广州地化所、深地科学卓越创新中心在矿物生长机制研究中取得新认识

  

  层生长机理和螺旋生长机理是矿物晶体生长的两大主流观点,其核心是单个原子(离子团)优先占据晶核(体)表面的高能位,逐步向三维拓展。1998年,Banfield教授等率先报导了在水热合成的锐钛矿中发现纳米颗粒定向附着生长(oriented attachment, OA)的新机制(Penn and Banfield, Science, 1998)。随后,科学家们发现在表生作用、生物成矿等过程中均存在这种非传统矿物生长机制,为认识元素的地球化学循环、功能材料的合成等开启了新窗口。

  然而,在复杂的地质过程(如岩浆作用、变质作用等)中,是否存在类似的矿物结晶与生长机制是近年科学家们关注的热点,因为这种非传统矿物生长机制很可能会影响元素的地球化学行为,诱发尚未解译的地质地球化学过程。

  基于表面生长痕迹和晶体内部结构可记录矿物生长信息这一基本事实,yb体育网址、深地科学卓越创新中心何宏平研究员、博士研究生杨宜坪等人利用高分辨透射电镜系统研究了岩浆岩和变质岩中云母类矿物的微观结构,并与人工合成的氟金云母对比,发现并率先提出了硅酸盐岩浆结晶和高温热液过程中纳米晶粒定向堆砌的矿物生长机制,突破了基于单原子堆积的“层生长”和“螺旋生长”两大传统理论。相关成果以“Evidence for a two-stage particle attachment mechanism for phyllosilicate crystallization in geological processes”为题发表在矿物学权威期刊《American Mineralogist》上。国际同行指出,这是关于硅酸盐熔体中矿物非传统生长机制的首次报道。

图1 纳米晶粒到宏观晶体的矿物生长过程示意图

图2 氟金云母沿(hk0)定向附着的TEM图

图3 黑云母纳米片沿c轴方向堆垛的HRTEM和FFT图

(颗粒1相对颗粒2存在1-2°旋转,颗粒2相对颗粒3存在约8°旋转)

图4 氟金云母纳米片沿c轴方向堆垛的TEM和FFT图

(上下纳米颗粒间存在约20°旋转)

  需要指出的是,与已报道的表生环境矿物非传统生长机制相比,熔体中云母的生长过程存在明显差异:前者表现为纳米晶粒在三维方向的直接附着,纳米晶粒间的取向具有一致性;后者不仅表现为两个阶段生长模式,而且纳米颗粒在c轴方向的堆垛具有随机性,并受控于熔体的物理化学条件。

  上述研究不仅揭示了岩浆演化过程中矿物生长的新机制,而且为认识地球系统的物质循环和元素的地球化学行为提供了新视角。此外,该研究也为阐释黏土矿物等层状硅酸盐矿物的特殊形貌和结构,以及功能纳米材料的合成提供了新思路。

  该研究得到了国家自然科学基金(41530313, 41772039, 41921003)等项目的资助。

  文章信息:Hongping He*, Yiping Yang, Linya Ma, Xiaoli Su, Haiyang Xian, Jianxi Zhu, Hui Henry Teng and Stephen Guggenheim*. Evidence for a two-stage particle attachment mechanism for phyllosilicate crystallization in geological processes. American Mineralogist: 2021, 106(6): 983-993.

  论文链接:https://doi.org/10.2138/am-2021-7529

  (中国科学院矿物学与成矿学重点实验室供稿)

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