地表“矿物膜”:地球“新圈层”

地球表层是一个极为复杂的开放系统,其中所充满的阳光、大气、水分、有机酸、无机酸/盐、矿物质和微生物等彼此之间无时无刻不在发生着人们尚未充分认识到的多种自然作用。本文采用环境矿物学、半导体物理学与光电化学等交叉学科研究手段,在我国南方红壤、西南喀斯特和西北戈壁等典型陆地生境中,发现直接暴露于太阳光下的土壤/岩石表面广泛发育有几十纳米到数百微米厚度的铁锰氧化物"矿物膜";详细研究了铁锰氧化物"矿物膜"中矿物组成及其精细结构特征,发现半导体性能优异的水钠锰矿普遍存在,其晶体结构中富含促进其光催化功能的稀土元素Ce。在这些生境中,矿物岩石表面所包覆的铁锰氧化物"矿物膜"总是朝着太阳光发育,岩石背面却不出现"矿物膜",揭示出太阳光照射下的地球陆地表面普遍存在的"矿物膜"与太阳光有着直接的响应关系。光电化学测试结果显示,天然"矿物膜"具有较好的日光响应性能,由其制成的电极在可见光照射下皆能产生明显的光电流,而不含铁锰氧化物矿物的岩石基质样品及石英、长石等矿物样品几乎不产生光电流,表明"矿物膜"光电流的产生主要与铁锰氧化物有关。进一步测得"矿物膜"中主要铁锰氧化物的禁带宽度均小于2. 5eV,证明其均为对可见光具有广泛而良好吸收的天然半导体矿物。以全球日光平均辐照强度100mW/cm~2计以及全球典型生境中"矿物膜"分布面积估算,全球"矿物膜"吸收太阳能等效为生物质能的最大量与2017年度全球糖类产量(1. 92亿吨)相当。铁锰氧化物"矿物膜"不仅存在于陆地地表,还存在于海洋透光层中。可以认为地表"矿物膜"是地球上分布最广的天然"太阳能薄膜",从功能上"矿物膜"相当于继地核、地幔和地壳之后的地球第四大圈层,事实上构成了地球"新圈层",也是地球在太阳光能量驱动下发生外营力地质作用的关键地带。在此基础上,本文提出从"矿物膜"中产生的矿物光电子与太阳光子和元素价电子共同组成了地表存在的三种主要能量形式的认识。深入探讨太阳光照射下地表多圈层交互作用界面上所发生的电子传递与能量转化的微观机制,有助于深刻理解地表"矿物膜"这一地球"新圈层"如何影响地球物质演化、生命起源进化与环境变化演变的宏观过程。     

几种亚热带土壤铁锰胶膜和基质的表面化学特征

以我国亚热带的黄褐土、黄棕壤和红壤为材料,研究了土壤铁锰胶膜和其基质的表面化学性质及其对重金属元素的吸附和氧化特点。结果表明,与基质土壤相比,铁锰胶膜的比表面积大,电荷零点(PZC)低,这与其富含粘粒、有机质和铁锰氧化物等有关;铁锰胶膜经脱锰处理后,比表面积明显降低。由盐滴定-电位滴定(STPT)法测得黄褐土、黄棕壤、红壤基质的PZC分别为3.13、3.65和3.90;黄棕壤和红壤铁锰胶膜的PZC分别为3.26和3.42。铁锰胶膜对Pb2 、Cu2 、Cd2 和Zn2 的吸附和对Cr3 的氧化能力比基质的强。铁锰胶膜经脱锰处理后,对Pb2 、Cu2 、Cd2 和Zn2 的最大吸附量比未处理时降低了53%～100%;其氧化Cr3 生成Cr6 的量比铁锰胶膜的降低了87%～100%。说明黄褐土、黄棕壤和红壤的铁锰胶膜中,氧化锰是吸附重金属离子和氧化Cr3 的主体。     

武汉黄棕壤铁锰氧化物胶膜的矿物学特征研究

铁锰氧化物矿物胶膜是我国黄棕壤中重要的铁锰元素富集载体,选取我国华中地区典型的铁锰氧化物矿物胶膜样品,采用电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)、偏光显微镜(POM)、环境扫描电子显微镜(ESEM)、能谱仪(EDX)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、高能量X射线粉末衍射(XRD)等研究方法,对原位和分离处理后的黄棕壤铁锰胶膜进行了详细的矿物学表征.结果表明,黄棕壤铁锰氧化物矿物胶膜由表及里,由外到内依次呈现富锰条带、富铁锰条带、富铁条带、富锰铁条带、富铁条带,并且锰铁元素含量之比不规则降低,其所含铁锰氧化物矿物主要为锰钡矿、针铁矿、水钠锰矿、六方水锰矿、水羟锰矿,粒度为纳米级,形貌多样.     

华中地区几种土壤铁锰胶膜及其基质中某些元素的地球化学特点

通过对华北地区几种土壤和胶膜中某些性质及元素的相关分析和因子分析。比较了铁锰胶膜和基质土壤的性质及元素含量之间的关系。研究表明，（1）铁锰胶膜的pH值，粘粒含量，K2O,Na2O,MnO2，非晶质铁，铁的活化度，微量元素等的含量均比基质土壤的高，且差异显著；（2）铁锰胶膜富集重金属元素，Co,Ni,Cu和Zn等元素主要富集于胶膜的氧化锰矿物中，而Pb主要富集在氧化铁矿物中；（3）Mg在铁锰胶膜的形成过程中进一步淋溶，以致含量减少。     

纳米比亚红沙漠沙粒特征及其成因

针对纳米比亚红色沙漠呈现红色的原因及其形成环境,借助双目镜、电子显微镜及扫描电镜等手段,统计测定了沙粒形态和矿物成分,研究了红色沙漠沙粒及其红色包裹物成分。研究表明,沙粒主要由石英(91%)、长石(4%)和岩屑(5%)颗粒组成,原岩以花岗岩为主,还有火山碎屑岩、泥岩和粉砂岩,不同类型沙粒磨圆度存在差异。由于不同含量的黏土矿物和铁氧化物附着于沙粒表面,使沙粒呈现不同程度的红色,进而导致沙漠呈现红色。黏土矿物和铁氧化物中主要元素为O、Si、Fe、Al、Mg,含少量K、Ca、Ti、Cl、P,矿物成分相当于伊利石、蒙脱石、高岭石、绿泥石、赤铁矿、针铁矿和钛铁矿等,矿物组合特征揭示了红色包裹物的形成环境以偏冷、湿润气候为主。     

几种亚热带淋溶土基质和胶膜中1.4 nm过渡矿物组成的差异及其意义

以我国亚热带的黄褐土和黄棕壤的铁锰－粘粒混合胶膜为材料，分析了胶膜及其相应的淋溶土在粘土矿物类型和含量上的差别。研究结果表明：土壤和胶膜的粘土矿物均由1.4nm矿物、水云母、高岭石组成，土壤的1.4nm矿物为1.4nm过渡矿物和蛭石的混合相，而胶膜的1.4nm矿物全部由蛭石组成。由此认为，胶膜中的1.4nm过渡矿物主要来源于表层粘粒的淀积和裂隙周围基质土壤中粘土矿物的转化，胶膜的有机质含量、交换性盐基总量等性质明显不同于基质土壤，其微环境抑制了土壤中的蛭石向1.4nm过渡矿物的转化，并导致1.4nm过渡矿物向蛭石的转化。     

红壤中稀土元素结合形态的分布及分配

红壤剖面中稀土元素结合形态的分布研究表明,稀土元素的各种结合形态中以残渣态为主,其次为铁锰氧化物结合态,大部分稀土元素的可交换态、碳酸盐结合态、有机质结合态及酸溶态含量较为接近。稀土元素结合形态在剖面层中的分布大致可分为两类,一类以表层含量较高,如有机质结合态;另一类以深层含量较高,如可交换态、碳酸盐结合态、残渣态（大部分稀土元素表现为C层＞A层＞B层）和酸溶态（主要表现为C层＞B层＞A层）,而铁锰氧化物结合态变化较复杂,但主要集中在深层。不同母质对不同稀土元素各种结合形态的分布有一定的制约作用．表现为某些稀土元素的一些结合形态在一种或几种母质的红壤中占主导地位。稀土元素结合形态的分配研究表明,元素Pr、Tb、Tm、Yb、Lu的分异普遍比较显著,在不同结合形态中呈现富集或亏损,而Ce、Sm、Eu等元素则主要在某一种结合形态中发生分异。从稀土元素的各种结合形态与红壤的硅酸盐成分及其有机质含量、pH值间的相关分析认识到结合形态与红壤本身成分间的密切关系。     

东海油气表层地球化学勘查指标的讨论

海洋表层沉积物中气相、液相、固相物质成分和物理化学参数能反映深部油气藏的分布,可作为油气化探指标。文中讨论了东海表层沉积物间隙水液态烃、成岩作用环境指标Fe³⁺/Fe²⁺ 、热释碳酸盐(△C)、沉积岩细粒级样品分离。选择了东海油气表层化探主要指标和参考指标。△C的矿物成分主要是铁锰的碳酸盐系列,东海沉积物△C矿物成分以菱铁矿为主。△C成因上的多解性决定了△C作为油气化探指标的局限性。     

宝鸡剖面S5古土壤磁化率变化机制

运用岩石磁学和地球化学相结合的方法对宝鸡剖面S5和S3古土壤的磁性特征进行了详细对比分析,结果表明S5古土壤层Rb/Sr比值较高,S5古土壤形成期气候温暖湿润,成壤程度比S3时期强.S5层亚铁磁性矿物含量低于S3层,反铁磁性矿物主要为针铁矿;而S3层的反铁磁性矿物主要为赤铁矿.S5层土体表面及土壤空隙中可见大量黑褐色的铁锰胶膜分布,由于沉积后土壤长时期处于偏干或偏湿的氧化、还原交替环境中,细粒的磁铁矿和/或磁赤铁矿、赤铁矿溶解转化成褐铁矿、针铁矿等弱磁性矿物,主要转化成在局域湿润环境下能够稳定存在的针铁矿,这种磁性矿物的转化可能导致了成壤强的S5古土壤超顺磁亚铁磁性矿物含量的减少和磁化率的降低.     

四川广元千佛崖石窟造像表面风化的环境地质问题分析

采用温湿度测试、石窟造像渗水实验、石窟造像吸水的红外成像、岩石特征分析等手段,对四川广元千佛崖石窟造像表面及其周围环境进行监测,以及对石窟造像岩石特征进行分析。结果表明：进深较大的窟室内外存在2℃~4℃的温差,岩石0~40 mm深度范围内温度与外界气温存在显著相关性;石窟造像岩石主要成分为长石、石英、黑云母及黏土矿物,岩石渗水率和吸水率高,表层风化程度高。环境和岩石特征揭示广元千佛崖石窟造像的风化机理为：石质文物棱角部位和小型石窟造像对温度的变化敏感,当气温出现变化时,其温度变化剧烈,而其他部位相对滞后,从而导致石窟造像表层岩石在热胀冷缩的应力下出现微裂隙,并随着微裂隙逐渐增大,石质文物表面出现疏松、起壳、鳞片剥落等病害。同时微裂隙的出现增加水入渗的途径并扩大水-岩相互作用的面积,含水矿物的水合压力和结晶压力使岩石内部结构疏松逐渐破坏;水化学作用导致可溶盐离子形成,并随水毛细迁移在石窟造像表面聚集,导致石窟造像表面酥碱、锈染、彩绘层空鼓等失去原真而破坏。最后提出在窟龛上面加盖窟檐和在崖顶及立面坡面刻槽疏排水流等石窟造像治理措施来减缓其表面风化。     

光学碱度及其在岩石、矿物学中的可能应用

岩浆、火成岩,许多矿物以及冶金炉渣、玻璃等都是以氧化物为其主要成分。这些复合氧化物系的一个重要性质是它们的酸碱性,氧化物之间的亲合性或反应性能都与之密切相关。在地球化学、岩石、矿物学和冶金炉渣的研究中,氧化物系是以“基性”     

地表“矿物膜”半导体矿物光电子调控微生物群落结构演化特性研究

矿物-微生物交互作用广泛参与地球表层系统物质循环与能量流动过程,深刻地影响着一系列重要的地表生物地球化学进程。近年来地表半导体矿物的相关研究,为矿物-微生物交互作用提供了崭新研究方向,揭示地表“日光-半导体矿物-微生物”系统电子传递过程及其环境效应,是地质微生物学交叉领域研究的核心科学问题之一。本研究从地表不同生境“矿物膜”出发,以光电化学技术证实喀斯特、红壤、岩石漆“矿物膜”在1 000 min长时间循环实验中平均光电流值约为5.4、3.4、3.2 μA/cm²,证实“矿物膜”良好日光响应特性且铁锰氧化物矿物在其中发挥核心作用。基于笔者前期研究所发现的“矿物膜”电活性菌富集且与半导体矿物分布呈正相关性这一现象,本文进一步构建模拟光电子红壤细菌群落系统,20天后细菌群落α多样性显著提升,研究证实细菌群落具有模拟光电子响应活性,且电极与溶液群落均具有演化方向性;16S rRNA测序分析表明模拟光电子作用下Shewanella、Pseudomonas、Streptococcus、Lactobacillus、Acinetobacter等电活性菌显著富集。综上,本文研究结果间接证实地表半导体矿物光电子可有效调控微生物群落结构并促进电活性菌在“矿物膜”中富集。     

多孔结构矿物（岩石）及其环境修复材料的实用性

具有多孔结构的矿物(岩石)作为一类特殊的工业原材料，在环境修复领域的应用前景正在成为研究热点。本文从微孔的尺度、结构、形态、成分等表面固体特征出发，概括性地论述了凹凸棒石、海泡石、蒙脱石、沸石、硅藻土等十几种多孔结构矿物(岩石)在环境修复工程中用作过滤材料、吸附剂、离子交换剂和催化剂等材料时的基本特征和使用时应注意的问题。     

使用试验视频图像研究花岗岩中不同矿物成分的变化特征

结合灰度分界阈值分割法和粒子图像测速技术,对单轴压缩条件下花岗岩变形破坏过程中不同矿物成分(黑云母、长石和石英)的变化特征进行了研究。由室内单轴压缩试验获得花岗岩变形破坏过程的试验视频图像;由灰度分界阈值分割法获得视频图像中岩石表面不同矿物成分的位置;使用粒子图像测速技术得到岩石表面不同时刻的位移;采用应变计算公式的差分格式得到不同位置不同方向的应变大小;在此基础上,研究了不同变形阶段岩石中不同方向应变的变化特征及其与矿物成分分布的关系。结果表明:裂缝出现前,花岗岩表面各矿物成分变形方向主要沿水平方向;裂缝发展过程中,长石变形方向主要是竖直方向,石英变形方向主要是水平方向;三种矿物成分中,最大主应变从大到小的顺序为黑云母、长石、石英。     

沿海表层沉积物中重金属的有效结合态

以浙江沿海表层沉积物为研究对象,系统地研究了重金属有效结合态与沉积环境、矿物组成和人为排放等环境因素之间的相互关系.结果表明:沿海表层沉积物中重金属的积累数量,呈现出潮汐河口沉积物>沿海沉积物>强潮汐河口沉积物的趋势,这反映了不同沉积类型对重金属富集作用的差异;重金属的有效结合态,总体上以铁锰氧化物结合态>碳酸盐结合态>硫化物及有机结合态>可交换态的顺序存在,但是不同的重金属或同种重金属在不同的采点,主要有效结合态的比例存在明显的差异,这不仅与重金属的地球化学性质、沉积环境和沉积物中的粘土矿物组成有关,更受到重金属污染物的人为排放量的影响.     

石英砂表面铁胶膜的合成——pH和铁摩尔比[Fe(Ⅱ)]/[Fe(Ⅲ)]的影响

本研究以石英砂为载体,在其颗粒表面合成铁胶膜,并探讨合成体系不同初始pH(5,6,7)及铁摩尔比(R=[Fe(Ⅱ)]/[Fe(Ⅲ)])等条件对铁胶膜形成的影响。研究表明,在初始pH相同的情况下,当R为0时,铁胶膜的矿物成分为弱晶质的水铁矿;R为0.01时的矿物成分为赤铁矿;R分别为0.02、0.04、0.06和0.10时为针铁矿,且随着R增加,X射线衍射(XRD)图谱中针铁矿的峰强度逐渐增加,扫描电镜(SEM)可观察到针铁矿晶形逐渐变大,且在R为0.10时晶体形貌最大;当R为0.50和体系只加入Fe(Ⅱ)时合成的铁矿物主要为针铁矿与磁铁矿的混合物。当R一定时,随着合成体系初始pH的增加,胶膜中针铁矿的XRD峰强度逐渐增强,在初始pH为7时其峰最强,且晶形逐渐变大。     

石英砂表面锰胶膜的合成及其影响因素研究

以石英砂为载体在其颗粒表面合成锰胶膜运用X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)等手段对胶膜中矿物的结构进行表征,探讨体系中不同锰摩尔比R(Mn~(2+)、Mn~(7+)摩尔比分别为1:1、1:2、1:3、1:4)、合成温度(30、50、70、90、110℃)、搅拌时间(48、72、96 h)和石英砂添加量(5、10、20、30、40 g)等因素对锰胶膜合成的影响。研究结果表明,随着R的减小,锰胶膜中的锰钾矿向水钠锰矿转化且矿物的结晶度增大,锰含量减小,晶体颗粒逐渐增大;随着温度的升高,胶膜中矿物的结晶度增大,锰含量下降,但矿物类型没有变化;搅拌不会影响胶膜的矿物类型,但搅拌时间越长胶膜中锰矿物含量越高;随石英砂添加量的增大胶膜中锰矿物类型不变,但其结晶度减弱,锰含量先降低但在石英砂添加量为10 g时开始升高。     

含砷尾矿中砷铊矿相特征及其释放机制

含砷尾矿中砷(As)及伴生元素铊(Tl)等毒性元素易向周边水和土壤介质中迁移,揭示尾矿中毒性元素的矿相特征及其释放机制具有重要意义。本研究以某雄黄矿区含砷尾矿为研究对象,结合化学分析、矿物学表征等手段,通过静态浸出实验探究含砷尾矿中As和Tl的矿相特征及其释放机制。研究结果表明,含砷尾矿中As和Tl的环境行为明显受到其矿相特征及赋存形态影响。矿物学分析结果显示尾矿中As的主要矿物相为砷铂矿和砷铁矿,矿物解离度表明砷矿物处于风化状态,As释放风险较高;而Tl则以伴生元素形式存在于Ca、Mn和Mg等矿物相中,这些矿物的沉淀溶解控制着尾矿中Tl的释放。尾矿中As主要以铁锰氧化物结合态和有机结合态存在,Tl主要以铁锰氧化物结合态和残渣态存在。酸性浸出条件下金属的活性态比例增高,可交换态As由0.29%上升至1.67%,可交换态Tl从5.46%升高至8.67%;尾矿中As释放加强而Tl受到抑制,表明尾矿中As与Tl释放存在竞争关系。As的浸出符合双常数模型,为多因素控制的物理和化学过程;Tl的浸出符合抛物线扩散模型,由结构掺入和表面吸附等扩散机制控制。本研究明确了含砷尾矿As和Tl的释放特性、化...     

铁锰结核中人造金属物的发现

铁锰结核中人造金属物的发现王焕夫（水文工程地质研究所）海洋水下环境的铁锰结核不仅含有铁锰氧化物和氢氧化物，而且富含Ｃｕ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｂ、Ｚｎ等３７种元素，是海洋矿物资源。１９８６～１９８９年，地质矿产部“海洋四号”考察船在开展大洋地质科学调查研究，...     

玄武岩纤维原料特征的统计及分析研究

玄武岩纤维是以玄武岩或他种成分相近的岩石为主要原料,经熔融后拉制而成的一种高性能纤维。天然矿石的成分波动会造成拉丝困难或纤维性能不稳定,笔者等收集了54组原料岩石以及114组玄武岩纤维样品的化学成分数据,研究归纳了玄武岩纤维所需原料的岩石学特征、参数指标特征和其他特征,分析提出了可拉丝岩石相关参数指标的最佳区间。适于生产玄武岩纤维的原料矿石,其特征可总结如下：岩石学方面,以基性岩以及SiO2含量为53%~57%的中性岩为佳,岩石类型最佳为玄武岩或安山玄武岩;岩石结构最佳为间隐结构、玻基斑状结构或玻璃质结构;构造的影响是间接的,主要为气孔或杏仁构造中可能含有的一些不利矿物的影响;矿物组成方面,蛇纹石、沸石等含水矿物会在熔融过程中产生气泡,影响纤维制备连续性的同时也有利于原料的充分熔融,镁橄榄石、磁铁矿等高熔点矿物会使原料在熔融阶段难以完全熔化,导致熔体不均匀并容易析晶。参数指标方面,可拉丝岩石的酸度系数（Mk）最佳区间为4. 0~5. 5;黏度系数（Mv）为2. 0~3. 0;硅铝氧化物与其他氧化物比值为1. 5~3. 0;氧化物组成的物质的量分数分布为n(RO)=20%~30%,n(RO2)=57%~70%,n(R2O3)=10%~16%（R为阳离子）。