澳科大学者在国际著名学术期刊发表论文
揭示深海环境蚀变火山玻璃中自生二氧化钛形成机制
近日，国际地球与行星科学领域著名期刊Geochimica et Cosmochimica Acta线上发表了题为“Formation of authigenic titania during the alteration of volcanic glasses in modern deep-sea environments”的研究论文。澳门科技大学月球与行星科学国家重点实验室刘晶助理教授为第一作者，南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）杨胜雄教授的海洋地质与矿产资源研究团队周军明博士为通讯作者，合作作者包括广东工业大学蒋晓东博士和广州海洋地质调查局韦振权工程师。
钛(Ti)是一种典型造岩元素，传统观点认为Ti具有亲石性、不相容性和流体不活动性。海洋环境（如沉积物）中，Ti通常被认为来自于陆源碎屑，因此，沉积物Ti含量及其同位素特征常被用作了解海洋环境变化的重要指标。然而，刘晶助理教授等的研究揭示了Ti元素在火山玻璃蚀变过程中的迁移行为。这一发现为理解深海环境中Ti元素的地球化学行为提供了全新的视角。
该研究采用多种微区分析技术对Line和Marshall海山火山玻璃（编号MP2D32A和D11-1）的微观形貌与结构进行深入分析，详细阐述了火山玻璃蚀变过程中Ti的迁移和自生TiO2矿物微/纳米颗粒的晶体结构演化机制。
研究发现，样品主要由伊利石/蒙脱石混合层（伊蒙混层）、钙十字沸石和碳氟磷灰石组成。在蚀变过程，即橙玄玻璃化过程中，火山玻璃出现溶解与再结晶，导致Si、Al、Mg、Ca和K元素的亏损，以及Ti和Fe元素的被动富集，形成自生的含铁TiO2矿物。扫描电子显微镜和透射电子显微镜观察结果显示，自生TiO2主要存在两种聚集形态：（1）包裹于伊蒙混层球形聚集体表面的球形壳层，壳层厚度为450–1000 nm；（2）附著于伊蒙混层矿物孔隙中的TiO2纳米颗粒聚集体，粒径为4–32 nm。
蚀变火山玻璃富Ti壳层扫描及透射电子显微镜图
伊蒙混层-TiO2的球壳结构中，自球形聚集体中心至边缘，Ti含量显著增加，指示蚀变过程中Ti元素的短距离迁移性。上述结果表明TiO2球形壳层形成于蚀变过程中Ti(IV)离子和纳米颗粒的迁移和沉积：大量Ti(IV)离子和纳米颗粒迁移至原有的火山玻璃微球介面处，进而填充、成核和聚集，并通过定向组装生长为微米级颗粒。Ti(IV)离子迁移过程中可被黏土矿物吸附捕获，且黏土矿物可提供异相成核位点，进而形成大量附著于伊蒙混层颗粒表面的TiO2纳米颗粒。高分辨透射电镜及选区电子衍射揭示了板钛矿为自生TiO2矿物的主要物相，伴随少量金红石和锐钛矿，这指示着TiO2颗粒生长过程中矿物相的连续演化。同时，Fe通过类质同相替换赋存于TiO2晶体结构。
火山玻璃蚀变过程中Ti的迁移与TiO2的形成示意图
火山玻璃蚀变过程中自生TiO2的形成和分布揭示了Ti的短距离（几百微米）迁移性。考虑到纳米颗粒的高迁移性及磷酸盐化过程对TiO2溶解和迁移的影响，火山玻璃蚀变过程中，Ti可能存在溶解态及TiO2纳米颗粒形态的长距离运移，这一假设与Ti在海水中的浓度变化趋势相吻合。同时，这一研究亦揭示了Ti在弱碱性和富氧海洋环境中可形成板钛矿，更新了前人对于TiO2矿物常形成于酸性、有机且还原环境的认识，为理解板钛矿的形成以及Ti的迁移性提供了新的视角，对于揭示Ti的海洋地球化学行为具有重要意义。
论文资讯：Jing Liu, Junming Zhou, Xiaodong Jiang, Zhenquan Wei, Shengxiong Yang, Formation of authigenic titania during the alteration of volcanic glasses in modern deep-sea environments, Geochimica et Cosmochimica Acta, 2024, 382, 1-12. https://doi.org/10.1016/j.gca.2024.08.007.
