的应用

广泛存在于地下水中的各种有机污染物严重影响着水资源的安全利用,常见的水处理工艺对持久性有机污染物去除效果不够理想。近年来,天然含铁矿物作为催化剂,催化过氧化氢的化学治理方法对各种有机污染物去除效果显著。概述近年来主要含铁矿物、负载型矿物和纳米矿物材料催化过氧化氢在地下水有机污染去除中的应用,探讨了该领域的发展现状和存在问题,并对其应用前景进行展望。认为天然矿物材料具有成本低、在地壳中含量高、环境友好等特点,可用于多种有机污染物的去除与降解。但处理过程中,天然有机质的作用、纳米矿物材料的毒性和地球化学归宿问题应该做进一步研究。     

微生物—矿物相互作用之环境意义的研究

微生物-矿物的相互作用是地球上广泛发生的一种地质作用，它直接导致矿物的溶解和沉淀，并进而对环境产生重要的影响。微生物-矿物相互作用对环境修复具有重要意义，如金属还原细菌（DMRB）可通过与Fe^3 -氧化物矿物的相互作用催化氧化降解含芳香环的化合物如苯酸盐、苯、甲苯等，或催化还原降解（聚）硝基芳香化合物及四氯化碳等，还可通过表面吸附作用或氧化还原作用使一些重金属元素如U、Np等高毒性的污染物固着或形成不溶的矿物形式，从而有效去除其毒性。另外，微生物亦可催化氧化形成对环境有高度污染的酸性矿山废水（AMD）等，总之，深入研究微生物-矿物的相互作用对环境的影响具有重要意义。     

二十一世纪的矿物学

根据20世纪矿物学已取得的主要成果和已经意识到尚未解决的问题，预测21世纪矿物学基础理论研究将在分子轨道理论和分子模拟、三维矿物物质、矿物表面和界面等方面取得突破性进展。这些研究将借助更为快速、准确、精细的测试手段和仪器。应用于地球科学领域，21世纪矿物学将对诸如造山带（高压变质、蛇绿岩等）；深部地质（组成、物理性质）；古生物和现代生物，特别是微生物在地质过程中的作用；全球变化（风化、沉积、纪年）等方面的研究作出特殊贡献。同时21世纪矿物学在矿物材料研究方面将为人类的生活带来广泛、深刻的变化。     

大气微纳米颗粒物界面反应与矿物协同演化意义

综述了大气气溶胶颗粒物的特征、颗粒物的界面反应与矿物协同演化意义;重点介绍了大气颗粒物粒径分布和矿物成分,以及常见有毒有害气体的界面反应产物特征与关键化学过程;总结了矿物颗粒在大气气溶胶形成过程中汇聚、调控、催化的作用,以及颗粒物与大气中SO₂、NO_x的协同反应机制;分析了微纳米颗粒对二次有机气溶胶形成的影响,以及大气矿物相颗粒界面反应产物组合及协同演化作用.可为进一步研究大气颗粒物与大气中痕量污染气体反应形成二次气溶胶进而影响大气化学组成的过程提供指导,对深入探讨大气矿物颗粒表面特性在复合污染物中多介质反应的微界面化学过程,矿物尘-污染物气溶胶体系在雾-霾形成、转换、新生粒子和阻断行为的复合作用具有重要的环境学意义.      

The effects of stress on reactions in the Earth: Sometimes rather mean,usually normal,always important

Stress affects chemical processes on all scales in the Earth but the magnitude of its effect is debated. Here, I give a new synthesis of the theory that describes the effects of stress on chemistry, elaborating upon work in Materials Science which is built from fundamental thermodynamic laws, and show its significance in Earth Science. There are separate but compatible relationships describing what happens (1) at interfaces and (2) within grains. (1) The main chemical effects of stress in the Earth are due to variations in normal stress along grain interfaces and between interfaces with different orientations. For reactions involving diffusion these variations give effects on mineral stability broadly equivalent to pressure changes of (molar volume)/(molar volume change during reaction) × (stress variation). The volume ratio is generally large and so the effects of normal stress variations are always important since all stressed rocks have interfaces supporting different normal stresses. There is no global chemical equilibrium in a stressed system, so reaction kinetics contribute to ongoing evolution until stresses relax: this evolution can include deformation by diffusion creep and pressure solution, possibly with new mineral growth. These effects are relevant for predicting the conditions for reactions involving fluids, such as serpentinite formation and breakdown (relevant for the Earth's volatile cycles) and for other reactions such as ringwoodite breakdown (relevant for understanding the 660 km mantle discontinuity). (2) Within stressed solid solution grains it is not possible to define chemical potentials of all chemical components since one has to be specified as “immobile.” The chemical potential of a “mobile” component such as an exchange vector can be defined. It depends on the “partial molar strain,” a second rank tensor defining the variation in unit cell geometry with composition. In cubic crystals the partial molar strain is isotropic and the chemical potential of a mobile component depends on mean stress. In other crystal systems the partial molar strain is anisotropic and the chemical potential depends on a “weighted” mean stress; orientation as well as magnitude of stress has an influence. I propose “chemical palaeopiezometry”—the possibility of measuring past stress levels via chemistry. Examples show that stress variations in hundreds of MPa to GPa are required to produce 2% variations in composition but high stresses and/or precise chemical analyses will allow this proposal to be tested. High stresses around inclusions and dislocations could be targeted. So, the weighted mean stress inside grains has an effect which is relatively minor although potentially valuable in explaining chemical variations; the normal stress at interfaces plays the main role in chemical processes and its effects are of significant magnitude.     

羰基化合物与还原性氮的液相反应及其对棕色碳贡献的研究进展

棕色碳是一类重要的吸光性有机气溶胶,对全球辐射强迫有重要贡献。其化学成分和形成机制是地球科学研究的前沿和难点。模拟实验结果表明,羰基化合物和还原性氮的液相反应产物在近紫外波段具有较强的吸光性,且化学成分复杂,难以分离和鉴定。本研究回顾了基于实验室羰基化合物和还原性氮的反应速率、反应机制,以及反应产物中吸光组分的化学成分和光学性质;总结了反应条件(反应物种类、浓度、溶液酸度、温度和相对湿度)对反应速率和吸光组分形成的影响;并指出了外场观测和模型研究对这一贡献认识的不足。     

A study of the durability of some shales,mudrocks and siltstones from Brazil

In spite of the considerable area covered by argillaceous sedimentary rocks (comprising shales, mudrocks and siltstones) in Brazil and the number of engineering works associated with these materials, little is known about their geotechnical, physical, chemical, mineralogical and textural characteristics and the effects of weathering processes on them. This work presents results obtained in a research project aiming primarily at identifying degradation processes responsible for the weathering of some of these rocks in Brazil. The rocks under investigation come from two different parts of the country, each one related to a specific engineering problem and to different geoenvironments. The project involved a comprehensive laboratory testing program for basic characterization (chemical and mineralogical composition, index properties, etc.) and evaluation of durability characteristics of these rocks. The present paper describes the testing program carried out and discusses the results obtained.     

Sorption of Trace Elements on Mineral Surfaces: Modern Perspectives from Spectroscopic Studies,and Comments on Sorption in the Marine Environment

The partitioning (or sorption) of trace elements from aqueous solutions onto mineral surfaces and natural organic matter (NOM) has played a major role in determining the trace element content of natural waters. This review examines sorption processes on mineral surfaces for nine trace elements (Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Sr, Cd, Hg, Pb), focusing on the results of modern x-ray spectroscopic studies. Such studies provide unique information on the structure and composition of sorption products, including their mode of attachment to mineral surfaces or functional groups in NOM under in situ conditions (i.e., with aqueous solution present at 25°C). The types of chemical reactions (acid-base, ligand exchange, redox, dissolution/reprecipitation) that can occur at mineral-aqueous solution interfaces are also reviewed, and some of the factors that affect the reactivity of mineral surfaces are discussed, including changes in the geometric and electronic structures of mineral surfaces when they first react with aqueous solutions and constraints on the bonding of adions to surface functional groups imposed by Pauling bond valence sums. A summary of electrical double layer (EDL) theory is presented, including the results of several recent x-ray spectroscopic and parameter regression studies of the EDL for metal-(oxyhydr) oxide-aqueous solution interfaces. The effects of common inorganic and organic complexants on the sorption of trace metal cations at mineral-solution interfaces are considered, in the context of spectroscopic studies where possible. The results of sorption studies of trace metal cations on NOM, common bacteria, and marine biomass are reviewed, and the effects of coatings of NOM and microbial biofilms on cation uptake on mineral surfaces are discussed, based on macroscopic and spectroscopic data. The objective here is to assess the relative importance of inorganic versus organic sorption processes in aquatic systems. The paper concludes with a discussion of the effects of water composition on trace element removal mechanisms, with the aim of providing an understanding of the effects of the high salinity of seawater on trace element sorption processes. The information presented in this review indicates that sorption processes on mineral, NOM, and microbial and algal surfaces, including true adsorption and precipitation, are highly effective at removing trace elements from natural waters and generally supports Krauskopf's (1956) conclusion that such processes are likely responsible for the present trace element concentrations in seawater.     

地幔流体及其金成矿作用——兼论夹皮沟金矿田的地幔流体与成矿

地幔流体是以C-H-O为主的体系,富含H、CO₂、CH₄、H₂S、H₂O和大量的不相容元素（如K、P、Li等）及一定量的金属氧化物,在不同地质环境下其组成成分有一定的变化.地幔流体有地幔柱型、洋中脊玄武岩型和岛弧型3种主要源区,通过交代和（或）溶解地幔、地壳岩石等方式迁移、富集而成矿.夹皮沟金矿田内构造-岩浆活动及区域变质作用表明该区地幔活动频繁且强烈,金矿成矿流体具有地幔流体组成和成矿作用特征,显示金矿成矿作用与地幔流体活动密切相关     

陆面过程与天气研究

陆面作为大气运动的下边界,通过动量、热量及物质交换与大气发生复杂的相互作用。陆面过程被认为是影响天气气候的关键过程之一。关于陆面过程对气候的影响已经开展了大量较为深入的研究,相比之下,针对陆面过程对天气的影响研究并没有受到足够的重视。近年来,陆面过程与天气研究也开始受到了越来越多的关注。本文从陆面基本要素、下垫面构成、陆面诱发的局地环流3个方面,回顾了土壤湿度、地形、土地利用、山谷-平原环流等要素和过程对强对流、暴雨、台风、高温热浪等天气事件影响研究的相关进展,以期为今后的研究提供参考。需要指出,尽管此方面的研究已取得了一定进展,但关于陆面过程对天气,尤其是极端(高影响)天气的影响及机制还有待深入研究,进而从陆面过程的角度来理解重要天气形成、发生和发展的机理,从而为数值模式发展和天气预报业务提供更有力的科学支撑。     

大洋底的玻璃微粒

大洋沉积物中的微玻璃陨石和火山玻璃是两类性质截然不同的微玻璃体,前者SiO₂含量十分稳定,MgO含量比较高,Na₂O和MnO含量都很低,并具有Os、Ir等重要地外元素丰度特征。另外,还具有特殊的表面结构以及一定的形成年代。后者的SiO₂含量不稳定,MgO含量很低,Na₂O和MgO含量比较高,不具有Os、Ir等地外元素丰度特征。因此,不可将它们混为一谈。     

两种典型碳酸盐岩红土风化剖面的物理化学特征

通过对贵州遵义和平坝两种典型碳酸盐岩风化剖面的系统采样,在室内进行了岩土工程上常用的13项物理指标的测试和12项常量化学元素的全分析,在此基础上论述了它们在风化剖面上的分布及变化特征。指出土层孔隙率(孔隙比)由表层土到深处由高到低的变化,导致岩(土)层透水率逐渐降低和含水量的增加,是土层物理性质及相关力学性质变化的主因; 表层土以粘土粒组为主,到靠近基岩附近变为以粉土粒组为主,说明后期红土化作用可使土粒变细; 靠近岩石界面土层的粒径与组成石灰岩和白云岩矿物颗粒大小相当,这可能是地下水溶蚀- 交代矿物颗粒继承发育的结果; 通过分析界面各层(基岩- 溶滤层- 杂色粘土层)化学成分的变化可以看出,由岩石到土层可溶性组分( CaO、MgO)大量的被水溶蚀带走,成土元素( SiO2、Al2O3、Fe2O3 等)呈突跃式增加,而且两类岩石溶蚀成土的初期阶段(由岩石到溶滤层)可溶元素被溶蚀及成土元素的积累有很大的差别。