中國(guó)黃土中的納米礦物

內(nèi)容概要

本書(shū)以高分辨透射電鏡、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡、X射線粉晶衍射為主要研究手段，著重從納米尺度揭示中國(guó)黃土中風(fēng)塵來(lái)源和成壤自生磁鐵礦、磁赤鐵礦、赤鐵礦的微觀結(jié)構(gòu)、形貌特征、賦存狀態(tài)，解析黃土中各種鐵氧化物之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系和成因，建立土壤中納米鐵氧化物研究方法，從成因礦物學(xué)角度確立磁性礦物形成-磁化率-古氣候的內(nèi)在聯(lián)系，解釋古土壤磁化率增強(qiáng)機(jī)制。還首次揭示中國(guó)黃土風(fēng)成沉積序列中大量存在納米棒狀方解石和凹凸棒石，比較系統(tǒng)地研究了納米棒狀方解石、凹凸棒石的礦物學(xué)特征、成因及其在黃土高原地表和風(fēng)成沉積剖面中的分布規(guī)律，探討了納米棒狀方解石、凹凸棒石的古氣候指示意義。
本書(shū)可供礦物學(xué)、表生地球化學(xué)、第四紀(jì)地質(zhì)、土壤科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域科研人員、研究生參考。

書(shū)籍目錄

前言第一章 納米地球科學(xué)與納米礦物學(xué)1.1 地球科學(xué)與顯微鏡技術(shù)1.2 納米地球科學(xué)進(jìn)展1.3 納米礦物學(xué)研究進(jìn)展第二章 黃土-紅黏土序列研究進(jìn)展2.1 黃土高原地理位置及氣候特征2.2 黃土紅黏土序列與東亞季風(fēng)2.3 黃土紅黏土序列礦物學(xué)第三章 風(fēng)成沉積序列納米礦物研究剖面和方法3.1 主要研究剖面3.2 研究方法第四章 黃土-紅黏土中的磁性礦物4.1 磁性礦物種類及識(shí)別4.2 磁性礦物粒徑分布4.3 磁性礦物組合及相對(duì)含量4.4 磁性礦物存在形式及演化4.5 磁化率與古氣候聯(lián)系第五章 黃土-紅黏土中的碳酸鹽礦物5.1 黃土-紅黏土碳酸鹽研究進(jìn)展5.2 黃土-紅黏土中碳酸鹽形貌特征5.3 納米棒狀方解石形貌和識(shí)別5.4 納米棒狀方解石分布5.5 納米棒狀方解石的成因5.6 納米棒狀方解石的古氣候意義5.7 紅黏土中的白云石成因第六章 紅黏土中的凹凸棒石6.1 凹凸棒石結(jié)構(gòu)與特性6.2 紅黏土中凹凸棒石形貌和微結(jié)構(gòu)類型6.3 紅黏土中凹凸棒石的識(shí)別6.4 紅黏土中凹凸棒石成因6.5 紅黏土中凹凸棒石形成機(jī)制6.6 紅黏土中凹凸棒石時(shí)空變化規(guī)律6.7 紅黏土中凹凸棒石的古氣候意義結(jié)語(yǔ)參考文獻(xiàn)附錄 符號(hào)說(shuō)明

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁(yè)：   插圖：    第一章 納米地球科學(xué)與納米礦物學(xué)納米是一種長(zhǎng)度單位，1nm＝10-9m，大約是三四個(gè)原子的寬度。納米科學(xué)是研究納米尺度（1～100nm）物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物理和化學(xué)性質(zhì)及其應(yīng)用的一門新興學(xué)科，是多學(xué)科融合的產(chǎn)物。隨著納米科學(xué)研究的深入，納米科學(xué)和技術(shù)幾乎涉及所有的學(xué)科，如凝聚態(tài)物理學(xué)、納米生物學(xué)、納米材料化學(xué)、納米機(jī)械、納米電動(dòng)力學(xué)等。光學(xué)顯微鏡的廣泛運(yùn)用，擴(kuò)展了觀察認(rèn)識(shí)地球固體物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造的視野，促使地球科學(xué)從簡(jiǎn)單描述走向理論研究，催生了地球科學(xué)的第一次革命?，F(xiàn)代電子顯微鏡在地球科學(xué)中的廣泛運(yùn)用，催生了納米地球科學(xué)的誕生。納米地球科學(xué)將推動(dòng)地球科學(xué)家從納米尺度解讀過(guò)去所未知的固體地球演化過(guò)程的信息。納米地球科學(xué)的興起將引起地球科學(xué)新的革命（Hochella，2002）。1.1 地球科學(xué)與顯微鏡技術(shù)1.1.1 光學(xué)顯微鏡推動(dòng)地球科學(xué)的第一次革命法國(guó)科學(xué)家Cordier 1815年發(fā)明了采用礦物碎片浸入水中在顯微鏡下觀察研究礦物的方法，開(kāi)創(chuàng)了顯微鏡技術(shù)在地質(zhì)學(xué)研究的應(yīng)用之先河。之后，蘇格蘭人Willian Nicol于1828年發(fā)明了偏光顯微鏡，進(jìn)一步提高了顯微鏡鑒別礦物的能力，推動(dòng)了光學(xué)顯微鏡在礦物、巖石等研究中的應(yīng)用。在之后的一個(gè)世紀(jì)中，以光學(xué)顯微鏡應(yīng)用為基礎(chǔ)，產(chǎn)生了完善的晶體光學(xué)理論，完善了顯微鏡薄片制備方法，人們借助偏光顯微鏡可以系統(tǒng)研究結(jié)晶物質(zhì)的光學(xué)特性、鑒定礦物種類、觀察各種巖石和礦石的礦物組成和微觀結(jié)構(gòu)（Klein and Hurlbut，2000）。光學(xué)顯微鏡的發(fā)明和廣泛應(yīng)用，擴(kuò)展了人們對(duì)地質(zhì)現(xiàn)象觀察的視野，查明了固體地球物質(zhì)組成和形成過(guò)程，促使地球科學(xué)快速積累大量知識(shí)而成長(zhǎng)起來(lái)，不僅使地質(zhì)學(xué)從古典自然科學(xué)中分離出來(lái)，而且催生了地質(zhì)學(xué)的各個(gè)分支學(xué)科。自顯微鏡誕生直至現(xiàn)在近兩個(gè)世紀(jì)的漫長(zhǎng)時(shí)期里，光學(xué)顯微鏡研究方法一直是固體地球物質(zhì)研究最重要的技術(shù)手段。可以說(shuō)光學(xué)顯微鏡是現(xiàn)代成巖、成礦理論誕生的技術(shù)基礎(chǔ)，光學(xué)顯微鏡推動(dòng)了地球科學(xué)的第一次革命。1.1.2 電子顯微鏡技術(shù)進(jìn)步與納米地球科學(xué)興起長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)納米尺度物體的認(rèn)識(shí)屬于人類認(rèn)識(shí)領(lǐng)域里的空白。雖然早在1959年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、量子物理學(xué)家Ricahrd Feynman就提出了在原子和分子水平上操縱、控制物質(zhì)的設(shè)想，并預(yù)見(jiàn)了未來(lái)納米尺度效應(yīng)的巨大前景。但是，一直到20世紀(jì)80年代后期高分辨透射電鏡（HRTEM，簡(jiǎn)稱TEM）、隧道電子顯微鏡（STM）和原子力顯微鏡（AFM）等原子尺度分辨率儀器發(fā)展成熟后，人類才開(kāi)始能夠直接解讀納米尺度物質(zhì)的秘密。20世紀(jì)60年代發(fā)明了掃描電子顯微鏡，可以在微米尺度觀察物體的形貌和表面特征，開(kāi)創(chuàng)了電子微束分析的新時(shí)代。微電子束應(yīng)用于礦物微區(qū)成分分析，誕生了電子探針，從而實(shí)現(xiàn)在微米區(qū)域定量分析固體物質(zhì)成分。20世紀(jì)70年代又誕生了TEM，1985年誕生了STM和AFM。近年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的電鏡設(shè)備系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制和信息數(shù)字化以及軟件自動(dòng)分析，極大地提升了電子顯微鏡技術(shù)水平。隨著電子顯微鏡技術(shù)的發(fā)展，電子顯微鏡空間分辨率提高，逐步達(dá)到原子尺度的分辨率，人類得以對(duì)納米尺度物質(zhì)直接觀察，認(rèn)識(shí)納米尺度物質(zhì)的性質(zhì)，甚至實(shí)現(xiàn)了操縱原子和分子，在納米尺度上組裝新型功能材料，包括微機(jī)械電子設(shè)備，在納米尺度構(gòu)建人類未來(lái)物質(zhì)世界的夢(mèng)想。納米技術(shù)的巨大潛在應(yīng)用前景，推動(dòng)了納米科學(xué)的形成，揭開(kāi)了納米科學(xué)和技術(shù)的新篇章?，F(xiàn)代電子顯微鏡技術(shù)在研究微觀尺度物質(zhì)形貌、成分、結(jié)構(gòu)方面表現(xiàn)出的強(qiáng)大功能，極大地推動(dòng)了納米科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，迅速積累了固體微物質(zhì)形貌、結(jié)構(gòu)、成分表征方法和解譯經(jīng)驗(yàn)，建立了微物質(zhì)表征支撐體系。電鏡技術(shù)是納米科學(xué)和技術(shù)誕生的基礎(chǔ)，同時(shí)，也是納米科學(xué)和技術(shù)發(fā)展的巨大支撐。納米科學(xué)與地球科學(xué)的融合是必然的，因?yàn)?，地球固體物質(zhì)從尺度上來(lái)說(shuō)應(yīng)是連續(xù)的，不可能跳過(guò)納米尺度，必定在某些地質(zhì)體中有廣泛納米尺度的物質(zhì)和納米尺度的地質(zhì)作用現(xiàn)象的記錄。借助納米科學(xué)研究手段、經(jīng)驗(yàn)和成果，從納米尺度研究地球固體物質(zhì)形貌、結(jié)構(gòu)、成分，從而揭示固體地球物質(zhì)記錄的納米尺度的信息，認(rèn)識(shí)納米尺度地質(zhì)作用現(xiàn)象及其地質(zhì)意義，認(rèn)識(shí)納米效應(yīng)對(duì)地球物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的影響，更深層次地認(rèn)識(shí)地球運(yùn)動(dòng)規(guī)律。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外地球科學(xué)領(lǐng)域的一些學(xué)者開(kāi)始認(rèn)識(shí)到從納米尺度認(rèn)識(shí)地球物質(zhì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的重要性，從而導(dǎo)致納米地球科學(xué)興起（Shi et al.，1995；Banfield and Navrotsky，2001；Hochella，2002）。幾個(gè)重要的標(biāo)志是美國(guó)礦物學(xué)和地球化學(xué)學(xué)會(huì)系列書(shū)《納米顆粒和環(huán)境》的出版、美國(guó)地質(zhì)學(xué)大會(huì)和戈?duì)柺┟芴氐厍蚧瘜W(xué)大會(huì)均設(shè)立了有關(guān)的專題討論會(huì)。1.1.3 納米地球科學(xué)――地球科學(xué)新的革命從20世紀(jì)后期到21世紀(jì)初，地球科學(xué)從學(xué)科縱向發(fā)展轉(zhuǎn)到了學(xué)科交叉、橫向發(fā)展時(shí)代；從增加地球知識(shí)、側(cè)重于資源開(kāi)發(fā)的時(shí)代轉(zhuǎn)向了增進(jìn)對(duì)地球認(rèn)識(shí)、為人類社會(huì)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展服務(wù)的時(shí)代。地球科學(xué)從傳統(tǒng)的以學(xué)科分化研究為主轉(zhuǎn)向整個(gè)地球的結(jié)構(gòu)、演化過(guò)程和動(dòng)力學(xué)的系統(tǒng)研究。地學(xué)研究從自然現(xiàn)象的物理過(guò)程、化學(xué)過(guò)程擴(kuò)展到生物過(guò)程，特別是人類活動(dòng)對(duì)地球環(huán)境與氣候的影響和反饋，以及人與自然關(guān)系的協(xié)調(diào)。近幾十年來(lái)，一些全球性重大問(wèn)題如人口劇增、資源過(guò)度消耗、環(huán)境污染、生態(tài)破壞、南北差距擴(kuò)大等日益突出，嚴(yán)重阻礙著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活質(zhì)量的提高，繼而威脅著全人類的未來(lái)生存和發(fā)展。地球科學(xué)研究重點(diǎn)、學(xué)科結(jié)構(gòu)都發(fā)生了很大變化，從地球內(nèi)部研究轉(zhuǎn)向地球表層研究是全球地球科學(xué)研究發(fā)展的總體趨勢(shì)，表生帶成為未來(lái)地球科學(xué)研究的最重要領(lǐng)域之一。表生帶是地球大氣圈、巖石圈、生物圈、水圈四大圈層交互作用的地帶，是人類生產(chǎn)、生活的物質(zhì)基礎(chǔ)，是人類環(huán)境的總體。表生地質(zhì)作用過(guò)程中巖石圈、水圈、大氣圈、生物圈發(fā)生復(fù)雜的交互作用。國(guó)外有學(xué)者把地球表層發(fā)生上述交互作用的地帶稱為臨界帶。形成于高溫高壓下的巖石在地表富氧、水、生物的環(huán)境中風(fēng)化，存在水固界面化學(xué)作用、生物礦物互相作用、氧化還原作用、化學(xué)風(fēng)化作用、生物化學(xué)風(fēng)化作用。風(fēng)化作用導(dǎo)致礦物溶解和變化以及新礦物相結(jié)晶。風(fēng)化作用不僅制約地下水、河流、湖泊甚至海洋的化學(xué)成分，而且，新形成的礦物相多為納米粒級(jí)，具有巨大的表面積，因此影響到離子與礦物的界面作用，從而影響元素的遷移和地球化學(xué)循環(huán)，包括營(yíng)養(yǎng)元素和有毒元素生物的可獲取性。表生帶中礦物的變化都是不完全的、納米尺度的，必須利用原子分辨率的先進(jìn)儀器，從納米尺度觀察研究，才能揭示表生帶中礦物生長(zhǎng)、溶解、轉(zhuǎn)變、演化、水礦物界面作用、生物礦化、生物與礦物互相作用等過(guò)程的信息，才能全面揭示表生地質(zhì)作用的過(guò)程。納米地球科學(xué)的誕生是地球科學(xué)從光學(xué)顯微鏡時(shí)代進(jìn)入電子顯微鏡時(shí)代的標(biāo)志，必將引發(fā)地球科學(xué)新的革命（Hochella，2002）。隨著納米現(xiàn)象在地質(zhì)體中廣泛發(fā)現(xiàn)，人們開(kāi)始思考納米顆粒的納米效應(yīng)對(duì)元素地球化學(xué)行為可能具有重要的影響，進(jìn)而從納米科學(xué)的角度認(rèn)識(shí)元素的地球化學(xué)行為和地球化學(xué)反應(yīng)。如小尺度效應(yīng)引起的礦物熔點(diǎn)降低、化學(xué)反應(yīng)活性增強(qiáng)、顆粒遷移性增強(qiáng)、磁化率增強(qiáng)，納米表面效應(yīng)引起礦物表面強(qiáng)烈的吸附、表面催化、光催化降解以及環(huán)境自凈化等。納米晶材料表面具有增強(qiáng)的吸附作用（Zhang et al.，1999），吸附作用影響到物質(zhì)在水固相之間的分配，從而影響物質(zhì)在各地質(zhì)儲(chǔ)庫(kù)之間的遷移；影響懸浮顆粒和膠體的靜電特性，從而影響它們團(tuán)聚、絮凝、沉淀、濾除的傾向；影響固體表面的反應(yīng)活性。再者，表生地質(zhì)作用遠(yuǎn)未達(dá)到熱力學(xué)平衡，動(dòng)力學(xué)過(guò)程是主導(dǎo)控制因素，礦物風(fēng)化引起的次生變化以及次生產(chǎn)物粒度多為納米尺度。表生條件下礦物的次生變化表現(xiàn)出極大的不均勻性，保留礦物風(fēng)化次生變化的初始態(tài)、中間態(tài)、完全轉(zhuǎn)化態(tài)連續(xù)變化的軌跡，納米尺度觀察可以幫助認(rèn)識(shí)表生環(huán)境地球化學(xué)過(guò)程和機(jī)理（陳天虎、謝巧勤，2005）。納米地球科學(xué)研究對(duì)于認(rèn)識(shí)表生環(huán)境地球化學(xué)過(guò)程、元素遷移規(guī)律、生物與礦物相互作用、生物化學(xué)風(fēng)化，建立元素地球化學(xué)循環(huán)以及氣候變化的動(dòng)力學(xué)模型等都有重要意義。1.2 納米地球科學(xué)進(jìn)展1.2.1 納米尺度認(rèn)識(shí)地質(zhì)作用過(guò)程隨著納米尺度研究手段的成熟、納米科學(xué)的進(jìn)展，地球科學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家正在用新的眼光回眸過(guò)去的研究。在國(guó)內(nèi)，一些學(xué)者早就關(guān)注納米科學(xué)對(duì)地球科學(xué)的影響，從納米科學(xué)的進(jìn)展引申到對(duì)地球科學(xué)問(wèn)題的思考，撰寫(xiě)相應(yīng)的綜述性論文（姜澤春，1993；陳敬中，1994；張振根，1995；丁振華，1999）。納米尺度表征手段應(yīng)用于自然固體物質(zhì)的觀察促進(jìn)了納米科學(xué)與地球科學(xué)的融合。地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域?qū)Ω鞣N地質(zhì)樣品進(jìn)行了納米尺度觀察，已經(jīng)在許多地質(zhì)體中發(fā)現(xiàn)納米物質(zhì)和納米尺度的地質(zhì)現(xiàn)象存在。章振根、姜澤春（1993）倡導(dǎo)應(yīng)用納米科學(xué)的理論和方法來(lái)探討成礦機(jī)制問(wèn)題，納米科技在礦床學(xué)中的應(yīng)用取得了較大的進(jìn)展（章振根、姜澤春，1993）。孫振亞、趙文俞（1998）發(fā)現(xiàn)了一種新的亞微米―納米級(jí)硫化鐵礦物（FeS2.8唱3.1），與之共生有獨(dú)立的納米級(jí)自然金礦物，在富含有機(jī)質(zhì)的泥頁(yè)巖中發(fā)生鐵硫礦化作用的同時(shí)伴隨了微細(xì)粒金的礦化；朱笑青等（1998）通過(guò)納米金的遷移富集試驗(yàn)研究了礦物和巖石對(duì)納米金的吸附作用，結(jié)果表明黃鐵礦、方鉛礦、硬錳礦和碳質(zhì)板巖對(duì)納米金溶液中金的吸附作用很強(qiáng)，吸附率在88%以上，石英的吸附率為23%，而灰?guī)r、白云母片等幾乎沒(méi)有吸附。納米金是活化了的金，具有地球化學(xué)活性，與同成分的結(jié)晶塊體在物理化學(xué)性質(zhì)上有巨大差別。這些實(shí)驗(yàn)成果對(duì)金的低溫地球化學(xué)行為和卡林型金礦的成礦機(jī)理提供了新的解釋，納米金的多晶聚集復(fù)合現(xiàn)象可能是狗頭金的成因機(jī)制。在尋找隱伏礦的地氣（Geogas）法中，人們一直未能查明地氣物質(zhì)的真實(shí)面貌，童純菡等（1998）的研究結(jié)果深化了地氣法尋找隱伏礦床的理論基礎(chǔ)，首次較為系統(tǒng)地從納米尺度研究了地氣物質(zhì)的遷移，在新疆薩爾布拉克金礦、四川模范村斑巖銅礦遠(yuǎn)景區(qū)和室內(nèi)模型試驗(yàn)中采集地氣物質(zhì)，利用原子力顯微鏡、透射電鏡和掃描電鏡證明地氣物質(zhì)是以納米微粒形式遷移的，大小為nnm～n?10nm，納米微粒有很強(qiáng)的遷移能力。陳天虎等（2003a）利用透射電鏡對(duì)各種地質(zhì)樣品進(jìn)行了納米尺度研究，在郯廬斷裂帶構(gòu)造巖中發(fā)現(xiàn)構(gòu)造剪切中礦物巖石納米化現(xiàn)象，納米化提高了水巖反應(yīng)活性；在蘇皖凹凸棒石黏土中發(fā)現(xiàn)蒙脫石凹凸棒石復(fù)合組構(gòu)，提供了蒙脫石向凹凸棒石轉(zhuǎn)化的直接證據(jù)，認(rèn)識(shí)到黏土礦物之間轉(zhuǎn)化機(jī)制和地球化學(xué)過(guò)程（Chenetal.，2004）。陳天虎等（2005；Chenetal.，2010）對(duì)中國(guó)黃土納米尺度的研究，發(fā)現(xiàn)微米磁鐵礦單晶由于風(fēng)化氧化轉(zhuǎn)化為納米磁赤鐵礦多晶現(xiàn)象和綠泥石風(fēng)化與鐵磁性礦物成因關(guān)系，揭示出黃土成壤過(guò)程中超順磁顆粒形成和古土壤磁化率增強(qiáng)機(jī)制；發(fā)現(xiàn)納米棒狀方解石的廣泛分布，揭示出納米次生礦物形成與微生物活動(dòng)、古氣候的關(guān)系。Hochella和Banfield（1995）研究酸性排水系統(tǒng)納米次生礦物與重金屬滯留和遷移的地球化學(xué)行為。Gournay等（1999）、Paquette等（1999）和Kessels等（2000）從納米尺度研究白云石的結(jié)構(gòu)、生長(zhǎng)和溶解，探討白云石形成機(jī)制。Higgins和Hamers（1996）利用掃描隧道顯微鏡研究方鉛礦（001）面的化學(xué)溶解過(guò)程和各向異性。McHale等（1997）研究了Al2O3納米晶表面能和熱力學(xué)穩(wěn)定性。Penn和Banfield（1999）從納米尺度研究熱液條件下納米團(tuán)簇堆積晶體生長(zhǎng)、相轉(zhuǎn)變機(jī)制。地質(zhì)體中的納米顆粒具有很高的地球化學(xué)與生物活性，因而，對(duì)成巖成礦地質(zhì)作用、礦物溶解、相轉(zhuǎn)變、元素地球化學(xué)行為都有重要的影響。1.2.2 納米尺度認(rèn)識(shí)生物地球化學(xué)過(guò)程過(guò)去大多數(shù)關(guān)于礦物風(fēng)化的地球化學(xué)研究是建立在無(wú)機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，這些研究提供了關(guān)于化學(xué)溶解速率、機(jī)制、產(chǎn)物的有價(jià)值的信息，揭示了硅酸鹽礦物反應(yīng)活性的次序和風(fēng)化速率如何依賴于溫度、pH、礦物、溶液成分，而對(duì)風(fēng)化速率的絕對(duì)值則有很大的爭(zhēng)論。對(duì)表生地質(zhì)作用的理解需要綜合礦物學(xué)、地球化學(xué)、生物學(xué)的分析結(jié)果。在表生環(huán)境中，各種生物代謝產(chǎn)物都可以引人注目地抑制或加速礦物溶解和次生礦物形成。有機(jī)碎屑很大程度改變水的毛細(xì)滯留和沉積物或土壤的特性（孔隙度、滲透性）。反過(guò)來(lái)，金屬氧化物、硫化物、氫氧化物的可獲取性支撐營(yíng)養(yǎng)增長(zhǎng)、氧化還原態(tài)、pH，又控制著微生物的繁盛程度。過(guò)去對(duì)生物礦化和生物風(fēng)化主要集中在宏體化石和有機(jī)地球化學(xué)的研究，對(duì)微生物與礦物的作用、生物礦化的機(jī)制沒(méi)有深入理解。納米尺度的觀察可以揭示無(wú)機(jī)有機(jī)間界面關(guān)系、微觀結(jié)構(gòu)、礦物顆粒形態(tài)和成分特征，從納米尺度認(rèn)識(shí)生物礦化、生物與礦物互相作用、生物化學(xué)風(fēng)化，理解生物地球化學(xué)作用。納米觀測(cè)手段提供了認(rèn)識(shí)有機(jī)界無(wú)機(jī)界互相作用的窗口。趨磁菌化石磁鐵礦即是納米尺度研究生物礦化的典型代表。趨磁菌化石磁鐵礦是地層磁學(xué)、環(huán)境磁學(xué)、生物地球化學(xué)研究的重要對(duì)象，已經(jīng)獲得關(guān)于土壤、湖相沉積物、深海沉積物等化石細(xì)菌磁鐵礦的特征，趨磁菌化石磁鐵礦具有納米顆粒、單疇、自形晶、鏈狀排列的特征（Fassbinderetal.，1990；Snowball，1994）。Banfield率領(lǐng)的研究小組一直致力于納米尺度研究微生物地球化學(xué)問(wèn)題，從納米尺度揭示微生物與礦物風(fēng)化的關(guān)系，鑒別微生物礦物互相作用的關(guān)鍵因素，結(jié)合礦物、微生物特征以及實(shí)驗(yàn)量化這些因素的影響（Banfield et al.，1999）。Lower等（2000a，b）借用原子力顯微鏡技術(shù)，在原子力顯微鏡的探針上安裝活細(xì)菌，改裝成為生物力顯微鏡（BFM），直接定量探測(cè)細(xì)菌與礦物界面親和力和排斥力的大小，力的大小反映了細(xì)菌與礦物表面的化學(xué)和結(jié)構(gòu)官能團(tuán)的絡(luò)合作用，借此來(lái)評(píng)估微生物或生物分子在地球化學(xué)過(guò)程中的作用。Ransom等（1999）利用透射電鏡研究細(xì)粒海洋沉積物超顯微結(jié)構(gòu)，揭示礦物、生物、有機(jī)物結(jié)構(gòu)關(guān)系、生物與礦物互相作用。Teng和Dove（1997）、Teng等（1998）利用原子力顯微鏡研究了生物分子對(duì)方解石生長(zhǎng)、溶解及微觀形貌和結(jié)構(gòu)的影響，研究生物礦化的機(jī)制。Warren和Ferris（1998）用透射電鏡觀察研究了Fe3+在細(xì)菌表面的吸附和沉淀作用，并探討細(xì)菌固定重金屬和核素污染物的潛在應(yīng)用。1.2.3 納米孔地球化學(xué)概念的提出納米孔材料具有很大的表面積，表現(xiàn)出良好的吸附、催化活性和選擇性能。最重要的納米孔材料包括納米炭管以及SiO2、TiO2、Al2O3基納米孔材料。Feng等（1997）研究表明表面功能化的納米孔SiO2能夠非常有效的從水或廢氣中去除汞和其他重金屬。納米孔材料應(yīng)用于超臨界氣體分子吸附正在發(fā)展成為納米孔流體化學(xué)與納米孔分子工程分支學(xué)科。自從1992年首次制備以來(lái)，納米孔材料的制備和應(yīng)用是納米科學(xué)與技術(shù)研究的最重要領(lǐng)域之一。在納米孔結(jié)構(gòu)材料中，由于空間尺度限制，孔徑大小接近于孔內(nèi)界面雙電層的厚度，可導(dǎo)致孔內(nèi)界面雙電層相干、疊加作用。因而，從理論上來(lái)說(shuō)，納米孔隙內(nèi)的界面化學(xué)是有限的相干界面化學(xué)，納米孔隙內(nèi)的界面化學(xué)行為與傳統(tǒng)的無(wú)限不相干界面化學(xué)有很大的不同。納米孔內(nèi)物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)與宏觀物質(zhì)也有很大的不同，納米孔隙作為微小反應(yīng)器，其內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)必定也和一般溶液中反應(yīng)不同。Teixeira等（1997）研究表明，水在納米孔和納米管內(nèi)的性質(zhì)發(fā)生很大的變化。納米孔內(nèi)的水類似于過(guò)冷水，水的蒸汽壓隨水飽和度降低而降低。在納米孔結(jié)構(gòu)物質(zhì)中，其表面不再呈現(xiàn)中性，而趨向于帶有正電荷或負(fù)電荷，表面電荷密度升高。隨著孔徑減小，納米孔內(nèi)物質(zhì)的熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)降低（Denoyel and Pellenq，2002）。與納米顆粒性質(zhì)認(rèn)識(shí)相比，納米孔內(nèi)物理化學(xué)性質(zhì)的認(rèn)識(shí)更為薄弱。認(rèn)識(shí)納米孔內(nèi)物理化學(xué)現(xiàn)象屬于納米科學(xué)研究的重要任務(wù)之一。Xu等（2002）根據(jù)納米科學(xué)領(lǐng)域?qū){米孔結(jié)構(gòu)材料研究的成果，提出了納米孔地球化學(xué)（Mesogeochemistry）的概念，指出認(rèn)識(shí)地質(zhì)體中納米孔現(xiàn)象，研究納米孔內(nèi)地球化學(xué)反應(yīng)和物質(zhì)遷移具有重要的科學(xué)意義。近幾年來(lái)納米尺度的觀察研究發(fā)現(xiàn)，在表生地質(zhì)樣品中納米孔現(xiàn)象是很普遍的。透射電鏡觀察揭示硅藻中存在微米和納米兩種類型的孔結(jié)構(gòu)，納米孔不規(guī)則排列，孔徑只有約3nm（Wang et al.，2002）。硅藻的納米孔結(jié)構(gòu)可能通過(guò)有機(jī)分子（可能為專性蛋白質(zhì)）模板形成（Oilver et al.，1995），相似的過(guò)程正在被材料科學(xué)家用于納米孔材料的合成。已發(fā)現(xiàn)納米孔隙存在于現(xiàn)代土壤、黃土古土壤序列中、微晶蛋白石和凹凸棒石黏土中、蘇皖凹凸棒石黏土的白云石中、礦物顆粒邊界、角閃石風(fēng)化反應(yīng)的前緣等各種表生地質(zhì)體中（Chen et al.，2003，2005）。雖然一些納米孔隙形成的機(jī)制目前還不清楚，但是這些納米孔隙必定對(duì)地球化學(xué)反應(yīng)和物質(zhì)遷移有重要的控制作用。在顯微鏡薄片觀察研究中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)石、橄欖石、輝石等礦物的黏土化，并且這些礦物風(fēng)化形成的次生礦物非常細(xì)小，沿著特定的方向分布。然而，透射電鏡對(duì)礦物風(fēng)化作用的觀察卻發(fā)現(xiàn)很多屬于納米孔隙的化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象（Banfield et al.，1991），盡管過(guò)去對(duì)此類現(xiàn)象并沒(méi)有從納米科學(xué)的角度加以探究。在原生礦物風(fēng)化的前鋒，即分隔原生礦物與次生礦物的界面間存在著納米孔隙，這種納米孔隙在礦物風(fēng)化過(guò)程中一般是充滿水的。原生礦物的風(fēng)化和次生礦物的形成是在這樣的納米空間內(nèi)完成的化學(xué)反應(yīng)。在納米孔隙中水溶液的行為與一般水溶液有很大不同。在納米空間水的結(jié)構(gòu)明顯地受礦物界面的影響，導(dǎo)致更高的介電常數(shù)和黏度。在納米孔隙中，水合離子的Bronsted酸度增加，配位水分子趨向于解離，釋放質(zhì)子進(jìn)入溶液。納米孔隙的礦物溶解、次生礦物結(jié)晶過(guò)程和化學(xué)反應(yīng)與一般水溶液有根本的不同，Hochella（2002）認(rèn)為納米孔隙內(nèi)的物質(zhì)遷移是受擴(kuò)散控制的，而不是流動(dòng)控制，這也是風(fēng)化作用實(shí)驗(yàn)室模擬結(jié)果與地質(zhì)風(fēng)化樣品研究結(jié)果難以對(duì)比的主要原因。Wang等（2002）通過(guò)對(duì)比pH滴定結(jié)果發(fā)現(xiàn)，合成納米孔氧化和鋁活性氧化鋁在等電點(diǎn)pH方面差別不大，納米孔對(duì)等電點(diǎn)pH沒(méi)有明顯的影響。但對(duì)于給定的溶液pH與等電點(diǎn)pH差值，納米孔氧化鋁表面電荷密度是活性氧化鋁表面電荷密度的45倍，納米孔氧化鋁對(duì)離子強(qiáng)度的敏感性比活性氧化鋁低，表面酸度常數(shù)的差值（pK＝pK2-pK1）降低。這些差異不能完全用它們比表面積的差別來(lái)解釋，推測(cè)上述差異是納米孔隙內(nèi)雙電層疊加導(dǎo)致對(duì)離子吸附效應(yīng)引起。表面酸度常數(shù)變化導(dǎo)致離子在納米孔表面的吸附增強(qiáng)，納米孔空間限制效應(yīng)引起金屬離子優(yōu)先富集，這在很大程度上會(huì)影響金屬離子的地球化學(xué)行為。應(yīng)用密度函數(shù)理論進(jìn)行分子模擬計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)納米孔隙孔徑小于10nm時(shí)，離子吸附系數(shù)比無(wú)限界面上的吸附系數(shù)高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。表明化學(xué)質(zhì)點(diǎn)在納米孔內(nèi)與孔表面具有更強(qiáng)的鍵合力，物質(zhì)趨向于從大孔向納米孔遷移，因而影響金屬污染物的遷移活性。

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