尽管纯矿物的反射光谱特征分析与数据库建设工作已经开展, 但土壤中各原生矿物、 粘土矿物的测试主要是定性的, 即能测定土壤中含有何种矿物, 但难以测定准确的矿物组分含量。 土壤矿物是土壤学与地质学的交叉点, 易被忽视, 特别是已有研究忽略了土壤矿物对土壤反射光谱曲线的影响。 探讨了土壤矿物在可见光-近红外光谱部分(400~2 500 nm)对土壤反射光谱特征的影响, 明确影响土壤反射光谱特征的主要机理。 土壤样本于2014年采集于松嫩平原黑龙江部分, 包括4个土类和7个土属, 共54个土壤样本。 土壤样本通过研磨、 过筛后, 在室内暗室中测得反射光谱数据, 土壤矿物的反射光谱数据在2017美国地质调查局(USGS)最新矿物光谱库Spectral Library Version 7中获得, 对反射光谱数据进行九点平滑、 10 nm重采样和去包络线处理。 土壤矿物含量测试采用荷兰Philip X’ Pert Pro 型X射线衍射仪分析样品的矿物组成, 测试了土壤中石英、 长石、 方解石和闪石等原生矿物和蒙脱石、 伊利石和高岭石等粘土矿物的含量。 首先分析7个土属的反射光谱特征, 明确每个土属反射光谱曲线的形状特征和吸收位置, 其次分析土属的矿物含量情况, 找出不同土属各矿物含量的共性和差异; 再次分析不同粘土矿物和原生矿物的反射光谱特征, 确定不同土壤矿物反射光谱曲线的形状特征和特征吸收的位置; 最后将不同土属的反射光谱特征、 不同土属的矿物含量情况和土壤矿物的反射光谱特征结合, 得到如下结论: (1)土壤矿物决定了土壤反射光谱的骨架特征, 土壤矿物对土属的反射光谱影响最明显, 由于土类存在多种反射光谱特征, 土壤矿物对土类的影响不明显。 (2)粘土矿物对土壤反射光谱特征的影响大于原生矿物, 主要受蒙脱石和伊利石等粘土矿物的影响, 但砂性土受部分原生矿物的影响, 主要是长石类矿物和高岭石的影响。 (3)蒙脱石和伊利石分别决定土壤反射光谱的第一个吸收谷和第二个吸收谷特征, 高岭石决定1 400和1 900 nm前的两个小吸收谷特征, 钾长石和钠长石决定了砂性土的前两个吸收谷特征。 (4)蒙脱石含量足够高时, 会完全掩盖高岭石和长石类的反射光谱特征, 部分掩盖伊利石的反射光谱特征; 随着蒙脱石含量降低, 伊利石的反射光谱特征逐渐体现; 蒙脱石和伊利石的含量降到很低时, 高岭石和长石类矿物的反射光谱特征逐渐体现出来。 研究结果揭示了不同土属反射光谱特征差异的原因, 可以为土壤反射光谱分类、 土壤精细制图和基于高光谱图像的矿物分布研究等提供理论依据。

粘土矿物在催化木质素形成腐殖质方面具有重要贡献。 为有效阐明微生物-木质素-粘土矿物三者间的关系, 探明矿物-菌体残留物的结构特征, 采用液体摇瓶培养法, 以木质素为碳源, 通过添加高岭石和蒙脱石, 在接种复合菌剂后启动110 d液体培养, 期间动态收集矿物-菌体残留物, 利用傅里叶红外光谱及扫描电子显微镜技术对其结构特性进行了研究。 结果表明: 高岭石颗粒边缘多由管状体卷曲而成, 在参与微生物利用木质素形成矿物-菌体残留物后, 连片状细小颗粒结构进一步团聚, 结合更加紧凑, 短管状结构增多, 但整体仍保持多水高岭石的结构特征; 在初始富营养条件下, 高岭石能够促进微生物繁衍, 使大量菌体聚集于高岭石表面, 掩蔽了Si—O和Si—O—Al键, 且矿物-菌体残留物中脂族碳结构比例增加; 菌体中多糖物质通过含氧官能团与高岭石表面的水化层在多个部位形成氢键, 氢键的形成对于高岭石稳定木质素及其降解产物具有重要作用, 芳香碳结构比例和多糖类物质含量随培养时间逐渐增加, 而后复合菌株对掩蔽在矿物表面的菌体进行二次利用, 使高岭石Si—O—Al键重现; 蒙脱石多由浑圆的颗粒结构组成, 接种微生物可使其表面产生溶蚀, 团粒结构遭到破碎; 与10 d相比, 历经30 d培养所得矿物-菌体残留物中的多糖类物质增多, 使原本归属蒙脱石Si—O—Si及Si—O结构的1 034~1 038 cm-1处吸收峰强度增加, 而后因多糖类物质与蒙脱石表面羟基发生缔合, 又使该处吸收峰强度减弱, 同时发生了氢键键合, 该作用是蒙脱石-微生物-木质素间相互作用、 形成矿物-菌体残留物的主要机制; 高岭石在稳定有机碳方面的能力要高于蒙脱石, 更易促进HS前体物质的形成。

利用X射线衍射、 X射线荧光光谱及红外吸收光谱对墨脱县北侧和格林村两处洪积扇滑坡面内采集的滑带土样品测试, 分析了的主要矿物、 黏土矿物的组成和含量及其化学成分。 结果表明, 滑带土中主要矿物组成受洪积扇组分控制, 其黏土矿物含量分别占9%和10%, 墨脱县附近滑动面中滑带土样品的黏土矿物含大量的伊利石, 反应出该滑坡事件在很短的时间内完成, 滑坡体滑动速率非常高; 两处滑带土样品的红外吸收光试均未发现CO2-3, HCO1-3或C—H等振动相应产生的吸收峰, 表明洪积扇滑动之后, 滑坡面处于封闭系统, 没有力学性质较差的碳酸盐等外来矿物或含腐蚀质的次生黏土沿滑动面充填进去, 其结果增加了滑坡体的稳定性; 样品中含有一定量的埃洛石, 反应了区域洪积扇发育在非常潮湿温暖的环境中, 同时封闭体系内滑带土所含的Na2O和CaO等化学组分不能通过淋滤作用排出, 滑坡面内发生强烈的水-岩相互作用, 促使其内部的黏土矿物发生伊利石-伊利石/蒙脱石混层-蒙脱石趋势的转化, 导致格林村附近滑坡面内的滑带土中含大量后期分解形成的伊利石/蒙脱石混层。 该类黏土矿物组合很大程度上降低了滑带的摩擦强度值, 从而提高了再次发生滑坡的危险性。

利用1991年—2013年国家紫色土肥力与肥料效益监测站长期定位试验的土壤样品, 采用X射线衍射(XRD)光谱分析技术, 研究了22年长期钾素投入亏缺和盈余处理中性紫色土壤钾素含量及含钾类矿物的演变特征。 XRD图谱分析发现, 长期钾素亏缺处理导致土壤云母、 钾长石等含钾类原生矿物加速风化, 表现为连续施肥22年<连续施肥12年<原始土壤, 同时促进了蒙脱石的形成; 长期钾素盈余处理土壤云母、 钾长石等原生矿物风化程度虽得到有效缓解, 但较原始土壤相比仍有明显风化。 土壤含钾类粘土矿物的演变与原生矿物变化相似, 长期钾素亏缺导致土壤粘粒中伊利石发生了明显崩解, 且随着施肥年限的增加, 粘粒中伊利石的含量随之减少, 长期钾素盈余处理明显缓解了伊利石的风化进程; 但是无论是钾素亏缺或盈余处理都出现土壤中伊利石的风化崩解, 同时伴随蒙脱石等膨胀型矿物的形成, 现有的钾素盈余水平也不能阻止土壤含钾类矿物的风化崩解。 另外, 长期钾素亏缺导致土壤中速效钾和缓效钾含量逐年降低, 22年分别降低62.0%和37.4%; 而钾素盈余处理提高了土壤速效钾含量, 但缓效钾呈现下降趋势; 土壤伊利石的风化程度和土壤缓效钾的演变趋势相吻合。 表明中性紫色土壤中伊利石是土壤缓效钾的主要来源, 长期钾素亏缺会造成土壤钾素枯竭和含钾类矿物的加速风化崩解, 降低土壤供钾能力。

利用X射线衍射(XRD)和傅里叶红外吸收光谱(FTIR)深入研究了青海羊曲剖面砂岩中膨胀性粘土矿物的具体种属和光谱学特征。 XRD结果表明, 砂岩中粘土矿物以膨胀性粘土矿物为主, 含量在97 %以上。 样品006面网在1.534  和1.498 均存在明显的衍射峰, 表明可能同时含有二八面体和三八面体结构膨胀性粘土矿物。 进一步的Li+-300 ℃加热后甘油饱和实验结果显示, 大部分样品膨胀性粘土矿物001衍射峰塌陷至9.3～9.9, 少数样品膨胀至 ～18 , 表明膨胀性粘土矿物以蒙皂石为主, 部分样品含少量皂石。 蒙皂石由于部分Li+进入八面体层间, 平衡了由于Mg替代Al造成的电价不平衡, 从而使得蒙皂石不膨胀。 FTIR结果表明, 膨胀性粘土矿物同时含有吸附水和结构水, 与X射线衍射结果一致。 样品在913和842 cm-1出现吸收峰, 表明膨胀性粘土矿物八面体层间以Al—Al和Al—Mg为主; 部分样品含有Al—Fe(吸收谱峰880 cm-1), 指示其为二八面体结构。 膨胀性粘土矿物中同时含有Si—O以及Al—O—Si振动峰, 表明四面体只有部分Al取代Si。 XRD和FTIR均指示研究样品与贝得石和绿脱石有不一样的光谱学特征, 而与蒙皂石极为吻合。 本研究能有效对膨胀性粘土矿物具体种属进行厘定, 对粘土矿物学揭示沉积物物源和气候环境信息具有重要的作用。

在内蒙古东升庙矿区西部采取白垩系红层岩心及地表风化土壤样, 用近红外光谱分析技术对各个样品进行测试分析。 结果表明, 近红外光谱技术能通过矿物中各基团的特征吸收峰快速鉴别出矿物, 东升庙矿区西部白垩系红层为泥质胶结主要由石英、 长石、 蒙脱石、 伊利石、 绿泥石、 白云母等组成, 其矿物组成主要受到上游物源区影响; 其崩解主要为蒙脱石等粘土矿物吸水膨胀, 失水收缩不均匀, 使原有裂隙扩大并产生新的裂隙, 导致强度降低, 发生崩解; 根据其粘土矿物的组合推测其风化过程中气候以寒冷干燥为主, 风化过程主要为物理风化。 研究结果一方面可以完善该矿区地质特征, 另一方面表明在矿物光谱学的基础上, 近红外光谱分析技术可以有效地分析土壤和岩石的矿物成分, 从而论证了近红外光谱分析技术应用于土壤、 岩石矿物的的快速分析可行性, 表明了其在地质研究中的可行性, 为以后的土壤、 岩石研究提供新思路。

青藏高原具有独特的地质地理区位优势, 并且是我国最大的盐湖分布区, 在其晚第四纪湖相沉积中保存着丰富多彩的古环境信息, 可为研究青藏高原对全球变化的响应提供崭新而翔实的科学依据。 扎布耶盐湖位于青藏高原腹地北部, 对于高精度研究青藏高原更新世晚期以来古气候、 古环境变化具有重要意义。 选择扎布耶盐湖SZK01孔岩芯粘土矿物为主要研究对象, 通过X射线粉晶衍射对其进行定性、 定量分析。 结果显示粘土矿物种类主要是伊利石(I)、 伊利石/蒙皂石混层矿物(I/S)以及少量高岭石(K)和绿泥石(C)。 按照粘土矿物种类和含量变化, 并综合沉积物矿物组合特征以及δ18O同位素结果, 重建扎布耶盐湖115 ka(千年)以来的古气候演化。 将结果与扎布耶SZK02孔、 格陵兰冰芯、 古里雅冰芯δ18O同位素结果对比, 将扎布耶盐湖115 ka以来划分为5个阶段: 末次间冰期(115～75.5 ka)、 末次冰期早阶(75.5～60 ka)、 末次冰期间冰阶(60～30.1 ka)、 末次盛冰期(30.1～16.7 ka)、 冰消期和全新世(16.7 ka以来), 识别出H6-H16个Heinrich事件和71 ka左右的暖事件, 说明青藏高原在该时期气候变化具有全球性。 特别的是在52～53 ka左右, 高岭石含量较低, δ18O值急剧偏负, SZK02孔δ18O也相应偏负, 古里雅冰芯δ18O也偏负, 说明青藏高原该时段存在冷事件, 命名为H5-1。 通过该研究综合说明青藏高原在末次冰期早冰阶以来气候变化具有全球性, 但也有一定的地域性。

在四川省平武县平通镇的512地震地表破裂带中采集黄色土壤样品, 采用现代近红外光谱分析技术进行分析测试。通过对土壤中的矿物微粒特征吸收峰的快速鉴别, 表明土壤样品主要由方解石、 白云石、 白云母、 绢云母、 伊利石、 蒙脱石、 滑石、 透闪石、 阳起石、 绿泥石等矿物组成, 其矿物成分与四川地区分布的黄壤成分基本一致。分析对比发现, 土壤中的部分矿物与破裂带下部岩体的矿物组成特征相符合, 说明该破裂带中的部分土壤矿物的演化与该地区岩石的矿物组成密切相关; 地表破裂带土壤中的粘土矿物组成与北方的马兰黄土相似, 推测这两种土壤中的粘土矿物可能具有相似的成因。研究结果说明近红外土壤矿物的分析技术可以有效分析土壤中的矿物微粒、 指示成土环境, 从而论证了将近红外光谱分析技术应用于土壤矿物的快速分析、 地质研究的可行性。同时研究结果可以成为该地区土壤矿物分析的基础, 为以后的土壤矿物以及地震破裂带的研究提供新的思路和方法。

汶川地震在北川县擂鼓镇和赵家沟村一带产生了一系列的同震地表破裂带, 采集破裂带内的同震断层泥, 同时采集了平武县南坝镇断裂带中的老断层泥。 采用X射线衍射和红外吸收光谱对新老断层泥样品进行测试, 综合分析其矿物成分、 粘土矿物含量及组合等特征。 分析结果显示新老断层泥的矿物成分存在较为明显的差异, 老断层泥主要由围岩的碎屑或碎粉组成, 而新鲜断层泥的主要成分则为粘土矿物。 其中新鲜断层泥中的粘土矿物成分主要为伊利石、 蒙脱石和伊蒙混层, 这一粘土矿物组合表明断层活动的演化环境主要为温暖湿润的环境, 粘土矿物所受构造应力变质作用主要表现为低温低压的浅变质作用, 这也一定程度上指示了该区域断层最新的活动方式可能是蠕移。 前人对汶川地震带断层泥的研究主要集中在其力学性质和结构以及构造方面, 而本文的研究则主要通过断层泥中矿物成分和粘土矿物含量的特征来判定断层活动的物理化学环境, 这对于断层环境演化和地震的活动机制研究具有重要的科学意义。

高纯度的粘土矿物样品是粘土矿物学重建古气候的关键, 然而, 土壤中的铁矿物(如针铁矿和赤铁矿等)和有机质的存在导致粘土矿物与非粘土矿物相互包裹, 使富集的粘土矿物样品常含有其他矿物杂质。 土壤沉积物中有机质去除的研究已较为充分, 但铁矿物在土壤沉积物中的赋存状态倍受争议, 制约了高纯度粘土矿物样品的制备。 该研究将以长江中下游九江网纹红土作为研究对象, 通过逐级分离试验对网纹红土中铁矿物与粘土矿物的赋存关系进行研究, 为土壤沉积物中铁矿物的去除提供一定的启示。 试验结果表明, 针铁矿和赤铁矿等铁矿物可能主要呈现被膜状吸附在羟基间层蒙脱石和伊利石的表面, 也有部分被高岭石吸附。