断裂剪切带中的纳米结构与成矿作用

纳米科学已涉及从信息学到地学的各个领域,成为这个时代一个标志性的关键词。近十多年来,国内外的纳米地学 研究,在实践、理论和实验等诸方面都取得了迅速的进展。该文运用4F (Fact, Formation, Function and Formulation,即事实观 察、形成机理、功效作用和计算模拟)研究方法,利用扫描电子显微镜（SEM） 和透射电子显微镜（TEM） 对断裂剪切带中 的纳米结构与成矿作用进行了样品观察和综合分析。首先,作者表述了岩石剪切面上广泛分布的剪切薄壳（膜） 的形成、 发育和组成,一般脆性剪切的薄壳厚度（h,毫米-厘米级） 要比韧性的剪切薄膜（忽米-毫米级） 厚,前者是由动态摩擦 粘滑滑移引起的,而后者则是由静态蠕滑滑移造成的,且两者均是由纳米矿物和纳米结构组成的。随之,作者集中探讨了 作为研究主体的剪切薄壳（膜） 中纳米结构的应变变形和生成演化,它们既具有弹性又有粘性的变形特征而不是单一的力 学属性。纳米结构的生成-发育-演化,可依剪切变形过程划分为强化(硬化)-弱化（软化） -脆化(退化)三个变形应变阶 段,和相应的纳米涂层-纳米弱化-纳米层裂三种类型纳米作用：（1） 纳米涂层是一种最基本的纳米作用,在成熟的断裂 剪切(带)中,只要有滑移摩擦存在,就会有纳米结构。这种作用能引起有序的纳米结构和定向结构,包括单体纳米颗粒 （通常直径d= 40~80 nm） -复体纳米颗粒-多重复体纳米颗粒;纳米粒-纳米线-纳米层;纳米颗粒粒化-异化-再生 等。（2） 纳米弱化作用是由颗粒粒度减小,瞬时温热,叶理发育和弱势矿物等所致,并可细分为滑动纳米弱化、流变纳米 弱化和动力纳米弱化三种类别。（3） 纳米层裂作用是一种由动力热作用到静力冷作用诱发的剥离作用,通常沿着纳米结构 的劈理面、解理和滑移面开裂。进而,以江西省的金山金矿和广丰滑石矿为例讨论了纳米结构与成矿关系：（1） 含金糜棱 岩发育过程中的纳米涂层作用成岩,纳米弱化作用成矿和纳米层裂作用形成面理的三个阶段。其重要的是纳米弱化作用期 间超糜棱岩的温度能够达到纳米金物质的熔点327 ℃,并在流变滑移过程中产生集中颗粒型（d=15~35 nm） 和分散颗粒型 （d=4~8 nm） 的金颗粒;（2） 滑石矿中高应变反映的纳米结构和纳米作用尤为强烈,具有局部熔融流变,纳米弱化作用阶段 的纳米次分层作用非常发育,沿（001） 面滑移的叶理厚度仅10~15 nm,且纳米层裂作用更是造成开放性的剥离、裂理作 用。上述的研讨,揭示了实质上至少一维的“纳米小疙瘩（nano-orange） 在地球物质中无处不在”。这场地学变革-- “纳 米科学与技术是地球科学的下一次革命（Hochell, 2000）”--大幕才刚刚开启,就促使科研工作者对一些地质现象重新认 识,也激发大家去开发“纳米小疙瘩”在地球物质中的“新奇”功效。     

龙门山断裂带断层泥中速-高速摩擦性质的实验研究

为了认识龙门山断裂带在汶川地震中的同震滑动力学性质,我们对龙门山断裂带地表断层带露头上的断层泥及少量WFSD-1断层泥开展了中速-高速摩擦实验研究。主要关注的问题包括：龙门山断裂带高速摩擦性质及其不均匀性、震后断层强度恢复问题、高速滑动可能的主导弱化机制问题和宽速度域内摩擦滑动速度依赖性问题。     

汶川地震剪切滑动面微-纳米级颗粒的特征、形成机制及地震意义

在2008年汶川5.12大地震同震主地表破裂带—北川-映秀破裂带中,多处断层滑动面上可见到具有强烈变形特征的薄层断层泥.在地表垂直位移量较大的西南段和东北段,选取八角庙、和尚坪和沙坝探槽中的断层泥为研究对象,利用立体镜和扫描电镜对断层泥的组构特征和Y剪切面上的微-纳米级颗粒进行形态和结构研究.观测研究结果显示,汶川5.12大地震的同震断层泥发育有明显的Y和R剪切和平直擦痕.断层滑动摩擦面磨损、研磨、粉末化则是汶川同震断层泥中微-纳米级颗粒形成的主要途径.地震断层滑动会产生摩擦热,但并不排除热分解在断层泥滑动面上纳米粒子形成过程中的重要作用.断层摩擦滑动面上普遍存有微-纳米单体及其复合体两类颗粒,微-纳米颗粒形态有球状、蚕虫状、饼状和块状等.其主要结构是散布状和堆积状结构,但也有少量条带状和层状结构,而结构单元之间常有空隙,显现松散接触.在条带状和层状结构中,仅有异化的单体颗粒,而在散布状和堆积状结构中除了主要是由单体颗粒异化形成的蚕虫状,块状和圆饼状形态的复体颗粒外,还有未变形的单体球状颗粒.Y剪切面上微-纳米颗粒的散布状、堆积状、条带状和层状结构都是在相同的地震快速变形过程中极端不平衡条件下形成的.条带状和层状结构是塑性变形,而散布状和堆积状则是脆性变形,不连续的动态摩擦(断层粘滑)是松散结构形成的主要机制.汶川地震同震断层滑动面微-纳米级颗粒的结构是地震断层滑动留下的地质形迹(不是假玄武玻璃),是地震断层滑动的记录,它可作为判定古地震断层的一种标准.     

铜陵新桥硫铁矿床中胶状黄铁矿微尺度观察及其成因探讨

新桥硫铁矿床是铜陵矿集区代表性的层状硫化物矿床,该矿床主要由层状、似层状矿体组成,伴有矽卡岩型、热液脉型矿体．黄铁矿是层状矿体中主要硫化物矿物,以胶状、细粒．中粗粒结构,块状构造产出,后期热动力作用使得胶状黄铁矿重结晶为细粒．粗粒黄铁矿,甚至相变为磁黄铁矿．本文利用粉晶x射线衍射（XRD）、场发射扫描电镜（FE-SEM）和高分辨透射电镜（HR-TEM）对新桥硫铁矿床中的胶状黄铁矿物相、形貌、微结构进行研究,结果发现胶状黄铁矿基本由黄铁矿组成,表现为纳米．亚微米粒状、花瓣状和似生物状形态．粒状黄铁矿以自形一半自形立方体为主,球形、短柱状等他形为辅,粒径大约10～500nm;扫描电镜对胶状黄铁矿大量观察发现,自形．半自形黄铁矿颗粒粒径大于它形黄铁矿颗粒,显示黄铁矿从小颗粒、不规则形态向大颗粒、自形晶演化趋势．花瓣黄铁矿主要由纳米粒级自形一半自形粒状黄铁矿组成,花瓣直径介于5-10μm,类似于生物成因的草莓黄铁矿．这些形貌和微结构特征显示胶状黄铁矿为微生物参与的矿化产物;新桥硫铁矿中胶状黄铁矿形貌和微结构差异是其就位空间和演化过程差异所致．该研究为新桥矿床乃至铜陵矿集区胶状黄铁矿成因和成矿作用提供了微尺度的矿物学支撑．     

不同种类纳米零价铁的毒性比较研究

纳米零价铁是一种高效的环境修复材料,可以处理多种污染物;然而,纳米粒子的尺寸效应可能导致其在自然界中存在潜在毒性风险。选择几种常用包覆型、负载型和裸露的纳米铁,通过大肠杆菌的耐受性实验,比较3种纳米铁的毒性。研究表明,负载型纳米铁的分散性最好,而裸露纳米铁最差。3种纳米铁虽然对大肠杆菌都表现出毒性,但是负载型纳米铁的毒性最小。通过毒性减缓的机理分析,说明纳米铁改性后阻止了纳米颗粒与细菌的直接接触,这是空间位阻效应的作用。研究结果进一步证实了在使用纳米材料前应充分评估潜在毒性和环境效应的重要性。     

膨润土负载纳米铁去除地下水中六价铬研究

随着人民生活水平的提高和城市化进程的加快,有机污染物及重金属高强度场地污染对人类健康、生态环境及社会安全构成了严重威胁。地下水中的重金属Cr(Ⅵ)污染逐渐受到重视,纳米零价铁可以有效地将六价铬还原成三价铬,使其沉淀固定下来,从而将污染源区的污染物消减固定,防止其向周围扩散。然而由于纳米铁颗粒微小,易被氧化,极易团聚,自身活性受到限制,因此,纳米铁的分散性、稳定性、良好活性研究至关重要。采用低成本环境友好型粘土矿膨润土作为负载材料制备膨润土负载纳米铁（B-NZVI）,批实验和柱实验研究B NZVI去除模拟地下水中Cr(Ⅵ)。结果表明：(1)自制的膨润土负载纳米铁个体呈球形,呈分散状负载于膨润土;(2)相同铁含量的B-NZVI处理Cr(Ⅵ)的效率远大于纳米铁,还原反应符合伪一级反应动力学模型,表观速率常数K随着B NZVI初始浓度的减小而减小;(3)B NZVI在石英砂柱中基本无迁移,适用于点源污染,Cr(Ⅵ)穿透曲线为B-NZVI的实际应用提供了理论和实验基础。     

滨海咸水储层微纳米颗粒形貌特征对其运移行为的影响

通过一维水平砂柱试验,结合多孔介质传质理论,从孔隙尺度探索含水层中微纳米颗粒形貌特征与其释放、运移、沉积过程的内在关联,揭示颗粒重组的力学诱导机制。研究结果表明,在渗流溶液水动力作用与物化性质相同,并且含水介质机械组成相近的条件下,球形硅微粉释放率最高,试验过程中累计释放颗粒质量达93.74 mg;咸水层原砂释放率最低,仅为0.62%。依据试验结果,利用双沉积位动力学模型进行反演,计算得到咸水层原砂在受运移距离控制点位沉积系数最大,高于人工制备砂样2个量级。结合电镜扫描与颗粒表面ζ电位测试结果,基于颗粒受力平衡分析,渗流剪切应力与颗粒法向截面面积成正比;同时伴随微纳米颗粒形貌、构成的变化,扩散双电层排斥力存在显著差异。因此,球状硅微粉颗粒通常以单体形式脱离多孔介质表面;片状次生黏土矿物颗粒多以大体积粒团形式释放,出现再次沉积或被孔喉捕获的机率提高。     

纳米TiO2分离富集ICP-MS法测定河口环境样品中重金属研究

建立了以纳米二氧化钛（TiO2）作为吸附剂填充微柱,电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）法测试Cu^2＋,Cd^2＋,Pb^2＋和Ni^2＋离子的分析方法．考察了不同pH值、洗脱液浓度、样品流速、体积和外源干扰离子的影响,实验结果表明在pH值8～10范围内待测离子可被TiO2定量吸附,2．0molL^-1HNO3可将吸附在微柱上的待测物完全洗脱,优化条件下本方法对溶液中Cu^2＋,Cd^2＋,Ph^2＋和M^2＋离子检出限分别为：0．02,0．01,0．01,0．02μgL～,相对标准偏差小于2％（n=7）,富集系数50倍．对水系沉积物标准物质（GBW07310）的测定值与标准值相一致,方法具有简便、快速,灵敏度高,重现性好的优点,可满足河口水体与沉积物样品中痕量金属元素定量分析的要求．     

煤和干酪根纳米结构的研究进展

对煤和干酪根结构的认识得益于技术和方法的不断创新。基于各种方法,先后建立了多个煤和干酪根的结构模型,但至今没有得到普遍认可。原子力显微镜(AFM)可以实时、实空间、原位成像,可以观察单个原子层的局部表面结构,直接观察表面缺陷、表面重构、表面吸附体的形态和位置以及表面扩散等动态过程。在对图像的分析中,AFM超越了传统仪器单纯平面成像的功能,可提供样品表面动态三维图像和用于分析的定量化信息。通过纳米技术,实现了原子级的分辨率的观察,揭示了煤和干酪根聚集态分子和纳米级孔隙的形态、大小、结构及相互间的空间排列特征,显示出在煤和干酪根结构研究中的巨大潜力。纳米技术为煤和干酪根结构的基础研究工作拓展了新的途径,也为非常规油气的勘探开发和煤炭的二次转化研究提供了科学依据。     

有机硅烷化蒙脱石的层间锁合效应

有机改性对粘土矿物在高分子纳米复合材料、环境材料、载体材料等领域中的应用有着重要影响。粘土矿物的有机改性方法主要包括:表面活性剂插层、有机硅烷嫁接和原位合成改性。其中,有机硅烷嫁接(也称表面有机硅烷化)是近年粘