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。     

微生物对硅酸盐矿物风化作用研究进展

微生物对硅酸盐矿物风化的影响研究取得了一系列重要进展。在贫营养环境中,微生物风化硅酸盐矿物获取营养物质,加速了硅酸盐矿物的风化;由于微生物的作用,矿物的风化会不遵循正常的矿物化学风化序列,表现出稳定矿物比不稳定矿物更易风化的特征。微生物风化硅酸盐矿物时会在硅酸盐矿物表面留下痕迹,即富集或转移相应的元素和矿物,而且还能改变硅酸盐矿物的化学组成和结构。微生物的上述行为受营养基质含量、有机酸、生物膜、胞外聚合物以及氧化还原作用的影响。     

组成复杂铝土矿微生物风化作用模拟试验

选用一株从铝土矿样表面分离的硅酸盐细菌,研究了该菌株对矿物种类与组成复杂的铝土矿的风化作用.通过摇瓶培养,使硅酸盐细菌在培养液中与矿物颗粒发生相互作用,再测定不同发酵时间上清液中主要杂质元素的含量,并对细菌作用不同时间后的铝土矿进行电镜观察和电子能谱扫描及X射线衍射分析.结果表明,随着培养时间的延长,发酵液中形成了明显的菌体-矿物复合体,细菌对矿物表面产生了溶蚀作用;细菌对不同晶体结构的矿物具有选择性破坏作用,层状结构的高岭石、伊利石比架状结构的石英等矿物更容易风化风化;该菌株可以释放铝土矿中的铝、硅、铁、钙、钾等元素到培养液中,矿物表面的钙元素百分含量从19.44降低至1.91,铁、钾从1.70、1.28降低至微量.结合矿物学与微生物相关知识,初步探讨了细菌与矿物界面之间的相互作用及矿物的微生物风化机制.     

长石砂岩中长石溶解作用发育机理及其影响因素分析

松辽盆地和辽河盆地的砂岩储层中长石含量很高，次生孔隙主要是由长石颗粒溶解后形成的。本文运用扫描电镜、Ｘ衍射、氧碳稳定同位素等分析方法，对研究区砂岩储层中长石溶解作用发育状况以及溶解物质的迁移与沉淀的影响因素进行了分析，阐明了泥质岩在成岩过程中由于粘土矿物和有机质演化所释放出来的富含有机酸溶液对砂岩中长石溶解作用的发育产生着重要影响。     

微生物影响硅酸盐矿物风化作用的模拟试验

研究了硅酸盐细菌对矿物的风化作用。选用土壤中常见的钾长石、伊利石等矿物作为细菌风化作用的对象,通过在含有矿物颗粒的无氮培养基中培养硅酸盐细菌,使其在培养液中与矿物颗粒发生相互作用,再取样并处理后进行电镜观察和X-射线衍射分析。电镜观察结果表明细菌对矿物试样表面确实发生了溶蚀作用,被细菌作用后的矿粉,颗粒浑圆,边缘模糊不清,表面呈凹凸不平状,矿物颗粒被大量的菌体物质所覆盖。用X-射线衍射分析检测到细菌对具不同晶体结构矿物的“选择性”破坏作用,在有多种矿物同时存在的情况下,细菌对较易分解的矿物破坏作用速度较快。结合矿物学与微生物学相关知识,初步分析了细菌培养液中细菌与矿物界面之间的相互作用以及土壤生态系统中矿物的生物风化作用过程。     

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。     

长石类矿物超微孔道效应

矿物孔道效应表现为孔道离子交换作用,体现为孔道分子筛与离子筛效应.重新审视矿物晶体结构细节,可以发现多数天然矿物均具有孔道结构特征.倡导与加强矿物学环境属性研究,为开发利用这些矿物孔道特性带来可能.     

扫描电镜在矿物变化研究中的应用——长石的粘土矿物转化

在矿物变化研究工作中,配接有 X 射线能谱仪的扫描电镜,能直接观察矿物变化过程中所发生的微观现象和新形成矿物的特点,并且可以同时确定其化学元素组分及相对含量变化。本文着重介绍长石在不同环境条件下,变化形成高岭石、多水高岭石、水云母及水云母—蒙脱石过渡型矿物的微观进程,并作了一些分析探讨。     

长石溶解模拟实验研究综述

在综合分析前人研究成果基础上,对长石溶解模拟实验研究进行了综述.研究表明,长石溶解与其成分、结构、反应的温压条件以及流体性质等有关.在相同的温压条件下,3种长石的稳定性依次为:钾长石>钠长石>钙长石,且温度升高可加强长石的溶解能力,促进长石的溶解,而压力的变化对长石的溶解影响不大.长石的溶解速率在酸性区域随pH值增大而减小、在中性区域溶解速率低且受影响小、在碱性区域随pH值增大而增大.有机酸通过提供H+、络合金属元素来提高长石的溶解度.长石的溶蚀速率与颗粒的总表面积大小以及颗粒表面粗糙度有关,总表面积越大,表面越粗糙,则反应速率越快,而且溶液的矿化度越低越有利于长石的溶解.长石的溶解过程由表面反应和扩散反应所控制,描述长石溶蚀机理的模型主要包括:表面反应模型和淋滤层扩散模型.     

化学风化作用中的稀土元素行为及其影响因素

地表风化作用长期以来一直是地球和环境科学研究的焦点问题。风化作用中微量元素地球化学行为的研究不但有助于对一系列全球性问题的认识和理解,而且有助于许多与人类生存密切相关的环境问题的解决。系统总结了近年来国内外在风化作用中的稀土元素地球化学研究领域的主要内容和最新进展,着重介绍了风化壳中稀土元素的分布特征、Ce异常成因、稀土元素的赋存状态和迁移方式、影响稀土元素分布和循环的主要因素,以及风化作用稀土元素地球化学的主要研究方法。最后,分析指出有机质和微生物作用对稀土行为的影响是未来的重要研究方向。     

古玉器的化学风化机理初探之一——粉末态模拟实验

矿物的溶解和分解是矿物风化的重要过程,因此探明矿物的溶解和分解过程将有助于揭示其风化机理。古玉在长期的埋藏过程中,处于土壤及土壤水的溶解反应体系中。本文初步模拟古玉埋藏的酸、碱性土壤环境,通过对不同材质玉料的粉末形态在酸、碱缓冲溶液中的浸泡实验,初步探讨了不同材质玉料在酸、碱环境下的风化机理。     

钾长石制备X型分子筛的试验研究

以长白山天然钾长石矿为原料,采用水热合成法制备了X型沸石分子筛,对影响合成工艺和产物性能等因素进行了研究.试验表明,反应混合物的配比:水钠比、硅铝比,反应过程中的搅拌速度及凝胶混合物的陈化是合成分子筛的关键工艺参数;晶化12 h是合成反应的最佳结晶时间;产物的吸附量达到了国家化学工业产品标准.     

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.     

黄河拉西瓦水电站坝区花岗岩风化研究

风化作用对于岩体工程地质性能的降低不言而喻。研究探讨重大水电工程岩石风化作用机理对于工程区岩体风化带划分、风化渐进性分析、表征岩体风化特征指标的选择及力学性质参数取值等具有重要意义。文章从风化作用本质、化学元素迁移、风化作用类型等角度,对拉西瓦水电站坝区花岗岩风化作用机理进行了探讨。结合本区气候演化、岩石性质、地形条件等综合分析认为:在浅表河谷范围内,风化形式以岩石胀缩作用和冰劈作用为主,而化学风化作用并不强烈。论文采用量化指标对岩体进行风化带划分,选取的定量指标有平硐纵波速度Vp、钻孔RQD、裂隙间距与单元面积节理数等。在此基础上,利用电站20余a来丰富详实的地质、物探、岩体测试等大量资料,采用定性分析与定量划分相结合的研究方法,对黄河拉西瓦坝基花岗岩体进行风化分带,得出坝基岩体风化带总体空间布局。     

长石显微变形机制研究进展

岩石的变形机制研究一直以来都是构造地质学研究的主题,特别是基于矿物变形的显微构造研究是流变学研究的基础。从近地表到下地壳,岩石的变形从脆性破裂逐渐过渡至韧性蠕变,这些变形过程会被记录在岩石中,形成相应的显微构造。一般来讲,从低温低压至高温高压的变形环境,单一矿物的显微变形机制经历从微破裂、到矿物的溶解-沉淀、到位错蠕变、到动态重结晶作用、到颗粒边界滑移或扩散蠕变等的连续转变,它们之间的转换往往是过渡并且相互影响的,通常也会耦合发生。长石是地壳中含量最丰富的造岩矿物,因此长石的变形行为会直接影响地壳的流变学性质,研究长石的显微变形机制对理解地壳流变学特性至关重要。长石还是一种非常特别的矿物,主要分为斜长石和碱性长石两个端元,由于它们所属晶系的不同,有着差异的变形行为,然而这两个系列的长石在一定的温压条件下又是可以相互转化的,这些物理差异性和化学行为的复杂性造就了长石非常复杂的显微变形特性。本综述从岩石的显微变形机制讲起,随后概述了长石的显微变形特征,尝试归纳不同温度条件下长石的显微变形表现,对比斜长石和钾长石的异同,总结不同显微变形机制对长石结晶学优选方位的影响,最后简单介绍了一下国际上显微变形研究方法和技术的进展。     

尾矿中硫化物风化氧化模拟实验研究

为防治矿山尾矿造成环境污染，对方铅矿，闪锌矿，磁黄铁矿、黄铜矿，黄铁矿进行了风化氧化实验研究，结果显示，硫化物的氧化速率顺序为：方铅矿＞闪锌矿＞磁黄铁矿＞黄铜矿＞黄铁矿，侵蚀液pH值越低，硫化物氧化速率越大，有机物存在对硫化物氧化起缓冲和抑制作用。     

洛阳龙门石窟围岩风化特征研究

对洛阳龙门石窟围岩风化特征及风化作用影响因素进行调查研究,指出目前围岩风化作用主要为生物风化和物理风化作用,并进一步对其风化机理进行了探讨。以往研究结果认为风化作用主要类型为物理风化作用,本文研究表明,目前由于西山山顶植被的不断发育,随着植被根须机械破坏作用及植被腐殖质分解的产物引起岩体解离的生物化学破坏作用日益加剧,生物风化作用亦已成为风化破坏主要影响因素,应引起有关部门注意。     

Determining mineral weathering rates based on solid and solute weathering gradients and velocities: application to biotite weathering in saprolites

Chemical weathering gradients are defined by the changes in the measured elemental concentrations in solids and pore waters with depth in soils and regoliths. An increase in the mineral weathering rate increases the change in these concentrations with depth while increases in the weathering velocity decrease the change. The solid-state weathering velocity is the rate at which the weathering front propagates through the regolith and the solute weathering velocity is equivalent to the rate of pore water infiltration. These relationships provide a unifying approach to calculating both solid and solute weathering rates from the respective ratios of the weathering velocities and gradients. Contemporary weathering rates based on solute residence times can be directly compared to long-term past weathering based on changes in regolith composition. Both rates incorporate identical parameters describing mineral abundance, stoichiometry, and surface area.

Weathering gradients were used to calculate biotite weathering rates in saprolitic regoliths in the Piedmont of Northern Georgia, USA and in Luquillo Mountains of Puerto Rico. Solid-state weathering gradients for Mg and K at Panola produced reaction rates of 3 to 6×10⁻¹⁷ mol m⁻² s⁻¹ for biotite. Faster weathering rates of 1.8 to 3.6×10⁻¹⁶ mol m⁻² s⁻¹ are calculated based on Mg and K pore water gradients in the Rio Icacos regolith. The relative rates are in agreement with a warmer and wetter tropical climate in Puerto Rico. Both natural rates are three to six orders of magnitude slower than reported experimental rates of biotite weathering.