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　　富含黏土的地層（如泥巖、頁巖）與沉積物被視為“地質過濾膜”，因為黏土礦物具有對離子的選擇性吸附和分離作用。地質記錄表明，海洋沉積物的孔隙水的Ca²⁺、Sr²⁺、Li⁺較之海水富集，而Mg²⁺與K⁺則顯著虧損。這種元素分配的差異主要受控于海洋沉積物的黏土礦物。蒙脫石（圖1），是常見黏土沉積物的主要組成礦物。蒙脫石的層間域具有水化和脫水的能力，在宏觀上反映為黏土的膨脹與收縮。該層間域是離子交換的主要載體。傳統的雙電層理論可以較好地描述離子在礦物表面的吸附與分配；但蒙脫石的層間域空間為納米尺度，該尺度不符合雙電層理論的基本假設。過往研究表明不同離子（如Na⁺、K⁺、Ca²⁺等）造成蒙脫石層間域水合狀態的差異。層間域水合狀態的差異如何與離子的分配耦合？宏觀上，黏土的膨脹/收縮如何影響地層或沉積物的地質過濾膜功能？

　　為回答以上問題，中國科學院廣州地球化學研究所礦物學與成礦學重點實驗室的陳錳特任研究員、博士研究生周慧君等通過結合分子動力學模擬和熱力學計算，建立了離子活度比、水活度、蒙脫石水含量與離子分配系數間的定量關系。研究選取常見的離子Na⁺和K⁺作為對象，力圖解釋沉積物記錄中Na⁺和K⁺分配差異的原因，并建立模型用于預測黏土對流體離子分配的作用。

　　該研究對象為處于熱力學平衡的多個體系（圖2），其一為含Na⁺和K⁺的蒙脫石混合物體系（記為Mix[(1-x)Na-Mt-n₁H₂O,xK-Mt-n₂H₂O]），其二為含Na⁺和K⁺離子的流體（Na⁺_aq,K⁺_aq）。以離子活度比（a_Na/a_K）和水活度（a_w）為環境變量，基于分子動力學模型模擬進行熱力學計算，闡明了平衡狀態下蒙脫石的水含量（化學式中的n₁和n₂）（圖3）與離子分配系數（圖4）。

    研究結果表明：（1）任何環境條件下K⁺都較Na⁺離子更富集于蒙脫石中，與此同時環境中K⁺離子顯著虧損；（2）環境水活度的下降顯著加強了離子分配，即K⁺離子在環境中的虧損更其明顯；（3）離子分配耦合于蒙脫石的水合結構，K⁺離子在蒙脫石層間形成內圈絡合結構，以致在較低水活度條件下蒙脫石層間形成穩定的單層水合結構，這是K⁺離子更富集于蒙脫石層間的原因。

　　模型模擬與計算闡釋了由于離子在蒙脫石層間域不同的水合結構造成了Na⁺和K⁺分配的顯著差異，解釋了地質記錄與過往的實驗結果。審稿人指出，30多年前地球化學家基于海底鉆探的流體成分記錄就對黏土的離子過濾作用非常感興趣，然而理論研究工作一直陷于停滯。本研究打開了重要的理論分析窗口，以本模型研究為開端，系統地解釋和預測黏土礦物對多離子體系物質分配影響的研究預期將可順利開展。

圖1. 黏土沉積物、蒙脫石與層間域結構示意圖

圖2. 蒙脫石層間的Na⁺、K⁺離子與環境中的Na⁺、K⁺離子交換示意圖

圖3. 不同離子活度比（）和水活度（a_w）條件下蒙脫石的穩定水含量

圖4. 不同離子活度比（）和水活度（a_w）條件下的蒙脫石離子分配系數P(Na)和P(K)。

P(Na)和P(K)分別定義為與環境相比蒙脫石的Na⁺和K⁺離子的相對比例

　   該研究得到國家自然科學基金（41530313、41921003、41825003）、中國科學院前沿科學重點研究項目（QYZDJ-SSW-DQC023）、中國科學院青年創新促進會、中國科學院創新交叉團隊項目（JCTD-2019-15）和“天河二號”國家超級計算廣州中心支持，研究成果發表于Geochimica et Cosmochimica Acta。 

　　論文信息：Zhou Huijun, Chen Meng*, Zhu Runliang, Lu Xiancai, Zhu Jianxi, He Hongping. (2020) Coupling between Clay Swelling/Collapse and Cationic Partition. Geochimica et Cosmochimica Acta. 285, 78-99. 

    鏈接： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016703720304270?dgcid=author