泥炭沼泽环境中海绿石和蒙脱石的矿物学演化：一年自然实验的结果

本研究分析了西伯利亚Vasyugan泥炭沼泽环境中高岭石和蒙脱石经一年孵育后的晶体化学与吸附转化。发现高岭石因还原条件发生K+流失、Fe组分减少及有机物吸附，蒙脱石则保持结构稳定但吸附无机物及有机酸。揭示了泥炭沼泽作为天然反应器加速早期成岩过程，为环境技术材料开发提供依据。

　　

马克西姆·鲁德明（Maxim Rudmin）| 邦玲（Hongling Bu）| 奥列格·萨维切夫（Oleg Savichev）| 伊万·基特林（Ivan Khitrin）| 亚历克谢·鲁班（Alexey Ruban）

地质学系，地球科学与工程学院，托木斯克理工大学，634050 托木斯克，俄罗斯

摘要

本研究探讨了海绿石和蒙脱石在泥炭沼泽环境中长期暴露过程中的晶体化学变化和吸附行为，这是作为在西伯利亚西部瓦休甘湿地（Vasyugan Mire）贫营养带进行的一项自然实验的一部分。选择瓦休甘湿地作为研究对象，是因为它是一个天然酸性且富含有机物的沉积系统，能够促进离子交换和低温矿物转化，从而模拟早期成岩条件。样品在25、50和75厘米深度处原位培养了一年。回收的样品通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜结合能量分散光谱（SEM-EDS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、热重分析、差示扫描量热法以及质谱（TG-DSC-MS）等手段进行了全面的物理化学表征。海绿石发生了显著的结构变化，包括：（1）层间K⁺的流失；（2）与铁相关的成分相对减少；（3）吸收有机化合物和NH₄⁺离子。这些变化在土壤较深层的还原条件下更为明显。XRD和化学数据表明，层间可能发生了膨胀，且可能早期出现了类似蒙脱石的特征。蒙脱石保持了稳定的晶体结构，但表现出显著的离子交换活性，并在其层间区域吸附了无机物质（如CO₂、NH₃/NH₄⁺）和低分子量有机酸。其电荷平衡因层间吸收了铵离子和有机物质而发生改变，这掩盖了更深层次的结构变化。海绿石和蒙脱石的缓冲机制不同：海绿石通过晶体化学重排实现缓冲，而蒙脱石则利用其可膨胀的层间结构和较高的阳离子交换能力。研究结果表明，泥炭沼泽作为天然地球化学反应器，加速了粘土矿物的早期成岩过程。这突显了海绿石和蒙脱石在环保技术（如屏障筛选和水净化系统）中作为有效缓冲剂和吸附材料的潜力。

引言

粘土矿物是沉积环境中的重要组成部分，在吸附、离子交换、缓冲反应以及有机物转化过程中起着关键作用。在湿地、红树林、三角洲和沿海地区等环境中，它们与有机物、金属和酸性物质发生相互作用（Baldermann等人，2025；Chen等人，2025）。

例如，在红树林沼泽中，蒙脱石和伊利石由于其较高的阳离子交换能力和较大的比表面积，能够稳定有机物并促进重金属的沉淀（Andrade等人，2014；Andrade等人，2018；Andrade等人，2022；Cuadros等人，2017）。河流三角洲中的粘土颗粒（如拉扬河和马哈卡姆河）有助于聚集和团块形成，从而促进碳及相关金属的积累（Gastaldo，2010；Zhang等人，2022；Chen等人，2025）。在泥炭沼泽中，尽管粘土矿物的分布不如有机物质广泛，但它们通常是细分散的外来或自生成分的一部分，能够积极参与与腐殖质-富里酸复合物的离子交换反应，并作为新矿物相的结晶中心（Rudmin等人，2020）。这些环境为研究层状硅酸盐的转化提供了理想的条件。研究海绿石和蒙脱石在这种条件下的响应对于深入理解Fe-Al的再分布机制、层间结构变化以及有机-矿物相互作用具有重要意义。

此外，在沿海淤泥沉积条件下，粘土矿物在pH值、Eh值和微生物活动梯度的影响下会发生显著变化，使其成为氧化还原动态和成岩过程的指示指标（Dill，2016；O G Savichev等人，2019；Fernández-Landero和Fernández-Caliani，2021；Myers和Darby，2022；Schieber等人，2022；Chen等人，2024）。

粘土矿物在工程地质和环境技术中被广泛用作天然或人工改性的屏障材料（Sellin和Leupin，2013；Krupskaya等人，2019）。在工业和家庭废物处理系统中，它们对于有效保留重金属、放射性核素和有机污染物尤为重要（Singh等人，2010；Franus和Bandura，2014；Banik等人，2016；Bruneel等人，2020）。最常见的用于这些目的的矿物是蒙脱石（Liu等人，2017；D'Ascanio等人，2019；Semenkova等人，2020）和蛭石（Mortland等人，1963；Wang等人，2022），因为它们具有较高的膨胀能力和稳定的吸附性能。

在酸性环境中（通常发生在固体废物填埋场中有机物长期分解、酸性矿井水或有机物生物降解过程中），粘土矿物继续发挥缓冲和离子交换作用（Revega等人，2005；Baldermann等人，2019；Dasgupta等人，2021；Younes等人，2021；Kamińska等人，2025）。然而，它们在低pH值（<4.5）下的稳定性和有效性仍是一个研究课题，因为此时可能发生结构破坏、先前吸附的阳离子解吸以及二次矿化现象。

现场和实验室实验表明，在这种恶劣条件下，层间有缺陷的蒙脱石和云母可能会发生部分转化，导致非晶相的形成或新矿物的生成（例如铝硅酸盐凝胶或氧化铁复合物；Cuadros等人，2017；Bu等人，2023b；Bu等人，2023a；García-Romero等人，2025）。这些过程直接取决于酸度水平、有机物饱和度、微生物活性以及与污染环境的接触时间。

本研究旨在评估海绿石和蒙脱石在泥炭沼泽（瓦休甘湿地）中培养一年期间的形态、结构和成分变化趋势，以追踪此类环境中的矿物转化过程。研究结果将有助于预测含有层间缺陷的蒙脱石和/或云母缓冲系统的平衡状态，并为古地理重建中的粘土矿物物理化学条件提供依据。

材料与方法

实验使用了两种矿物浓缩物：来自卡林矿床（俄罗斯）的海绿石和来自第10号霍托尔矿床（俄罗斯）的蒙脱石。

海绿石浓缩物主要由球形海绿石组成（90–95%），其中混有石英和其他粘土矿物（5–10%）。海绿石球体的大小在100至400微米之间。海绿石的晶体化学式如下：