生物硅快速变成天然黏土：背后的原理和自然条件

反向风化是海洋沉积物早期成岩过程中自生黏土形成的过程，被认为是调节地质时间尺度上海洋pH、海水化学组成和大气CO₂的关键机制。尽管其重要性日益受到认可，但该过程的速率、机制及产物仍不明确。本研究以硅藻生物硅为对象，通过实验室控制实验，探究了其转化为自生黏土的机制、动力学及矿物产物。

研究在缺氧条件下进行，采用特制的双室反应器，将硅藻生物硅与含铁（Fe）、铝（Al）氢氧化物通过透析膜分离，仅允许溶解态物质（如硅、铁、铝）混合。实验设置了不同浓度的溶解态Fe(II)（0、100、1000μM）及有无Fe/Al氢氧化物的组合，同时设置有/无生物硅的对照组，以揭示反应机制、Fe和Al的作用、反应速率及生成的具体矿物。

结果显示，在1000μM Fe(II)及Al氢氧化物存在的条件下，仅40天就观察到硅藻生物硅发生显著转化：通过扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）观察到富Fe、Si、Al、Mg的卷曲片状聚集沉淀物，呈玫瑰花结形态；同步辐射X射线衍射（XRD）和选区电子衍射（SAED）证实这些自生矿物主要为含Fe(II)的蒙脱石（ bulk major phase），并伴有少量含Fe(II)的云母。这是目前报道的反向风化生成自生黏土的最快速率，且首次明确鉴定出具体矿物相。

机制分析表明，该过程涉及生物硅的溶解以及Fe(II)、Al的溶解，释放的溶解态硅、铁、铝随后在生物硅表面重新沉淀形成自生黏土。溶解态Fe(II)和Al的存在显著降低了溶解硅的平衡浓度，促进了硅的快速固定。与以往10-36个月的实验室转化时间相比，本研究的40天尺度更接近海洋沉积物孔隙水化学和同位素模型推断的快速反应特征。

该发现表明反向风化比以往认知更具动态性，可能在人类时间尺度上影响海洋阳离子和碱度循环。其快速反应速率对全球碳-硅循环耦合具有重要意义：自生黏土形成消耗碱度并释放CO₂，可能影响气候调节；同时，对评估人工岩石风化等气候工程的碳移除效率也有参考价值，需重新考虑反向风化对硅和碱度汇的贡献。