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广州地化所在硅藻蛋白石(和硅藻土)矿物成分

2019-12-30

近期,矿藏学范畴干流期刊American Mineralogist刊发了我国科学院广州地球化学研讨所矿藏表界面效果学科组袁鹏等关于硅藻蛋白石矿藏微区成分和结构的研讨论文。该文提出,将硅藻蛋白石视作“纯”氧化硅矿藏的知道应予以更新——其硅质体相结构总是存在铝、铁、镁、钙等元素,壳体外表则覆有一层富铝铁、厚度为几十纳米的氧化物薄膜。该研讨选用聚集离子束处理结合高分辩透射电子显微镜和谱学剖析,初次完成了对单个硅藻壳体的超微切片和微区剖析。作业效果为深化了解硅藻土矿成因、硅藻土/硅藻蛋白石的矿石/矿藏性质甚至硅藻参加的生物地球化学进程供给了矿藏学根据。

作为海洋中最“成功”的浮游光合生物之一,硅藻是全球碳、硅等元素的生物地球化学循环的中心参加者。其光合效果的生物固碳量达全球生态系统的五分之一以上,超越地球上热带雨林固碳量的总和。一起,硅藻是少量可以吸取硅制作本身细胞壁的代表性水生生物,因而其生命活动和其硅质遗骸的归趋是全球硅-碳共循环的首要环节。在油气资源范畴,富含硅藻遗骸的湖相或海相堆积物经绵长的地质时期经过成岩效果构成富含微孔隙的堆积岩,其与油气成藏进程往往具有密切关系。在非金属矿产资源范畴,硅藻土矿的全球储量高达数十亿吨;因为硅藻蛋白石具有共同的多孔微-纳米结构、强吸附性和耐热耐酸性等性质,硅藻土是用处最为广泛的非金属矿之一。

精确知道富生物硅堆积物中硅藻壳体的结构和成分,关于了解硅藻驱动或参加的生物地球化学进程具有重要意义。在地质定年范畴,研讨者们一向希望能取得“纯洁”的硅藻壳体以展开同位素定年研讨。但是,因为硅藻壳体的堆积成岩进程伴随着粘土矿藏等的参加,导致堆积物中壳体和粘土矿藏等总是严密共生;其间的微细粒粘土即使选用破坏性处理办法都难以完全去除。鉴于此,已有研讨者指出:“即使经过最为当心的前处理,也无法防止粘土矿藏等杂质对壳体测验剖析的搅扰”。然后,因难以扫除共生粘土矿藏的影响,硅藻蛋白石中是否存在硅以外的元素,一向未能得到确证;换言之,对硅藻蛋白石成分和结构的知道存在着“盲区”。

为此,袁鹏等人提出,直接剖析硅藻蛋白石“内部”的结构和成分,以扫除共生粘土矿藏等微细粒杂质的搅扰。课题组初次选用FIB超薄切片技能对硅藻土中的硅藻壳体进行预处理,处理了壳体微细、多孔、易碎、难处理的难题;从而经过HRTEM和精密谱学剖析,系统研讨了我国、美国、澳大利亚等地的多个代表性硅藻土矿样的微区结构和成分。该作业的首要研讨发现包含:硅藻蛋白石内部硅质结构中含微量的铝、铁、镁、钙、锌和钾等元素,铝和铁的含量高于其它元素。内部结构中铝、铁原子数量为硅原子数量的万分之几到千分之几。内部结构中的铝或许经过类质同象置换硅的方式赋存。硅藻蛋白石的外表层和内部近外表层中,铝、铁的含量比内部硅质结构中高数十到上千倍。上述元素在外表层中散布均匀,且并非源自硅藻蛋白石的共生粘土矿藏;即,硅藻蛋白石外表天然覆有一层非硅质氧化物膜。上述发现标明,在矿藏学上须对硅藻蛋白石进行重新知道。

首要,硅藻蛋白石不该被视作纯相无定形氧化硅矿藏,其实际上是具有“核-壳”结构的氧化硅矿藏。该结构特色有用解说了硅藻蛋白石的一些特别外表性质。例如,袁鹏等曾提出,硅藻蛋白石的固体酸性首要与其共生粘土矿藏有关;而本研讨进一步指出,硅藻蛋白石的外表薄膜对其固体酸性等性质或许也具有重要贡献,在硅藻土的相关使用中有必要充沛考虑到该特别性质。在硅藻土矿的选矿技能范畴,振动擦拭结合沉降分选技能,曾被寄望于去除硅藻土中的微细粒杂质以取得高纯硅藻质多孔氧化硅,但并未成功。上述关于硅藻壳体外表薄膜的发现则提示——振动擦拭和沉降分选等办法很难去除与硅藻壳体体相严密结合的薄膜,这为研制硅藻土精密提纯技能供给了参阅。

另一方面,硅藻土中的硅藻蛋白石矿藏作为硅藻堆积效果的终产物,其结构中存在的铝、铁等非必须元素,首要源自硅藻成长进程中对环境元素的吸取。硅藻蛋白石外表的薄膜,则或许源于水体中硅藻-矿藏界面效果,也或许发生自硅藻堆积后的“反风化”效果。鉴于全球硅藻质生物硅的堆积量巨大,铝等金属元素在硅藻蛋白石中的赋存,对它们的地球化学归趋有何影响?相关元素在硅藻蛋白石结构和外表赋存所引起的矿藏性质改变,是否影响硅藻的“生物泵”进程及其固碳效果?上述问题与硅藻参加的生物固碳等地球化学进程甚至其生态、环境效应密切相关,而硅藻蛋白石结构-成分的新知道为这些问题的回答供给了根据和新的视角。

该作业取得了国家自然科学基金等项目的赞助。论文发表于2019年第9期American Mineralogist。

全文链接为https://pubs.geoscienceworld.org/msa/ammin/article/104/9/1323/573347/identification-of-the-occurrence-of-minor-elements。

图 硅藻蛋白石内部和外表微结构和微区成分剖析成果。a:直链藻属硅藻壳体的FIB超微切片的微描摹和结构。b和c:不同微区的铝、铁和硅元素的散布,其明晰显现了壳体外表的富铝铁氧化物薄膜。

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