岩溶环境中岩—土界面方解石的表面化学特征及其反应机理

碳酸盐岩—土界面是碳酸盐岩-土-水-大气-生物构成的岩溶环境系统中最重要的环境界面之一，也是岩溶环境中地球化学作用最活跃和环境敏感性及生态脆弱性特征最为明显的地带。方解石是岩溶环境中的主要碳酸盐矿物，其表面化学反应机理代表了岩溶作用过程中最本质的特征，成为岩溶环境研究领域最为引人注目的内容之一。虽然X射线光电子谱（XPS）和扫描电镜（SEM）技术作为目前最为有用的矿物表面分析和研究方法已被应用于方解石等矿物的表面化学研究，但是以往的工作主要局限于实验室条件下的矿物表面化学反应研究，且着眼点主要是讨论矿物表面溶解过程。本文利用XPS和SEM技术，对自然条件下碳酸盐岩—土界面的方解石进行了观察和研究，获得了自然条件下方解石表面化学特征，探讨了方解石表面化学反应机理。

1.样品与分析方法

样品采自贵州安顺、遵义和贵阳等地碳酸盐岩红色风化壳剖面半风化带岩—土界面，剖面特征如图1-1所示。

方解石为灰白色粒状。样品均同步进行了X射线、红外光谱和电子探针分析，确认矿物成分，并进行相应的矿物学和地球化学研究。为保持样品的新鲜和原始状态，野外采集的样品均用特制真空包装袋保存，经惰性气体处理后，送入样品保护室制样。

矿物表面化学分析使用北京理工大学美国P E公司制造的PHI 5300型XPS谱仪进行，其表面分析深度范围为10 nm。为减少样品保存和制备过程中样品表面被污染的程度，测试前均用氩离子枪对样品表面进行2min 溅射，以“清洗”表面。扫描电镜为 KtKt 1000 B型扫镜电镜（带能谱仪）。

2.方解石表面化学特征

利用PHI-5300型XPS谱仪分别对贵州岩溶地区碳酸盐岩红色风化壳剖面半风化层岩—土界面部位的方解石、针铁矿和赤铁矿表面进行了分析。图6-7～6-9分别列出了方解石表面XPS谱图以及方解石表面C1s结合能区域高分辨XPS谱图。方解石表面的XPS分析反映出自然条件下方解石表面化学特征具有以下两个较突出的特点。一是方解石表面和整体之间在化学成分、状态和结构方面存在明显差异，矿物表面具有更为复杂的化学成分、状态和结构特征以及分布的不均匀性，方解石表面除部分地继承其内部化学成分（Ca、C和O等）和结构状态外，其表面还存在许多表面吸附成分如Cl、S、Si和Al等（图6-7、图6-8）。二是方解石表面的选择性吸附作用，主要反映在两个方面：其一为方解石表面对元素的吸附具有选择性，虽然在剖面岩—土界面同一位置同时采集和分析了方解石、针铁矿和赤铁矿表面化学成分，但分析结果表明，它们对元素的吸附是不同的，如方解石表面对硫、氯和外来碳具有较大吸附量，而针铁矿和赤铁矿表面含量极少或不存在上述元素的吸附；而对氟和砷等元素的吸附，针铁矿和赤铁矿表面分别有较大的吸附量，方解石表面极少或不存在；其二为方解石表面对元素吸附量在不同表面位置有较大差异，即选择性吸附作用对方解石表面微形貌特征也具有一定的选择。配置能谱仪的扫描电镜观测到方解石表面极发育的菱面体解理交角组成的阶梯位置比晶面、解理面具有更强的吸附能力和较高的元素吸附量（图版Ⅹ-1）。

图6-7 方解石表面的XPS图

图6-8 方解石表面低结合能区域的XPS图

碳是XPS最易探测的元素之一。位于岩—土界面的方解石、针铁矿和赤铁矿等矿物表面都存在着较强的289.5eV（结合能）的C1s谱峰，这是来自碳酸盐的C1s谱峰，其强度随分析深度的增加而降低，并向高结合能方向位移，即经过2min溅射后的近表面C1s峰向290eV方向位移（图6-9）。这是由于水化作用引起的矿物表面的重碳酸盐化的结果，反映了岩—土界面水在矿物表面化学反应中的作用。此外，方解石表面还存在—个强度大于290eV峰近1倍的外来碳C1s峰，其结合能为284.6eV（图6-9），而在氧化铁矿物表面均不存在。根据Stipp和Hochela（1991）总结的各种碳化物的C1s结合能值，这一外来碳是与C—H、C—C和C—O键有关的碳的物种，由方解石在风化过程中方解石表面选择性吸附形成，而不是广泛分布于样品所处的岩溶环境中的CO2（键型为C=O）。

图6-9 方解石表面C1s结合能区域的高分辨XPS图

3.自然条件下方解石表面溶蚀特征

方解石具有平行{1011}的3组完全解理，极易产生平坦完整的解理面。但通过扫描电镜对大量自然状态下方解石表面的观察表明，自然条件方解石表面不仅化学和物理性质同其晶体内部的性质大不一样，而且其晶体表面不同方向和部位的微形貌特征也存在很大差异，方解石表面具有十分明显的非均匀性特征。在大多数情况下，即使在方解石表面5μm范围内也总可以发现许多由晶体表面缺陷与解理交角等构成的平台、平台空位和阶梯等，以及分布的不均匀性（图版Ⅹ-1）。这种由平台和阶梯为主构成的方解石表面的差异性微形貌特征并非由机械力（外力）引起解理产生的，而是在岩溶环境中方解石表面反应控制的选择性溶蚀作用造成的。因此，对矿物而言，这种选择性溶蚀作用总是发生在矿物晶体结构的薄弱部位或方向上，如晶体表面缺陷、解理和解理交汇处（即解理交角处）和晶体边缘等；但对岩石而言，则表现为对易溶矿物或组分（如方解石）的选择性溶蚀，在碳酸盐岩样品表面形成许多由方解石被选择溶蚀而留下的菱形或近于菱形的溶蚀凹陷（图版Ⅹ-2）。

4.讨论

方解石表面的选择性吸附和溶蚀作用是岩溶环境中方解石表面化学反应及其与环境相互作用过程中的最基本特征。这种由矿物表面反应控制的选择性吸附和溶蚀作用在岩溶环境中是同时存在、相互促进和共同作用的。由于矿物表面在结构、成分和状态等方面与其晶体内部有着明显差异，矿物表面结构上质点的周期性排列的终止，使矿物表面存在部分悬空键。为了降低表面能，矿物表面就趋向吸附某种外来物质，但这种吸附又受到矿物表面性质如离子性质、化学键、表面化学态等的制约，对吸附的物质具有选择性。同时，矿物表面微形貌特征在这一过程中也起着重要作用，不同表面微形貌部位具有不同的表面能，尤其是矿物表面的台阶、空位和阶梯部位处于高表面能状态，吸附作用活跃，具有比晶面、解理面更强的吸附能力，表现出具有较高的外来物质含量。同时，这些部位表面化学活性的增强也促进了选择性溶蚀作用的进行。因此，方解石表面化学成分、结构和状态及其分布的非均匀性特征使方解石表面化学反应活性增强，控制着方解石表面的选择性吸附和溶蚀作用。当方解石与流体（H2O、CO2等）作用时，首先是方解石表面的某一活性面和吸附物与流体反应，这不仅是方解石表面选择性溶蚀作用的主要动力学起因，也是碳酸盐岩—土界面方解石表面吸附的元素进入环境的生物地球化学循环的重要机制之一。由此可见，碳酸盐岩—土界面方解石表面的选择性吸附和溶蚀作用，对控制岩溶环境中元素地球化学行为和循环、岩溶地下水水质和岩溶发育特征均具有重要意义。

本族矿物包括镁、锌、铁、锰、钙、锶、铅和钡等二价阳离子与碳酸根化合而成的无水碳酸盐。其中镁、锌、铁、锰和钙的碳酸盐之晶体结构属方解石型，锶、铅、钡和钙的碳酸盐之晶体结构属文石型。Ca[CO3］有三个同质多像变体，最常见的是三方晶系变体方解石，其次是正交晶系变体文石，而六方晶系变体六方碳钙石由于稳定性很差，在自然界很少见。

方解石的晶体结构视为变形的Na Cl型结构。使Na Cl的立方晶胞沿一个三次对称轴方向压扁至棱间交角为101°55′的钝角菱面体（图11-2A），并以Ca2+和[CO3]2－分别取代Na＋和Cl－的位置，即为方解石结构。垂直该三次轴方向上，[CO3]2－配位三角成层排列，每一[CO3]2－层均与其相邻层中的[CO3]2－三角形的位向相反。Ca2＋的配位数为6。由于Na Cl具有{100}完全解理，在方解石中相当于 完全解理。对应于 解理的菱面体晶胞是一个面心格子的大晶胞，不符合布拉维空间格子的选择原则。方解石真正的单位晶胞应是一锐角菱面体状。三方菱面体格子可按六方格子进行划分，因此方解石的锐角菱面体单位晶胞可划分成具双重体心的六方晶胞（图11-2B）。

图11-2 A－方解石的结构；B－单位晶胞与菱面体解理的关系

菱面体解理是面心格子，用六方格子划分为原始菱面体格子

（据陈武等，1985）

文石型结构中Ca2＋和[CO3]2－的排列方式与方解石不同，如图11-3，其Ca2＋近似呈六方紧密堆积（方解石中Ca2+近似呈立方紧密堆积）；每个Ca2+与相邻接触的O2-不是6个，而是9个，即Ca2+的配位数为9，每个O由3个Ca和1个C与其配位。因此，文石结构较方解石结构紧密。

图11-3 文石的晶体结构

长虚线示出与晶胞中央的Ca2＋配位的9个O2－

根据结构属方解石型抑或文石型，本族矿物相应地分为方解石亚族和文石亚族。

（一）方解石亚族

本亚族矿物包括方解石Ca[CO3］、菱镁矿Mg[CO3］、菱铁矿Fe[CO3］、菱锰矿Mn[CO3］、菱锌矿Zn[CO3］等。各矿物组分之间的类质同像置换普遍。

方解石Calcite—Ca[CO3］

晶体参数 三方晶系；对称型3m。空间群R3Ca0=0.499nm,c0=1.706nmZ=6。

成分与结构　Ca O 56.0%,CO244.0%。Ca[CO3］与Mn[CO3］之间呈完全类质同像系列；Ca[CO3］与Zn[CO3］、Ca[CO3］与Fe[CO3］之间为不完全类质同像系列。由于Ca2＋、Mg2＋的半径相差过大，低温下的替代能力极小，当Ca和Mg同时存在时，则形成复盐白云石Ca Mg[CO3]2。方解石的结构见前描述。

形态　常以良好晶形出现（图11-4、11-6）。如 六方柱，{0001}底面， 和 等菱面体，以及 复三方偏三角面体等。若呈片状或薄板状者称为层解石。以 为双晶面的负菱面聚片双晶或接触双晶极为常见。前者多为滑移双晶（见白云石）以（0001）为双晶面的方解石律接触双晶也较普遍（图11-5A），以 为双晶面的接触双晶则少见（图11-5B）。集合体常呈晶簇状、片状、粒状、块状、钟乳状（称钟乳石stalactite）、结核状等。

图11-4 方解石的晶形

A—厚板状；B—复三方偏三角面体；C—柱状

c{0001},m{1010},e{0112},v{2131},r{1011}

（据Berry等，1983，修改）

图11-5 方解石的双晶

A一以（0001）为双晶面的方解石律双晶；B—以（2021）为双晶面的接触双晶v{2131}

（据Berry等，1983，修改）

图11-6 方解石晶体

A—菱面体的方解石和紫水晶；B—复三方偏三角面体的方解石和萤石

（据Klein等，2007）

物理性质　一般呈白色，含各种混入物呈不同的颜色，如灰、黄、浅红、绿、蓝等色；玻璃光泽。硬度3；解理平行 完全。密度2.715g/cm3。加冷稀HCl剧烈起泡。纯净、无色透明的方解石，称为冰洲石（iceland spar）。

鉴定特征　菱面体完全解理，硬度3，加冷稀HCl剧烈气泡。

成因与产状　方解石形成于多种地质作用。①沉积作用：海水中Ca[CO3］达到过饱和后，形成沉积的石灰岩。②风化作用：石灰岩被溶解后形成重碳酸钙溶液，当压力减小或蒸发时，释放出大量的CO2，使Ca[CO3］沉淀下来形成方解石。它们常分布在石灰岩的溶洞或裂隙中。我国石灰岩溶洞尤以桂林为佳，其中的石钟乳和石笋形成瑰丽壮观的景色，闻名世界。③生物作用：生物吸收Ca[CO3］后形成的介壳在海底堆积形成生物礁灰岩。④岩浆作用：来自上地幔或由碱性岩浆分异的碳酸盐岩浆，侵入地壳冷凝结晶而成。⑤热液作用：中低温热液矿脉中经常伴有方解石出现。⑥泉水中溶解的重碳酸钙，当到达地表后因压力降低释放出CO2，在泉水出口处沉淀出石灰华（travertine）。

主要用途　石灰岩和大理岩主要由方解石组成，它们是化工、水泥等工业的原料。在冶金工业上用做熔剂，在建筑工业方面用来生产水泥、石灰，大理岩还可作建筑装饰材料。方解石经机械加工（用雷蒙磨或其他高压磨直接粉碎天然的方解石）可以制得重质碳酸钙，它是优良的填充剂和性能改良剂，广泛用于塑料、橡胶、造纸、涂料、电缆、油漆、饲料、医药、玻璃、陶瓷等领域。例如，电缆皮中添加了重质碳酸钙可以提高电缆5～10倍的绝缘强度；如果用万目以上碳酸钙超细粉制成的轿车底盘涂料，可以使轿车底盘有比钢板还强的防冲刷能力。当前，重质碳酸钙成为大部分工业制造的原始材料，囊括了大部分轻重工业的生产和制造部门。

冰洲石因具有双折射，成为制造偏光棱镜的光学材料。

菱镁矿Magnesite—Mg[CO3］

晶体参数　三方晶系；对称型 。空间群 a。＝0.464nm,c0=1.502nmZ=6。

成分与结构　MgO 47.81%,CO252.19%。Mg[CO3］与Fe[CO3］之间为完全类质同像系列。常含少量的Ca和Mn。其晶体结构为方解石型。

形态　通常呈粒状集合体。在风化壳中呈瓷状块体。

物理性质　白色，含铁者呈黄或褐色；玻璃光泽。硬度3.5～4.5；解理平行 完全；瓷状块体具贝壳状断口，密度2.98～3.48g/cm3。随Fe2＋含量的增高而增大。

鉴定特征　以其白色、粒状集合体、菱面体解理为鉴定特征。与方解石的区别是硬度稍高于方解石；加冷稀HCl不起气泡，加热后才剧烈起泡。

成因与产状　热液成因的菱镁矿，系由碳酸盐沉积岩经含镁热液交代而成。富含镁的超基性岩受到含碳酸热液的作用，也可以形成菱镁矿。风化作用下，蛇纹岩受地表含碳酸水溶液的作用，常在风化壳底部形成菱镁矿的细脉，或呈脉状填充于裂缝之中。我国辽宁大石桥是世界最著名的菱镁矿产地之一。

主要用途　用于制造耐火材料和提炼金属镁。

菱铁矿Siderite—Fe[CO3］

晶体参数　三方晶系；对称型 。空间群 a0＝0.469nm,c0=1.537nmZ=6。

成分与结构　FeO 62.01%,CO237.99%。Mg[CO3］与Fe[CO3］之间为完全类质同像系列。Ca2＋与Fe2＋的半径存在较大差异，因此，替代有限。其结构为方解石型。

形态　呈菱面体形态，晶面常弯曲。集合体呈粗粒至细粒状，亦有呈结核状、葡萄状、土状。

物理性质　灰黄至浅褐色，部分因氧化而呈深褐色；玻璃光泽。硬度3.5～4.5。解理平行{1011}完全。密度3.96g/cm3。烧灼后的残渣具磁性。

鉴定特征　菱面体完全解理，遇冷稀HCl缓慢起泡。与本亚族其他矿物的区别在于燃灼后的残渣具磁性。

成因与产状　热液成因的菱铁矿见于金属矿脉中；外生成因的菱铁矿见于页岩、黏土或煤层中，规模大者，可作为铁矿开采。所谓泥铁矿便是这种成因的，系在缺氧的环境下，由生物作用或化学沉积作用形成，它的形态常呈致密块状或具放射状构造的结核状。在氧化条件下，易转变为针铁矿和纤铁矿。

主要用途　提炼铁的矿物原料。

菱锰矿Rhodochrosite—Mn[CO3］

晶体参数　三方晶系；对称型 。空间群 a0=0.478nm,c0=1.567nmZ=6。

成分与结构　MnO 61.71%,CO238.29%。与菱铁矿和方解石分别成完全类质同像系列。结构属方解石型。

形态　呈菱面体形态，但比较少见，通常呈粒状、肾状、块状或柱状集合体。

物理性质　玫瑰红色，随钙含量增加而变淡，氧化后呈褐黑色；玻璃光泽。硬度3.5～4.5。解理平行 完全。密度在3.70g/cm3左右，随铁和钙含量的变化而变化。

鉴定特征　菱面体完全解理、较低硬度、遇冷稀HCl起泡，以及其风化表面或裂缝中，常有变成黑色的氧化锰存在，从而与蔷薇辉石、蔷薇石英等呈玫瑰红色的矿物相区别。与其他类似的碳酸盐矿物的区别，以其颜色作为特征。

成因与产状　菱锰矿有热液成因和沉积成因。前者见于铜、铅、锌硫化物热液矿脉中，与方解石、菱铁矿、萤石和石英等共生；或见于交代成因的矿床中，与蔷薇辉石、锰铝榴石等伴生。沉积生成的菱锰矿大量分布于海相沉积锰矿床中。

主要用途　提炼锰的矿物原料。

菱锌矿Smithsonite—Zn[CO3］

晶体参数　三方晶系；对称型3m。空间群R3ca0=0.465nm,c0=1.503nmZ=6。

成分与结构　ZnO 64.90%,CO235.10%。常含Fe2＋。此外，尚含少量的Co、Mn2＋、Mg、Cu、Pb、Cd。结构属方解石型。

形态　通常呈钟乳状、土状、皮壳状集合体。

物理性质　灰白色微带浅绿或浅褐；玻璃光泽，解理面有时呈珍珠光泽。硬度4～4.5。解理平行 ，但不及前几种矿物完全。密度4.43g/cm3。

鉴定特征　以其形态、产状，以及其粉末加冷稀HCl起泡为特征。与本亚族其他矿物的区分在于密度较大，菱面体解理不完全。

成因与产状　主要见于原生铅锌矿氧化带中，系闪锌矿氧化分解所产生的硫酸锌，交代碳酸盐围岩或原生矿石中的方解石而成。

（二）文石亚族

本亚族包括的矿物为文石Ca[CO3］、碳酸锶矿Sr[CO3］、白铅矿Pb[CO3］和碳酸钡矿Ba[CO3］。各矿物组分之间的类质同像置换表现为有限或不完全替代。

文石Aragonite—Ca[CO3］

晶体参数　正交晶系；对称型mmm。空间群Pmcna0=0.495nm,b0=0.796nm,c0=0.573nmZ=4。

成分与结构　成分同方解石，少量的Sr、Pb替代Ca。结构见前描述。

形态　晶形呈柱状（图11-7A）或尖锥状；常见以（110）为双晶面的文石律接触双晶（图11-7B）和贯穿三连晶（图11-7C），三连晶常呈假六方柱（图11-7C、11-8）。集合体常呈柱状、针状、纤维状或晶簇，也有呈钟乳状、豆状、鲕状。

图11-7 文石的晶形和三连晶

A—柱状晶形；B—聚片三连晶；C—假六方柱状贯穿三连晶

c{001},b{010},m{110},k{011}，λ{091}，σ{991}

（A、B：据Berry等，1983，修改）

图11-8 文石三连晶

物理性质　无色或白色；玻璃光泽，断口油脂光泽。硬度3.5～4；解理平行{010}不完全；贝壳状断口。密度2.94g/cm3。遇冷稀HCl剧烈起泡。

鉴定特征　文石遇冷稀HCl剧烈起泡，与方解石相似。但以解理和密度不同而区别。

成因与产状　在自然界，文石远比方解石少。由图11-9显示，文石稳定于较高的压力条件下。它的密度大约要比方解石大8%。在蓝闪石片岩（为高压条件下形成）中常见文石与硬玉、硬柱石和石英共生。文石主要是由外生作用形成。常见于许多动物的贝壳或骨骸之中（如头足类和双壳类动物的外壳）。珍珠的主要构成物就是文石。文石在海水中可直接形成。在金属矿床的氧化带中也有出现。内生成因的文石是热液作用最后阶段的低温产物，见于玄武岩、安山岩的气孔中或裂隙中，温泉沉淀物中也有文石产出。

图11-9 方解石和文石的相图

（实验获得的大致稳定区间）

（据Cornelis Klein＆Barbara Dutrow,2007）

贝壳珍珠层中文石的择优取向生长

多晶体是许多单晶体的集合，即同种晶质矿物集合体。多晶体中的每个单晶为各向异性体，但如果组成多晶体的各单晶在空间上的排列是完全无规则的，仅为统计上的均匀分布，即在不同方向上取向几率相同，则这种多晶集合体在不同方向上，其力学、电学、光学、耐腐蚀、磁学甚至核物理等方面的性能在宏观上就会表现出相同的现象，具有各向同性的性质。但如果多晶体在其形成过程中，由于受到外界的力、热、电、磁，以及生物作用等各种不同条件的影响，或在形成后受到不同的加工工艺的影响，多晶集合体中的各晶粒不同程度地朝一个或几个特定方向排列和聚集，这种在某些方向上的取向几率增大的现象称为择优取向（preferential tropismpreferential growth）。其性能在宏观上则显示各向异性的性质。

贝壳珍珠层中的文石晶体的生长具有择优取向。通过扫描电子显微镜（SEM）观察，证实了珍珠层由文石晶体与有机基质交替排列而成，呈现出规整有序的“砖墙”式结构。表现为文石沿着珍珠层面定向分布，其结晶学C轴垂直珍珠层层面（相当于（001）面网平行珍珠层面）。它的形成机理一直受到人们的关注，其中的模板说认为珍珠层成分由文石和少量的有机质（总量只占1～5wB/%）构成，薄层有机质充填于文石矿物之间，正是这微量的有机质控制了珍珠层的形成。导致珍珠层中所有的文石小板片的C轴垂直于珍珠层面。

珍珠层是由文石和微量有机质经生物自组装形成的一种优异的天然纳米无机－有机复合材料。它的抗破裂能力比无机成因的文石要高出3000倍以上，如此优异的力学性能与珍珠层的有机质和文石的择优取向有关。珍珠层在形变和断裂过程中，有机基体与相邻的文石层彼此粘合，降低了裂纹尖端的应力场强度因子，增大了裂纹的扩展阻力，从而提高了材料的韧性。

白铅矿Cerussite—Pb[CO3］

晶体参数　正交晶系；对称型mmm。空间群Pmcna0=0.515nm,b0＝0.847nm,c0=0.611nmZ=4。

成分与结构　Pb O 83.53%,CO216.47%。有时含Ca、Sr、Zn。结构属于文石型。

形态　晶形常呈柱状、板柱状和假六方双锥状（图11-10A、B）。常以（110）为双晶面形成双晶或三连晶（图11-10C）。集合体常呈粒状、块状、钟乳状等。

物理性质　白色或灰白色；金刚光泽。硬度3～3.5；解理平行{110}和{021}不完全；贝壳状断口。密度6.55g/cm3。

鉴定特征　以其金刚光泽、密度大和产状为特征。

成因与产状　是铅锌硫化物矿床氧化带中的次生矿物。系由方铅矿氧化成铅矾Pb[SO4］，再受碳酸水溶液作用而形成。

图11-10 白铅矿的晶形和三连晶

A—假六方双锥状晶形；B—板柱状晶形；C—贯穿三连晶

c{001},b{010},m{110},i{021},p{111},r{130}

（据Berry等，1983，修改）

主要用途　为提炼铅的矿物原料。

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