白云母–流体界面盐离子分布的计算模拟研究:对离子地球化学循环的启示

摘要

黏土矿物是表生土壤、沉积物、碎屑岩结晶颗粒表面的常见矿物,常与地质流体处于共存状态。离子–水–黏土矿物的相互作用影响着表生环境的流体组成、元素输运、土壤有机质分馏和沉积物的力学特性等。通过分子动力学模拟认识离子在黏土矿物–流体界面的分布,是揭示黏土矿物参与离子地球化学循环过程的基础。以白云母为研究对象,使用分子动力学模拟和热力学计算方法,分析了白云母–碱金属盐溶液界面的离子吸附结构和静电作用特性。研究发现Na^(+)离子在白云母表面形成了两个内球络合吸附层, K^(+)、Cs^(+)离子仅形成一个内球络合吸附层。内球络合吸附层外可以形成多个外球络合吸附层,表现为离子的层状吸附结构。增大盐浓度没有改变同种离子的吸附结构,仅改变吸附层分布的大小。定量对比了使用伞状采样方法计算的离子吸附自由能曲线和基于离子密度分布得到的自由能曲线,二者总体一致,基本确证了模拟采样的充足性。研究表明界面流体不能视为均一的介电环境。