类白云石碳酸盐矿物合成及微结构研究

Dolomite is a common carbonate mineral in sedimentary rocks. Because of its abundant occurrence in ancient carbonate rocks and relative rare in modern sedimentary environments, as well as the apparent inability to synthesize it under low-temperature conditions in the laboratory, the knowledge on the formation route and cation ordering of dolomite is very limited. Therefore, its origin has been a long-standing enigma in mineralogy and sedimentology. In this proposal, a variety of double carbonates with dolomite-like structure will be synthesized via changing different physicochemical parameters including initial solution concentration, concentration ratio of cations, pH, temperature and foreign cations by use of various low-temperature mineralization techniques. The composition and structure of the synthesized dolomite-analogues including possible intermediates at different mineralization stages will be systematically investigated in order to understand the possible relationship of nucleation, growth and cation ordering of the dolomite-analogues with the intermediates, and the size, configuration and hydration of the cations, and thus revealing the critical kinetic factors responsible for the formation and cation ordering of the dolomite-analogues. The achieved results can not only reveal the formation mechanism of dolomite-analogues, enrich and develop carbonate mineralogy, but also deepen the insight into "dolomite problem".

白云石是沉积岩中一种常见碳酸盐矿物。由于其在古代沉积碳酸岩中丰富而在现代碳酸盐沉积环境稀少以及低温合成有序白云石实验的失败，使得对白云石形成路径和其有序结构形成机制的认识十分有限，以致于它的成因来源一直是矿物学和沉积学领域悬而未决的难题。本项目以与白云石具有相似组成和晶体结构的类白云石结构双金属碳酸盐和矿物为研究对象，在低温条件下，通过改变溶液浓度、阳离子浓度比、pH和温度包括外来杂质离子等物理化学条件，定向合成类白云石结构碳酸盐及矿物，系统研究类白云石结构双金属碳酸盐及中间体的组成和结构，探讨类白云石结构碳酸盐矿物形成和阳离子有序化过程与可能的中间体、阳离子的电子构型、离子大小和离子水作用之间关系，揭示控制类白云石结构碳酸盐及矿物形成和阳离子有序化过程中的动力学因素。成果的取得不仅能够揭示类白云石结构矿物的形成机制，丰富和发展矿物学理论，而且对深入了解低温白云石成因具有重要指导作用。

白云石作为一种常见的碳酸盐矿物，在地质历史时期大量发育，却在现代海洋环境中鲜少沉积，并且低温条件下几乎没有成功合成的报道，使得对白云石形成路径和其有序结构形成机制的认识十分有限，以致于低温白云石的成因仍处于争议之中。类白云石结构碳酸盐是一系列具有与白云石类似的阳离子有序结构的双金属碳酸盐。由于其与白云石在化学组成和晶体结构上的高度相似性，研究类白云石结构碳酸盐的结晶行为和形成路径将有助于了解白云石的成因机制。为此，本项目采用低温矿物学合成方法，开展钡白云石等类白云石结构碳酸盐的合成，研究其形成路径和结构演化。实验结果显示，钡白云石的形成强烈依赖于溶液化学条件，当溶液初始Mg/Ba<15时，钡白云石通过先形成前驱体碳钡矿等多步骤过程形成；而当初始Mg/Ba>20时，钡白云石从溶液中直接沉淀析出，这不仅为类白云石结构矿物的形成机制提供了新的认识，也指示低温白云石可能在特定的溶液化学条件下直接沉淀形成。在此基础上，系统开展类白云石碳酸盐PbMgCO3低温合成和阳离子有序化研究，发现PbMgCO3中离子有序化可能是控制其形成的动力学控制因素，实验结果有助于深化对白云石形成路径及阳离子有序化过程的认识。通过固体核磁技术，系统研究了不同温度条件下合成的钡白云石及一系列含镁碳酸盐结构，发现不同类型的固有H缺陷，可能是含镁碳酸盐克服镁离子去水合作用，在低温下易于结晶形成的关键因素。同时，以海洋放线菌FXJ8.128作为模式微生物，开展钙锰碳酸盐的矿化研究，发现细菌代谢产生碳酸根离子的能力是控制钙锰碳酸盐固溶体中Mn/Ca比的关键因素，并且低的碳酸根浓度有利于钙锰碳酸盐固溶体中锰的富集，实验结果为认识自然界钙锰碳酸盐形成过程及机制提供了实验支撑。系列成果实验结果有助于深化对白云石形成路径及阳离子有序化过程的认识。