风化作用驱动的矿物演化对磷块岩溶解行为的影响机制研究

本研究针对风化过程如何改变磷块岩矿物组成及溶解机制这一关键科学问题，通过采集不同风化程度的磷块岩样本（SAP/WAP/FAP），结合矿物学表征与溶解实验，揭示了风化导致碳酸盐矿物显著流失、次生矿物（如FePO4和CaF2）形成等演化规律，发现风化磷块岩的磷释放速率常数（0.7–1.52 mol g?1 s?1）显著高于原生磷块岩，为全球磷循环机制研究提供了新见解。

　　

磷作为生命必需元素，其全球循环过程深刻影响着生态系统生产力。磷块岩作为重要的外源磷库，其溶解行为直接控制着磷向陆地和水系的释放。然而，长期暴露地表的磷块岩经历复杂风化作用后，矿物组成和物理结构发生显著改变，这种演化如何影响其溶解机制尚不明确。针对这一科学空白，中国国家自然科学基金资助项目团队在《Applied Geochemistry》发表研究，系统揭示了风化驱动矿物演化对磷块岩溶解行为的调控机制。

研究团队从湖北宜昌典型亚热带季风气候区采集了高、中、低三种风化程度的磷块岩样本（SAP/WAP/FAP），通过X射线衍射（XRD）、X射线荧光（XRF）等矿物学表征手段，结合混合流反应器溶解实验和柱淋溶模拟，量化了不同风化程度样本的溶解动力学差异。

矿物组成演化特征
XRD定量分析显示，强风化磷块岩（SAP）中碳酸盐矿物含量仅1.7%，显著低于弱风化样本（WAP 7.5%，FAP 6.1%），而氟磷灰石（31.9%）和硅酸盐矿物（石英28.4%）相对富集。次生矿物如磷铁矿（FePO₄）和萤石（CaF₂）的生成证实了风化过程中的矿物相变。

溶解动力学差异
pH 3-7范围内，风化磷块岩的磷释放速率常数（0.7–1.52 mol g^?1 s^?1）和动力学反应级数（0.58–0.74）均高于原生磷块岩。过渡态理论模型揭示，方解石对氟磷灰石溶解的抑制效应最强，而其他矿物影响较弱。

元素迁移转化规律
柱淋溶实验表明，风化磷块岩释放的元素更多以离子态存在，迁移能力增强。磷酸盐矿物主要转化为可交换态磷（Ex-P）、铁结合态磷（Fe-P）和钙结合态磷（Ca-P），Ca²⁺和CO₃^2?趋向形成白云石，F^?则转化为萤石和氟磷灰石。

该研究首次建立了磷块岩风化程度-矿物组成-溶解行为的定量关系，阐明了碳酸盐矿物选择性溶解导致的"自加速效应"机制，为预测全球变化背景下磷循环通量变化提供了理论依据。成果对磷矿资源开发利用和生态环境磷负荷评估具有重要指导价值。