澳科大學者在國際著名學術期刊發表論文
揭示深海環境蝕變火山玻璃中自生二氧化鈦形成機制
近日，國際地球與行星科學領域著名期刊Geochimica et Cosmochimica Acta線上發表了題為“Formation of authigenic titania during the alteration of volcanic glasses in modern deep-sea environments”的研究論文。澳門科技大學月球與行星科學國家重點實驗室劉晶助理教授為第一作者，南方海洋科學與工程廣東省實驗室（廣州）楊勝雄教授的海洋地質與礦產資源研究團隊周軍明博士為通訊作者，合作作者包括廣東工業大學蔣曉東博士和廣州海洋地質調查局韋振權工程師。
鈦(Ti)是一種典型造岩元素，傳統觀點認為Ti具有親石性、不相容性和流體不活動性。海洋環境（如沉積物）中，Ti通常被認為來自於陸源碎屑，因此，沉積物Ti含量及其同位素特徵常被用作瞭解海洋環境變化的重要指標。然而，劉晶助理教授等的研究揭示了Ti元素在火山玻璃蝕變過程中的遷移行為。這一發現為理解深海環境中Ti元素的地球化學行為提供了全新的視角。
該研究採用多種微區分析技術對Line和Marshall海山火山玻璃（編號MP2D32A和D11-1）的微觀形貌與結構進行深入分析，詳細闡述了火山玻璃蝕變過程中Ti的遷移和自生TiO2礦物微/納米顆粒的晶體結構演化機制。
研究發現，樣品主要由伊利石/蒙脫石混合層（伊蒙混層）、鈣十字沸石和碳氟磷灰石組成。在蝕變過程，即橙玄玻璃化過程中，火山玻璃出現溶解與再結晶，導致Si、Al、Mg、Ca和K元素的虧損，以及Ti和Fe元素的被動富集，形成自生的含鐵TiO2礦物。掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡觀察結果顯示，自生TiO2主要存在兩種聚集形態：（1）包裹於伊蒙混層球形聚集體表面的球形殼層，殼層厚度為450–1000 nm；（2）附著於伊蒙混層礦物孔隙中的TiO2納米顆粒聚集體，粒徑為4–32 nm。
蝕變火山玻璃富Ti殼層掃描及透射電子顯微鏡圖
伊蒙混層-TiO2的球殼結構中，自球形聚集體中心至邊緣，Ti含量顯著增加，指示蝕變過程中Ti元素的短距離遷移性。上述結果表明TiO2球形殼層形成於蝕變過程中Ti(IV)離子和納米顆粒的遷移和沉積：大量Ti(IV)離子和納米顆粒遷移至原有的火山玻璃微球介面處，進而填充、成核和聚集，並通過定向組裝生長為微米級顆粒。Ti(IV)離子遷移過程中可被黏土礦物吸附捕獲，且黏土礦物可提供異相成核位點，進而形成大量附著於伊蒙混層顆粒表面的TiO2納米顆粒。高分辨透射電鏡及選區電子衍射揭示了板鈦礦為自生TiO2礦物的主要物相，伴隨少量金紅石和銳鈦礦，這指示著TiO2顆粒生長過程中礦物相的連續演化。同時，Fe通過類質同相替換賦存於TiO2晶體結構。
火山玻璃蝕變過程中Ti的遷移與TiO2的形成示意圖
火山玻璃蝕變過程中自生TiO2的形成和分佈揭示了Ti的短距離（幾百微米）遷移性。考慮到納米顆粒的高遷移性及磷酸鹽化過程對TiO2溶解和遷移的影響，火山玻璃蝕變過程中，Ti可能存在溶解態及TiO2納米顆粒形態的長距離運移，這一假設與Ti在海水中的濃度變化趨勢相吻合。同時，這一研究亦揭示了Ti在弱鹼性和富氧海洋環境中可形成板鈦礦，更新了前人對於TiO2礦物常形成於酸性、有機且還原環境的認識，為理解板鈦礦的形成以及Ti的遷移性提供了新的視角，對於揭示Ti的海洋地球化學行為具有重要意義。
論文資訊：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.
