探秘海底热液环境：2:1 黏土矿物中氮分布与同位素分馏的关键发现

为探究海底热液环境中氮循环，研究人员模拟 200°C、饱和蒸气压条件，研究合成 2:1 黏土矿物中氮分布和同位素分馏。结果表明 pH 和铁影响氮分布，固相更偏好重氮同位素。该研究推进了对海底热液系统氮循环的理解。

　　在神秘的海底世界，存在着独特的热液环境，这里的黏土矿物形成过程对氮循环有着重要影响。然而，以往研究中，自然海底热液环境里氮源复杂，物理化学因素多变，导致在研究矿物、流体和气相之间的氮同位素分馏时，测量结果差异大，难以全面评估。为了深入了解这一复杂过程，来自国外的研究人员开展了模拟海底热液环境的研究，论文发表在《Applied Geochemistry》。

研究人员模拟 200°C 和饱和蒸气压的海底热液环境，探究合成的 2:1 黏土矿物中氮在固相（合成的 2:1 黏土矿物）、液相（残余溶解氮）和气相（释放的氮）中的分布情况，以及氮同位素分馏规律。这一研究对于揭示海底热液系统中的氮循环机制意义重大，能帮助人们更好地理解地球化学过程，甚至对研究火星水文地质等领域也有潜在价值。

研究人员采用了多种关键技术方法。通过 XRD（X 射线衍射）分析确定矿物的结构和晶相；利用 FT-IR（傅里叶变换红外光谱）分析检测铵离子的吸收特征；借助 EA/irMS（元素分析仪 / 同位素比率质谱）测定总氮含量和同位素比率。这些技术为研究提供了有力的数据支持。

研究结果如下：

• 矿物鉴定：合成产物的 001 反射和 060 反射特征表明其为 2:1 黏土矿物，部分样品还含有非晶质材料和铁氧化物等。经乙二醇溶剂化和阳离子交换处理后，不同样品的 001 反射呈现出不同的变化，反映出阳离子在层间的存在和交换情况。
• 矿物结构和铵吸收特征：FT-IR 光谱显示合成产物具有 2:1 黏土矿物的典型特征。不同样品在 NH₄⁺的吸收峰上存在差异，且波数移动表明层间水的去除对铵离子状态有影响。
• 合成黏土矿物的化学成分：HR FE-SEM/EDX（高分辨率场发射扫描电子显微镜 / 能量色散 X 射线光谱）分析表明，合成产物的形态和化学成分与起始材料相关，阳离子交换处理会改变元素含量。
• 氮含量和同位素比率：不同样品组在不同 pH 条件下，氮在固、液、气三相中的分布不同。碱性条件下，氮更倾向于以气态形式存在；在 pH 约为 8.88 时，液相和气相中的氮比例相近；含铁样品中，液相氮比例远高于气相。同时，固相的 δ¹⁵N 比率大于液相和气相，不同相之间的氮同位素分馏因子也有所不同。

在讨论部分，研究人员指出，合成 2:1 黏土矿物的层间距变化受阳离子种类和含量影响，铁的存在会限制层间膨胀。铵离子在层间的吸附和存在形式与水压力等因素有关。此外，氮分布和同位素特征受 pH、铁等因素影响，金属 - 胺配合物在调节氨气释放和氮同位素分馏中起重要作用。

总的来说，该研究揭示了 pH 对氮释放到气相的显著影响，以及起始材料中铁对氮分配的强烈作用。平衡同位素分馏因子表明固相更偏好重氮同位素。这些发现极大地提升了人们对海底热液环境中氮动态的理解，为相关领域的研究提供了重要参考，在研究地球地壳氮循环、碱性土壤生态以及火星水文地质等方面都具有重要意义。