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有机粘土复合体指的是有机质与粘土矿物通过化学键键合或相互吸附而形成的复合体。国内外学者对土壤中的有机粘土复合体进行了大量研究,而对沉积物中的有机粘土复合体研究较少。本文借鉴土壤学中有机粘土复合体的研究方法,对不同沉积环境中的有机粘土复合体进行比较研究,探讨了有机质与粘土矿物的结合机制和保存机理。
选取长江三角洲地区潮滩和太湖沉积物以及埋藏的浅海沉积环境的泥质沉积物样品,设计运用0.1 mol/l的Na4P2O7溶液、0.1mol/l NaOH溶液和0.5N HF+0.1N HCl—0.1mol/l NaOH溶液与物理超声分散结合的方法提取有机粘土复合体。运用粒度、X衍射、红外光谱、核磁共振波谱、有机元素分析等多种测试方法来研究有机粘土复合体的特征。
复合度计算结果表明三种不同沉积环境中浅海沉积环境有机粘土复合度最高,湖泊沉积环境有机粘土复合度最低,造成这现象可能与沉积环境和成岩作用有关;但三种不同沉积环境沉积物中有机粘土复合度均在30—60%之间,表明沉积物中有相当一部分有机质是以有机粘土复合体的形式存在,同时也说明有机粘土复合体是颗粒态有机质存在的一种很重要方式。比较不同提取液提取出的有机质组成特征,可知HF+HCl混合溶液处理后用NaOH溶液提出的有机粘土复合体稳定性最高,提取效率最低;Na4P2O7溶液提出的有机粘土复合体稳定性次之,而提取效率却最高;NaOH溶液提出的有机粘土复合体稳定性最低,提取效率介于两者之间。不同沉积环境中提取出来的有机粘土复合体中的有机质组成也不同,AUS在三者中的差异要小于AS,有机质在同一样品中的变化程度要小于不同样品之间的变化。FTIR和NMR分析可知有机粘土复合体中的有机质主要以脂肪态为主,含有羟基、羰基等基团,通过多价无机阳离子和解离的羟基与粘土矿物外表面结合;而且潮滩样品AUS和AS的FTIR的谱图较为相似,而湖泊样品中则在AUS和AS之间存在较大差异,湖泊和潮滩样品AUS及AS中的相应基团变化具有不同的规律性,说明潮滩和湖泊沉积环境形成的有机粘土复合体中有机质组成不同。
XRD分析可知三种不同环境下的沉积物中粘土矿物均以伊利石为主(>60%),而绿泥石和高岭石含量接近,蒙皂石矿物相对很少(<10%)设计XRD系列实验研究提取后残渣相对原样的粘土矿物晶间距的变化,结果显示经Na4P2O7提取后残渣中伊利石与高岭石的晶间距基本不变,绿泥石晶间距变大,但变大的幅度很小,说明了Na4P2O7溶液对层间有机质提取作用甚微,原因可能是大量的有机质通过阳离子与有机质结合成聚合物直接与粘土矿物外表面结合,或有机质通过水桥与粘土矿物表面形成氢键联结;经NaOH液提取后残渣中各粘土矿物的D001值变小,其中高岭石变化的幅度最小,基本上没有变化,结合晶间距变化说明NaOH溶液对高岭石晶间有机质的提取作用很小,对伊利石与绿泥石而言,提取出的有机质一部分是层间有机质;经HCl+HF破坏后再经NaOH液提取后残渣中各粘土矿物的D001值是变大的,原因可能同较强的HF+HCl溶液破坏了粘土矿物的晶格结构有关。XRD实验结果很好地反映了不同提取剂提取的不同粘土矿物与有机质结合方式的差异。本文研究设计了一系列的沉积物中有机质粘土复合体的分离、测试研究方法,为今后开展更深入的工作提供了坚实的基础。