镁离子去水合作用及白云石和菱镁矿低温成因的实验研究

Dolomite is a common carbonate mineral that is found in much greater abundance in ancient rocks than in the modern carbonate environments, and attempts to precipitate dolomite at low temperatures in laboratary have been unsuccessful, so that the "dolomite problem" remains an enigma in sedimentary geology. Nevertheless, the discoveries of modern dolomite formation in saline lake and lagoon indicate that the hypersalinity and high ionic strength may be indispensable in dolomite depositional environments. In this proposal, the effects of the specially added anions/cations and/or microbial metabolism-associated organics on Mg2+ ion association in solution under different salinity or ionic strength conditions will be systemactially investigated to unveil the additives-assisted dehydration of Mg2+ ions. Meanwhile, the low-temperature synthesis of magnesium-bearing carbonate minerals including disordered dolomite, high-magnesium calcite, polymorphs of magnesium carbonate and even dolomite will be carried out in various solutions with different Mg2+ associated ion pairs, respectively. The correlation between the chemical composition and crystal structure of the synthesized carbonate minerals and the Mg2+ associated ion pairs in mineralization solutions is thus determined based on the analysis and characterization for the mineralization solution and minerals. Moreover, the additives-catalyzed ageing/ordering experiments of disordered dolomite will be also performed in hypersaline or high ionic strength solutions at low temperatures to understand the diagenetic evolution of disordered dolomite in sedimentary environments. The systematically experimental investigations above will help reveal the genetic mechanisms of dolomite and magnesite at low temperatures. The expected results are very significant for understanding the formation of dolomite and magnesite in low temperature environments.

白云石是一种常见的的碳酸盐矿物，广泛分布在古代岩中，却很少见于现代碳酸盐环境中，并且实验室尝试低温合成的不成功，使得"白云石问题"成为沉积地质学中的一个未解之谜。本项目主要基于现代白云石普遍存在于盐湖和泻湖等高盐度和离子强度环境的特点，通过改变不同盐度和离子强度溶液中特定阴、阳离子和/或微生物代谢相关的有机质的浓度，调控矿化溶液中Mg2+缔合离子对的组成、结构和分布，了解特定阴、阳离子和/或有机质对Mg2+缔合作用的影响；同时，采用低温矿物合成方法，控制合成碳酸盐矿物，研究矿化溶液中Mg2+缔合离子对与碳酸盐矿物结构、组成关系，进而了解Mg2+去水合作用与低温白云石和菱镁矿成因关系；在此基础上，研究不同阴、阳离子和/或有机质催化无序白云石的熟化和有序化过程，探明沉积成岩作用对低温白云石形成的影响。预期成果对认识低温白云石和菱镁矿的成因具有重要意义。

白云石和高镁方解石是两类常见的碳酸盐矿物。白云石在寒武纪时期大量发育，但是现代沉积物中却鲜有发现。尽管白云石在常温下是热力学的稳定相，但相对其过饱和的海水、盐湖水甚至一些地下水等环境中都很少有白云石沉积的发现。另外，实验室低温无机条件下合成白云石都宣告失败，由此，“白云石问题”仍是地球科学界一个未决的难题，并且动力学阻碍被认为是控制其形成的关键因素。本项目采用低温矿物合成的实验方法，通过研究不同溶液化学条件对合成的钙镁碳酸盐矿物组成、结构演化的影响，揭示了镁离子去水合是低温菱镁矿和白云石形成的控制因素；同时，发现无序白云石可能由富镁非晶碳酸钙(Mg-ACC)通过固态相转变形成的新途径。取得的主要成果包括：(1) 以具有羧基官能团的小分子醋酸根(CH3COO-)为镁离子去水合试剂，分别合成了非晶菱镁矿和高镁方解石，系统研究了CH3COO-与Mg2+之间的络合作用的改变对钙镁碳酸盐组成、结构的影响，揭示了镁离子的去水合是控制低温菱镁矿和高镁方解石乃至白云石形成的动力学控制因素；(2) 在没有任何生物/有机分子参与的溶液环境下，通过对富镁非晶碳酸钙(Mg-ACC)向高镁方解石转变的过程中矿物组成、结构和溶液化学组成的演化关系的研究，揭示了高镁方解石、无序白云石的形成可能由一系列不同含镁量的Mg-ACC通过固态相转变，并伴随奥斯瓦尔德熟化(Ostwald Ripening)的过程形成。(3) 在不同溶解量的氧分子存在条件下，合成钙镁碳酸盐。通过对氧分子的溶解量与钙镁碳酸盐中镁含量之间关系研究，揭示了高溶解量的氧分子的存在有利于无序白云石的形成。这可能暗示寒武纪白云石的大量发育与该时期大气氧突增之间存在一定的关联。项目系列成果的取得对于了解低温白云石、菱镁矿的成因以及生物高镁方解石形成的机制具有重要启示意义，丰富和发展了低温矿化理论。