长石风化作用及影响因素分析

长石类矿物是地壳中最常见的硅酸盐矿物,其风化作用对地球表面环境有显著影响,因而是风化作用研究的重点矿物之一。文中以长石为例,对硅酸盐矿物的风化作用研究现状从矿物的自然风化、模拟矿物化学风化和矿物的生物风化3个方面进行阐述;对影响矿物风化的各种因素及其在风化过程中所起的作用,以及长石微生物风化作用的机理和过程进行分析;指出目前硅酸盐矿物风化研究中存在的问题,并对未来的发展方向提出建议,指出对微生物-矿物复合体微环境物理化学性质的深入研究可能成为揭示微生物-矿物相互作用机理的一个突破口。     

长石微生物风化作用的研究现状与展望

矿物—微生物相互作用是地球表生环境下重要的地质作用类型,由于硅酸盐矿物的微生物风化影响着地球物质循环及地貌的形成和演变,尤其受到地质地球化学领域的关注。作为地球表层分布最广的硅酸盐矿物类型,长石在风化分解过程中,微生物通常会以流体模式、生物膜及真菌菌丝等方式与矿物表面发生作用。而长石在微生物作用下的分解机制主要包括质子交换和配体络合作用。微生物生理活动、微生物及代谢产物种类、生长条件,以及长石的种类、结构、成分及表面特征等均会影响其风化速率和风化程度。由于长石在硅酸盐矿物中的代表性,因此对长石—微生物作用模式、机理、影响因素等方面的研究,可以大大促进硅酸盐的微生物地质学的发展。     

原生硅酸盐矿物风化产物的研究进展——以云母和长石为例

研究云母和长石等原生硅酸盐矿物的风化速率和风化产物对于深入理解土壤发生过程、营养元素循环以及全球气候变化具有重要的理论意义。本文从自然风化、人工化学风化和生物风化3方面总结了原生硅酸盐矿物风化作用及其产物的特点，重点阐述了微生物参与下的生物风化作用和生物矿化作用及其意义。野外观察和室内实验研究结果表明，微生物可以加速矿物的分解，而且其细胞表面及其产生的胞外多聚糖可以作为次生矿物成核的模板。     

硅酸盐化学风化强度评估的沉积物指标与方法研究进展*

风化作用是源-汇沉积体系中的重要环节,气候、构造、地形、植被和岩性在不同程度上控制着地表硅酸盐化学风化,量化硅酸盐化学风化强度有助于开展全球性的实例研究对比。本研究归纳总结了基于碎屑沉积物的化学风化强度指标,包括岩石学和矿物学指标、元素地球化学指标和非传统稳定同位素指标,并指出了指标在应用中存在的问题。这些指标中:砂质沉积物骨架颗粒组成、粉砂级碎屑的矿物组成和矿物表面结构特征从矿物组成和结构上直观地反映了化学风化强度,运用不多但值得关注;黏土矿物组合和主微量元素指标如CIA、Rb/Sr、α^AlE等在实例研究中运用广泛,同时也显现出易受物源和水动力分选影响等弊端;新近开发的利用锂、硼、钾、镁、硅等同位素示踪化学风化强度的方法具有广阔的应用前景,同位素的分馏机理有待完善。源-汇体系中的其他过程如物源供给、水动力分选、成岩作用、再旋回作用、成土作用、物理淋滤和生物利用等会影响化学风化指标的使用效果,通过多指标的综合运用和相互验证,可以有效提升化学风化强度评估的准确性。     

含钾岩石微生物转化的分子机制及其碳汇效应

岩石矿物的微生物风化是地球表层系统最为活跃和普遍发生的地质营力之一。微生物对含钾岩石(以硅酸盐矿物为主)的风化能够释放其中的钾、硅和钙等元素,并在合适的环境条件下促进矿物元素的碳酸化沉淀,这是地表元素地球化学循环的重要环节之一。微生物对岩石的生物转化作用既涉及微生物的生长繁殖和代谢调控,也与元素的迁移转化和次生矿物的演化序列有关,具有重要研究价值。采用矿物学、微生物学和分子生物学等相结合的研究方法,有助于系统地研究微生物促进含钾硅酸盐矿物的风化并耦联碳酸化过程及其分子调控机制。研究证实,在纯培养条件下,微生物风化含钾矿物主要采用酸解、螯合、氧化还原等多种方式的协同作用,并可通过调控相关功能基因的表达来响应缺钾的环境以实现其对含钾矿物的有效风化,显然这有赖于微生物通过长期进化而形成的精细的分子调控机制。在土壤生态环境中,微生物对矿物风化的显著特征是该生态环境中微生物群落协同互作的群体作用效应。微生物碳酸酐酶参与的硅酸盐矿物风化伴随碳酸盐矿物的形成过程可能是个长期被忽视的地表碳增汇过程,对该问题的深入探索有助于进一步理解地质演化历史中微生物对碳素迁移转化的驱动机制。加入含钾硅酸盐矿粉的有机肥已经显示出其在土壤改良、作物生长和增加土壤碳汇等方面的正面应用效果,这为利用硅酸盐矿物的生物风化作用来延缓大气CO₂浓度的持续升高提供了新的思路。介绍了有关微生物对含钾岩石生物转化释放钾素的分子机理及其碳汇效应方面的研究进展,以期抛砖引玉,推动该领域研究的快速发展。     

不同构造带硅酸盐化学风化率的制约:气候还是构造?

虽然构造—风化-气候之间的制约关系仍然存在各种争论,但无疑的是,硅酸盐矿物的化学风化是调节地质时间尺度全球大气二氧化碳分压,进而保持地球表层气候稳定的关键性因素。目前最大的挑战在于如何理解地表制约硅酸盐矿物化学风化的因素,特别是当仅仅从气候要素变化难以解释长时间尺度硅酸盐化学风化率的时候。综合不同构造区内岩石物理剥蚀率和硅酸盐化学风化率的数据表明,不同时间、空间尺度硅酸盐风化率与构造和气候之间既存在相互耦合也存在矛盾的关系,仅仅归因于单一要素是不能得到圆满解释的。构造隆升区的强剥蚀可能是造成硅酸盐风化率增加的重要因素之一,但是将晚新生代地表系统的各种变化与各构造带（如青藏高原）的阶段性隆升联系起来可能是草率的。在不同类型构造带内,气候和构造对硅酸盐风化的制约并非是相互排斥的,特别是长时间尺度,因此“构造隆升-化学风化-气候变化”假说也正面临着全新的挑战。     

矿物溶解分子机理的量子化学计算研究

百分之八十以上的地表被硅酸盐矿物所覆盖,这些矿物同水、有机物的反应和作用,是整个低温矿物学和地球化学研究的核心,因为它决定了矿物风化与次生矿物沉积、土壤的形成和营养、有害元素迁移、CO2沉降等重要的研究方面.     

风化过程中矿物表面微生物附着现象及意义

微生物风化作用作为最为重要的表生过程之一,与多种元素的地球化学循环和局部环境污染的形成有着密切的联系.微生物在矿物表面的附着能够显著提高矿物的风化速率.本文在总结矿物表面微生物附着现象及特征的基础上,概述了微生物附着导致的矿物表观风化速率的上升和表面侵蚀现象,初步分析了微生物在矿物表面附着的驱动力和影响因素,强调了微生...     

萨拉乌苏河地区地层中的碎屑矿物及其所反映的中更新世末期以来之气候环境变化

文章根据对萨拉乌苏河地区第四纪地层中的碎屑矿物分析结果,将重矿物按其抗化学风化的能力不同分为不稳定、较稳定、稳定和极稳定四种类型,不同层位的重矿物类型的百分含量不同,从而可求出重矿物的风化系数HW。不同时期地层的HW不同,而HW的大小变化与化学风化的程度有很大关系,一般来说,化学风化作用强,HW相应变小。而化学风化作用的强弱又主要受气候的影响,从而可推测该时期气候环境的变化。     

烟曲霉对蛇纹石和橄榄石风化作用的试验研究

含镁硅酸盐矿物是重要自然资源,国内外大都采用传统的化学方法进行开发利用,而微生物法释放含镁硅酸盐矿物中镁和硅的研究还未见报道。试验采用摇瓶培养与对照结合的方法研究烟曲霉(Aspergillusfumigatus)对含镁硅酸盐矿物——蛇纹石和橄榄石的风化作用。试验采用ICP-OES测定第5、10、20、30 d培养液滤液中Mg2+和Si的含量,同时对相应试样的pH值和代谢产物进行分析测定,采用SEM和TEM观察作用后的微生物-矿物聚集体。结果表明,烟曲霉作用蛇纹石和橄榄石试样滤液中的Mg2+和Si含量变化不仅与烟曲霉生长状况有关,而且与矿物的晶体结构相关,蛇纹石较橄榄石更易被烟曲霉风化;另外烟曲霉在生长过程中产生的酸性代谢产物有助于对矿物的风化;SEM和TEM观察结果直观地显示出烟曲霉对蛇纹石和橄榄石的风化作用痕迹。综合分析认为,烟曲霉对蛇纹石和橄榄石的风化作用应该是酸溶作用、菌丝对矿物的穿插包裹和菌丝体对养分的吸收等方式协同作用的综合效果。研究结果为探讨真菌与矿物相互作用的过程与机理以及为微生物法开发蛇纹石和橄榄石矿产资源提供了基础资料。     

烟曲霉对蛇纹石和橄榄石的风化作用

含镁硅酸盐矿物是重要自然资源,国内外大都采用传统的化学方法进行开发利用,而微生物法释放含镁硅酸盐矿物中镁和硅的研究还未见报道.试验采用摇瓶培养与对照结合的方法研究烟曲霉(Aspergillusfumigatus)对含镁硅酸盐矿物——蛇纹石和橄榄石的风化作用.试验采用ICP-OES测定第5、10、20、30 d培养液滤液...     

Interactions between <Emphasis Type="Italic">Bacillus mucilaginosus</Emphasis> and silicate minerals (weathered adamellite and feldspar): Weathering rate,products, and reaction mechanisms

Bacillus mucilaginosus is a common soil bacterium,and usually used as a model bacterium in studying microbe-mineral interactions.Several reaction mechanisms of B.mucilaginosus weathering silicate minerals were proposed.However,the molecule mechanisms and detailed processes were still unclear.In this paper,bacterium-mineral interactions were studied in terms of variations in pH value over the experimental period,variations in mineral composition,weathering rates of silicate minerals and volatile metabolites in the culture medium,etc.,to further explore the bacterium-mineral interaction mechanisms.The results showed that B.mucilaginosus could enhance silicate mineral weathering obviously.The weathering rates were quite different for various kinds of silicate minerals,and the weathering rate of weathered adamellite could reach 150 mg/m2/d.Although B.mucilaginosus produced little acidic substance,pH in the microenvironment of bacterium-mineral complex might be far lower than that of the circumjacent environment;a large amount of acetic acid was found in the metabolites,and was likely to play an important role as a ligand.These results appear to suggest that acidolysis and ligand degradation are the main mechanisms of B.mucilaginosus dissolving silicate minerals,the formation of bacterium-mineral complexes is the necessary condition for the bacteria weathering silicate minerals,and extracelluar polysaccharides played important roles in bacterium-mineral interaction processes by forming bacterium-mineral complexes and maintaining the spe-cial physicochemical properties of microenvironment.     

青藏高原东部金沙江流域盆地陆地风化特征

青藏高原东部金沙江流域是研究高原隆升与陆地风化的理想地区。本文通过对金沙江河流系统的取样,从河流溶质载荷主要离子和悬浮载荷粘土矿物等方面揭示青藏高原东部金沙江流域盆地陆地风化特征。研究表明,金沙江流域盆地陆地岩石风化主要是碳酸盐岩、蒸发盐岩和硅酸盐岩。利用S i、S i/TZ+*、S i/Na*+K和S i/K以及(Na*+K)/TZ+等5个指标结合流域区域岩石分布和土壤特征揭示出流域硅酸盐岩为浅表性初级风化,风化产物主要是富含阳离子的次生粘土矿物。     

Atmospheric CO2 sink: Silicate weathering or carbonate weathering?

It is widely accepted that chemical weathering of Ca–silicate rocks could potentially control long-term climate change by providing feedback interaction with atmospheric CO₂ drawdown by means of precipitation of carbonate, and that in contrast weathering of carbonate rocks has not an equivalent impact because all of the CO₂ consumed in the weathering process is returned to the atmosphere by the comparatively rapid precipitation of carbonates in the oceans. Here, it is shown that the rapid kinetics of carbonate dissolution and the importance of small amounts of carbonate minerals in controlling the dissolved inorganic C (DIC) of silicate watersheds, coupled with aquatic photosynthetic uptake of the weathering-related DIC and burial of some of the resulting organic C, suggest that the atmospheric CO₂ sink from carbonate weathering may previously have been underestimated by a factor of about 3, amounting to 0.477 Pg C/a. This indicates that the contribution of silicate weathering to the atmospheric CO₂ sink may be only 6%, while the other 94% is by carbonate weathering. Therefore, the atmospheric CO₂ sink by carbonate weathering might be significant in controlling both the short-term and long-term climate changes. This questions the traditional point of view that only chemical weathering of Ca–silicate rocks potentially controls long-term climate change.     

岩性不均一的灰岩风化壳发育特征——贵阳花溪剖面粒度分布特征的指示

通过贵阳花溪夹泥质薄层的灰岩风化壳剖面的粒度分布特征的研究,结合矿物成分分析,揭示出岩性不均一的灰岩风化壳的发育特征: 灰岩作为剖面主体的成土母岩,风化早期,其以碳酸盐矿物的大量溶蚀及酸不溶物的残余积累为特征,同时方解石的溶解也延缓了酸不溶物的风化; 后期,随着易溶盐类消失殆尽,酸不溶物作为风化主体,开始了类似其它岩类的风化过程。而灰岩中的泥质薄层夹层,作为风化壳的次要组分,在灰岩风化过程中,由于存在巨大的体积缩小变化,泥质薄层被错断并被灰岩的风化产物所包裹,延缓了其风化发育进程。于是,各端元组分由于所处的微环境的差异,受风化溶液的影响程度不同,按照各自的风化方向和演化方式进行。随着风化程度不断增强,泥质薄片的包裹体分解,端元组分逐渐混合、趋同,风化壳趋于均质化,以统一的风化成土作用向表生稳定的矿物转变。      

Rock weathering by indigenous heterotrophic bacteria of Bacillus spp. at different temperature: a laboratory experiment

The bio-weathering of basalt, granite and gneiss was experimentally investigated in this study. These rock-forming minerals weathered more rapidly via the ubiquitous psychrotrophic heterotrophic bacteria. With indigenous bacteria of Bacillus spp. from sediments of Lake Baikal, we traced the degradation process of silicate minerals to understand the weathering processes occurring at the change temperature in the subsurface environment with organic input. The bacteria mediated dissolution of minerals was monitored with solution and solid chemistry, X-ray analyses as well as microscopic techniques. We determined the impact of the bacteria on the mineral surface and leaching of K, Ca, Mg, Si, Fe, and Al from silicate minerals. In the samples the release of major structural elements of silicates was used as an overall indicator of silicate mineral degradation at 4°C and 18°C from five medium exchanges over 255?days of rock bioleaching. The increase of temperature importantly affected the efficiency of Fe extraction from granite and basalt as well as Si extraction from granite and gneiss. In comparison with elemental extraction order at 4°C, Ca was substituted first by Fe or Si. It is evident that temperature influences rock microbial weathering and results in a change of elements extraction.     

胶质芽孢杆菌－蒙脱石相互作用实验研究

利用硅酸盐细菌研究了微生物对硅酸盐矿物的分解作用。选取层状硅酸盐矿物蒙脱石在30℃与一株编号为3025的硅酸盐细菌B.mucilaginosus进行交互作用,并利用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-AES)分析溶液中Si、Al、Mg离子的出溶量,利用X射线衍射(XRD)和显微红外光谱(Micro-FTIR)分析微生物作用后矿物物相和微结构变化。发现经硅酸盐细菌作用后,蒙脱石化学成分及晶体结构发生了细微变化,为微生物活动促进粘土矿物分解作用研究提供了实验和理论依据。