それは、雨が地面に到達して土壌に浸透し、地下水が循環する地殻の最初の層に浸透するときに始まります。この水は岩石と反応し、一部のミネラルを溶解し、他のミネラルを成長させます。
溶存二酸化炭素の存在下で、新たに形成される鉱物には、溶存炭酸基 CO3 が結合して生成する、方解石、マグネサイト、シデライトなどのさまざまな炭酸塩鉱物が含まれます。 それぞれカルシウム、マグネシウム、または鉄と。これらの鉱物は、地球の地殻の最初の数キロメートルに広く分布しており、ヒ素、リン酸塩、セレン、アンチモンなどの有害種を含むさまざまな他の元素と反応する可能性があります。これらの元素は、炭酸塩の表面に付着するか、結晶構造に直接組み込まれて保存できます。
鉱物流体反応は、通常、バルク流体で発生し、平衡地球化学理論に従ってモデル化されます。このような理論により、さまざまな鉱物、溶解種、および水を含む複雑な流体岩系の長期的な進化を近似することができます。しかし、原子スケールでは、状況はより複雑です。なぜなら、いくつかの局所的な非平衡プロセスが新しい鉱物の形成を制御している可能性があるからです.
さまざまな炭酸塩鉱物と、純粋な水、またはヒ素、リン酸塩、セレン、アンチモンなどの溶解した負に帯電した種 (陰イオン) を含む水との相互作用を画像化しました。原子間力顕微鏡の技術が採用されたのは、時間の関数として、ナノメートルの高さ分解能とサブマイクロメートルの空間分解能で、鉱物表面の溶解と沈殿プロセスを画像化できるためです。
私たちの実験では、特定の炭酸塩鉱物から始めて、その表面に純水を流して溶解させました。溶解は、炭酸塩から原子層を連続的に除去することによって発生します。溶解した種は、マイクロメートルからミリメートルの厚さの境界層を構築します。ここで、流体は、バルクの水よりも、炭酸塩の溶解から生じる種に局所的に濃縮されます。このような境界層は、新しい固相が形成されるマイクロ化学リアクターとして機能します。全体のプロセスは、界面結合溶解沈殿メカニズムと呼ばれます (図 1)。有毒な種が流体に存在する場合、それらはこれらの新しい固相に組み込まれ、流体に溶解したまま輸送される場合よりも永久に閉じ込められます。
いくつかの炭酸塩系を研究しました。マグネシウムを含む鉱物であるマグネサイトまたはドロマイトが溶解相である場合、水和したマグネシウムに富む鉱物のナノ粒子が表面に形成されます。カルシウム含有炭酸塩である方解石が溶解鉱物である場合、流体に溶解したヒ素、リン酸塩、セレン、またはアンチモンの存在下で、新しい鉱物がナノ粒子の形で方解石表面に成長します (図 2、3)。 .鉄含有炭酸塩であるシデライトが溶解鉱物である場合、新しい沈殿物は酸化鉄鉱物であり、流体中に存在するいくつかの有毒種を捕捉することもできます.したがって、この溶解-沈殿の結合プロセスは広く普及しており、地表環境に存在するほとんどの主要な炭酸塩鉱物に関係しており、汚染物質を固相に固定することができます。
ナノ粒子の形成を制御するパラメーターを特定しました。特定の酸性度 (pH) の流体では、炭酸塩鉱物の溶解度とその溶解速度によって、境界層の厚さとナノ粒子形成の時間スケールが制御されます。炭酸塩の溶解。境界層の厚さは、数マイクロメートルから数ミリメートルまでさまざまです。最初のナノ粒子の形成に必要な時間スケールは、数秒から数時間の範囲です。したがって、私たちの理論的発展は、境界層の厚さと、他の流体鉱物系でテストできるナノ粒子形成の時間スケールの予測を提供します.
鉱物と流体の境界層の進化は、溶存種の濃度が溶解速度と沈殿速度に応じて変化する動的なプロセスです。マイクロリアクター、境界層で発生する界面結合プロセスは、浅い地球環境での炭酸塩鉱物の多くの変換を制御します。このプロセスの重要な特性は、流体が巨視的スケールでの新しい沈殿物に対して不飽和であっても、局所的に起こることです。この現象は、循環地下水におけるこれらの汚染物質の移動性が低下するため、方解石表面への汚染物質の捕捉に重要な環境的影響を及ぼします。このような影響は、これらの元素の地球規模の地球化学的循環だけでなく、酸性鉱山の排水や都市廃棄物埋め立て地の排水などの汚染された地球化学システムの修復にも影響を及ぼします。
参照:
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