摘要：
中国科学院比较行星学卓越创新中心周根陶教授研究组通过低温矿物合成的实验方法，首次从溶液中直接沉淀出具有高度阳离子有序钡白云石，系统揭示了钡白云石矿化机制。相关成果为白云石及其类似物的形成途径提供了新的认识，并指示在合适物理化学条件下白云石也可能在低温条件下直接沉淀形成。
低温白云石的成因一直是困扰矿物学和沉积学领域的科学难题，被称为“白云石问题”（“Dolomiteproblem”）。作为一种常见的碳酸盐矿物，白云石（CaMg(CO3)2）在地质历史时期大量发育，却在现代海洋环境中鲜少沉积。尽管在过去的几十年里研究者们开展了大量实验室工作，致力于在模拟自然条件下合成白云石晶体，但是迄今为止，几乎没有在oC以下成功合成白云石的报道。实验室低温合成的失败限制了人们对于白云石形成路径及阳离子有序结构形成机理的认识，使得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（如钡白云石，norsethite）的结晶行为和形成路径将有助于了解白云石的成因机制。因此，在本研究中，周根陶教授团队采用CO2气体扩散法，在室温下进行钡白云石的矿化实验研究，首次发现具有高度阳离子有序的钡白云石能够从溶液中直接结晶形成。图1：初始Mg/Ba为50/25(a)、50/10(b)和50/5(c)时，矿化溶液中[Ba2+]、[Mg2+]和pH随时间的变化。*标记tnor时溶液的化学参数(离子浓度和pH)。
该项研究通过在不同Mg/Ba比条件下，合成钡/镁碳酸盐矿物，系统研究钡白云石形成过程与矿化体系溶液化学之间的关系，发现钡白云石的成核和生长受矿化体系溶液化学控制。当Mg/Ba比15时，钡白云石通过多步骤反应形成，包括碳钡矿（BaCO3）的先行沉淀、钡白云石的形成以及碳钡矿向钡白云石的转化。相应地，矿化体系溶液化学演化（如下图1）显示，在首次检出到钡白云石沉淀出现时，即在时间tnor时，不同Mg/Ba比条件下，矿化体系溶液化学呈现明显相似性，即矿化溶液的pH在8.5-8.8之间，相应的Mg/Ba比分别是20.84、36.61和26.12，远高于起始Mg/Ba比2、5和10。结果指示，碱性pH和高的Mg/Ba比可能有利于钡白云石从溶液中成核和生长。
为此，研究者进一步开展升高Mg/Ba比的矿化实验。一系列实验结果证实，当溶液起始Mg/Ba比≥20时，钡白云石从溶液中直接沉淀（如下图2）。这些研究结果证明矿化体系的溶液化学，特别是Mg/Ba比是调控钡白云石形成路径（多步反应和直接沉淀）的关键因素，并且钡白云石能够从碱性pH、高Mg/Ba比和高浓度CO32-的溶液中直接成核和生长。
图2上：Mg/Ba=50/2实验中，矿化2h(a)、3h(b)产物的电子显微图像及相应的显微拉曼光谱(c)；矿化4h产物的粉末XRD谱图(d)、FTIR光谱(e)和电子显微图像(f)；以及矿化8h(g)、12h(h)和36h(i)产物的电子显微图像。图2下：Mg/Ba=50/2时，矿化体系中的溶液化学演化关系，指示从矿化开始，[Mg2+]和[Ba2+]等比例降低，进一步证明了钡白云石从溶液中直接沉淀，而没有经历先行沉淀的碳钡矿等前驱体过程。
研究结果对更好理解局部溶液化学对白云石形成的影响有着重要的意义。已有的研究表明，在特定的高盐环境中，如蒸发盐湖或盐沼，现代白云岩以原生沉淀物的形式形成。同时，在这些高盐环境中，高Mg/Ca比是白云石结晶的必要条件。另外，有研究也提出，主导并促进新元古代海洋中白云石“直接沉淀”的环境条件具有高碱性、高Mg/Ca比（7）和高过饱和度的特征。尽管低温条件下实验室直接沉淀白云石的工作大多是失败的，但也有实验工作表明，原白云石（符合化学计量比但无序的白云石）可以从Mg/Ca比高达43的溶液中直接沉淀出来。因此，钡白云石在具有高Mg/Ba比和充足CO32-的碱性溶液中的直接沉淀，证实了溶液化学在控制类白云石结构矿物形成方面的重要作用，指示白云石可能在特定的物理化学条件下直接沉淀，成果为类白云石结构矿物的形成机制提供了新的认识，将有助于白云石问题的解决。相关成果发表在矿物学领域国际著名学术期刊《AmericanMineralogist》上。这项研究得到了国家自然科学基金（和）、国家重点研发计划（YFA）等基金项目的支持。周根陶教授和姚奇志副教授为论文通讯作者，博士研究生张亦凡为论文第一作者。
参考文献
Yi-FanZhang,Qi-ZhiYao,Fei-JinQian,HanLi,Gen-TaoZhou,andSheng-QuanFu()Formationpathwayofnorsethitedominatedbysolutionchemistryunderambientconditions，AmericanMineralogist,,–.(文章链接：
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