倪凤娟，陈春玉，廖志权，赵凯，陈光剑，陈律，曹宇，熊万宇康

丹霞地层砂岩及花岗岩矿物表面金属氧化物膜的光电响应

倪凤娟1，陈春玉1，廖志权2，赵凯1，陈光剑1，陈律1，曹宇1，熊万宇康1

（1. 东华理工大学地球科学学院，南昌 330013；2. 江西省地质矿产勘查开发局赣南地质调查大队，江西 赣州 341000）

地球表面出露各种各样的矿物，由于表生地球化学作用，矿物的表面常被一层金属氧化物膜所覆盖，该氧化物膜受到太阳光的照射能否产生光电效应是当前的研究前缘。对来自江西龙虎山丹霞地层的含砾砂岩和江西赣州燕山期稀土矿化的半风化花岗岩进行矿物的光电测试表明：①龙虎山丹霞红层的主要矿物成分为长石、石英、粘土等，岩性为红色中粗粒砂岩，局部地区的砂岩中含有砾石，砂岩磨圆度一般，泥质胶结结构，压实程度一般。江西赣州燕山期半风化花岗岩采集自离子吸附型稀土矿区，具有典型的中粗粒花岗结构，由于风化作用，岩石相对较为松散，主要的矿物为长石、石英，并含少量的黑云母。②光电测试显示丹霞地层中红色砂岩的光电效应不明显，原因可能与沟道的制作过宽、探头接触等因素导致光电流低于检出限有关；对半风化花岗岩的石英颗粒进行挑选，然后直接将石英的表面制作成电极器件，光照结果显示微弱的光电响应。

光电响应；丹霞地层；金属氧化物膜；花岗岩；砂岩

有机生物广泛分布在地球的表面，借助复杂而精巧的胞内光合作用系统，可将太阳能转化为生物化学能。无机矿物分布范围更广，是否具备类似有机生物的能量转化系统？矿物学的教科书中极少提到矿物的光电特征，这一领域的研究成果也屈指可数，直到近十年来，部分矿物学家才开始关注该领域并取得一些认识。Yen et al.在Science（2000）及Georgiou et al.在Nature Communication（2015）对美国西部沙漠中金属氧化物半导体矿物的光电子能量进行研究，认为太阳光照射下矿物表面产生多种氧自由基（图1）。2019年4月22日《美国科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，PNAS）在线发表了鲁安怀等人的最新研究成果发现：自然界存在无机矿物转化太阳能系统，文章指出太阳光不仅作用于地表生物发生经典光合作用，也一直作用于地表矿物发生非经典“矿物光合作用”。鲁安怀等人的研究成果引了较大的反响，有可能带动该领域研究的热潮。

为了研究矿物表面氧化物膜的光电响应，我们选择了江西省龙虎山丹霞地层含砾中粗粒红色砂岩、江西赣州燕山期半风化花岗岩作为研究对象。从样品外观观察，龙虎山丹霞地层的红色砂岩显棕红色，矿物成分主要为石英、长石、粘土等，根据前人研究，龙虎山是典型的丹霞地貌，其物质组成基础为红层，而红层致色的原因主要与铁氧化物有关；江西赣州燕山期半风化花岗岩采自离子吸附性矿床的稀土矿区，由于有机物的影响，显青灰色，长石发生弱高岭土化，石英表现出很强的抗风化能力，但表面发黑。

图1 太阳光照射下矿物表面产生多种氧自由基（Georgiou et al., 2015）

1 岩石特征及样品制作

1.1 岩性特征

丹霞地层的红色砂岩是典型的白垩纪沉积岩，由于红层和盐类矿物（如芒硝、石盐等）区域性共生现象普遍，大都认为其形成于干燥炎热的古气候环境。一方面岩石经历风化作用强烈，可以提供丰富的物源，另一方面岩石氧化作用强烈；但也有研究人员认为红色的土壤产于温暖潮湿的气候条件之下（吴文斌等，2020；刘昕羽等，2020）。此外，岩屑来源区的气候情况决定着沉积物最初是否呈红颜色，而沉积盆地的自然条件又决定了是否能保存住红的颜色，看来仅仅是红颜色本身，不能作为炎热干燥气候的标志（李林强，2014；叶玮等，2006）。研究对象江西龙虎山地区的红色砂岩含少量砾石，红色砂岩的主要矿物成分为长石（30%）、石英（45%）、粘土（15%）、云母（5%）及岩屑等，为红色中粗粒砂岩，磨圆度一般，泥质胶结结构，压实程度一般，砾石粒径约3～6mm（图2）。

图2 红层及稀土矿化花岗岩样品

（左侧样品来自江西省龙虎山丹霞地层；右侧样品江西赣州燕山期半风化花岗岩，发育离子吸附型稀土矿化，箭头所指为石英颗粒，石英颗粒表面由于金属氧化膜的存在而发黑，并且石工英颗粒表面相对较为平整）

赣州半风化花岗岩具典型的花岗结构（图2），石英及长石颗粒粒径达3～5mm。石英抗风化能力强，风化特征不明显，但是石英表面较暗淡，可能是表面存在金属氧化物的沉淀。长石呈土状光泽，较为松软，部分可能已转变为高岭土，是长期风化淋滤的结果。

1.2 样品制备

光电分析拟制作的器件如图3所示，实际器件制作的难点在于控制沟道的宽度及电极制作。受限于实验室的条件，器件电极的制作使用的是银胶，相对热蒸镀简单快捷，实际制作完成的器件如图4所示（光学显微镜）。丹霞地层样品器件是将样品经过抛光处理后，制作成光薄片，然后再将光薄片制作成器件；石英颗粒样品器件的制作是挑选出石英颗粒，将其平整表面经过简单拭擦后直接制作成器件，未经抛光处理。器件制作完成后，分析测试的外加电压为-1.5～1.5V，激光波长为532nm。

2 测试结果

二类岩石的光电测试结果显示，江西龙虎山红色砂岩光电响应不明显（图5），而赣州地区燕山期半风化花岗岩是该地区出现了较为微弱的光电流（图6），指示石英颗粒表面的金属氧化物膜是无机矿物转化太阳能的重要载体。值得注意的是，该金属氧化物膜可能不仅是铁锰氧化物膜，因为其表面未经抛光处理，可能还存在少量有机物，减低了其光电流。

图4 电极薄膜的镜下图片

（图中针状物体为镀金电极，左侧为江西龙虎山红色砂岩，可见矿物碎屑颗粒；右侧为江西赣州燕山期半风化花岗岩石英颗粒表面）

3 结论

江西龙虎山丹霞地层、江西赣州燕山期半风化（发育离子吸附型稀土矿化）花岗岩虽然分属不同类型的岩石，但其主要矿物均为石英与长石，且长期暴露在地表。这二类岩石的光电测试结果显示，红色砂岩的光电响应不明显，可能与器件的制作过程导致光电流低于检出限有关；半风化花岗岩的石英颗粒表面呈灰黑色，被金属氧化膜所包裹，其光电响应相对较为明显，指示金属氧化物膜是无机矿物转化太阳能的重要载体。

图5 江西龙虎山红色砂岩光电测试结果

图6 江西赣州稀土矿化花岗岩石英颗粒光电测试结果

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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

本研究受东华理工大学研究生创新基金DHYC-201904资助

倪凤娟（1981— ），女，江苏张家港人，工程师，研究方向：矿物学