丹霞地層砂巖及花崗巖礦物表面金屬氧化物膜的光電響應(yīng)

倪鳳娟，陳春玉，廖志權(quán)，趙凱，陳光劍，陳律，曹宇，熊萬(wàn)宇康

丹霞地層砂巖及花崗巖礦物表面金屬氧化物膜的光電響應(yīng)

倪鳳娟1，陳春玉1，廖志權(quán)2，趙凱1，陳光劍1，陳律1，曹宇1，熊萬(wàn)宇康1

（1. 東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，南昌 330013；2. 江西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局贛南地質(zhì)調(diào)查大隊(duì)，江西 贛州 341000）

地球表面出露各種各樣的礦物，由于表生地球化學(xué)作用，礦物的表面常被一層金屬氧化物膜所覆蓋，該氧化物膜受到太陽(yáng)光的照射能否產(chǎn)生光電效應(yīng)是當(dāng)前的研究前緣。對(duì)來(lái)自江西龍虎山丹霞地層的含礫砂巖和江西贛州燕山期稀土礦化的半風(fēng)化花崗巖進(jìn)行礦物的光電測(cè)試表明：①龍虎山丹霞紅層的主要礦物成分為長(zhǎng)石、石英、粘土等，巖性為紅色中粗粒砂巖，局部地區(qū)的砂巖中含有礫石，砂巖磨圓度一般，泥質(zhì)膠結(jié)結(jié)構(gòu)，壓實(shí)程度一般。江西贛州燕山期半風(fēng)化花崗巖采集自離子吸附型稀土礦區(qū)，具有典型的中粗?；◢徑Y(jié)構(gòu)，由于風(fēng)化作用，巖石相對(duì)較為松散，主要的礦物為長(zhǎng)石、石英，并含少量的黑云母。②光電測(cè)試顯示丹霞地層中紅色砂巖的光電效應(yīng)不明顯，原因可能與溝道的制作過(guò)寬、探頭接觸等因素導(dǎo)致光電流低于檢出限有關(guān)；對(duì)半風(fēng)化花崗巖的石英顆粒進(jìn)行挑選，然后直接將石英的表面制作成電極器件，光照結(jié)果顯示微弱的光電響應(yīng)。

光電響應(yīng)；丹霞地層；金屬氧化物膜；花崗巖；砂巖

有機(jī)生物廣泛分布在地球的表面，借助復(fù)雜而精巧的胞內(nèi)光合作用系統(tǒng)，可將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為生物化學(xué)能。無(wú)機(jī)礦物分布范圍更廣，是否具備類似有機(jī)生物的能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)？礦物學(xué)的教科書(shū)中極少提到礦物的光電特征，這一領(lǐng)域的研究成果也屈指可數(shù)，直到近十年來(lái)，部分礦物學(xué)家才開(kāi)始關(guān)注該領(lǐng)域并取得一些認(rèn)識(shí)。Yen et al.在Science（2000）及Georgiou et al.在Nature Communication（2015）對(duì)美國(guó)西部沙漠中金屬氧化物半導(dǎo)體礦物的光電子能量進(jìn)行研究，認(rèn)為太陽(yáng)光照射下礦物表面產(chǎn)生多種氧自由基（圖1）。2019年4月22日《美國(guó)科學(xué)院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，PNAS）在線發(fā)表了魯安懷等人的最新研究成果發(fā)現(xiàn)：自然界存在無(wú)機(jī)礦物轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能系統(tǒng)，文章指出太陽(yáng)光不僅作用于地表生物發(fā)生經(jīng)典光合作用，也一直作用于地表礦物發(fā)生非經(jīng)典“礦物光合作用”。魯安懷等人的研究成果引了較大的反響，有可能帶動(dòng)該領(lǐng)域研究的熱潮。

為了研究礦物表面氧化物膜的光電響應(yīng)，我們選擇了江西省龍虎山丹霞地層含礫中粗粒紅色砂巖、江西贛州燕山期半風(fēng)化花崗巖作為研究對(duì)象。從樣品外觀觀察，龍虎山丹霞地層的紅色砂巖顯棕紅色，礦物成分主要為石英、長(zhǎng)石、粘土等，根據(jù)前人研究，龍虎山是典型的丹霞地貌，其物質(zhì)組成基礎(chǔ)為紅層，而紅層致色的原因主要與鐵氧化物有關(guān)；江西贛州燕山期半風(fēng)化花崗巖采自離子吸附性礦床的稀土礦區(qū)，由于有機(jī)物的影響，顯青灰色，長(zhǎng)石發(fā)生弱高嶺土化，石英表現(xiàn)出很強(qiáng)的抗風(fēng)化能力，但表面發(fā)黑。

圖1 太陽(yáng)光照射下礦物表面產(chǎn)生多種氧自由基（Georgiou et al., 2015）

1 巖石特征及樣品制作

1.1 巖性特征

丹霞地層的紅色砂巖是典型的白堊紀(jì)沉積巖，由于紅層和鹽類礦物（如芒硝、石鹽等）區(qū)域性共生現(xiàn)象普遍，大都認(rèn)為其形成于干燥炎熱的古氣候環(huán)境。一方面巖石經(jīng)歷風(fēng)化作用強(qiáng)烈，可以提供豐富的物源，另一方面巖石氧化作用強(qiáng)烈；但也有研究人員認(rèn)為紅色的土壤產(chǎn)于溫暖潮濕的氣候條件之下（吳文斌等，2020；劉昕羽等，2020）。此外，巖屑來(lái)源區(qū)的氣候情況決定著沉積物最初是否呈紅顏色，而沉積盆地的自然條件又決定了是否能保存住紅的顏色，看來(lái)僅僅是紅顏色本身，不能作為炎熱干燥氣候的標(biāo)志（李林強(qiáng)，2014；葉瑋等，2006）。研究對(duì)象江西龍虎山地區(qū)的紅色砂巖含少量礫石，紅色砂巖的主要礦物成分為長(zhǎng)石（30%）、石英（45%）、粘土（15%）、云母（5%）及巖屑等，為紅色中粗粒砂巖，磨圓度一般，泥質(zhì)膠結(jié)結(jié)構(gòu)，壓實(shí)程度一般，礫石粒徑約3～6mm（圖2）。

圖2 紅層及稀土礦化花崗巖樣品

（左側(cè)樣品來(lái)自江西省龍虎山丹霞地層；右側(cè)樣品江西贛州燕山期半風(fēng)化花崗巖，發(fā)育離子吸附型稀土礦化，箭頭所指為石英顆粒，石英顆粒表面由于金屬氧化膜的存在而發(fā)黑，并且石工英顆粒表面相對(duì)較為平整）

贛州半風(fēng)化花崗巖具典型的花崗結(jié)構(gòu)（圖2），石英及長(zhǎng)石顆粒粒徑達(dá)3～5mm。石英抗風(fēng)化能力強(qiáng)，風(fēng)化特征不明顯，但是石英表面較暗淡，可能是表面存在金屬氧化物的沉淀。長(zhǎng)石呈土狀光澤，較為松軟，部分可能已轉(zhuǎn)變?yōu)楦邘X土，是長(zhǎng)期風(fēng)化淋濾的結(jié)果。

1.2 樣品制備

光電分析擬制作的器件如圖3所示，實(shí)際器件制作的難點(diǎn)在于控制溝道的寬度及電極制作。受限于實(shí)驗(yàn)室的條件，器件電極的制作使用的是銀膠，相對(duì)熱蒸鍍簡(jiǎn)單快捷，實(shí)際制作完成的器件如圖4所示（光學(xué)顯微鏡）。丹霞地層樣品器件是將樣品經(jīng)過(guò)拋光處理后，制作成光薄片，然后再將光薄片制作成器件；石英顆粒樣品器件的制作是挑選出石英顆粒，將其平整表面經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單拭擦后直接制作成器件，未經(jīng)拋光處理。器件制作完成后，分析測(cè)試的外加電壓為-1.5～1.5V，激光波長(zhǎng)為532nm。

2 測(cè)試結(jié)果

二類巖石的光電測(cè)試結(jié)果顯示，江西龍虎山紅色砂巖光電響應(yīng)不明顯（圖5），而贛州地區(qū)燕山期半風(fēng)化花崗巖是該地區(qū)出現(xiàn)了較為微弱的光電流（圖6），指示石英顆粒表面的金屬氧化物膜是無(wú)機(jī)礦物轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能的重要載體。值得注意的是，該金屬氧化物膜可能不僅是鐵錳氧化物膜，因?yàn)槠浔砻嫖唇?jīng)拋光處理，可能還存在少量有機(jī)物，減低了其光電流。

圖4 電極薄膜的鏡下圖片

（圖中針狀物體為鍍金電極，左側(cè)為江西龍虎山紅色砂巖，可見(jiàn)礦物碎屑顆粒；右側(cè)為江西贛州燕山期半風(fēng)化花崗巖石英顆粒表面）

3 結(jié)論

江西龍虎山丹霞地層、江西贛州燕山期半風(fēng)化（發(fā)育離子吸附型稀土礦化）花崗巖雖然分屬不同類型的巖石，但其主要礦物均為石英與長(zhǎng)石，且長(zhǎng)期暴露在地表。這二類巖石的光電測(cè)試結(jié)果顯示，紅色砂巖的光電響應(yīng)不明顯，可能與器件的制作過(guò)程導(dǎo)致光電流低于檢出限有關(guān)；半風(fēng)化花崗巖的石英顆粒表面呈灰黑色，被金屬氧化膜所包裹，其光電響應(yīng)相對(duì)較為明顯，指示金屬氧化物膜是無(wú)機(jī)礦物轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能的重要載體。

圖5 江西龍虎山紅色砂巖光電測(cè)試結(jié)果

圖6 江西贛州稀土礦化花崗巖石英顆粒光電測(cè)試結(jié)果

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Photoelectric Response of Metal Oxide Film on the Mineral Surface of Sandstone of Danxia Formation and Granite

NI Feng-juan1CHEN Chun-yu1LIAO Zhi-quan2ZHAO Kai1CHEN Guang-jian1CHEN Lü1CAO Yu1XIONGWAN Yu-kang1

(1-College of Geosciences, East China University of Technology, Nanchang 330013; 2-South Jiangxi Geological Surveying Brigade, Jiangxi Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development, Ganzhou, Jiangxi 341000)

The surface of minerals exposed on the surface of the earth is often coated by metal oxide due to the supergene geochemical action. Whether the oxide coatings can produce photoelectric effect under the sunlight is the current research frontier. In this study, photoelectric effect experiments are carried out on semi-weathered Yanshanian granite in Ganzhou and red sandstone of the Danxia formation in the Longhu Mt. The semi-weathered granite sample is sampled from a rare earth mine. It is mainly composed of quartz, feldspar and a small amount of biotite and has medium-coarse grain granitic texture. The red sandstone sample consists of quartz, feldspar and clay and has argillaceous cementation texture. The experimental results for the red sandstone sample indicate not obvious photoelectric effect, probably due to the wide channel and the contact of the probe and photocurrent lower than the detection limit. The experimental results for the granite sample show weak photoelectric response.

photoelectric response; Danxia formation; metal coating; granite; sandstone; quartz

P57

A

1006-0995（2021）04-0667-03

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.04.024

2021-02-02

本研究受東華理工大學(xué)研究生創(chuàng)新基金DHYC-201904資助

倪鳳娟（1981— ），女，江蘇張家港人，工程師，研究方向：礦物學(xué)