水滑石（Hydrotalcite）是一类阴离子型层状矿物。它具有类水镁石的八面体结构层，层内因不等价类质同象置换（例如：Al³⁺→Mg²⁺）而产生的正电荷，被层间的阴离子（最常见为CO₃^2-）所平衡（图1）。因此，它也被视作具有二维结构的碳酸盐矿物。在地表碳循环过程中，水滑石能够快速从大气或介质中捕获CO₂，并且在适宜的温压条件下快速释放。因而有观点认为，水滑石的这种独特的现象有可能打破“矿物参与的碳循环是个缓慢过程”的传统认识，引起广泛关注。尽管，水滑石可以在多种地质环境中形成（例如，玄武岩风化过程、盐卤湖泊蒸发结晶、碱性土壤中沉淀作用），但全球仅存在极少处可供开采的水滑石矿。那么在地质演化过程的某些阶段，地表是否存在大量的水滑石矿物、它与黏土矿物之间存在着怎样的平衡关系、其矿床稀缺的原因等问题是长久以来困惑矿物学家的未解之谜。

图1 水滑石和皂石的层状结构示意图

　　中科院广州地化所陶奇副研究员、何宏平研究员及其合作者基于前期研究认为，水滑石和皂石均可在中性至碱性条件形成，且都可以形成于玄武质母岩的风化过程，它们很可能在结晶过程中存在竞争或相互转化关系。据此，研究选择混合金属氧化物（MMO）作为起始物，考察其在碱性水热条件下的转化过程。基于对产物的XRD、²⁷Al和²⁹Si NMR、TEM等多种谱学和微束微区测试和分析，揭示了该转化过程矿物结晶顺序、及其相互转化的影响因素和规律，提出了氧化物经由水滑石相向皂石转变的“部分溶解 - 结晶”转化机制。

　　1. 水热反应中的物相转变分析

　　X射线衍射（XRD）结果显示，在Si-O阴离子共存的碱性条件下，金属氧化物首先快速水合，形成水滑石矿物相（图2）。随后，水滑石逐渐减少，并逐渐被蒙皂石矿物取代。产物经乙二醇饱和，(001)晶面的d值由1.286 nm增至1.663 nm；同时, 其(060)晶面的d值为0.154 nm, 证实最终产物为具有三八面体的皂石矿物。

图2 XRD图揭示了随反应时间的延长，产物物相由水滑石逐渐向皂石转变的过程。

　　2. 物相转变的影响和制约因素

　　固体核磁光谱（²⁷Al、²⁹Si  NMR）揭示，皂石产物结晶度随着反应时间延长不断增加，在15天后达到最高（图2、3）；反应体系中Mg²⁺与Al³⁺含量对产物生长速率和物相纯度起到重要的影响和制约作用。皂石晶体生长速率随起始物中Mg/Al含量比增大而减缓；当Mg²⁺、Al³⁺过量时，将生成水镁石和钠霞石等杂相；硅阴离子（SiO₃^2-）浓度对产物物相和转化反应进程起到最直接的限制作用。当SiO₃^2-浓度<水滑石阴离子交换容量（1AEC）时，其主要发生插层反应，进入水滑石层间（图2、3）；当其浓度≥1AEC时，则主要发生缩合反应，转化为皂石的四面体片。

图3 ²⁷Al、²⁹Si NMR光谱揭示了硅阴离子浓度对产物中离子占位、结晶过程中离子迁移等微结构特征、以及产物物相纯度和结晶度等矿物学特征的影响。

　　3. 物相转化机制

　　透射电子显微镜（TEM）照片显示，反应由氧化物颗粒边缘向内部深入（图4），历经“水合 - 部分溶解 - 结晶”转化过程（图5）。氧化物首先先水合形成CO₃^2-插层水滑石；随之，部分Al³⁺由固相溶出并进入Si-O聚阴离子四面体位。由此产生的额外负电荷，加速了其与水滑石层间的缩合，最终形成TOT结构的皂石；同时，产物表面电荷反转为负电性，CO₃^2-脱离固相。

　　4. 指示意义

　　水滑石极易在碱性环境形成，但它将与共存的硅阴离子进一步反应，转化为皂石，历经“部分溶解 - 结晶”转化路径。该发现从矿物学角度为水滑石矿床稀缺提供了一种合理的解释。

　　转化过程中，金属离子浓度与迁移特征对矿物转化的限制机制、类质同象置换规律等可为类似矿物稳定性研究、土壤金属可利用性评价等提供理论依据。

　　CO₂起到不可或缺的媒质作用：它为水滑石的形成提供了CO₃^2-，最后又因固体表面电荷反转而脱逸。该过程可能为地表碳循环研究提供新思路。

　　研究得到了家自然科学基金重点项目（41530313）、国家自然科学基金面上项目（41772039、41372048）、中国科学院前沿科学重点研究项目（QYZDJSSW-DQC023）和“广东特支计划”科技创新青年拔尖人才项目（2015TQ01Z797）等课题资助。相关成果发表在American Mineralogist和Applied Clay Science上。具体信息如下：

　　Qi Tao, Qingjin Zeng, Manyou Chen, Hongping He, Sridhar Komarneni. Formation of saponite by hydrothermal alteration of metal oxides: Implication for the rarity of hydrotalcite. American Mineralogist, 2019, 104(8): 1156-1164. https://doi.org/10.2138/am-2019-7043

　　Qi Tao, Manyou Chen, Hongping He, Sridhar Komarneni. Hydrothermal transformation of mixed metal oxides and silicate anions to phyllosilicate under highly alkaline conditions. Applied Clay Science, 2018, 156: 224-230. https://doi.org/10.1016/j.clay.2018.02.013

　　中国科学院矿物学与成矿学重点实验室&科技与规划处供稿