多型，指的是具有相同或相似片層組成的礦物在一維方向上堆垛差異而形成的同質多像現象。

水滑石超族礦物（Hydrotalcite Supergroup），是一類具有與水鎂石相似片層結構的礦物（圖1）。

△圖1 水滑石超族礦物的層結構與多型影響因素圖解

片層與水鎂石的差異是其存在陽離子替代，常見為Al3+離子對Mg2+離子的替代，因而片層帶正電荷。片層與片層之間由陰離子和水分子柱撐，使體系保持電中性和維持結構的穩定性。

片層的堆垛方式差異形成了一系列多型（圖2），如3R1（原胞由3個片層組成，三方晶系，菱面體格子）和1T（原胞為單個片層，三方晶系，六方格子）。

△圖2 3R1（a：側視圖；b：頂視圖）和1T（c：側視圖；d：頂視圖）多型圖解

已有研究表明，一定條件下土壤中的黏土礦物和氧化物礦物會轉化為水滑石超族礦物。該族礦物在土壤中的穩定存在，對陰離子（CO₃^2-, SO₄^2-, NO₃^-, Cl-等）和二價過渡金屬離子的封存起到重要作用。其穩定性主要由其結構決定，尤其是反映層堆垛差異的多型結構，因為其決定了片層間長程靜電作用的差異。而影響多型結構有很多因素，如片層的金屬陽離子組成、層間陰離子類型和水含量等因素。

前人使用了X射線衍射方法研究了不同天然或合成水滑石超族礦物的多型，但仍缺乏系統性的認識。另一方面，對于結晶度較低的礦物，X射線衍射的結果具有多解性。

關于水滑石超族礦物多型結構的基礎問題是：多型是如何由陽離子、陰離子和水分子的組成所決定？層堆垛如何與層間離子、水分子的絡合結構相關聯？

中國科學院廣州地球化學研究所礦物學與成礦學重點實驗室副研究員陳錳通過使用計算機模擬方法，系統分析了金屬陽離子組成、層間陰離子類型和水含量等因素對水滑石超族礦物多型的影響。計算機模擬研究，一方面可以為實驗分析的結果提供佐證，另一方面可以獲取較之實驗分析更為精細的結構認識。

模擬研究揭示：層間離子為NO₃^-離子時，水含量的上升會使層堆垛多型由3R1向1T轉變（圖3）。多型轉變與NO₃^-離子的構型轉變耦合，NO₃^-離子由D3h向C2v對稱性轉變。

△圖3 層間離子為NO₃^-、SO₄^2-離子時的多型轉變

當三價金屬離子替代量更高時，多型轉變出現于更低的水含量。而當層間離子為SO₄^2-離子時（圖3），水含量的上升造成三階段的多型轉變。

第一和第三階段的多型均為3R1多型，而中間階段的多型與陽離子比例相關，為1T多型或出現隨機混層現象。多型結構與SO₄^2-離子結構耦合，中間階段以出現較高比例的Cs構型SO₄^2-離子為標志，而在其余情況，SO₄^2-離子大多為C3v構型。

使多型發生轉變的水含量幾乎與陽離子比例無關，這與層間為NO₃^-離子的情況不同。層間為CO₃^2-離子或Cl-離子時，水含量的變化不會造成多型的改變，層結構始終為3R1多型。

層間陰離子的構型反映了局域的氫鍵作用，而片層的堆垛會影響長程的靜電作用。局域的氫鍵作用和長程的靜電作用共同維系水滑石超族礦物的結構與穩定性。這為揭示該族礦物在地球化學環境中的穩定性提供了重要的結構認識。

來源：廣州地化所