地表“矿物膜”:地球“新圈层”

摘要

地球表层是一个极为复杂的开放系统,其中所充满的阳光、大气、水分、有机酸、无机酸/盐、矿物质和微生物等彼此之间无时无刻不在发生着人们尚未充分认识到的多种自然作用.本文采用环境矿物学、半导体物理学与光电化学等交叉学科研究手段,在我国南方红壤、西南喀斯特和西北戈壁等典型陆地生境中,发现直接暴露于太阳光下的土壤/岩石表面广泛发育有几十纳米到数百微米厚度的铁锰氧化物“矿物膜”;详细研究了铁锰氧化物“矿物膜”中矿物组成及其精细结构特征,发现半导体性能优异的水钠锰矿普遍存在,其晶体结构中富含促进其光催化功能的稀土元素Ce.在这些生境中,矿物岩石表面所包覆的铁锰氧化物“矿物膜”总是朝着太阳光发育,岩石背面却不出现“矿物膜”,揭示出太阳光照射下的地球陆地表面普遍存在的“矿物膜”与太阳光有着直接的响应关系.光电化学测试结果显示,天然“矿物膜”具有较好的日光响应性能,由其制成的电极在可见光照射下皆能产生明显的光电流,而不含铁锰氧化物矿物的岩石基质样品及石英、长石等矿物样品几乎不产生光电流,表明“矿物膜”光电流的产生主要与铁锰氧化物有关.进一步测得“矿物膜”中主要铁锰氧化物的禁带宽度均小于2.5eV,证明其均为对可见光具有广泛而良好吸收的天然半导体矿物.以全球日光平均辐照强度100mW/cm2计以及全球典型生境中“矿物膜”分布面积估算,全球“矿物膜”吸收太阳能等效为生物质能的最大量与2017年度全球糖类产量(1.92亿吨)相当.铁锰氧化物“矿物膜”不仅存在于陆地地表,还存在于海洋透光层中.可以认为地表“矿物膜”是地球上分布最广的天然“太阳能薄膜”,从功能上“矿物膜”相当于继地核、地幔和地壳之后的地球第四大圈层,事实上构成了地球“新圈层”,也是地球在太阳光能量驱动下发生外营力地质作用的关键地带.在此基础上,本文提出从“矿物膜”中产生的矿物光电子与太阳光子和元素价电子共同组成了地表存在的三种主要能量形式的认识.深入探讨太阳光照射下地表多圈层交互作用界面上所发生的电子传递与能量转化的微观机制,有助于深刻理解地表“矿物膜”这一地球“新圈层”如何影响地球物质演化、生命起源进化与环境变化演变的宏观过程.