矿物–水界面吸附影响金属元素在地表环境中的迁移与循环。2:1型黏土矿物可通过阳离子交换及边缘络合等机制吸附金属，其边缘具有硅醇、铝醇和桥氧等多种位点（图1）。X射线吸收精细结构谱（XAFS）能够约束金属的局域配位及其与矿物晶格的结构关联，但不同位点的谱学信号重叠、多种络合物共存，仍使具体边缘吸附位点难以区分。
图1 蒙脱石表面位点示意图
针对这一科学难题，研究利用锌同位素，结合同步辐射谱学与理论计算，进一步约束了蒙脱石和叶蜡石边缘的锌吸附位点。研究结果支持Zn主要在与Al相关的边缘环境中形成四配位络合物。该研究利用蒙脱石和叶蜡石为模型矿物，利用二者阳离子交换能力的差异，通过调控pH和离子强度，结合Zn稳定同位素、同步辐射XAFS和密度泛函理论（DFT）计算开展研究。结果表明，在阳离子交换位点主导条件下，Zn保持与水合离子相似的六配位结构，固相–液相Zn同位素分馏接近0‰；而在边缘位点吸附主导条件下，Zn–O键长缩短至约1.98 Å，配位数降低至约4.4～4.5，产生+0.43‰～+0.48‰的显著正分馏（图2a），表明Zn同位素分馏能够反映不同吸附位点的局域配位环境差异。
为判别具体的边缘吸附位点，研究团队计算了多种边缘吸附构型的Zn同位素分馏效应（图2b）。结果表明，Si羟基位点结合的六配位Zn产生约 −0.20‰的负分馏，而Al羟基和八面体空位相连的六配位Zn仅产生+0.06‰～+0.08‰的微弱分馏，均难以解释实验观测的显著正分馏。相比之下，Al羟基和Al–O–Si桥氧相连的四配位Zn分别产生+0.89‰和+0.90‰的强正分馏。综合实测同位素分馏、XAFS结构信息及理论计算结果，研究将Zn的主要边缘吸附位点进一步约束至Al羟基和Al–O–Si桥氧位点。
图2 Zn同位素分馏与DFT计算联合约束边缘吸附位点
该研究表面，稳定同位素分馏对局域化学键振动性质的敏感性，可为谱学难以区分的吸附位点提供补充约束。这一研究将稳定同位素的应用由传统的元素来源和迁移过程示踪进一步拓展至复杂矿物界面的微观吸附位点识别，也为完善黏土矿物表面络合模型以及研究其他金属–矿物界面反应提供了新的思路。
相关成果发表于国际NI期刊Geochimica et Cosmochimica Acta，南京大学地球科学与工程学院博士后段轶仁为论文第一作者，李伟教授为通讯作者，河北工程大学何洪涛副教授、南京大学地球科学与工程学院安诗超实验师和陆现彩教授为共同作者。该研究得到国家自然科学基金创新群体基金（42421002）和何北省自然科学基金（D2026402032）等项目资助，并得到关键地球物质循环与成矿全国重点实验室、关键地球物质循环前沿科学中心和表生地球化学教育部重点实验室以及北京同步辐射光源和上海同步辐射光源的支持。
文章信息：
Yiren Duan, Hongtao He, Shichao An, Wei Li*, Xiancai Lu. 2026.Resolving edge-site specificity of Zn sorption on montmorillonite and pyrophyllite: insights from Zn isotope fractionation.Geochimica et Cosmochimica Acta, 432, 1–17.
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.gca.2026.09.022
图文：段轶仁、李伟
审核：曾罡
