塔吉克斯坦Fan-Yagnob煤矿天然地下煤火区发现新型铝硫酸盐矿物sarvodaite（Al2(SO4)3·5H2O）的矿物学特征与成因机制研究

《Mineralogical Magazine》：Sarvodaite Al2 (SO4 )3 ?5H2 O, a new mineral from the Fan-Yagnob coal deposit, Tajikistan

本刊推荐一项针对塔吉克斯坦Fan-Yagnob煤矿地下煤火喷气孔升华物的矿物学研究。研究人员通过野外采样、电子探针（EDS）、单晶X射线衍射、红外光谱（IR）和拉曼光谱等技术，发现并确认了一种新型含水铝硫酸盐矿物sarvodaite（Al2(SO4)3·5H2O）。该矿物形成于100-220℃高温气体环境，其晶体结构呈单斜晶系（空间群P21/n），由AlO6八面体与SO4四面体构成波纹状层状结构。本研究为极端环境矿物成因及铝硫酸盐体系相变行为提供了关键实证。

　　

在塔吉克斯坦北部著名的Fan-Yagnob煤矿区，一场已经持续燃烧了2000多年的地下煤火，不仅塑造了独特的地质景观，更成为矿物学家探索极端环境下矿物形成机制的天然实验室。这里分布着200多个活跃的气体喷口，不断释放着高温气体和燃烧产物，形成了丰富多彩的升华矿物组合。长期以来，该地区以产出硫、氨、明矾等传统矿物而闻名，但最近的一项发现让这个古老矿区再次引起矿物学界的关注。

2023年，一支由塔吉克斯坦和俄罗斯科学家组成的联合研究团队在Kukhi-Malik地区的"大洞穴"气体喷口开展野外工作时，在烧砂岩裂缝中发现了一种前所未见的白色矿物。这些矿物以精美的球粒状集合体形式出现，由细小的无色柱状晶体组成，最大尺寸可达500微米。经过系统的矿物学表征，研究人员确认这是一种全新的含水铝硫酸盐矿物，并将其命名为sarvodaite（萨沃达石），以纪念附近古老的Sarvoda堡垒遗址。

这项重要发现发表在矿物学权威期刊《Mineralogical Magazine》上，不仅丰富了铝硫酸盐矿物家族，更为理解高温气成矿物形成机制提供了新的视角。sarvodaite是迄今为止发现的第三种不含额外阳离子和阴离子的天然含水铝硫酸盐矿物，前两种分别是铝明矾（alunogen，Al₂(SO₄)₃·17H₂O）和偏铝明矾（metaalunogen，Al₂(SO₄)₃·12H₂O）。

研究人员采用多种技术手段对sarvodaite进行了系统表征。野外样品采集后立即密封保存以防止环境变化。化学组成通过能量色散光谱（EDS）分析，晶体结构通过单晶X射线衍射确定，振动光谱特征通过红外光谱和拉曼光谱表征。样品来源于Fan-Yagnob煤矿Kukhi-Malik地区的气体喷口升华物。

化学组成与物理性质

sarvodaite的化学组成经EDS分析，其经验分子式为(Al_1.88Fe_0.06Ti_0.04)_Σ1.98S_3.01O₁₂·5H₂O，简化分子式为(Al,Fe)₂(SO₄)₃·5H₂O。该矿物不溶于水和乙醇，在室温下缓慢溶于盐酸。实测密度为2.33(2) g/cm3，计算密度为2.349 g/cm3。

sarvodaite通常形成白色球粒，由细小的无色柱状晶体组成。矿物具玻璃光泽，白色条痕，性能，硬度为1-1.5，具有{100}完全解理。光学性质显示为二轴晶，α=1.529(2)，β=1.537(2)，γ=1.545(3)（590 nm），实测2V为90(3)°。

振动光谱特征

红外光谱显示四个特征区域：2900-3500 cm^-1处宽吸收带对应水分子伸缩振动；1600-1700 cm^-1处强吸收带对应水分子变形振动；900-1300 cm^-1区间多个吸收带对应硫酸根伸缩振动；400-700 cm^-1区间吸收带对应硫酸根变形振动。758和852 cm^-1处的吸收带可能归因于Al-O振动。

拉曼光谱在3200-3450 cm^-1区间显示O-H伸缩振动带，1200-1000 cm^-1区间窄带对应硫酸根的ν₁和ν₃振动模式，646 cm^-1处为ν₄硫酸根振动模式，400-500 cm^-1区间弱带对应ν₂振动模式，低于400 cm^-1的弱带归因于晶格振动。

晶体结构解析

单晶X射线衍射分析表明，sarvodaite为单斜晶系，空间群P2₁/n，晶胞参数a=5.4862(4) ?，b=10.8029(8) ?，c=20.8413(15) ?，β=96.416(7)°，V=1227.46(16) ?3，Z=4。其晶体结构与Fischer等人1996年报道的合成Al₂(SO₄)₃·5H₂O几乎一致。

sarvodaite结构中含有三个对称独立的Al位点和三个S位点。S⁶⁺阳离子呈四面体配位，每个硫原子与四个氧原子键合。铝原子呈八面体配位环境：Al1原子与三个水分子和三个硫酸根基团中的氧原子配位；Al2和Al3原子具有相似的配位环境，形成规则的AlO₄(H₂O)₂八面体。

铝中心八面体和硫酸根基团形成强烈波纹状的层状结构，沿[001]方向堆叠，层与层之间通过氢键相互连接。这种结构特征解释了矿物具有{100}完全解理的特性。

成因意义与地质启示

sarvodaite的发现具有重要的成因矿物学意义。与德国Annal煤矿废石堆中发现的Al₂(SO₄)₃·5H₂O相不同（后者是godovikovite的假象产物），sarvodaite以自形晶形式直接结晶形成，表明其是热气体与围岩相互作用的直接产物。矿物形成的温度范围（100-220℃）与合成Al₂(SO₄)₃·5H₂O的条件（180℃）高度一致，支持了其气成成因的解释。

研究表明，sarvodaite的形成需要特定的物理化学条件：高温（100-220℃）、含铝和硫的气态组分、以及合适的结晶空间。这些条件在Fan-Yagnob煤矿的地下煤火环境中得到满足，热气体中的硫酸蒸气与含铝围岩相互作用，直接结晶形成sarvodaite。

该研究不仅报道了一种新矿物，更重要的是揭示了极端环境（如地下煤火）中矿物形成的独特机制。sarvodaite作为连接天然矿物体系与合成体系的桥梁，为理解铝硫酸盐体系在高温条件下的相行为提供了关键证据。同时，这一发现也展示了多学科交叉方法（野外地质、矿物学、晶体学、光谱学）在解决复杂地质问题中的强大能力，为类似环境下的矿物成因研究提供了范例。