新聞動態(tài)廣州地化所、深地科學(xué)卓越創(chuàng)新中心在礦物生長機制研究中取得新認(rèn)識
層生長機理和螺旋生長機理是礦物晶體生長的兩大主流觀點，其核心是單個原子（離子團）優(yōu)先占據(jù)晶核（體）表面的高能位，逐步向三維拓展。1998年，Banfield教授等率先報導(dǎo)了在水熱合成的銳鈦礦中發(fā)現(xiàn)納米顆粒定向附著生長（oriented attachment, OA）的新機制（Penn and Banfield, Science, 1998）。隨后，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)在表生作用、生物成礦等過程中均存在這種非傳統(tǒng)礦物生長機制，為認(rèn)識元素的地球化學(xué)循環(huán)、功能材料的合成等開啟了新窗口。
然而，在復(fù)雜的地質(zhì)過程（如巖漿作用、變質(zhì)作用等）中，是否存在類似的礦物結(jié)晶與生長機制是近年科學(xué)家們關(guān)注的熱點，因為這種非傳統(tǒng)礦物生長機制很可能會影響元素的地球化學(xué)行為，誘發(fā)尚未解譯的地質(zhì)地球化學(xué)過程。
基于表面生長痕跡和晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)可記錄礦物生長信息這一基本事實，中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所、深地科學(xué)卓越創(chuàng)新中心何宏平研究員、博士研究生楊宜坪等人利用高分辨透射電鏡系統(tǒng)研究了巖漿巖和變質(zhì)巖中云母類礦物的微觀結(jié)構(gòu)，并與人工合成的氟金云母對比，發(fā)現(xiàn)并率先提出了硅酸鹽巖漿結(jié)晶和高溫?zé)嵋哼^程中納米晶粒定向堆砌的礦物生長機制，突破了基于單原子堆積的“層生長”和“螺旋生長”兩大傳統(tǒng)理論。相關(guān)成果以“Evidence for a two-stage particle attachment mechanism for phyllosilicate crystallization in geological processes”為題發(fā)表在礦物學(xué)權(quán)威期刊《American Mineralogist》上。國際同行指出，這是關(guān)于硅酸鹽熔體中礦物非傳統(tǒng)生長機制的首次報道。
圖1 納米晶粒到宏觀晶體的礦物生長過程示意圖
圖2 氟金云母沿（hk0）定向附著的TEM圖
圖3 黑云母納米片沿c軸方向堆垛的HRTEM和FFT圖
（顆粒1相對顆粒2存在1-2°旋轉(zhuǎn)，顆粒2相對顆粒3存在約8°旋轉(zhuǎn)）
圖4 氟金云母納米片沿c軸方向堆垛的TEM和FFT圖
（上下納米顆粒間存在約20°旋轉(zhuǎn)）
需要指出的是，與已報道的表生環(huán)境礦物非傳統(tǒng)生長機制相比，熔體中云母的生長過程存在明顯差異：前者表現(xiàn)為納米晶粒在三維方向的直接附著，納米晶粒間的取向具有一致性；后者不僅表現(xiàn)為兩個階段生長模式，而且納米顆粒在c軸方向的堆垛具有隨機性，并受控于熔體的物理化學(xué)條件。
上述研究不僅揭示了巖漿演化過程中礦物生長的新機制，而且為認(rèn)識地球系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和元素的地球化學(xué)行為提供了新視角。此外，該研究也為闡釋黏土礦物等層狀硅酸鹽礦物的特殊形貌和結(jié)構(gòu)，以及功能納米材料的合成提供了新思路。
該研究得到了國家自然科學(xué)基金（41530313, 41772039, 41921003）等項目的資助。
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.
論文鏈接：https://doi.org/10.2138/am-2021-7529
?。ㄖ袊茖W(xué)院礦物學(xué)與成礦學(xué)重點實驗室供稿）
