兰州大学跨学科研究团队揭示黄土磁铁矿形成新机制 成果在《Science Bulletin》发表

我国黄土高原广泛分布的黄土是重建过去气候和磁场变化的良好载体，多年来受到国内外学者的广泛关注。经过几十年的努力，针对其物质来源已经取得了较为全面的认识，发现黄土主要来自沙漠和干旱区裸露的沉积物，进一步的研究表明，黄河流域的沙漠沉积物最终可以追溯至黄河从青藏高原东北部和华北克拉通侵蚀搬运的物质。理解黄土中磁性矿物的来源和形成机制是进行古气候和古磁场重建的基础，相关研究也已持续数十年。过去的研究揭示，粗颗粒的磁性颗粒来自冬季风从源区侵蚀搬运的磁性矿物，而细颗粒的磁性矿物主要是沉积后经历成壤并通过化学过程在原位生成。然而，针对细颗粒磁性矿物经历了什么样的化学过程而形成不同的学者具有不同的观点。利用电镜寻找磁性矿物生长过程的直接证据是解译细颗粒磁性矿物生长过程的有效手段，过去基于电镜的研究已经产生了一些突破性的认识。在此背景下，兰州大学地质科学与矿产资源学院聂军胜教授、任桂平博士、刘成英博士和博士研究生华一帆与兰州大学电镜中心李华高级工程师合作开展了进一步的更高分辨率的电镜工作。

他们首次在黄土中发现了与传统认识相反的磁性矿物组合特征，促使他们揭示了一种新的黄土磁性增强机制。在通风良好的黄土中，一般认为氧化程度较低的磁铁矿的边缘会发生进一步的氧化，生成赤铁矿边-磁铁矿核的结构，这已经被前人的电镜工作所证实。然而研究团队却发现了相反的结构：赤铁矿核被磁铁矿边所包围（图1）。

为了解释这一独特的磁性矿物组合结构，研究团队与AGU会士、美国罗切斯特大学John A. Tarduno教授、中科院地质与地球物理研究所潘永信院士团队和广州地化所何宏平院士团队合作开展了进一步的实验研究。他们在室内实验中通过加入铜绿假单胞菌成功从赤铁矿表面生成了磁铁矿（图2），且该反应发生非常迅速，可以在十天内完成，且新生成的磁铁矿颗粒在五十天后可以达到能够可靠记录地球磁场的稳定单畴范畴（几十纳米）（图3）。这些磁铁矿颗粒在黄土沉积过程中可能从赤铁矿颗粒上发生脱落，作为单独的颗粒存在。

这一认识具有多重意义。首先，因为该反应的发生速度非常快并且反应条件与自然条件十分接近，因此，该磁性矿物转化路径可能是黄土成壤过程中最为主导的磁铁矿生成路径，挑战了传统认识。其次，较快的反应速度为从黄土中重建地磁场强度提供了新机会。因为沉积岩中磁性矿物的形成时代很难确定，传统古地磁场绝对古强度重建很少用沉积岩进行。本发现证明黄土中能够稳定记录地磁场信号的稳定单畴磁铁矿可以在几十天内形成，这意味着可以用黄土中磁铁矿重建地磁场强度变化。再次，赤铁矿核与磁铁矿边的独特结构是在微生物作用下形成的，因此这一独特结构可以在地外行星探测中用于建议是否存在生命的信号，具有行星科学的意义。

该研究成果以“A new mechanism for magnetite formation in loess”为题在线发表于《Science Bulletin》。兰州大学资源环境学院博士研究生华一帆、兰州大学地质科学与矿产资源学院副教授任桂平、兰州大学材料与能源学院教授级高级实验师李华为论文共同第一作者，兰州大学地质科学与矿产资源学院聂军胜教授为通讯作者。该成果受到国家自然科学基金项目（42595532, 42301007）及甘肃省科学技术厅重点项目（23JRRA1027）的资助。

图1 中国黄土高原沉积物中独特的磁铁矿边-赤铁矿核结构。(a, c) 来自古土壤和红粘土样品的透射电镜图像。(b, d) 来自（a）和（c）中磁铁矿与赤铁矿界面（白色虚线）的放大图像。

图2 铜绿假单胞菌与赤铁矿反应10天后的透射电镜和X射线光电子能谱结果。（a）TEM图像显示反应后的赤铁矿，右上角为该区域的快速傅里叶变换图像，可见磁铁矿（蓝色箭头）和赤铁矿（红色箭头）。（b）与铜绿假单胞菌反应10天后赤铁矿的XPS结果。（c）来自（a）放大图像，显示磁铁矿在赤铁矿边缘的生长。

图3 培养反应10天、20天和50天后磁铁矿粒径及磁性变化。（a）磁滞回线。（b）磁铁矿粒径变化。三角形点为基于透射电镜图像所统计的颗粒尺寸。（c-e）高分辨透射电镜图像，显示培养10天、20天和50天后最大磁铁矿颗粒的位置及尺寸（黄色虚线）。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2026.03.027

编辑：王文乐

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