沉积硫化物占地表硫化物的95%以上，主要以黄铁矿形式存在于沉积物中。沉积黄铁矿的形成和氧化风化是硫循环的核心过程，同时也参与了其它元素（如C、N、O）的循环过程，这些过程调节着地质历史时期地球表面的氧化还原条件。草莓状黄铁矿是沉积黄铁矿的主要组成部分，贯穿于太古代以来地质历史时期的沉积物和沉积岩中。
近几十年来，人们对黄铁矿氧化过程进行了广泛的研究，特别是对反应动力学和氧化机理的研究。以往的研究大多集中在粉末样品，即断裂面，忽略了晶面效应，这阻碍了黄铁矿氧化机理的准确测定。此外，尽管沉积物中的草莓状黄铁矿的氧化行为具有重要意义，却很少被关注，仅有的认识是因其具有大的比表面积而氧化速率比块状黄铁矿快，晶体形态的影响往往被忽略。然而，组成草莓状黄铁矿的微晶颗粒是具有特殊形状的自形晶（主要是由立方体和八面体组成的聚形晶），而控制草莓状黄铁矿氧化速率的主要因素是其独特的晶体形状还是颗粒尺寸还不得而知。
中国科学院广州地球化学研究所博士研究生杜润香在导师朱建喜研究员和鲜海洋助理研究员的指导下，采用聚合物辅助水热法合成了由不同占比的{100}和{111}面组成的黄铁矿微晶颗粒（图1）。结果表明合成黄铁矿的形状、大小与自然界中组成草莓状黄铁矿的微晶颗粒一致，研究采用的三个样品暴露晶面为不同占比的{100}和{111}面组成，分别为Py-tc（截角立方体）、Py-co（立方八面体）和Py-to（截角八面体）。
图1合成黄铁矿样品Py-tc、Py-co和Py-to的结构、成分、形貌分析
以Py-tc、Py-co和Py-to为研究对象进行氧化实验，并采用X射线光电子能谱对其氧化前后表面物种测定。结果表明草莓状黄铁矿氧化速率（rPy-to > rPy-co > rPy-tc）与其比表面积（SSA(Py-tc) > SSA(Py-co) > SSA(Py-to)）无关，而受组成黄铁矿微晶颗粒的晶体形态控制（图2）。在考虑黄铁矿具有晶面依赖的氧化行为的前提下，黄铁矿的氧化层厚度可指示古环境的相对氧化条件（图3）。这可能是解释不同沉积环境局部氧化还原条件（如大氧化事件之前的局部氧化）的一个潜在的指标。
图2 S 2p和Fe 2p3/2 XPS谱中被氧化与未被氧化物种的比值(Coxidized / Cunoxidized)与氧化时间(t)的相关性图(a-b)；黄铁矿样品的氧化速率与其{111}晶面和{100}晶面的比例成正比(c)
图3 (a)两种氧化还原条件下不同晶面组成的黄铁矿的核壳结构（红色区域为氧化的黄铁矿壳，黄色区域为未氧化的黄铁矿核）；(b-c)贵州织金磷矿中天然黄铁矿氧化后的核壳结构
该研究得到国家自然科学基金项目(No.41825003、41921003)、广东省自然科学基金(No.2019A1515011303)、广东省特别支助项目(No.2019TX05L169)和中国科学院广州地球化学研究所“涂光炽优秀青年学者计划”等的联合资助。相关论文近期发表在Geochemical Perspectives Letters，该项研究的更多详细信息请参考原文。
论文信息：Du, R., Xian, H., Wu, X., Zhu, J., Wei, J., Xing, J., Tan, W., He, H. (2021) Morphology dominated rapid oxidation of framboidal pyrite. Geochemical Perspectives Letters 16, 53–58.
论文链接 http://www.geochemicalperspectivesletters.org/article2104/