廣州地化所、深地科學卓越創新中心在礦物生長機制研究中取得新認識
層生長機理和螺旋生長機理是礦物晶體生長的兩大主流觀點，其核心是單個原子（離子團）優先占據晶核（體）表面的高能位，逐步向三維拓展。1998年，Banfield教授等率先報導了在水熱合成的銳鈦礦中發現納米顆粒定向附著生長（oriented attachment, OA）的新機制（Penn and Banfield, Science, 1998）。隨后，科學家們發現在表生作用、生物成礦等過程中均存在這種非傳統礦物生長機制，為認識元素的地球化學循環、功能材料的合成等開啟了新窗口。
然而，在復雜的地質過程（如巖漿作用、變質作用等）中，是否存在類似的礦物結晶與生長機制是近年科學家們關注的熱點，因為這種非傳統礦物生長機制很可能會影響元素的地球化學行為，誘發尚未解譯的地質地球化學過程。
基于表面生長痕跡和晶體內部結構可記錄礦物生長信息這一基本事實，中國科學院廣州地球化學研究所、深地科學卓越創新中心何宏平研究員、博士研究生楊宜坪等人利用高分辨透射電鏡系統研究了巖漿巖和變質巖中云母類礦物的微觀結構，并與人工合成的氟金云母對比，發現并率先提出了硅酸鹽巖漿結晶和高溫熱液過程中納米晶粒定向堆砌的礦物生長機制，突破了基于單原子堆積的“層生長”和“螺旋生長”兩大傳統理論。相關成果以“Evidence for a two-stage particle attachment mechanism for phyllosilicate crystallization in geological processes”為題發表在礦物學權威期刊《American Mineralogist》上。國際同行指出，這是關于硅酸鹽熔體中礦物非傳統生長機制的首次報道。
圖1 納米晶粒到宏觀晶體的礦物生長過程示意圖
圖2 氟金云母沿（hk0）定向附著的TEM圖
圖3 黑云母納米片沿c軸方向堆垛的HRTEM和FFT圖
（顆粒1相對顆粒2存在1-2°旋轉，顆粒2相對顆粒3存在約8°旋轉）
圖4 氟金云母納米片沿c軸方向堆垛的TEM和FFT圖
（上下納米顆粒間存在約20°旋轉）
需要指出的是，與已報道的表生環境礦物非傳統生長機制相比，熔體中云母的生長過程存在明顯差異：前者表現為納米晶粒在三維方向的直接附著，納米晶粒間的取向具有一致性；后者不僅表現為兩個階段生長模式，而且納米顆粒在c軸方向的堆垛具有隨機性，并受控于熔體的物理化學條件。
上述研究不僅揭示了巖漿演化過程中礦物生長的新機制，而且為認識地球系統的物質循環和元素的地球化學行為提供了新視角。此外，該研究也為闡釋黏土礦物等層狀硅酸鹽礦物的特殊形貌和結構，以及功能納米材料的合成提供了新思路。
該研究得到了國家自然科學基金等項目的資助。
文章信息：Hongping He*, Yiping Yang, Linya Ma, Xiaoli Su, Haiyang Xian, Jianxi Zhu, Hui Henry Teng and Stephen Guggenheim*. Evidence for a two-stage particle attachment mechanism for phyllosilicate crystallization in geological processes. American Mineralogist: 2021, 106(6): 983-993.
